Sprachen und Automaten. Tino Hempel

Transkript

1 Sprachen und Automaten 4 Tino Hempel

2 Computer und Sprache Wie werden Informationen zu Daten kodiert? Welche Datenträger gibt es? Wie erfolgt die Verarbeitung der Daten? o o o Informationen werden im Computer binär codiert Bit (binary digit) Kodierung von Zahlen Byte, Hexadezimalsystem Kodierung von Zeichen ASCII, Unicode Aufbau von Speichermedien: o o o o Arbeitsspeicher mit Adressenzeilen und Datenspalten CD/DVD Festplatte USB-Stick o o EVA-Prinzip Eingabe Verarbeitung Ausgabe Einblick in das von- Neumann-Prinzip T. Hempel 2

3 Kodierung Bit binary digit Kleinste Darstellungseinheit für binäre Daten Mögliche Werte: 0 oder 1 Verwechslungsgefahr mit bit (basic indissoluble information unit): Einheit des Informationsgehalts einer Nachricht (Informationstheorie nach C. Shannon) Byte Zusammenfassung von acht Bit zu einer Einheit Historisch: Speichermenge zur Darstellung eines Zeichens Maß für die Speicherkapazität Hinweis auf das Problem der Größenpräfixe T. Hempel 3

4 Kodierung Dezimalsystem Basis: 10, Ziffern: 0, 1,, 9 Beispiel: 1204 d = Divisionsmethode mit Basis 2 Stellwertsystem nutzen Divisionsmethode mit Basis 16 Binärsystem Basis: 2, Ziffern: 0, 1 Beispiel: 1101 b = er Tabelle nutzen Hexadezimalsystem Basis: 16, Ziffern: 0,, 9, A, B,, F Beispiel: 1E7 h = T. Hempel 4

5 Kodierung Zahlen auf dem Computer: 8 Bit ganze Zahl Dezimalzahl Binärzahl Darstellung wird i.d.r. verwendet Subtraktion kann auf Addition zurückgeführt werden! Problem: = -128 Dezimalzahl Binärzahl T. Hempel

6 Kodierung Zahlen auf dem Computer: 8 Bit Komma -Zahlen Grundidee: bisher: jetzt: 1101 b = = 13 d 1101 b = = 5,5 d Erweiterung der Exponentenschreibweise in negative Zahlrichtung Problem 1: Wann wird welcher Exponent benutzt? Norm: IEEE 754 Problem 2: Nicht alle reellen Zahlen lassen sich damit darstellen/zusammenbauen! T. Hempel 6

7 Kodierung Zahlen auf dem Computer: 8 Bit Komma -Zahlen T. Hempel 7

8 Kodierung Ein Code f über den Alphabeten A und B ist eine injektive Abbildung (= Kodierung) der Form f: A B. Er ordnet jedem Wort über dem Alphabet A höchstens ein Wort über dem Alphabet B zu. Der Code heißt entzifferbar, wenn es eine eindeutige Umkehrabbildung f 1 gibt, die jedem Nachrichtenwort aus B wieder das ursprüngliche Wort aus A zuordnet. Beispiele: ASCII, ANSI, Unicode T. Hempel 8

9 Kodierung ASCII (1963) American Standard Code for Information Interchance 7-Bit-Zeichenkodierung 95 druckbare Zeichen Erweiterung auf 8. Bit Ländercodepages ASCII-Art (((( (((( )))) _.---. ( `---' \ :., : `-----' Zeichen Dezimal Hex Binär A B C T. Hempel 9

10 Kodierung Unicode (1991) Versuch, möglichst viele Schriftzeichen in einem Code zu normieren 32-Bit-Zeichenkodierung Zeichen möglich Beispiel für falsche Kodierung: T. Hempel 10

11 Speicherung Wiederholung: Digitale Speichermedien Foto: Xell. URL: T. Hempel 11

12 Fotoquelle: Informationsverarbeitung Von-Neumann-Architektur John von Neumann (1945): First Draft of a report on the EDVAC Allgemeingültiges Konzept eines universellen, speicherprogrammierbaren Rechner Für den Unterricht: Meilensteine der Naturwissenschaft und Technik: Konrad Zuse und der Computer T. Hempel 12

13 Intermezzo Quelle: Lutz Pestel (1988): In radio - fernsehen - elektronik Heft 04/1989 T. Hempel 13

14 Von-Neumann-Architektur Ein elektronisch arbeitender Rechner besteht stets aus: dem Rechenwerk (ALU - Arithmetic Logic Unit) dem Steuerwerk (CU - Control Unit) dem Speicherwerk (M - Memory Unit) dem Eingabe-/Ausgabewerk (I/O Unit) dem Verbindungssystem (BUS - Bidirectional Universal Switch) Rechenwerk CPU BUS-System Steuerwerk Ein-/Ausgabewerk Speicherwerk T. Hempel 14

15 Von-Neumann-Architektur Rechner ist universell einsetzbar, löst Vielzahl von Problemen notwendig: externe Eingabe eines Programm in Speicher Im Speicher: Programme, Daten und Ergebnisse; sind binär codiert Speicheraufbau: gleichgroße, fortlaufend nummerierten Zellen. Über die Nummer (Adresse) lässt sich jede Speicherzelle direkt lesen oder schreiben. Programm: Folge von Anweisungen; steht hintereinander im Speicher. Sprungbefehle erlauben Abweichungen von sequentiellen Abarbeitung T. Hempel 15

16 Von-Neumann-Architektur Es gibt mindestens arithmetische Befehle für Addition, Multiplikation, Konstanten laden,... logische Befehle für Vergleiche, sowie logisches NOT, AND, OR,... Transportbefehle für Bewegungen von Daten zwischen Speicherwerk und Rechenwerk sowie zur Ein- und Ausgabe bedingte Sprünge für die Implementierung von Wiederholungen und Bedingungen sonstige Befehle für Bitschieben, Unterbrechen, Warten,... T. Hempel 16

17 Von-Neumann-Architektur Demonstration eines realen Minimalrechners (LC 80) CPU Taktgenerator 900 khz Festwertspeicher mit Betriebssystem (2 KByte) I/O-Unit 2 und 3 7-Segment- Anzeige Tastatur I/O-Unit 1 Arbeitsspeicher (1 KByte) T. Hempel 17

18 Von-Neumann-Architektur Demonstration des Simulators MOPS Arbeitsspeicher CPU Ausgabe Eingabe T. Hempel 18

19 Von-Neumann-Architektur Befehle Datentransport Ein-/Ausgabe Rechenbefehle Vergleichsbefehl Sprungbefehle Programmende T. Hempel 19

20 Von-Neumann-Architektur MOPS-Beispiel Adresse Code Assembler in $ in $ ld $ add $ st $ out $ end T. Hempel 20

21 Echte Maschinensprache echtes Beispiel für einen Z80-Rechner Adresse Code Assembler Kommentar 4000H 2A LD HL,(4040H) ;Operanden von Zelle 4040H in HL 4003H 44 LD B, H ;erster Operand nach B 4004H 7D LD A, L ;zweiter Operand nach A 4005H 80 ADD B ;Addiere B zu A 4006H 27 DAA ;Dezimalkorrektur 4007H LD (4042H), A ;Speichere A auf Zelle 4042H 400AH 76 HALT ;Halt 4040H ORG 4040H ;Datenadresse organisieren 4040H 05 DEFB 05H ;erster Operand 4041H 06 DEFB 06H ;zweiter Operand 4042H 00 DEFB 00H T. Hempel 21

22 Echte Maschinensprache Ausflug zu FlowCode und zum PolyComputer 880 T. Hempel 22

23 Von-Neumann-Architektur Syntax-Regeln Pro Zeile einen Befehl Ein Leerzeichen zwischen Befehl und Operand Kommentare durch Semikolon Adressen durch ein vorangestelltes $ Daten auf die acht Adressen $64.. $71 Sprungziele: Angabe durch Raute und Zeilennummer Marken Definition nach Befehl mit vorangestellten Doppelpunkt Sprung zu Marke ohne Doppelpunkt Programmende durch Befehl end T. Hempel 23

24 Computersprachen Maschinensprache/Assembler: Für Menschen unverständlich bzw. sehr schwer lesbar Prozessorabhängig Idee von Grace Hopper (1957) Verwendung von klaren (natürlichen) Befehle Compiler A0 Weiterentwicklung COBOL Weitere Leistungen von Grace Hopper: Begriff Bug, Debugging Millenniumproblem Quelle: T. Hempel 24

25 Quelle: Computersprachen T. Hempel 25

26 Computersprachen Stammbaum der Computer-Programmiersprachen Abbildung Eine wesentlich aktuellere und detaillierte Darstellung gibt es unter der URL: T. Hempel 26

27 Rückfragen T. Hempel 27