X-Git-Url: http://mj.ucw.cz/gitweb/?a=blobdiff_plain;f=1-hradla%2F1-hradla.tex;h=9e8dd8a3438c107ef4ad3dc833bc21141dd7ad76;hb=de83fa8d6c6622158edc6b5aa05c7df89e481df5;hp=dc2b52cb7f329ac7e95bc3cb71c26d44994ac092;hpb=5526249bdf6c8437cb99951e5dbe8261d714e8be;p=ads2.git

diff --git a/1-hradla/1-hradla.tex b/1-hradla/1-hradla.tex
index dc2b52c..9e8dd8a 100644
--- a/1-hradla/1-hradla.tex
+++ b/1-hradla/1-hradla.tex
@@ -1,133 +1,206 @@
-\input ../lecnotes.tex
-
-\prednaska{1}{Paralelní algoritmy}{(zapsal Jirka Fajfr a Ján Èerný)}
-
-
-\h{Hradlo}
-Jedná se o obvod provádìjící elementární binární operace (AND, OR, ...). Ka¾dé hradlo má k-vstupù a právì jeden výstup. Mù¾eme si ho pøedstavit jako funkci
-$$f : \{0,1\}^{k} \rightarrow \{0,1\}$$
-\>kde $k$ je poèet vstupù. Pøíklad dvouvstupového hradla provádìjícího operaci AND je na Obrázku 1.1
-\figure{1_1_hradlo.eps}{Obrázek 1.1 - Hradlo provádìjící logickou operaci AND se dvìma vstupy}{4cm}
-%\>speciálním pøípadem je hradlo s poètem vstupù $k$ rovným nule. Toto hradlo pova¾ujeme za konstantu. 
-
-\h{Druhy hradlových sítí}
-\itemize\ibull
-\:boolovské obvody (maximálnì dvoustavová hradla)
-\:kombinaèní obvod (hradla s mnoha stavy)
-\endlist
-
-\h{Hradlová sí»}
-Hradlová sí» je obvod slo¾ený ze soustavy navzájem propojených hradel, vstupních a výstupních portù. Dohromady tvoøí acyklický orientovaný graf s vrcholy $V = I \cup O \cup H$ a hranami $E$. Hradlová sí» musí splòovat následující podmínky
-\numlist{\ndotted}
-\:Výsledný graf je acyklický
-\:Do ¾ádného vstupu (hradla) nevede více ne¾ jedna hrana
-\:V¹echny kromì vstupních portù jsou zapojeny
-\:Do vstpních portù nic nevede (vstupní port není výsledkem ¾ádného hradla)
-\:Výstupní porty nejsou zapojeny (nejsou zdrojem ¾ádného hradla)
-\endlist   
-
-\s{Vícevstupové hradlo s neomezeným poètem vstupù:} nepraktické (nerealizovatelné) vìt¹inou se poèet vstupù omezuje konstantou (\#)
-\figure{1_2_vice_vstupove_hradlo.eps}{Obrázek 1.2 - Trojvstupové hradlo na funkci AND}{3cm}
-
-\s{Vícevstupové hradlo:} hradlo z Obrázku 1.2, lze jednodu¹e simulovat soustavou dvou dvouvstupových hradel
-\figure{1_3_vice_vstupove_hradlo.eps}{Obrázek 1.3 - Dvouvstupové hradlo simulující funkci trojvstupového AND}{3cm}
-
-\s{Definice:} {\I Hradlová sí»} je obvod slo¾ený ze soustavy hradel tvoøící acyklický orientovaný graf s vrcholy $V = I \cup O \cup H$ \foot{I - vstupní porty, O - výstupní porty, H - hradla} a hranami $E$, takovými, ¾e 
-\numlist{\ndotted}
-\:$\forall v \in I : deg^{+}(v) = 0$
-\:$\forall v \in O : deg^{-}(v) = 0, deg^{+}(v) = 1$
-\:$\forall v \in H: \exists f(v) : \left\{0,1\right\}^{a(v)} \rightarrow \left\{0,1\right\}$\ \ \ \foot{$f(v)$ je funkce vykonávaná hradlem a $a(v)$ je arita této funkce}
-\endlist
-
-\>$deg^{+}(v) = a(v)$, hrany vstupující do hradla jsou oèíslovány $1 \ldots a(v)$.
-Navíc $\forall v \in H : a(v) \leq 2$.
-
-\s{Definice:} {\I Konstanta} je hradlo $v$, pro které platí $\#vstupù=0$, tedy ¾e nemá ¾ádné vstupy. 
-
-\s{Definice:} {\I Výpoèet sítì} probíhá v taktech. V 0tém taktu jsou definované právì vstupy.
-V i-tém taktu vydají výsledek hradla, která mìla definována vstupy v $(i - 1)$tém taktu. 
-Kdy¾ jsou definovány hodnoty v¹ech hradel a portù. Sí» se zastaví a vydá výsledek.
-\figure{1_7_vypocet_site.eps}{Obrázek 1.4 - Výpoèet hradlové sítì}{6cm}
-
-\s{Definice:} {\I i-tá vrstva} $\equiv$ vrcholy takové, ¾e $max$ $d(w, v) = i$, kde $w \in I$ a $v \in V$
-
-\s{Slo¾itosti:} Èasová slo¾itost je rovna \#poètu vrstev. Prostorová slo¾itost \#hradel sítì 
-\s{Pøíklady:}
-Je na vstupu alespoò 1 jednièka?
-
-\>{\I První øe¹ení: } zapojíme hradla sériovì za sebou. Èasová a prostorová slo¾itost n (kde n je \# hradel). Hloupé øe¹ení. Nevyu¾íváme paraleního výpoètu, v¾dy mù¾e poèítat jen jedno hradlo. 
-\figure{1_5_hloupy_or.eps}{Obrázek 1.5 - Hradlová sí», která zjistí zda-li je na vstupu alespoò jedna jednièka}{7cm}
-
-\>{\I Druhé øe¹ení: } chytøej¹í øe¹ení. Èasová slo¾itost $log(n)$, prostorová slo¾itost n. Výpoèet probíhá správnì po vrstvách
-\figure{1_4_chytry_or.eps}{Obrázek 1.6 - Chytøej¹í implementace stejného problému}{8cm}
-
-
-\h{Sèítání dovou binárních èísel}
-Máme 2 èísla délky n, oznaèíme $x_i$, $y_i$ èíslice na jejich i-tých místech, $i=0,1,..n-1$, tj $x = x_{n-1}x_{n-2} \ldots x_1x_0$, $y = y_{n-1}y_{n-2} \ldots y_1y_0$. Podobnì jejich souèet znaèíme $z = z_nz_{n-1} \ldots z_1z_0$. Ka¾dý ji¾ urèitì zná jeden algoritmus jak tento souèet spoèítat, a to
-
-\h{Algoritmus základní ¹koly}
-Pøenosy oznaèíme $c_0$ a¾ $c_{n-1}$ v krocích poèítání, dodefinujeme $c_{-1}=0$. Algoritmus probíhá zleva od místa s nejni¾¹í vahou, viz Obrázek 1.6. 
- 
-Výsledné èíslo $z_{n}...z_1z_0$ lze tedy vyjádøit pøedpisem $$z_i=x_i \oplus y_i \oplus c_{i-1}$$ kde $\oplus$ znaèí operaci XOR. Pøenos nastane, pokud je alespoò 1 èíslo jednièka, tedy
-$$c_i=(x_i \land y_i)\lor((x_i \lor y_i) \land c_{i-1})$$.
-\figure{1_6_hloupe_scitani.eps}{Obrázek 1.7 sèítání}{8cm}
-Bohu¾el na to abychom spoèítali $z_i$ musíme znát hodnotu $c_{i-1}$, tedy mít spoèítané hodnoty pro v¹echny èísla men¹í ne¾ i. To dává lineární èasovou slo¾itost. Zamysleme se nad tím jak by se proces sèítání mohl zrychlit.
-
-\h{Trik - chování blokù souètu}
-
-\figure{1_7_blok_scitani.eps}{Obrázek 1.8 - Blok souètu}{8cm}
-\>Blok se mù¾e chovat tøemi rùznými zpùsoby:
-
-\numlist{\ndotted}
-\:V¾dy vydá pøenos 0 
-\:V¾dy vydá pøenos 1
-\:Kopíruje (pøedá dál)
-\endlist
-
-\h{Rozdìlení a skládání blokù}
-Blok B lze rozdìlit na 2 bloky p,q (pokud B není trivální)
-\figure{1_10_konvence_deleni_bloku.eps}{Obrázek 1.9 - Dìlení blokù}{3cm}
-
-
-\h{Triviální bity}
-\figure{1_11_tabulka_kodovani.eps}{Obrázek 1.10 - Tabulka triviálních bitù}{3cm}
-
-\s{Tvrzení:} Ka¾dý blok mohu postavit z triviálních bitù. 
-
-\proof 
-Dùkaz indukcí z asociativity.
-
-
-
-\h{Kódování typù chování blokù}
-%\>{\I Sem tabulku prosím :)}
-
-\>Definujeme (a,x) : 
-\itemize\ibull
-\:$(1,*) = <$
-\:$(0,0) = 0$
-\:$(0,1) = 1$
-\endlist
-
-\>a operaci skládání blokù $\sigma$ pro kterou platí
-
-$(a,x) \sigma (b,y) = (c,z)$
-
-\>kde
-
-$c = a \land b$
-
-$z = (\neg a \land x) \lor (a \land y)$
-
-
-
-\h{Lep¹í algoritmus sèítání}
-V na¹em pùvodním algoritmu ze základní ¹koly jsme mìli O(n) hradel v O(n) hladinách. Algoritmus tedy nebyl paralelní a trval èas O(n).
-
-\figure{1_9_deleni_bloku.eps}{Obrázek 1.11 - Výpoèet pøenosu}{8cm}
-Víme pro ka¾dý blok velikosti $2^k$ na pozici dìlitelné $2^k$ jeho chování.
-Teï, kdy¾ u¾ známe v¹echny zbytky $c_0$ a¾ $c_n$ mù¾eme u¾ jednodu¹e v konstantním èase spoèítat výsledek.
-
-
-
-\bye
+\input ../lecnotes.tex
+
+\prednaska{1}{Hradlové sítì}{(zapsali Jirka Fajfr a Ján Èerný)}
+
+\def\land{\mathbin{\&}}
+
+Na této pøedná¹ce se budeme zabývat jednoduchým modelem paralelního poèítaèe,
+toti¾ hradlovou sítí, a uká¾eme si alespoò jeden efektivní paralelní algoritmus,
+konkrétnì sèítání dvojkových èísel v~logaritmickém èase vzhledem k~jejich délce.
+
+\h{Hradlové sítì}
+
+\s{Definice:} {\I Hradlo} je zaøízení, které poèítá nìjakou pevnì danou funkci
+s~$k$ vstupy a jedním výstupem.
+
+\s{Pøíklad:} Obvykle pracujeme s~booleovskými hradly, ta pak odpovídají funkcím
+$f: \{0,1\}^{k} \rightarrow \{0,1\} $. Z~nich nejèastìji potkáme:
+
+\itemize\ibull
+\:0-vstupové: to jsou konstanty {\sc true} a {\sc false},
+\:1-vstupové: identita (ta je vcelku k~nièemu) a negace (znaèíme~$\lnot$),
+\:2-vstupové: logický souèin ({\sc and},~$\land$) a souèet ({\sc or},~$\lor$).
+\endlist
+
+\>Hradla kreslíme tøeba následovnì:
+
+\figure{1_1_hradlo.eps}{Hradlo provádìjící logickou operaci {\sc and} se dvìma vstupy}{4cm}
+
+Z~jednotlivých hradel pak vytváøíme hradlové sítì. Pokud pou¾íváme pouze booleovská
+hradla, øíkáme takovým sítím {\I booleovské obvody,} pokud operace nad nìjakou obecnìj¹í
+(ale koneènou) mno¾inou symbolù (abecedou), nazývají se {\I kombinaèní obvody.}
+Ka¾dý vstup hradla je pøipojen buïto na~nìkterý ze~vstupù sítì nebo na~výstup nìjakého
+jiného hradla. Výstupy hradel mohou být propojeny na výstupy sítì nebo pøivedeny
+na~vstupy dal¹ích hradel, pøièem¾ je zakázáno vytváøet cykly. Ne¾ si øekneme
+formální definici, podívejme se na obrázek.
+
+\todo{OBR}
+
+\s{Definice:} {\I Hradlová sí»} je urèena:
+\itemize\ibull
+\:{\I abecedou} $\Sigma$ (to je nìjaká koneèná mno¾ina symbolù, obvykle $\Sigma=\{0,1\}$);
+\:mno¾inou {\I hradel} $H$, {\I vstupních portù} $I$ a {\I výstupních portù} $O$;
+\:acyklickým orientovaným grafem~$(V,E)$, kde~$V = H \cup I \cup O$;
+\:zobrazením~$F$, které ka¾dému hradlu $h\in H$ pøiøadí nìjakou funkci~$F(h):
+  \Sigma^{a(h)} \rightarrow \Sigma$. To je funkce, kterou toto hradlo vykonává,
+  a~èíslu $a(h)$ øíkáme {\I arita} hradla~$h$;
+\:zobrazením~$z: E \rightarrow {\bb N}$, které ka¾dé hranì vedoucí do~nìjakého
+  hradla pøiøazuje nìkterý ze vstupù tohoto hradla.
+\endlist
+
+\>Pøitom jsou splnìny následující podmínky:
+
+\itemize\ibull
+\:$\forall i \in I: \deg^{+}(i)=0$ (do~vstupù nic nevede);
+\:$\forall o \in O: \deg^{+}(o)=1 \land \deg^{-}(o)=0$ (z~výstupù nic nevede a do~ka¾dého vede právì jedna hrana);
+\:$\forall h \in H: \deg^{+}(v)=a(v)$ (do~ka¾dého hradla vede tolik hran, kolik je jeho arita);
+\:$\forall h \in H, 1\le j\le a(h)$ existuje právì jeden vrchol~$v$ takový, ¾e $z(vh)=j$
+  (v¹echny vstupy hradel jsou zapojeny).
+\endlist
+
+\s{Pozorování:} Kdybychom pøipustili hradla s~libovolnì vysokým poètem vstupù, mohli bychom
+libovolný problém se vstupem délky~$n$ vyøe¹it jedním hradlem o~$n$~vstupech, co¾ není
+ani realistické, ani pìkné. Proto pøijmìme omezení, ¾e v¹echna hradla budou mít maximálnì
+$k$ vstupù, kde~$k$ je nìjaká pevná konstanta, obvykle dvojka. Následující obrázky
+ukazují, jak hradla o~více vstupech nahradit dvouvstupovými:
+
+\twofigures{1_2_vice_vstupove_hradlo.eps}{Trojvstupové hradlo \sc and}{3cm}{1_3_vice_vstupove_hradlo.eps}{Jeho nahrazení 2-vstupovými hradly}{3cm}
+
+\s{Definice:} {\I Výpoèet sítì} probíhá v~{\I taktech.} V nultém taktu jsou definovány právì hodnoty
+vstupních portù. V~$i$-tém taktu vydají výsledek hradla, která jsou pøipojena
+na~porty nebo na~výstupy hradel, jejich¾ hodnota byla definována v~$(i-1)$-ním
+taktu. A¾ po~nìjakém koneèném poètu taktù budou definované i hodnoty výstupních
+portù, sí» se zastaví a vydá výsledek.
+
+\figure{1_7_vypocet_site.eps}{Výpoèet hradlové sítì}{6cm}
+
+\>Podle toho, jak sí» poèítá, si ji mù¾eme rozdìlit na~vrstvy:
+
+\s{Definice:} {\I $i$-tá vrstva} obsahuje v¹echny vrcholy~$v$ takové, ¾e
+nejdel¹í z~cest z~portù sítì do~$v$ má délku právì~$i$. To jsou
+pøesnì vrcholy, které vydají výsledek poprvé v~$i$-tém taktu výpoètu.
+Dává tedy smysl prohlásit za~{\I èasovou slo¾itost} sítì poèet jejích
+vrstev. Podobnì {\I prostorovou slo¾itost} definujeme jako poèet hradel
+v~síti.
+
+\s{Pøíklad:} Sestrojte sí», která zjistí, zda se mezi jejími~$n$ vstupy
+vyskytuje alespoò jedna jednièka.
+
+\>{\I První øe¹ení:} zapojíme hradla za~sebe (sériovì). Èasová a prostorová
+slo¾itost jsou~$n$. Zde vùbec nevyu¾íváme toho, ¾e by mohlo poèítat více
+hradel souèasnì.
+
+\figure{1_5_hloupy_or.eps}{Hradlová sí», která zjistí zda-li je na vstupu alespoò jedna jednièka}{7cm}
+
+\>{\I Druhé øe¹ení:} Budeme vrcholy spojovat do~dvojic, pak výsledky z~tìchto
+dvojic opìt do~dvojic a tak dále. Tak dosáhneme èasové slo¾itosti $\Theta(\log n)$,
+prostorová slo¾itost zùstane lineární.
+
+\figure{1_4_chytry_or.eps}{Chytøej¹í øe¹ení stejného problému}{8cm}
+
+\h{Sèítání binárních èísel}
+
+Pojïme se podívat na~zajímavìj¹í problém: Mìjme dvì èísla zapsané ve~dvojkové
+soustavì jako $x_{n-1}\ldots x_1x_0$ a $y_{n-1}\ldots y_1y_0$. Budeme chtít
+spoèítat jejich souèet $z_nz_{n-1}\ldots z_1z_0$.
+
+Samozøejmì mù¾eme pou¾ít algoritmus \uv{sèítání pod sebou}, který nás
+uèili na~základní ¹kole. Formálnì by se dal zapsat tøeba takto:
+$$
+z_i=x_i \oplus y_i \oplus c_{i-1},
+$$
+kde $\oplus$ znaèí operaci {\sc xor} (souèet modulo~2) a $c_{i-1}$ je {\I pøenos} z~$(i-1)$-ního
+øádu do~$i$-tého. Pøenos pøitom nastane tehdy, kdy¾ ze~tøí xorovaných èíslic
+jsou alespoò dvì jednièky:
+$$
+\eqalign{
+c_{-1} &= 0 \cr
+c_i &= (x_i \land y_i)\lor((x_i \lor y_i) \land c_{i-1}).\cr
+}
+$$
+
+\figure{1_6_hloupe_scitani.eps}{Sèítání ze~základní ¹koly}{8cm}
+
+Bohu¾el na to, abychom spoèítali $c_i$ (a~tedy~$z_i$), musíme znát hodnotu $c_{i-1}$, tedy mít
+spoèítané hodnoty pro v¹echny èísla men¹í ne¾ $i$. To dává lineární èasovou
+slo¾itost. Zamysleme se nad tím, jak by se proces sèítání mohl zrychlit.
+
+\h{Pøenosy v~blocích}
+
+Jediné, co nás pøi sèítání brzdí, jsou pøenosy. Kdybychom je dokázali spoèítat rychle
+(øeknìme v~logaritmické hloubce), souèet u¾ zvládneme dopoèítat v~konstantním èase.
+
+Podívejme se na~libovolný {\I blok} v~na¹em souètu. Tak budeme øíkat èíslùm
+$x_a\ldots x_b$ a $y_a\ldots y_b$ v~nìjakém intervalu indexù $\left<a,b\right>$.
+Pøenos $c_b$ vystupující z~tohoto bloku závisí mimo hodnot sèítancù u¾ pouze
+na~pøenosu $c_{a-1}$, který do bloku vstupuje. Záviset mù¾e pouze tøemi
+mo¾nými zpùsoby:
+
+\numlist\ndotted
+\:generuje pøenos: $c_a=1$,
+\:pohlcuje pøenos: $c_a=0$,
+\:kopíruje pøenos: $c_a=c_{b-1}$.
+\endlist
+
+\figure{1_7_blok_scitani.eps}{Blok souètu}{8cm}
+
+\s{Cvièení:} Rozmyslete si, jak pøesnì vypadají bloky s~jednotlivými typy chování.
+
+Jednobitové bloky se chovají velice jednodu¹e:
+
+\figure{1_11_tabulka_kodovani.eps}{Tabulka triviálních bitù}{3cm}
+
+Pokud máme nìjaký vìt¹í blok~$B$ slo¾ený z~men¹ích blokù $p$ a~$q$, jejich¾
+chování u¾ známe, mù¾eme z~toho odvodit, jak se chová velký blok:
+
+\figure{1_10_konvence_deleni_bloku.eps}{Skládání chování blokù}{3cm}
+
+V¹imòìme si, ¾e skládání chování blokù je asociativní operace (je to vlastnì
+úplnì obyèejné skládání funkcí), tak¾e pro libovolný blok mù¾eme jeho
+chování spoèítat v~èase $\O(\log n)$ postupným skládáním (\uv{stromeèkovým}
+zpùsobem).
+
+To nám dá nìjaký kombinaèní obvod nad trojprvkovou abecedou, ale samozøejmì
+mù¾eme chování blokù kódovat i binárnì dvojicí bitù:
+
+\itemize\ibull
+\:$(1,*) = <$,
+\:$(0,0) = 0$,
+\:$(0,1) = 1$
+\endlist
+
+\>Operaci skládání $(a,x) \odot (b,y) = (c,z)$ pak definujeme takto:
+$$
+\eqalign{
+c &= a \land b,\cr
+z &= (\neg a \land x) \lor (a \land y).\cr
+}
+$$
+
+\h{Paralelní sèítání}
+
+\>Paralelní algoritmus na~sèítání u¾ zkonstruujeme pomìrnì snadno. Bez
+újmy na~obecnosti budeme pøedpokládat, ¾e poèet bitù vstupních èísel~$n$
+je mocnina dvojky, jinak si vstup doplníme nulami.
+
+\algo
+\:Spoèteme chování blokù velikosti~1. ($\O(1)$ hladin)
+\:Postupnì poèítáme chování blokù velikosti $2^k$ na~pozicích dìlitelných $2^k$.
+  ($\O(\log n)$ hladin, na~nich¾ se skládají bloky)
+\:$c_{-1} \leftarrow 0$
+\:Urèíme $c_n$ podle $c_{-1}$ a chování (jediného) bloku velikosti~$n$.
+\:Postupnì poèítáme pøenosy na~hranicích dìlitelných $2^k$ \uv{zahu¹»ováním}:
+  jakmile víme $c_{2^k-1}$, mù¾eme dopoèítat $c_{2^k+2^{k-1}-1}$ podle
+  chování bloku $\left< 2^k+2^{k-1}-1,2^k\right>$. ($\O(\log n)$ hladin,
+  na~nich¾ se dosazuje)
+\:$\forall i: z_i = x_i \oplus y_i \oplus c_{i-1}$.
+\endalgo
+
+\figure{1_9_deleni_bloku.eps}{Výpoèet pøenosu}{8cm}
+
+Algoritmus pracuje v~èase $\O(\log n)$. Hradel je dokonce lineárnì:
+na~jednotlivých hladinách kroku~2 poèet hradel exponenciálnì klesá
+od~$n$ k~1, na~hladinách kroku~5 exponenciálnì stoupá od~1 k~$n$, tak¾e se
+seète na~$\O(n)$.
+
+\bye