Informatik-Seminar. Auftakt. Informatik. Grundlagen

Transkript

1 Informatik-Seminar Auftakt Informatik Grundlagen

2 Vorstellung M. Sc. Jan Christoph Peters 27 Jahre alt Promotionsstudent an der TU Kaiserslautern wohne derzeit auch in KL Kontakt: und ihr?

3 Einheit 1 Informatik eine Übersicht

4 Informatik? Praktische Informatik Theoretische Informatik Technische Informatik Angewandte Informatik

5 Mathematik Programmiersprachen Softwaretechnik Theoretische Informatik Praktische Informatik formale Grundlagen der Informatik Programmierung von Computern Prozessoren Compiler Komplexitätstheorie Algorithmen & Datenstrukturen Betriebssysteme Rechnerarchitektur Eingebettete Systeme Robotik Technische Informatik Aufbau und Betrieb von Rechnersystemen Schaltnetze und Schaltwerke Hardwarekomponenten Elektrotechnik Numerik Berechenbarkeitstheorie Datenbanken Programmierparadigmen Formale Sprachen Semantik Automatentheorie Modellierung & Simulation Grafik Künstliche Intelligenz Angewandte Informatik Lösung konkr. Probleme mit Computern Textverarbeitung Spezifische Anwendungen Anwendungsfelder: Medizin, Wirtschaft, Physik, Chemie, Biologie, Ingenieurswesen,...

6 Mathematik Programmiersprachen Softwaretechnik Theoretische Informatik Praktische Informatik formale Grundlagen der Informatik Programmierung von Computern Prozessoren Compiler Komplexitätstheorie Algorithmen & Datenstrukturen Betriebssysteme Rechnerarchitektur Eingebettete Systeme Robotik Technische Informatik Aufbau und Betrieb von Rechnersystemen Schaltnetze und Schaltwerke Hardwarekomponenten Elektrotechnik Numerik Berechenbarkeitstheorie Datenbanken Programmierparadigmen Formale Sprachen Semantik Automatentheorie Modellierung & Simulation Grafik Künstliche Intelligenz Angewandte Informatik Lösung konkr. Probleme mit Computern Textverarbeitung Spezifische Anwendungen Anwendungsfelder: Medizin, Wirtschaft, Physik, Chemie, Biologie, Ingenieurswesen,...

7 Einheit 2 Programmierung Programmiersprachen

8 Programmierparadigmen imperativ Folge von Anweisungen, Nutzung von Kontrollstrukturen, Frage nach dem WIE deklarativ Beschreibung des Problems, Lösungsweg wird automatisch ermittelt, Frage nach dem WAS Logisch Prolog Prozedural C, Pascal, Fortran Objektorientiert C++, Java, C#, Objective-C, Perl Funktional Haskell, ML, make, ant Viele moderne Programmiersprachen unterstützen mehrere Paradigmen, so haben z. B. Python und Scala funktionale, prozedurale und auch objektorientierte Aspekte!

9 Beispiel: Prolog Datenbasis = Fakten + Regeln Fakten: mann(adam). mann(tobias). mann(frank). frau(eva). frau(daniela). frau(ulrike). vater(adam,tobias). vater(tobias,frank). vater(tobias,ulrike). mutter(eva,tobias). mutter(daniela,frank). mutter(daniela,ulrike). Regeln: grossvater(x,y) :- vater(x,z), vater(z,y). grossvater(x,y) :- vater(x,z), mutter(z,y). Ausführung = Stellen einer Anfrage?- mann(adam) yes.?- mann(heinrich) no.?- frau(x) X=eva X=daniela X=ulrike?- grossvater(adam,ulrike) yes.?- grossvater(x,frank) X=adam

10 Beispiel: Haskell [1,3] Programmcode: quicksort [] = [] quicksort (x:xs) = quicksort [a a <- xs, a <= x] ++ [x] ++ quicksort [a a <- xs, a > x] Ausführung: quicksort [6,1,9,8,7,3] gibt [1,3,6,7,8,9] aus [9,8,7]

11 Vom Code zum Programm Klassische kompilierte Programmiersprachen: C, C++, Scala, Pascal, Fortran ausführbares Programm (Maschinencode) Quellcode.c.pas.f Compiler+Linker Interpretierte Skriptsprachen: JavaScript, Python, PHP, Ruby, Lua, Perl,... Ausführung des Programms Quellcode.js.php.py Interpreter

12 Vom Code zum Programm (2) Virtuelle Ausführungsumgebung: Java, C# Quellcode.java Ausführung des Programms durch Java Virtual Machine Java Bytecode Java Compiler.class JVM Just-in-time compilation (JIT): Julia Quellcode.jl Wird vor/während Ausführung kompiliert

13 [Demo]

14 Bevor es los geht: Technische Aspekte und Regeln Ich werde JavaScript und HTML Code verwenden, außerdem etwas GLSL (dazu später mehr). Wir werden ein bisschen Mathematik brauchen, diese werde ich dann in der entsprechenden Sitzung erläutern. Nach jeder Sitzung werde ich die vorgestellten Materialien auf der zugehörigen Kurs-Website veröffentlichen. Es wird kleine Aufgaben geben, die manchmal während der Sitzung, manchmal als Hausaufgaben zu bearbeiten sind. Trinken und Essen während den Sitzungen ausdrücklich erlaubt (solange nicht exzessiv) Um rege Mitarbeit wird gebeten. Noch Fragen? Sonst geht es jetzt los.

15 Einheit 3 Die Grafikpipeline

16 GPU?

17 Der Grafikprozessor (GPU) VRAM RAM Memory Bus North Bridge CPU PCIe Bus GPU Wenige, komplexe cores (scheduling, sync) Viele simple cores (praktisch nur ALUs) RAM VRAM (i.d.r. etwas kleiner als RAM) Mehrere Cache-Ebenen (L1,L2,L3) Früher kein bis wenig, heute meist L1, L2 und Texture caches Hohe Taktrate (meist zwischen GHz) Niedrigere Taktrate, meist um 1000MHz Geringer Rechendurchsatz (ca. 500GFLOPS) Hoher Rechendurchsatz (variiert stark, zwischen 1 und 6 TFLOPS)

18 Softwareseitiger Zugriff auf die GPU DirectX OpenGL GPU Treiber CUDA (kernel space) Software (user space) OpenCL Vulkan

19 Hardwareunterstützte Grafik im Browser DirectX OpenGL GPU Treiber CUDA (kernel space) WebGL Browser (user space) OpenCL Vulkan Webpage supported by JavaScript

20 Die Grafikpipeline Define/Load Object Data Transport Object Data to VRAM T&L Vertex Shader Depth Buffer Filtering Rasterization Fragment Shader Framebuffer

21 JavaScript Objektorientierte Skriptsprache Hat nichts mit Java zu tun, sondern folgt der ECMAScript Spezifikation Wird im HTML eingebunden und vom Browser ausgeführt. Alle APIs werden von der Browserimplementierung der JS-engine bereitgestellt. Unterschiede in der Unterstützung verschiedener APIs Plattformunabhängig, einfach Der Browser ist praktisch schon eine IDE für JS. Wird zunehmend auch als eigenständige (browser-unabhängige) Programmiersprache eingesetzt (siehe Node.js)

22 Themenübersicht Kurze Einführung in JS Grundlagen in WebGL und der Grafikpipeline Datenübertragung, Buffers Shaders (Transformationen, Beleuchtung, Texturen) Instancing, Laden externer Modelle Simulation (Partikeleffekte) Dabei werden die benötigten mathematischen Grundlagen jeweils vorher präsentiert. Wir werden viel zusammen programmieren.