Abstrakce jako zjednodušení

Ze světa elektřiny jsme se přesunuli do světa digitálních signálů. Počítače fungují na elektřině ale to je nám ajťákům prakticky úplně jedno. My ajťáci máme ve zvyku abstrahovat což znamená, že nějaká věc nám umožňuje nějaký nový pohled. Nový pohled vytváří novou vrstvu.

Na elektrická zařízení se můžeme koukat pohledem signálů. Svět elektřiny tím nezmizí, jenom pro nás přestane být podstatný.

Abstrakce nám zároveň umožňuje zjednodušení pohledu na velmi složité systémy. Počítače jsou obrovsky komplexní a komplikovaná zařízení, u kterých už dávno není možné, aby člověk zvládnul pojmout vše, co se na fyzické vrstvě v počítači děje (kde všude zrovna teče nebo neteče proud a proč).

Abstrakce jako oddělení

Všimněte si, že morseovka je také nějaký „pohled na věc“ nebo „vrstva nad spínačem a žárovkou“ — je to něco dohodnutého, vymyšleného, teoretického a vědomostního, mezi lidmi, kteří spolu komunikují.

Fyzická vrstva je v tomto příkladě přes spínač a žárovku. Ale to pro morseovku není nutné. Morseovkou lze třeba přes topení vyklepat milostnou zprávu sousedce nad váma, než na vás začne bušit nasranej soused pod váma.

Spodní vrstvu abstrakce lze nahradit za cokoliv jiného, co umožňuje další vrstvu. Toto je velmi důležitá vlastnost abstrakce. Proto nás ajťáky prakticky elektřina nezajímá, protože počítač lze provozovat jakýmkoliv způsobem, který umí předávat digitální signály.

Počítače jsou na elektřinu protože to je nejrychlejší a nejlevnější známý způsob, jak digitální signál předat – elektřina putuje rychlostí světla. Je možné vytvořit počítač, ve kterém by se signály předávaly zvukem, vodním proudem, změnou teploty, změnou tlaku…jen by takový počítač nebyl ani rychlejší a ani levnější.

Zajímavost: Někdy se potkáš s názvem „Turingovsky kompletní“ což hodně zjednodušeně řečeno znamená, že nějaké zařízení dokáže fungovat jako počítač (i když třeba jen teoreticky).

Zajímavost 2: V dnešní době je už rychlost světla významný limitující faktor. Počítače na elektřinu už nemohou být o moc rychlejší (software může být ale lépe napsán).

Shrnutí

• Abstrakce je vytvoření nového pohledu na věc, vytvoření nového pohledu nad již existující realitou nebo „vrstvou“.
• Abstrakce nám umožňuje koukat na velmi složité systémy ve více vrstvách což je jednodušší pro pochopení.
• Abstrakce nám umožňuje vyměnit předchozí vrstvu za nějaký jiný způsob, který však stále musí umožňovat nový pohled na věc, novou vrstvu.
• Abstrakce je koncept, který je v IT oboru úplně všude a ve všem.

V kapitole o procesoru jsem pojmenoval Von Neumannovu architekturu, na které jsou všechny moderní počítače postavené

V moderních počítačích je ale realita mnohem komplexnější.

Každá komponenta v počítači běží pod určitou rychlostí, stejně jako procesor. Architektura moderního počítače obsahuje obrovské množství různých „pomocných“ obvodů a čipů, nebo „bufferů“ které slouží právě k dočasnému uložení dat mezi komponentami, které pracují na různých rychlostech.

Samotný procesor obsahuje přímo v sobě sadu různých „miniaturních pamětí“ kterým se říká „cache“ která jsou odstupňované od nejrychlejší (L1) po nejpomalejší (až L4) a tyto „cache“ mohou být v procesoru vyrobeny i za použití jiné výrobní technologie. Data, se kterými procesor „právě tento okamžik“ pracuje se nachází v „registrech“.

Toto dále zesložiťuje fakt, že každý výrobce k tomu může mít jiný přístup.

• Každá základní deska může obsahovat úplně jiné uspořádání čipů/bufferů
• Každá komponenta může obsahovat úplně jiné uspořádání čipů/bufferů
• Každý procesor může obsahovat úplně jiné uspořádání „cache“ a „registrů“

Realita, jak a kudy tečou v moderních počítačích data, by se lépe dala znázornit následujícím obrázkem.

Pointa této kapitoly je, že to není pro nás ajťáky vůbec důležité!
Tyto složitosti na úrovni hardwaru nejenom, že často neznáme ale ani je pro svoji práci vůbec znát nepotřebujeme. Důležité je pouze chápat Von Neumannův model.

Každý hardware funguje uvnitř dost odlišně už jen proto, že výrobci hardwaru si navzájem konkurují výkonem, spolehlivostí a kompatibilitou.

Jak ajťáci řeší vadný hardware

Vraťme se v předchozímu příkladu. Řekněme, že si koupíme nový počítač, který zrovna obsahuje čipy, které například pojmenuji X1 a X2. My nevíme, že tam takové čipy jsou ale máme zrovna smůlu, čip X1 je přímo z výroby vadný.

To se může projevit plejádou podivných příčin – počítač se sám od sebe automaticky restartuje, náhodně zamrzává a nelze s ním pracovat, zobrazuje podivné, kryptické chybové hlášky.

Oprava je teoreticky (!) jednoduchá – stačí na základní desce vyměnit čip X1.

Jenže to my nevíme, neumíme to zjistit a ani to neumíme opravit.

My ajťáci téměř nikdy nevíme nic o tom, že na základních deskách tohoto výrobce jsou nějaké čipy X1 a X2 a vlastně v tomto příkladu ani nevíme, jestli je chyba vůbec v základní desce nebo je vada v uložišti. Proto způsob, jakým podobné chyby řešíme, je vylučovací metodou pokus-omyl kdy různě zapojujeme různá zařízení, o kterých víme, že v jiném zapojení zaručeně fungují.

Jakmile identifikujeme, které zařízení je vadné, letí do popelnice (nebo na reklamaci).

Souhrn

• Zapojení hardwaru je v realitě mnohem komplexnější.
• V každém počítači je tato komplexita hodně odlišná díky konkurenci mezi jednotlivými výrobci hardwaru.
• Nás ajťáky (podle mé definice ajťáka) tato komplexita nezajímá.
• Pokud je něco vadné, uplatňujeme vylučovací metodu pokus-omyl a testujeme, které zařízení v jakém zapojení funguje a které ne.
• Jakmile zjistíme, co je vadné, zbavíme se toho a vyměníme to celé.

Jakmile zapnete počítač, procesor společně se základní deskou hledá místo, odkud začít číst instrukce. Tyto první instrukce reprezentují většinou nějaký operační systém jako je například Windows nebo Linux.

Přerušení

Do procesoru se může kdykoliv dostat instrukce přerušení (anglicky „interrupt“) která tok instrukcí přeruší jiným tokem instrukcí. Jakmile je tok instrukcí dokončen, naváže procesor na předchozí tok.

K čemu je toto dobré?

Pohněte ukazatelem myši. Gratuluji – právě v procesoru došlo k přerušení. Počítač zpracoval fyzické signály z myši přímo v procesoru, došlo k přerušení díky kterému se na obrazovce tvého počítače posunul kurzor. Procesor pak pokračoval dál v předchozím toku instrukcí.

Přerušení se v procesorech využívá pro zpracování vstupů, využívá se ale i pro pokročilejší programování, o tom si povíme později.

Shrnutí

• Procesor zpracovává instrukce ve své interní paměti nazvané „cache“
• Přerušení je instrukce do procesoru, která přeruší současný tok instrukcí jiným tokem instrukcí a procesor musí toto přerušení zpracovat.
• Přerušení proběhne například při použití klávesnice nebo myši.

Procesor může simulovat více procesorů (a komponent) najednou ale s každou přidanou simulací se sníží výkon všech ostatních „simulovaných“ procesorů. Tzn. pokud procesor simuluje 2 procesory tak každý z těchto „simulovaných“ procesorů, pokud bude zatížen na 100%, má ve výsledku maximálně 50% výkonu, než samotný procesor. Pokud simuluješ 3 procesory tak každý má maximálně 33% výkonu atd. (pozn.: realita v moderních počítačích je složitější ale to není teď důležité)

To se ale nevztahuje pouze na procesory. Procesor totiž dokáže simulovat jakékoliv jiné zařízení a proto může klidně simulovat celý počítač nebo několik počítačů najednou. Tomu se říká virtualizace.

Dnešní procesory jsou tak výkonné, že na jednom moderním procesoru hravě zvládnete provozovat až desítku (byť slabších) dalších počítačů!

Tvůj fyzický počítač dokáže simulovat nejspíš aspoň dva další počítače a mít tak dohromady 3 počítače: 1 fyzický a 2 virtuální. Moderní procesory toto hravě zvládnou obsloužit. V IT je to často využívaný mechanismus. Ještě se k tomuto tématu později vrátíme.

Shrnutí

• Virtualizace je schopnost procesoru simulovat nejenom další procesory ale klidně i celé počítače s vlastními vstupy i výstupy.

Formát instrukce a instrukční sada

Velikost instrukce odpovídá počtu vstupních signálů (0 nebo 1) — toto je fyzický počet drátů, které uvnitř procesoru reprezentují konkrétní instrukci.

Moderní procesory mají 64 vstupních signálů. Konkrétní instrukce může vypadat třeba takto:

0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
(všude 0 znamená, že v žádném „instrukčním drátu“ v danou chvíli nejde proud).

Instrukce se skládá ze dvou částí:

• typ instrukce – toto říká, co procesor má udělat
• data – většina instrukcí vyžaduje ještě nějaké informace navíc. Může jít například o adresu v paměti nebo konkrétní hodnotu která se má někam uložit, například pro dokončení nějaké matematické operace.

Každý procesor je postavený pro specifickou instrukční sadu – to je prostě jenom dohodnutý kód který pojmenovává všechny instrukce, které procesor umí. Nejmodernější instrukční sady jsou:

• x86 – starší počítače a procesory.
  • Šířka instrukce: 32
• x86-64 (nebo jen x64) – rozšíření x86, prakticky ve všech počítačích a notebocích všude na světě.
  • Šířka instrukce: 64
• ARM – mobilní telefony a tablety
  • Šířka instrukce: 32 a 64 (ARM64)

Zajímavost: oficiální dokumentace k x86-64 má 2198 stránek a k ARM64 má 8538 stránek

Moderní procesory znají tisíce různých instrukcí a průměrný ajťák většinou žádnou instrukci nezná. Kdo si nějaké instrukce pamatuje tak většinou kvůli nějakému povinnému předmětu na vejšce.

Přímo na instrukcích dnes už jen velmi vzácně programují ajťáci, kteří potřebují vymáčknout z počítače co nejvyšší výkon – například vyrábí počítačové hry nebo jiný software, kde je kritický maximální výkon.

Některé instrukční sady lze zaměnit, některé ne.

• x86 program nebude běžet na ARM a naopak
• x86 program bude běžet na x86_64 ale ne naopak

Teplota a spotřeba energie u procesoru

Různé instrukce jsou různě náročné. Pokud procesor provádí spoustu intenzivních matematických výpočtů, zaměstnává tím obvody které produkují spoustu tepla a spotřebovávají více energie. Proto procesory vyžadují nějakou formu chlazení.

Rychlost procesoru

Jak rychle putuje elektřina v obvodech procesoru? Rychlostí světla (cca 299792 km/s). Technologie procesorů už dospěla do stavu, kdy rychlost světla je limitující faktor: je čím dál těžší postavit elektrický procesor, který by byl nějak podstatně rychlejší.

Většina moderních procesorů pro domácí použití by shořela kdyby rychlost procesoru nebyla nijak řízená. Proto jsou procesory řízené frekvencí se kterou instrukce dostávají (např. 5 Ghz = 5 miliard instrukcí za vteřinu). Výrobci procesorů balancují hodnoty frekvencí mezi teplotní stabilitou a výkonem.

Zajímavost: V moderních počítačích už nehrozí, že by něco shořelo. Moderní PC obsahují bezpečnostní čidla a jakmile teplota procesoru přesáhne nějakou hranici, frekvence procesoru se automaticky drasticky sníží třeba jen na 5-10% výkonu. Počítač začne být extrémně pomalý ale nezníčí se.

Overclocking je název pro zvýšení této frekvence nad doporučovaný údaj od výrobce procesoru (potom je nutné kvalitní chlazení aby se procesor nezníčil), toto je oblíbená praxe různých hráčů a kutilů, kteří chtějí z výkonu svého počítače vymáčknout maximum.

Shrnutí

• Instrukce procesoru se dělí na typ instrukce a data.
• Nejpoužívanější instrukční sady dnešní doby jsou x86, x86-64 a ARM.
  • x86 program lze rozeběhnout na x86_64 ale ne naopak
  • ARM program lze rozeběhnout pouze na ARM, ne na x86 ani na x86-64
• Procesory běží na stanovené frekvenci. Výrobci procesorů balancují mezi rychlostí procesoru a jeho fyzickou stabilitou. Výkonné procesory vyžadují aktivní chlazení – nějakou žebrovanou, teplovodivou strukturu s větráčky, které odvádí horký vzduch pryč.
• Overclocking je zvýšení frekvence nad limity doporučované výrobcem.

Procesor je hodně zjednodušeně elektronický čip, které umí přijmout nějakou kombinaci signálů na vstupu a na základě této kombinace vyprodukovat jinou kombinaci signálů na výstupu.

Moderní procesory jsou extrémně komplexní ale v základu je to pořád tento model. Procesor skrz vstupní signály získává instrukce na základě kterých sám něco provádí nebo skrz základní desku přikazuje něco zařízením okolo sebe.

• Skrz základní desku dostává informace od klávesnice a myši
• Skrz grafický čip/kartu posílá informace do obrazovky
• Skrz síťovou kartu komunikuje s internetem
• Skrz RAM pamět si ukládá a znovu načítá nějaké rychle dostupné informace
• Skrz základní desku zadává instrukce pro práci s daty na HDD/SSD disky

Procesor si sám nic nevymýšlí a pouze se řídí instrukcemi. Když zapnete počítač tak první co se v počítači děje je, že procesor společně se základní deskou hledá instrukce.

Pokud žádné nenajde tak s počítačem prakticky nic neuděláte a zobrazí se vám nějaká hláška, která vypadá například takto.

S prvními historickými počítači se pracovalo tak, že někdo ručně tahal za páky nebo mačkal tlačítka, které udávaly kombinaci signálů, které znamenaly nějakou konkrétní instrukci. Později se tyto instrukce zadávaly skrz děrkované štítky. Tyto počítače byly schopné rozpoznat konkrétní instrukci podle předepsané struktury děr.

Tyto počítače se používaly prakticky jen pro vědecké/vojenské účely protože jediné co uměly bylo spočítat něco rychleji (například trajektorii rakety) než kdyby to počítal člověk.

Počítače na děrkovací štítky uměly zpracovat 10 až 100 instrukcí za vteřinu. Moderní procesor je schopný zpracovat až 5 miliard (5000000000) instrukcí za vteřinu (toto je prakticky totéž jako údaj, který se udává v procesorech jako „GHz“ například „3,5 GHz“ = 3 a půl miliard instrukcí za vteřinu).

Už nedává žádný smysl psát instrukce pro procesor napřímo. 5 miliard instrukcí za vteřinu je totiž fakt hrozně moc a tak nad instrukcemi pro procesor vzniklo spousta dalších vrstev, nové pohledy a vrstvy, které nám umožňují abstrahovat (viz. předchozí díl) obrovskou složitost a rychlost moderních procesorů.

Procesor nemůže nic nedělat

Jsme v životě zvyklí na to, že máme nějaký nástroje na elektřinu, třeba vysavač. Ten zapojíme do elektřiny, pustíme a jak je v provozu tak jej nějak začneme používat.

Procesor je ale zařízení, které používáme už jen tím, že do něj pouštíme elektřinu. Jakmile je procesor „pod proudem“ tak to znamená, že přijímá instrukce. Protože ten proud, co do procesoru teče, to už jsou konkrétní instrukce!

Procesor nemá žádné „napájení“ protože elektřina, která vstupuje a vystupuje z procesoru už reprezentuje konkrétní instrukční signály.

Procesor, který nedostává instrukce, není pod proudem. Je vypnutý a když je mrtvý procesor tak je mrtvý celý počítač protože procesor říká všem ostatním komponentám, co mají dělat.

Co se děje, když zapnete počítač a vy na něm neděláte? Jaké instrukce pak tečou do procesoru?

Moderní procesory mají pro tento účel „HALT“ instrukci která způsobí, že procesor nic na výstupu nepředá a na velice krátký časový úsek se pozastaví. K této otázce se ještě vrátíme v kapitole o operačních systémech.

Shrnutí

• Procesor je zařízení, které skrz kombinace vstupních signálů dostává instrukce
• Na základě těchto instrukcí skrz kombinace výstupních signálů něco instruuje na okolní komponenty v počítači
• Procesor nemůže nic nedělat. Jakmile je pod proudem, dostává instrukce. Jakmile není pod proudem, nedostává instrukce.
• Jedna z instrukcí procesoru je „HALT“ při které se procesor pozastaví na krátký časový úsek.

Moderní počítače jsou orientované na software a od běžného uživatele se neočekává, že se bude snažit cokoliv dělat s pájkou. Stolní počítače/notebooky se skládají z komponent, které lze k sobě jednoduše spojit nebo přišroubovat. V moderních telefonech tato možnost ani neexistuje, jsou to hotová zařízení kde se neočekává, že se v tom obyčejný uživatel bude hrabat.

Historicky byly počítače obří „procesory“ které obstarávaly všechny instrukce, které jim byly zadané. Až později se začaly některé funkce z procesoru přesouvat do specializovaných zařízení.

Prakticky se dá říct, že počítač je procesor. Vše ostatní lze roztřídit na:

• základní desku
• vstupy a výstupy
• uložiště a paměť

Základní deska

Základní deska (neboli motherboard) je integrovaný obvod obsahující spoustu vlastních čipů a dalších obvodů. Hlavním účelem základní desky je procesor propojit se vstupy a výstupy a efektivně přenášet data mezi zařízeními pracujícími na jiných rychlostech. Přestože základní deska je celkem komplexní zařízení samo o sobě tak pro nás ajťáky je důležitá jen proto, protože na ni potřebujeme umístit procesor.

Kombinovaný vstup a výstup

Spousta zařízení umožňuje jak vstup tak i výstup.
Příklady: síťová karta, WiFi, bluetooth, multifunkční tiskárna…

Uložiště a paměť

Jakékoliv uložiště spadá pod kombinovaný vstup a výstup. Procesor může z uložiště číst (takže jde o vstup) ale může do uložiště i zapisovat (takže jde i o výstup). Za uložiště se považuje jakékoliv zařízení, kde jsou data „uložena“ i po odpojení od elektřiny (tzn. vypnutí počítače). Mezi tato uložiště patří HDD, SSD, Flash Disky, SD karty a podobně.

Procesor teoreticky může s každým uložištěm pracovat napřímo, prakticky se to však neděje, protože uložiště jsou pro procesor příliš pomalá.

Procesor místo toho instruuje základní desku, aby data připravila do paměti která je extra rychlá (avšak také mnohem dražší a s mnohem menší kapacitou). Jakmile počítač vypnete, veškeré informace z paměti se ztratí (režim spánku přesune obsah paměti do uložiště). Této paměti se říká RAM (co přesně to znamená není teď důležité), u stolních PC/notebooků jsou to takové destičky které lze do základní desky zapojit a tím si paměť rozšířit. U telefonu je zpravidla RAM paměť zabudovaná napevno a nelze ji rozšířit.

Na vzdálenosti záleží: Moderní procesory jsou tak extrémně rychlé, že již naráží na limity fyzikálních možností. Jedním z těchto limitů je rychlost světla, kterou elektřina v procesoru putuje. Protože rychlost světla nemůže být rychlejší tak i fyzická vzdálenost mezi jednotlivými komponenty je důležitý faktor.

Zajímavost: V dnešní době lze sestavit počítač, kde RAM běží na rychlejší frekvenci než samotný procesor. Základní deska pak automaticky RAM zpomalí na stejnou frekvenci procesoru, jinak by s ní procesor nemohl pracovat.

Von Neumannova architektura

Procesor, vstupy, výstupy a paměť a uložiště propojené dohromady je koncept z roku 1945 vymyšlený jistým Von Neumannem, který víceméně platí dodnes (základní deska jeho modelu obsažena nebyla, stejně tak procesorová cache a podobně).

Shrnutí

• Hlavní komponentou počítače je procesor.
• Vše ostatní se v počítači dělí na vstupy a výstupy.
• Procesor pro práci s daty potřebuje rychlou paměť a nikdy nepracuje s persistentním uložištěm napřímo.

Informace

Proč se vlastně informačním technologiím říká „informační“.

Tohle je celkem jednoduchá věc, že jo, byť už jsem poznal, že existují lidé, kterým tento koncept dělá problém.

Karel sděluje nějakou informaci příjemci Frantovi. Karel může říct něco důležitého, něco užitečného, něco neužitečného, něco šíleného. To je nám v tuhle chvíli jedno.

Nic složitýho, že jo.

Morseovka

Představte si teď, že Karel a Franta mezi sebou nemohou osobně komunikovat. Zároveň neexistují telefony, SMS, internet….píše se rok 1882 a Edison právě vynalezl první stolní lampu.

Karel může kontaktovat Frantu třeba takto.

Obrázek nahoře působí jako zhovadilost, že? Karel sice může vypínačem zapnout a zhasnout světlo, které vidí Franta ale nemůže poslat Frantovi vůbec žádnou informaci, pokud si nedomluví nějaký kód!

Ten kód může být třeba morseovka. Pokud se oba naučí morseovku, může Karel sdělit Frantovi úplně cokoliv.

Podobným způsobem se můžete dívat na počítač. V úplném základu je počítač zařízení, které uvnitř komunikuje skrz signály. Miliardy signálů, které ale komunikují nějakým dohodnutým kódem. Čtěte dál.

Digitální signál

Elektrické schéma lampičky je jednoduché.

Digitální schéma lampičky je vlastně totéž akorát zjednodušeně:

Všimněte si, že zmizelo úplně vše, co se týká elektřiny: elektrický zdroj, připojení ke zdroji a uzavření obvodu. Zůstal pouze vypínač a žárovka.

Digitální signál je nejmenší možná jednotka informace. Je to úplně ten nejjednodušší možný způsob, jak někomu něco sdělit.

• Buď je signál (totéž jako když drátem teče proud)
• Nebo není signál (totéž jako když drátem neteče proud)

To samo o sobě nestačí pro komunikaci. Pokud bude Karel náhodně blikat na Frantu jak idiot a blbě se u toho smát tak mu nic moc nesdělí. Můžou se už ale dohodnout na nějakém kódu – třeba na morseovce.

Shrnutí

• Digitální signál je nejmenší jednotka informace: buď je signál nebo není signál
• Pro dorozumění se skrz signály je potřeba dohodnout nějaký kód.
• Elektrické schéma nás nezajímá, jsme ajťáci, nejsme elektrotechnici. Zajímavější je pro nás digitální schéma.

V minulém díle jsem řekl, že nás ajťáky moc nezajímá svět elektrotechniky, nicméně neexistuje žádné oficiální rozlišení, co je ještě ajťačení a co je už elektrotechnika.

Záleží na tom, o co vám vlastně jde.

Chcete programovat roboty? Hrát si s pájkou? Vyrábět nějaké své zařízení? Programovat roboty výrobních linek? Nebo chcete programovat aplikace pro lidi? Chcete dělat weby nebo mobilní aplikace?

Jakmile si v IT oboru vyberete například práci s microcontrollery a integrovanými obvody, potom vstupujete do části oboru, která se více orientuje na hardware. Fyzická zařízení jsou zde stavěna tak, aby s nimi lidé mohli manipulovat, aby z těchto zařízení mohli něco vyrobit.

Jakmile si v IT oboru vyberete práci se softwarem na hotových zařízeních jako jsou obyčejné stolní počítače a notebooky pak vstupujete do části oboru, která se více orientuje na software. Fyzická zařízení orientovaná na software jsou extrémně složitá protože se počítá s tím, že většina uživatelů (včetně ajťáků orientovaných na software) nepotřebuje s komponentami těchto zařízení pracovat napřímo.

Celé si to můžete představit jako škálu, kde vlevo je orientace na hardware a vpravo je orientace na software.

V tomto návodu se soustředím na to, jak se stát ajťákem, který píše software. Na tom obrázku by se tedy tento návod dal zařadit úplně vpravo.

Shrnutí

• Elektrotechnik je orientovaný na hardware a práci s pájkou
• Ajťák je orientovaný na software a práci na hotovém zařízení — na to se zaměřuje tento návod
• Celý IT obor se pohybuje na škále mezi orientací na hardware a na software