Η παρουσίαση φορτώνεται. Παρακαλείστε να περιμένετε

Η παρουσίαση φορτώνεται. Παρακαλείστε να περιμένετε

ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ Κεφάλαιο 4 - A’ μέρος Υλικό - Hardware Γιώργος Γιαγλής.

Παρόμοιες παρουσιάσεις


Παρουσίαση με θέμα: "ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ Κεφάλαιο 4 - A’ μέρος Υλικό - Hardware Γιώργος Γιαγλής."— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ Κεφάλαιο 4 - A’ μέρος Υλικό - Hardware Γιώργος Γιαγλής

2 Περίληψη Κεφαλαίου 4 – Α’ μέρος Κύρια και Βοηθητική Μνήμη Είδη Κύριων και Βοηθητικών Μνημών Η Κύρια Μνήμη – Οργάνωση της μνήμης – Διευθυνσιοδότηση της μνήμης – RAM, ROM, Cache, Virtual Memory Η Βοηθητική Μνήμη – Μαγνητικές και Οπτικές Μνήμες – Σκληροί Δίσκοι – Μαγνητικές Ταινίες – CD, DVD, BluRay Disks 2

3 Περίληψη Κεφαλαίου 4 – Β’ μέρος Εισαγωγή στην Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (ΚΜΕ) – Δομικά στοιχεία της ΚΜΕ – Έλεγχος ενός προγράμματος στην ΚΜΕ – Χαρακτηριστικά της ΚΜΕ – Παράλληλη επεξεργασία 3

4 Περίληψη Κεφαλαίου 4 – Γ’ μέρος Συσκευές Εισόδου – Πληκτρολόγιο – Συσκευές κατάδειξης – web κάμερα – Σαρωτής – Συσκευές αναγνώρισης ήχου – Αναγνώστες barcode – Ασύρματη Αναγνώριση μέσω ραδιοσυχνοτήτων (RFID) Συσκευές Εξόδου – Οθόνη – Εκτυπωτής Επικοινωνία των συσκευών εισόδου-εξόδου με τον υπολογιστή 4

5 ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΚΑ & ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Κεφάλαιο 4 – Α’ μέρος Μνήμη Γιώργος Γιαγλής

6 Εισαγωγή στη Μνήμη Υπολογιστή Μνήμη = τεχνολογίες που χρησιμεύουν στην αποθήκευση δεδομένων και προγραμμάτων 6 Αριθμητική και Λογική Μονάδα Μονάδα Ελέγχου ΚΕΝΤΡΙΚΗ ΜΟΝΑΔΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ Κεντρική Μνήμη Βοηθητική Μνήμη ΜΝΗΜΗ ΜΟΝΑΔΑ ΕΙΣΟΔΟΥ ΜΟΝΑΔΑ ΕΞΟΔΟΥ

7 Κύρια και Βοηθητική Μνήμη Κύρια μνήμη – βρίσκεται εντός του υπολογιστικού συστήματος (στη μητρική πλακέτα) – συνεργάζεται με την Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας – “θυμάται” όσο λειτουργεί ο υπολογιστής – π.χ. RAM, ROM, κρυφή μνήμη (cache)... Βοηθητική μνήμη – βρίσκεται εντός και εκτός του υπολογιστικού συστήματος – “θυμάται” και αφού κλείσει ο υπολογιστής – π.χ. σκληροί δίσκοι, δίσκοι CD και DVD... Γιατί χρειαζόμαστε τη Βοηθητική μνήμη; 1.Οικονομικός τρόπος αποθήκευσης μεγάλου όγκου δεδομένων (η κύρια μνήμη είναι ακριβή και άρα μικρής χωρητικότητας) 2.Μόνιμη αποθήκευση δεδομένων (η κύρια μνήμη χάνει τα δεδομένα της όταν πάψει η τροφοδοσία της με ηλεκτρικό ρεύμα) 7

8 Ιεραρχία μνημών 8 Κρυφή Μνήμη RAM Μνήμες ROM, Flash, USB Εικονική Μνήμη, Σκληροί δίσκοι Οπτικοί δίσκοι CD, DVD, BluRay Μαγνητικές Ταινίες απόσταση από ΚΜΕ (-) μέγεθος (-) ταχύτητα (+) κόστος (+)

9 Είδη Κύριων και Βοηθητικών Μνημών 2 βασικά είδη μνήμης ανάλογα με το αν μπορούν να διατηρούν τα περιεχόμενα τους μόνιμα (δηλαδή όταν δεν τροφοδοτούνται με ηλεκτρικό ρεύμα) οι Σταθερές και οι Ασταθείς μνήμες 9 ΜΝΗΜΕΣ Σταθερές (non volatile) Ασταθείς (volatile) Μαγνητικές (π.χ. σκληροί δίσκοι) Οπτικές (π.χ. CD, DVD) Δυναμικές (π.χ. DRAM) Στατικές (π.χ. SRAM, cache) Όλες οι βοηθητικές μνήμες και η κύρια μνήμη ROM Όλες οι κύριες μνήμες (εκτός ROM)

10 Σταθερές Μνήμες Οι Σταθερές μνήμες (non volatile storage) είναι σε θέση να κρατήσουν αποθηκευμένα τα περιεχόμενα τους μόνιμα – βοηθητικές μνήμες – από κύρια μνήμη μόνο η ROM (χρησιμεύει στην φόρτωση του λειτουργικού συστήματος κατά την εκκίνηση του υπολογιστή) Μαγνητικές Μνήμες (π.χ. σκληροί δίσκοι, εύκαμπτοι δίσκοι, μαγνητικές ταινίες) – Η λειτουργία τους στηρίζεται στη μαγνήτιση επιστρωμένων περιοχών μέσω ενός ηλεκτροφόρου αγωγού – Η φορά (δεξιόστροφα και αριστερόστροφα) της μαγνήτισης αντιπροσωπεύει το 0 ή το 1 – Η μαγνήτιση είναι μόνιμη Οπτικές Μνήμες (π.χ. CD, DVD) – Η λειτουργία τους στηρίζεται στην παραμόρφωση μέσω θερμότητας («κάψιμο») επιστρωμένων περιοχών μέσω ακτίνας λέιζερ – Η παρουσία ή η απουσία παραμόρφωσης αντιπροσωπεύει το 0 ή 1 – Η παραμόρφωση είναι μόνιμη 10

11 Ασταθείς Μνήμες Οι Ασταθείς μνήμες (volatile storage) απαιτούν συνεχή τροφοδότηση με ρεύμα προκειμένου να μην μεταβληθούν/ σβηστούν τα περιεχόμενά τους – όλα τα είδη κύριας μνήμης εκτός από τη ROM Δυναμική μνήμη (dynamic memory) – DRAM (Dynamic RAM) – τα κυκλώματα αποτελούνται από τρανζίστορ και πυκνωτές – το τρανζίστορ λειτουργεί σαν διακόπτης που καθορίζει αν ο πυκνωτής θα έχει ρεύμα (αντιπροσωπεύει το 1) ή όχι (αντιπροσωπεύει το 0) – θέλει ρεύμα για την αποθήκευση (άρα μη μόνιμη αποθήκευση δεδομένων) – είναι σχετικά αργή γιατί πρέπει να ανανεώνεται πολλές φορές το δευτερόλεπτο το περιεχόμενο του πυκνωτή Στατική μνήμη (static memory) – SRAM (Static RAM) – τα κυκλώματα βασίζονται στο flip-flop – το χαμηλό δυναμικό (τάση) (αντιπροσωπεύει το 0) και το υψηλό δυναμικό (αντιπροσωπεύει το 1) – θέλει ρεύμα για την αποθήκευση (άρα μη μόνιμη αποθήκευση δεδομένων) – είναι γρήγορη γιατί δεν απαιτείται συνεχής ανανέωση του περιεχομένου του flip-flop όμως είναι πιο πολύπλοκη και συνεπώς πιο ακριβή 11

12 Κύρια Μνήμη – Βασικές Λειτουργίες Η κύρια μνήμη μας δίνει τη δυνατότητα να εκτελέσουμε τρεις βασικές λειτουργίες: – Την καταχώρηση δεδομένων τα οποία εισάγονται προς επεξεργασία στο υπολογιστικό σύστημα. – Την καταχώρηση αποτελεσμάτων που προκύπτουν από την επεξεργασία των αποθηκευμένων δεδομένων. – Την καταχώρηση ακολουθιών πράξεων, δηλαδή προγραμμάτων, οι οποίες θα εκτελεστούν επί των αποθηκευμένων δεδομένων 12

13 Οργάνωση της Κύριας Μνήμης Το στοιχείο που αποθηκεύουμε στη μνήμη είναι το bit (binary digit, δυαδικό ψηφίο) και παίρνει τιμές 0 ή 1 Η μνήμη είναι χωρισμένη σε κελιά των 8 bits = 1 byte (ψηφιοσυλλαβή) Το byte αποτελεί την μονάδα μέτρησης χωρητικότητας των μνημών των υπολογιστικών συστημάτων (κύριες και βοηθητικές) 13 ΌνομαΣύμβολο Κατά προσέγγιση μέγεθος Ακριβές μέγεθος KilobyteKb bytes 2 10 = bytes MegabyteMb 1 εκατομμύριο bytes 2 20 = bytes GigabyteGb 1 δισεκατομμύριο bytes 2 30 = bytes TerabyteTb 1 τρισεκατομμύριο bytes 2 40 = bytes PetabytePb 1 τετρακισεκατομμύριο bytes 2 50 = bytes

14 Οργάνωση της Κύριας Μνήμης Ο αριθμός των bits που μπορούν να προσπελαστούν από μια μηχανή σε μια μόνο ανάκληση ονομάζεται λέξη (word) – Η λέξη μπορεί να είναι, για παράδειγμα, μεγέθους 32, 64 ή 128 bit (ανάλογα τη μηχανή) – π.χ. μια «16μπιτη» μηχανή έχει μήκος λέξης 16 bit ή 2 bytes 14 Όνομα Κελιού ΛέξειςBytesBits Περιεχόμενα Κελιού Α Λέξη 1 Byte 1Bits ΒByte 2Bits Γ Λέξη 2 Byte 3Bits ΔByte 4Bits Ε Λέξη 3 Byte 5Bits ΖByte 6Bits Η Λέξη 4 Byte 7Bits ΘByte 8Bits Ι Λέξη 5 Byte 9Bits ΚByte 10Bits

15 Διευθυνσιοδότηση της μνήμης Κάθε κελί της μνήμης έχει ένα μοναδικό αναγνωριστικό (διεύθυνση) με το οποίο να αναφερόμαστε στο κελί αυτό Η διεύθυνση μας υποδεικνύει το κελί που θέλουμε να προσπελάσουμε (ανάγνωση/εγγραφή δεδομένων) Οι διευθύνσεις των κελιών είναι συνεχόμενοι δυαδικοί αριθμοί – από το 0 (για το πρώτο κελί της μνήμης) μέχρι το Ν-1 (όπου Ν ο αριθμός των bytes της μνήμης) – π.χ. σε μια μνήμη μεγέθους 1 Kb (1.024 bytes), οι διευθύνσεις των κελιών της είναι 0, 1, 2, Ο αριθμός των δυαδικών ψηφίων της διεύθυνσης ονομάζεται μήκος διεύθυνσης – προσδιορίζει το μέγιστο αριθμό κελιών που μπορεί να έχει μια μνήμη. – για μήκος διεύθυνσης = k, τότε μέγιστο πλήθος θέσεων μνήμης = 2 k – π.χ. Η διεύθυνση έχει μήκος 8 ψηφία άρα η μηχανή που την χρησιμοποιεί έχει το πολύ 2 8 =256 θέσεις μνήμης 15

16 Διευθυνσιοδότηση της μνήμης Διεύθυνση ΚελιούΠεριεχόμενα Κελιού ?? 16 Κάθε θέση μνήμης (κελί) χαρακτηρίζεται από δυο δυαδικούς αριθμούς – τη διεύθυνση – τα περιεχόμενα (οι αριθμοί αυτοί δεν έχουν νοηματική σχέση μεταξύ τους) Μόνο τα περιεχόμενα κάθε κελιού βρίσκονται αποθηκευμένα στη μνήμη (οι διευθύνσεις υπονοούνται) Η μνήμη του πίνακα δεξιά έχει μέγιστη χωρητικότητα 16 bytes γιατί τότε εξαντλούνται οι διαθέσιμοι συνδυασμοί τεσσάρων δυαδικών ψηφίων για τις διευθύνσεις. Αν θέλαμε να έχουμε μεγαλύτερη μνήμη, θα έπρεπε να έχουμε ένα υπολογιστή με μεγαλύτερο μήκος διεύθυνσης

17 Μνήμη Τυχαίας Προσπέλασης (RAM) Η μνήμη RAM (Random Access Memory) αποτελεί την κύρια μνήμη του υπολογιστή – η RAM είναι μνήμη τυχαίας προσπέλασης (ο χρόνος προσπέλασης ενός δεδομένου δεν εξαρτάται από τη φυσική θέση του δεδομένου στη μνήμη) – η RAM είναι μνήμη ανάγνωσης/ εγγραφής – η RAM είναι σταθερή μνήμη – τυπική χωρητικότητα της RAM είναι στα 1-4 Gb οι σύγχρονες RAM αποτελούνται: – είτε από δυναμικά ολοκληρωμένα κυκλώματα (DRAM) με βάση πυκνωτές – είτε από πιο ακριβά και πιο γρήγορα στατικά κυκλώματα (SRAM) με βάση το flip- flop 17

18 Μνήμη Ανάγνωσης Μόνο (ROM) Η μνήμη ROM (Read Only Memory) αποτελεί μέρος της κύριας μνήμη του υπολογιστή μας – η ROM είναι μνήμη τυχαίας προσπέλασης – η ROM είναι μνήμη ανάγνωσης/ εγγραφής – η ROM είναι ασταθής μνήμη – τυπική χωρητικότητα της ROM είναι στα 8-32 Μb η μνήμη ROM αναλαμβάνει τη διαδικασία εκκίνησης του υπολογιστή (boot strapping ή boot) που είναι μόνιμα αποθηκευμένη σε αυτή. Η διαδικασία αυτή εκτελείται αυτόματα όταν ξεκινάει ο υπολογιστής και εκτελεί δυο βασικές δραστηριότητες: – Ελέγχει αν όλες οι βασικές μονάδες του ηλεκτρονικού υπολογιστή (κύρια και δευτερεύουσα μνήμη, συσκευές εισόδου-εξόδου) είναι σε θέση να λειτουργήσουν. Τη δραστηριότητα αυτή αναλαμβάνει ένα σύνολο εντολών που ονομάζεται BIOS (Basic Input-Output System). – Μεταφέρει το λειτουργικό σύστημα από τη βοηθητική μνήμη (συνήθως μια προκαθορισμένη θέση του σκληρού δίσκου) στη μνήμη RAM και ξεκινάει την εκτέλεση του 18

19 Μνήμη Ανάγνωσης Μόνο (ROM) ROM μάσκας: τα περιεχόμενα είναι ενσωματωμένα στα κυκλώματα της μνήμης και δεν είναι τεχνικά εφικτό να αλλαχθούν Υπάρχουν σύγχρονες μνήμες ROM που επιτρέπουν μερική τροποποίηση των δεδομένων τους – Προγραμματιζόμενη ROM ή PROM (Programmable Read Only Memory): είναι δυνατό να προγραμματιστεί μία μόνο φορά. – Διαγράψιμη Προγραμματιζόμενη ROM ή EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory): έχει τη δυνατότητα διαγραφής και επαναπρογραμματισμού του περιεχόμενού της έως περίπου φορές χωρίς πρόβλημα με χρήση ειδικού εξοπλισμού. – Ηλεκτρικά Διαγράψιμη Προγραμματιζόμενη ROM ή EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory): είναι δυνατή η μεταβολή των περιεχομένων της χωρίς τη χρήση εργαστηριακού εξοπλισμού – Μνήμη Flash: γνωστές από την καθημερινή μας χρήση (π.χ. USB flash drives). Είναι παραλλαγές της EEPROM στις οποίες οι ταχύτητες εγγραφής έχουν αυξηθεί σημαντικά, το ίδιο και η αντοχή των κυκλωμάτων που φτάνει τις διαγραφές/ εγγραφές. 19

20 Κρυφή Μνήμη (Cache) Γενικά με τον όρο cache στην πληροφορική εννοούμε ένα αντίγραφο δεδομένων τα πρωτότυπα των οποίων βρίσκονται αποθηκευμένα σε κάποιο άλλο μέρος από το οποίο είναι δυσκολότερο, πιο χρονοβόρο ή λιγότερο οικονομικό να τα ανακτήσουμε Υπάρχουν πολλά είδη cache: – CPU cache (στην Κενρική Μονάδα Επεξεργασίας) – disk cache (στη βοηθητική μνήμη) – web cache (στον παγκόσμιο ιστό, για παράδειγμα σε μηχανές αναζήτησης) – database cache (στις βάσεις δεδομένων) Σκοπός της CPU cache είναι να επιταχύνει τη λειτουργία της υπόλοιπης μνήμης του συστήματος και συνεπώς να βελτιώσει την ταχύτητα του υπολογιστή Η μνήμη CPU cache λόγω του μεγάλου της κόστους χρησιμοποιείται σε μικρές ποσότητες ως ένα ενδιάμεσο στάδιο μεταξύ του επεξεργαστή και της κύριας μνήμης Η λειτουργία της κρυφής μνήμης βασίζεται στην αρχή της τοπικότητας (principle of locality) που υποστηρίζει ότι στο αμέσως επόμενο χρονικό διάστημα υπάρχει μεγάλη πιθανότητα πρόσβασης σε γειτονικά δεδομένα αυτών που χρησιμοποιούνται τώρα. Έτσι, όταν ένα μέρος δεδομένων μεταφέρεται από τη μνήμη στην Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας, μεταφέρονται και τα γειτονικά τους στην κρυφή μνήμη έτσι ώστε να είναι πολύ πιο γρήγορη τυχόν ανάκτηση τους αμέσως μετά. Πρακτικά, η μνήμη αυτή βρίσκεται πάνω ή κοντά στο κύκλωμα της Κεντρικής Μονάδας Επεξεργασίας 20

21 Εικονική Μνήμη (Virtual Memory) H εικονική μνήμη δεν αποτελεί κάποιο είδος φυσικής μνήμης Είναι απλά μια τεχνική που «ξεγελά» ένα πρόγραμμα κάνοντας το να πιστεύει ότι προσπελαύνει μεγάλα ποσά συνεχόμενων διευθύνσεων μνήμης RAM ενώ στην πραγματικότητα οι διευθύνσεις αυτές μπορεί να είναι κατακερματισμένες στη μνήμη του υπολογιστή ή και να βρίσκονται εκτός της κύριας μνήμης, για παράδειγμα σε ένα σκληρό δίσκο Πλεονεκτήματα χρήσης της εικονικής μνήμης: – πετυχαίνουμε την επέκταση της φυσικής μνήμης RAM του υπολογιστικού συστήματος εκμεταλλευόμενοι χώρο της βοηθητικής μνήμης. – Η τεχνική με την οποία επιτυγχάνεται η αυτόματη μεταφορά δεδομένων μεταξύ κύριας και βοηθητικής μνήμης ονομάζεται σελιδοποίηση (paging). Μειονεκτήματα χρήσης της εικονικής μνήμης: – όσο περισσότερο ο υπολογιστής στηρίζεται στην εικονική μνήμη τόσο επιβραδύνεται η λειτουργία του συστήματος (ο σκληρός δίσκος δεν είναι φτιαγμένος για τη συχνή καταχώρηση και ανάκληση μικρών ποσοτήτων δεδομένων) Πως να αυξήσετε την εικονική μνήμη στον υπολογιστή σας 21

22 Βοηθητική Μνήμη Η δευτερεύουσα ή βοηθητική μνήμη χρησιμοποιείται για τη μόνιμη αποθήκευση μεγάλων ποσοτήτων δεδομένων – Εφόσον η κύρια μνήμη χρειάζεται ρεύμα για να αποθηκεύει δεδομένα (ασταθής μνήμη) Η Βοηθητική μνήμη χωρίζεται σε δυο κατηγορίες ανάλογα με την τεχνολογία που χρησιμοποιείται – μαγνητικές βοηθητικές μνήμες – οπτικές βοηθητικές μνήμες 22 ΚριτήριοΚύρια ΜνήμηΒοηθητική Μνήμη Μονιμότητα Δεδομένων Ασταθής (τα περιεχόμενα χάνονται όταν σβήσει το ρεύμα) Σταθερή (τα περιεχόμενα παραμένουν μόνιμα) Μέγεθος Μικρή (υπάρχει περιορισμός στο μέγεθος της) Άπειρη (μπορούμε απλά να αγοράσουμε όση χωρητικότητα θέλουμε) Ταχύτητα Μεγάλη (nanoseconds / bit) Μικρή (milliseconds / bit) ΠαραδείγματαRAMΣκληροί δίσκοι, CD, DVD

23 Μαγνητικές Μνήμες Στην περίπτωση των μαγνητικών μνημών, η τεχνολογία που χρησιμοποιείται είναι η μαγνήτιση κατάλληλα επιστρωμένων υλικών Τα δεδομένα διαβάζονται από ή αποθηκεύονται σε μία επιφάνεια η οποία έχει επιστρωθεί με μαγνητικό υλικό μέσω μίας κεφαλής ηλεκτρομαγνήτη ανάγνωσης/ εγγραφής – Εγγραφή: με τη βοήθεια της κεφαλής μαγνητίζεται μόνιμα μια μικρή περιοχή. Η πολικότητα της μαγνήτισης (δεξιόστροφη ή αριστερόστροφη) κωδικοποιεί το 0 και το 1 – Ανάγνωση: η κεφαλή περνά πάνω από τη μαγνητισμένη περιοχή με αποτέλεσμα να δημιουργείται επαγωγικό ρεύμα με φορά που εξαρτάται από την πολικότητα της μαγνήτισης που είχε γίνει. Ανάλογα λοιπόν με τη φορά του ρεύματος διαβάζεται το 0 ή το 1 23

24 Οπτικές Μνήμες Στην περίπτωση των οπτικών μνημών, η τεχνολογία που χρησιμοποιείται είναι οι οπτικές δέσμες (ακτίνες λέιζερ) σε υλικά επιστρωμένα με αλουμίνιο Τα δεδομένα διαβάζονται από ή αποθηκεύονται σε ένα δίσκο που είναι επικαλυμμένος με μια στρώση αλουμινίου μέσω μιας ακτίνας λέιζερ – Εγγραφή: μια ισχυρή δέσμη λέιζερ «καίει» την επιφάνεια του δίσκου και έτσι σχηματίζεται μια εσοχή (pit) ή την αφήνει ως έχει και έτσι σχηματίζεται μια κοιλάδα (land), κωδικοποιώντας έτσι το 0 και το 1 – Ανάγνωση: μια ασθενής δέσμη λέιζερ χτυπά το δίσκο και ένας αισθητήρας (φωτοδίοδος) διαβάζει τις αντανακλάσεις. Αν πρόκειται για σημείο που έχει καεί η αντανάκλαση είναι πολύ μικρής έντασης, ενώ αν δεν έχει καεί τότε έχουμε ολική αντανάκλαση της ακτίνας. Ανάλογα λοιπόν με το αν έχει καεί ένα σημείο ή όχι διαβάζεται το 0 ή το 1 24

25 Σκληροί Δίσκοι Ένας σκληρός δίσκος αποτελεί μια μη ασταθή (non volatile) μονάδα μαγνητικής βοηθητικής μνήμης – Οι σκληροί δίσκοι πρωτοεισήχθησαν το 1956 από την IBM – Η χρήση τους σε προσωπικούς υπολογιστές χρονολογείται από τα τέλη της δεκαετίας του 1980 – Σήμερα βρίσκουν εφαρμογή όχι μόνο στους υπολογιστές αλλά και σε μια μεγάλη γκάμα ηλεκτρονικών συσκευών (βιντεοκάμερες, παιχνιδομηχανές, DVD players κ.α.) – Από το 2005 έχουν λανσαριστεί και κυκλοφορούν κινητά τηλέφωνα με ενσωματωμένους σκληρούς δίσκους – Τον Ιανουάριο του 2008, ένας τυπικός σκληρός δίσκος για επιτραπέζιο υπολογιστή (desktop), μπορούσε να αποθηκεύσει από 120 έως 1000 GB δεδομένων, να περιστραφεί με ταχύτητες έως rpm και να μεταφέρει δεδομένα με ρυθμό 1 Gbit/s ή ταχύτερο. (1 GB = 109 B; 1 Gbit/s = 109 bit/s). – Τον Σεπτέμβριο του 2009 ένας δίσκος έχει χωρητικότητα μέχρι και 2 TB. 25

26 Σκληροί Δίσκοι Επιφάνεια Δίσκου – ένας σκληρός δίσκος αποτελείται από μια ή περισσότερες όμοιες, κυκλικές επιφάνειες (δίσκους) επιστρωμένες με μαγνητικό υλικό και στερεωμένες σε ένα κοινό άξονα τοποθετημένες η μία κάτω από την άλλη Τροχιά (track) – κάθε επιφάνεια χωρίζεται σε ένα αριθμό ομόκεντρων κύκλων που ονομάζονται τροχιές. Όλες οι επιφάνειες ενός δίσκου έχουν τον ίδιο αριθμό τροχιών. Κύλινδρος (cylinder) – όλες οι τροχιές ίδιους μεγέθους σε κάθε επιφάνεια (που βρίσκονται δηλαδή η μια κάτω από την άλλη) σχηματίζουν ένα κύλινδρο. Ένας σκληρός δίσκος έχει τόσους κυλίνδρους όσες και τροχιές. Τομέας (sector) – κάθε επιφάνεια χωρίζεται σε ένα συγκεκριμένο αριθμό τομέων που έχουν μια συγκεκριμένη χωρητικότητα σε bytes (π.χ. 512 bytes). – κάθε τομέας έχει διαφορετικό φυσικό μέγεθος – όλοι οι τομείς αποθηκεύουν την ίδια ποσότητα δεδομένων Συστοιχία (cluster) – δύο ή περισσότεροι τομείς σχηματίζουν την συστοιχία (η μικρότερη μονάδα αποθήκευσης δεδομένων) Ενότητα (block) – Η ποσότητα των δεδομένων που μπορεί να μεταφερθεί από ή προς ένα τομέα με μία ενέργεια ανάκλησης ή αποθήκευσης 26

27 Σκληροί Δίσκοι Η χωρητικότητα ενός σκληρού δίσκου προκύπτει ως εξής: Επιφάνειες (Ε) × Τροχιές/Επιφάνεια (T) × Τομείς/Τροχιά (S) × Bytes/Τομέα (B) = Χωρητικότητα (σε bytes) π.χ. έστω ένας σκληρός δίσκος με 6 επιφάνειες, τροχιές ανά επιφάνεια, 256 τομείς ανά τροχιά και 512 bytes ανά τομέα. Η χωρητικότητα του είναι: – Ε × Τ × S × Β = 6 * * 256 * 512 = bytes ή 12 Gb Η συστοιχία αποτελεί τη μικρότερη μονάδα αποθήκευσης δεδομένων και κάθε αρχείο πρέπει να καταλαμβάνει ακέραιο αριθμό συστοιχιών – Έστω ότι ο παραπάνω δίσκος έχει μέγεθος συστοιχίας 10 τομείς – Αν αρχείο 100 bytes αποθηκευθεί στο δίσκο αυτό, αφήνει πολύ αχρησιμοποίητο χώρο: 10 × 512 bytes – 100 bytes = bytes (κατακερματισμός) 27

28 Σκληροί Δίσκοι H ανάγνωση/ εγγραφή από/ σε ένα σκληρό δίσκο γίνεται με τη βοήθεια μιας κεφαλής (head) – η κεφαλή βρίσκεται πάρα πολύ κοντά στην επιφάνεια του δίσκου και είναι στερεωμένη στην άκρη ενός βραχίονα (arm) – ο σκληρός δίσκος έχει όσες κεφαλές όσες οι επιφάνειες του (αν οι επιφάνειες είναι διπλής όψεως τότε έχουμε διπλό αριθμό κεφαλών) – οι κεφαλές είναι ενωμένες σε κοινό βραχίονα και μετακινούνται όλες μαζί Όταν πρόκειται να γίνει ανάγνωση/ εγγραφή δεδομένων 1.ο βραχίονας δέχεται εντολή να μετακινηθεί ώστε η κεφαλή να βρεθεί πάνω από το επιθυμητό σημείο της επιφάνειας του δίσκου 2.η κεφαλή διαβάζει/ εγγράφει δεδομένα στην επιφάνεια του δίσκου καθώς αυτή περιστρέφεται H μετακίνηση του βραχίονα είναι μηχανική και γι’ αυτό οι σκληροί δίσκοι έχουν χαμηλότερες ταχύτητες από την κύρια μνήμη Συνεχόμενα δεδομένα γράφονται (αν αυτό είναι εφικτό) ανά κύλινδρο, έτσι ώστε να ελαχιστοποιούνται οι μετακινήσεις του βραχίονα (άρα και η σπατάλη χρόνου) 28

29 Σκληροί Δίσκοι Ο χρόνος προσπέλασης (access time) που απαιτείται για την προσπέλαση δεδομένων που βρίσκονται αποθηκευμένα σε ένα σκληρό δίσκο είναι το άθροισμα των παρακάτω τριών παραγόντων: – Χρόνος αναζήτησης (seek time): είναι ο χρόνος που απαιτείται για να μετακινήσει ο βραχίονας την κεφαλή ανάγνωσης/εγγραφής πάνω από τον επιθυμητό κύλινδρο. Ο χρόνος αυτός μετριέται σε χιλιοστά του δευτερολέπτου (milliseconds, ms) και κυμαίνεται από 5 – 15 ms στους περισσότερους σκληρούς δίσκους. – Καθυστέρηση περιστροφής (rotational delay): είναι ο χρόνος που απαιτείται για να περιστραφεί η επιφάνεια του δίσκου έτσι ώστε η κεφαλή να βρεθεί πάνω από τον επιθυμητό τομέα Σε ένα δίσκο με ταχύτητα περιστροφής RPM (revolutions per minute, περιστροφές ανά λεπτό), η μέση καθυστέρηση περιστροφής θα είναι περίπου 8 ms – Χρόνος μεταφοράς (transfer time): είναι η ταχύτητα με την οποία μεταφέρονται τα δεδομένα από το σκληρό δίσκο προς την ΚΜΕ για επεξεργασία ή από την ΚΜΕ προς το σκληρό δίσκο για να αποθηκευτούν 29

30 Σκληροί Δίσκοι Τυπικά χαρακτηριστικά των σκληρών δίσκων που χρησιμοποιούνται σήμερα στους προσωπικούς υπολογιστές: – Χωρητικότητα: Οι σημερινοί δίσκοι έχουν χωρητικότητες της τάξης των Gb, αν και υπάρχουν φυσικά και δίσκοι μεγαλύτερης χωρητικότητας (έως και 1,5 Tb) – Ρυθμός Περιστροφής / Ρυθμός Μεταφοράς Δεδομένων: Τυπικές τιμές είναι της τάξης των περιστροφών των επιφανειών του δίσκου ανά λεπτό (RPM, revolutions per minute) που δίνουν ρυθμούς μεταφοράς δεδομένων μέχρι 1 Gbit ανά δευτερόλεπτο. Υπάρχουν βέβαια και ισχυρότεροι δίσκοι με ρυθμούς περιστροφής πάνω από RPM και ρυθμούς μεταφοράς πάνω από 1,5 Gbit/sec. Προσοχή όμως: οι ρυθμοί μεταφοράς αυτοί αναφέρονται στο μέγιστο που μπορεί να επιτευχθεί για μεταφορά συνεχόμενων δεδομένων. Οι συνολικοί χρόνοι προσπέλασης (λαμβάνοντας υπ’ όψιν όλους τους παράγοντες που αναφέρθηκαν πιο πριν) είναι της τάξης των 44,2 έως 111,4 Mb/sec στους περισσότερους προσωπικούς υπολογιστές. – Φυσικό μέγεθος: Ενώ οι πρώτοι σκληροί δίσκοι είχαν μέγεθος 8 και αργότερα 5,25 ίντσες, οι πλέον συχνά χρησιμοποιούμενοι σήμερα είναι της τάξης των 3,5 και 2,5 ιντσών. Υπάρχουν και μικρότερου φυσικού μεγέθους δίσκοι, ιδίως για μικρότερες ηλεκτρονικές συσκευές, όπως κινητά τηλέφωνα, π.χ. 1,8 ιντσών (PC cards) και μιας ίντσας (CompactFlash) Η IBM Research παρουσίασε τη μικρότερη μονάδα αποθήκευσης δεδομένων που έχει αναπτυχθεί ως σήμερα, μια πειραματική διάταξη που αποθηκεύει 1 bit πληροφορίας σε 12 μόλις άτομα σιδήρου. Συγκριτικά, οι σημερινοί σκληροί δίσκοι και οι μνήμες flash χρειάζονται γύρω στο ένα εκατομμύριο άτομα για να εκτελέσουν την ίδια λειτουργία. Όπως γράφουν οι ερευνητές στο κορυφαίο περιοδικό Science, η νέα τεχνολογία, βασισμένη σε μια εξωτική μορφή μαγνητισμού που ονομάζεται «αντισιδηρομαγνητισμός», θα επιτρέψει στο μέλλον την αύξηση της πυκνότητας των δεδομένων κατά 100 φορές. 30

31 Μαγνητικές Ταινίες Οι μαγνητικές ταινίες είναι τεχνολογίες μη ασταθούς μαγνητικής βοηθητικής μνήμης – μια από τις παλιότερες τεχνολογίες αποθήκευσης δεδομένων – χαμηλότερη ταχύτητα και ποιότητα αποθήκευσης δεδομένων – πολύ χαμηλό κόστος αποθήκευσης – μεγάλη αποθηκευτική χωρητικότητα (της τάξης των 800 Gb ανά ταινία) – χρησιμοποιούνται ευρέως για την αποθήκευση αντιγράφων ασφαλείας, ειδικά σε επιχειρηματικές εφαρμογές και οργανισμούς η μαγνητική ταινία αποτελείται από μία πλαστική ταινία μεγάλου μήκους η οποία έχει επικαλυφθεί με σιδηρομαγνητικό υλικό (οξείδιο του σιδήρου) και είναι τυλιγμένη γύρω από μια μπομπίνα (reel) 31

32 Μαγνητικές Ταινίες Η ταινία χωρίζεται σε 9 τροχιές (tracks) ή κανάλια (channels) ή ίχνη. – σε κάθε τροχιά αποθηκεύεται ένα bit – τα πρώτα 8 bit χρησιμοποιούνται για την κωδικοποίηση ενός byte – το 9 ο bit χρησιμοποιείται για τον έλεγχο λαθών – Έλεγχος μονής ισοτιμίας ή έλεγχος άρτιας ισοτιμίας. Η ανάγνωση/ εγγραφή των δεδομένων γίνεται μέσω μιας κεφαλής ανάγνωσης/εγγραφής Η ταχύτητα μετάδοσης των δεδομένων εξαρτάται από δυο παράγοντες : – Την ταχύτητα περιστροφής της μαγνητικής ταινίας (inches per second ή ips) – Την πυκνότητα των δεδομένων (bit per inch ή bpi) – π.χ. σε μια μαγνητική ταινία όπου η ταχύτητα ανάγνωσης/εγγραφής είναι 120 ips και η πυκνότητα εγγραφής bpi, η ταχύτητα μεταφοράς των δεδομένων είναι 384 Kbps (χιλιάδες bit ανά δευτερόλεπτο) Το βασικό αρνητικό στοιχείο των μαγνητικών ταινιών είναι το γεγονός ότι η ανάγνωση και η εγγραφή γίνονται σειριακά 32

33 Συμπαγείς Δίσκοι (Compact Disks, CD) Τα CD είναι μη ασταθής οπτική βοηθητική μνήμη – αναπτύχθηκε αρχικά από τη Philips και τη Sony το 1982 για την αποθήκευση ήχου αλλά γρήγορα αναπτύχθηκαν και μορφές για την αποθήκευση δεδομένων – ένα τυπικό CD έχει διάμετρο 120 χιλιοστά, αν και υπάρχουν επίσης και Mini CD με διάμετρο 60 ή 80 χιλιοστών Γνωστές παραλλαγές της τεχνολογίας αποτελούν τα: – CD-ROM (1985), για την αποθήκευση δεδομένων. Τυπικά έχει χωρητικότητα της τάξης των Mb ανά δίσκο, ενώ τα Mini CD φτάνουν περίπου τα Mb. Όπως υποδεικνύει το «ROM» στο όνομα του, επιτρέπει μόνο την ανάγνωση και όχι την εγγραφή πληροφοριών σε αυτό – CD-R (CD Recordable) (1990), στα οποία ο χρήστης μπορεί να εγγράψει δεδομένα στην επιφάνεια του δίσκου, αλλά μόνο μια φορά. Ανήκει στην κατηγορία μνημών που είναι γνωστές ως WORM (write once, read many – μιας εγγραφής, πολλών αναγνώσεων). – CD-RW (CD ReWriteable) (1997), που επιτρέπουν πολλαπλές εγγραφές (θεωρητικά μέχρι 1.000, στην πράξη πολύ λιγότερες) πάνω στην επιφάνεια του δίσκου. – SACD (Super Audio CD), Video CD (VCD), PhotoCD, και άλλες μορφές της τεχνολογίας για πιο εξειδικευμένες χρήσεις 33

34 Συμπαγείς Δίσκοι (Compact Disks, CD) Ένα CD-ROM έχει πάχος 1,2 χιλιοστά και είναι φτιαγμένο από πλαστικό υλικό πάνω στο οποίο υπάρχει μια λεπτή στρώση αλουμινίου (σπανιότερα χρυσού) ώστε το υλικό να αντανακλά το φως Οι πληροφορίες (δυαδικά ψηφία) γράφονται πάνω στο CD με τη μορφή πολύ μικρών εσοχών (pits) που δημιουργούνται λιώνοντας το στρώμα αλουμινίου με μια ισχυρή ακτίνα λέιζερ. Οι περιοχές μεταξύ των εσοχών είναι γνωστές ως κοιλάδες (lands) Τα δεδομένα οργανώνονται στο CD σε τροχιές (tracks): – οι τροχιές αποτελούν στο CD αποτελούν μια ελικοειδή σπείρα που ξεκινάει από το κέντρο του δίσκου και εκτείνεται ως την άκρη του – οι αποστάσεις μεταξύ των τροχιών είναι της τάξης του 1,6 μm (χιλιοστά του χιλιοστού), ενώ οι αποστάσεις μεταξύ των bit είναι περίπου 0,834 μm. Το συνολικό μήκος της ακτίνας σε ένα απλό CD φτάνει τα 7,5 χιλιόμετρα! – Τα δυαδικά ψηφία 0 και 1 δεν αντιπροσωπεύονται από τις εσοχές και τις κοιλάδες. Αντίθετα, χρησιμοποιείται μια τεχνική που είναι γνωστή ως NRZI (non return to zero, inverted), σύμφωνα με την οποία μια αλλαγή από εσοχή σε κοιλάδα ή αντίστροφα συμβολίζει το ένα, ενώ καμία αλλαγή συμβολίζει το μηδέν – Κάθε τροχιά είναι χωρισμένη σε τομείς (sectors), ο κάθε ένας εκ των οποίων έχει χωρητικότητα byte – Ένα τυπικό CD έχει τομείς, δίνοντας έτσι συνολική χωρητικότητα * = bytes ή περίπου 746 Mb 34

35 Συμπαγείς Δίσκοι (Compact Disks, CD) Ανάγνωση CD – Η ανάγνωση ενός CD γίνεται με τη βοήθεια μιας μονάδας ανάγνωσης (CD-ROM drive) – Κατά την ανάγνωση στέλνεται μια ακτίνα λέιζερ μήκους κύματος 780 nm (κοντά στο υπέρυθρο φάσμα) και μετριέται από μια φωτοδίοδο η ένταση του ανακλώμενου φωτός για να αποφασιστεί αν αυτό αντιστοιχεί σε μια εσοχή ή σε μια κοιλάδα. – Οι μονάδες ανάγνωσης CD χαρακτηρίζονται από την ταχύτητα τους, η οποία συμβολίζεται με ένα αριθμό που δείχνει πόσες φορές γρηγορότερα περιστρέφει η μονάδα το CD σε σχέση με την πρότυπη ταχύτητα περιστροφής ενός CD ήχου (που είναι 150 Kb/sec). – π.χ., ένα CD drive με ταχύτητα 52x περιστρέφει τα CD που διαβάζει 52 φορές γρηγορότερα από τα CD ήχου, δίνοντας έτσι ταχύτητες μεταφοράς της τάξης των 7,8 Mb/sec Εγγραφή CD – Η εγγραφή ενός CD γίνεται με τη βοήθεια μια μονάδας εγγραφής (CD-R, CR-RW drive) – Οι μονάδες εγγραφής συνήθως χαρακτηρίζονται από τρεις διαφορετικές ταχύτητες που συμβολίζουν την ταχύτητα πρώτης εγγραφής, την ταχύτητα επανεγγραφής και την ταχύτητα ανάγνωσης – π.χ. ένα CD-RW drive με ταχύτητες 12x/10x/32x μπορεί να γράψει πληροφορίες σε ένα CD-RW με ταχύτητα 1,8 Mb/sec για την πρώτη εγγραφή (12x), 1,5 Mb/sec για επανεγγραφή (10x) και να διαβάσει δεδομένα με ταχύτητα μέχρι 4,8 Mb/sec (32x) 35

36 Ψηφιακοί Ευέλικτοι Δίσκοι (Digital Versatile Disks, DVD) Τα DVD είναι μη ασταθής οπτική βοηθητική μνήμη – Πρωτοπαρουσιάστηκαν το 1996 και αποτελούν προϊόν συγχώνευσης δυο παλιότερων τεχνολογιών, του Super Disk (SD) και του Multimedia CD (MMCD) – Τα DVD αρχικά σχεδιάστηκαν για την αποθήκευση βίντεο και στη συνέχεια έγιναν δημοφιλή σα βοηθητική μνήμη σε υπολογιστές Γνωστές παραλλαγές της τεχνολογίας αποτελούν τα: – DVD-ROM, για την αποθήκευση δεδομένων. Eπιτρέπουν μόνο την ανάγνωση και όχι την εγγραφή πληροφοριών σε αυτά – DVD-R και DVD+R (DVD Recordable), στα οποία ο χρήστης μπορεί να εγγράψει δεδομένα στην επιφάνεια του δίσκου, αλλά μόνο μια φορά. Ο δίσκος έπειτα μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο για την ανάγνωση των δεδομένων αυτών. – DVD-RW και DVD+RW (DVD ReWriteable), που επιτρέπουν πολλαπλές εγγραφές πάνω στην επιφάνεια του δίσκου. – DVD Video, DVD Audio, και άλλες μορφές της τεχνολογίας για πιο εξειδικευμένες χρήσεις 36

37 Ψηφιακοί Ευέλικτοι Δίσκοι (Digital Versatile Disks, DVD) Ένα DVD έχει 120 χιλιοστά διάμετρο, πάχος 1,2 χιλιοστά, πλαστικό υπόστρωμα με εξωτερικό στρώμα αλουμινίου Oι πληροφορίες που εγγράφονται στο DVD είναι πυκνότερες από τα CD με αποτέλεσμα να επιτυγχάνουν μεγαλύτερη αποθηκευτική δυνατότητα. – οι αποστάσεις μεταξύ των τροχιών είναι της τάξης του 0,74 μm (χιλιοστά του χιλιοστού), αντί των 1,6 μm στο CD, ενώ οι αποστάσεις μεταξύ των bit είναι περίπου 0,4 μm (0,834 μm στο CD), με αποτέλεσμα το συνολικό μήκος της σπειροειδούς ακτίνας εγγραφής δεδομένων να φτάνει τα 17,5 χιλιόμετρα σε ένα απλό DVD Η δυνατότητα πυκνότερης εγγραφής δεδομένων πάνω στην επιφάνεια ενός DVD προέρχεται από τη χρήση ακτίνας λέιζερ μήκους 650 nm (θυμηθείτε ότι στο CD η ακτίνα είναι 780 nm) – Για το λόγο αυτό η ακτίνα του DVD έχει κόκκινο χρώμα Η τυπική χωρητικότητα ενός DVD κυμαίνεται από 4,7 Gb (DVD μονής επιφάνειας, μονής στρώσης – single sided, single layer) μέχρι 17,08 Gb (DVD διπλής επιφάνειας, διπλής στρώσης – double sided, double layer) Τα DVD επιτυγχάνουν και γρηγορότερες ταχύτητες ανάγνωσης και εγγραφής 37

38 Δίσκοι Μπλέ Ακτίνας (BluRay Disks, BRD) Η τεχνολογία των BluRay δίσκων παρουσιάστηκε το 2006 και φαίνεται να αποτελεί το ντε φάκτο νέο πρότυπο για οπτικές μνήμες, επικρατώντας του ανταγωνιστικού προτύπου HD DVD (Hi Definition DVD) Οι διαστάσεις ενός δίσκου BluRay είναι οι ίδιες με αυτές ενός DVD αλλά λόγω της χρήσης ακτίνας λέιζερ ακόμα μικρότερου μήκους κύματος (405 nm, από το οποίο προκύπτει και το μπλε χρώμα της ακτίνας), τα δεδομένα γράφονται ακόμα πυκνότερα 38 ΧαρακτηριστικόCDDVDBluRay Μήκος κύματος ακτίνας λέιζερ 780nm (υπέρυθρο)640 nm (κόκκινο)405 nm (μπλε) Απόσταση μεταξύ τροχιών1,6 μm0,74 μm0,32 μm Απόσταση μεταξύ bits0,834 μm0,4 μm0,14 μm Μήκος σπειροειδούς ακτίνας εγγραφής δεδομένων 6 – 7,5 Km17,5 – 25 Km27 – 54 Km Τυπική χωρητικότητα800 – 900 Mb4,7 – 17 Gb25 – 50 Gb

39 ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΚΑ & ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Κεφάλαιο 4 – B’ μέρος Εισαγωγή στην Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (ΚΜΕ) Γιώργος Γιαγλής

40 Το σημερινό μάθημα Εισαγωγή στην Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (ΚΜΕ) – Δομικά στοιχεία της ΚΜΕ – Έλεγχος ενός προγράμματος στην ΚΜΕ – Χαρακτηριστικά της ΚΜΕ – Παράλληλη επεξεργασία 40

41 Δομικά στοιχεία της ΚΜΕ 41 Αριθμητική και Λογική Μονάδα Μονάδα Ελέγχου ΚΕΝΤΡΙΚΗ ΜΟΝΑΔΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ Κεντρική Μνήμη Βοηθητική Μνήμη ΜΝΗΜΗ ΜΟΝΑΔΑ ΕΙΣΟΔΟΥ ΜΟΝΑΔΑ ΕΞΟΔΟΥ

42 Αριθμητική & Λογική Μονάδα (ΑLU) Η αριθµητική-λογική µονάδα ALU εκτελεί τις παρακάτω πράξεις: – Αριθµητικές πράξεις: πρόσθεση, αφαίρεση, πολλαπλασιασµός, διαίρεση. Τις εκτελεί το τµήµα που καλείται αριθµητική µονάδα (ΑU). – Λογικές πράξεις: Συγκρίσεις (=, ) και διάζευξη, σύζευξη, άρνηση (OR, AND, NOT). Τις εκτελεί το τµήµα που καλείται λογική µονάδα (LU). – Βοηθητικές εργασίες για τις πράξεις όπως δεξιά ολίσθηση και αριστερή ολίσθηση 42

43 Δομικά Στοιχεία της ALU Αποτελείται από δύο τµήµατα: Καταχωρητές που χρησιµεύουν για την προσωρινή αποθήκευση αριθµών και την ολίσθηση. – Συνήθως µία αριθµητική-λογική µονάδα διαθέτει ένα ειδικό καταχωρητή ο οποίος ονοµάζεται συσσωρευτής (accumulator). Ο συσσωρευτής συγκεντρώνει τα διάφορα αποτελέσµατα των υπολογισµών. – Μία τυπική αριθµητική-λογική µονάδα διαθέτει τρεις καταχωρητές ένας από τους οποίους είναι ο συσσωρευτής. Κυκλώµατα για την εκτέλεση των πράξεων 43

44 Καταχωρητής Δομή της ALU 44 Καταχωρητής Συσσωρευτής Κύκλωμα αριθμητικών – λογικών πράξεων ΜΟΝΑΔΑ ΜΝΗΜΗΣ Αριθμητική – λογική μονάδα

45 Μονάδα Eλέγχου (CU) Η Μονάδα ελέγχου (CU) συντονίζει και κατευθύνει τη ροή των λειτουργιών της µηχανής. Ο συντονισµός επιτυγχάνεται µε ειδικά σήµατα ελέγχου που διαβιβάζονται από και προς όλες τις άλλες µονάδες. Είναι η πιο σύνθετη σε λειτουργίες µονάδα διότι συντονίζει τις λειτουργίες όλων των υπόλοιπων µονάδων. 45

46 Οι βασικές λειτουργίες της CU Καταμερισμός του χρόνου της ΚΜΕ στα εκτελούμενα προγράμματα Η έναρξη ή η διακοπή ενός προγράµµατος. Ο προσδιορισµός κάθε φορά της επόµενης προς εκτέλεση εντολής του αποθηκευµένου προγράµµατος. Η µεταφορά της υπό εκτέλεση εντολής από τη μνήμη στην ΚΜΕ. Η αποκωδικοποίηση της υπό εκτέλεση εντολής. Η επίβλεψη των λειτουργιών κατά τη φάση της εκτέλεσης της εντολής. Η ενεργοποίηση ή η απενεργοποίηση µονάδων εισόδου-εξόδου. 46

47 Δομικά Στοιχεία της CU (I) Η µονάδα ελέγχου αποτελείται από διάφορα απαραίτητα κυκλώµατα ελέγχου και συντονισµού καθώς και από τους παρακάτω καταχωρητές: Καταχωρητής εντολών (instruction register-IR) – Περιέχει κάθε φορά την προς εκτέλεση εντολή. – Μετά την αποκωδικοποίησή της παράγονται τα σήµατα που απαιτούνται για την εκτέλεσή της. Μετρητής προγράµµατος ή µετρητής εντολών (program counter PC, instruction counter) – Περιέχει την διεύθυνση της θέσης της µνήµης στην οποία υπάρχει η επόµενη εντολή από αυτή που εκτελείται. – Αφού έρθει η σειρά αυτής της εντολής και µεταφερθεί από τη µνήµη στον καταχωρητή IR, τότε το περιεχόµενο του καταχωρητή PC θα αλλάξει για να δείχνει την επόµενη διεύθυνση 47

48 Δομικά Στοιχεία της CU (II) 48 Καταχωρητής Διευθύνσεων Μνήµης (Memory Address Register-MAR) o Περιέχει τη διεύθυνση της µνήµης από την οποία θα διαβαστεί ή θα αποθηκευτεί κάποια πληροφορία και θα µεταφερθεί στην ΚΜΕ. o Το µέγεθος του είναι όσο το μήκος διεύθυνσης του υπολογιστή. Καταχωρητής Περιεχοµένων Μνήµης (Memory Data Register-MDR) o Περιέχει τα στοιχεία που µόλις διαβάστηκαν από τη θέση της µνήµης που περιέχει ο καταχωρητής MAR ή το νέο περιεχόµενο που πρόκειται να αποθηκευτεί στην διεύθυνση της µνήµης που περιέχει ο καταχωρητής MAR. o Το µέγεθός του είναι όσο η λέξη της µηχανής.

49 Συνδέσεις μεταξύ των Μονάδων Οι μονάδες υπολογιστικού συστήματος συνδέονται με καλωδιακές συνδέσεις. Οι τυπικές συνδέσεις είναι: – Data Bus (δίαυλος δεδομένων ) – Address Bus (δίαυλος διευθύνσεων) – Control lines (γραμμές ελέγχου) Ο δίαυλος ή διάδροµος (bus) είναι ένα σύνολο από παράλληλα καλώδια µε τον οποίο συνδέονται οι επιµέρους µονάδες του υπολογιστή. Για την σωστή λειτουργία οι συνδεδεµένες µονάδες πρέπει να ακολουθούν ένα συγκεκριµένο πρωτόκολλο επικοινωνίας. – Πρωτόκολλο επικοινωνίας διαύλου είναι το σύνολο των κανόνων που καθορίζουν τον τρόπο που γίνεται η ανταλλαγή σηµάτων και δεδοµένων µεταξύ των µονάδων µέσω του διαδρόµου. 49

50 Χαρακτηριστικά Διαύλου Ταχύτητα διαύλου ονοµάζεται η ποσότητα των δυαδικών δεδοµένων που µεταδίδονται στην µονάδα του χρόνου. – Μετριέται σε bits/sec. – Εναλλακτικά για διαδρόµους που η µετάδοση γίνεται σε καθορισµένου παλµούς ενός ρολογιού µετρείται και σε µονάδες συχνότητας Hz. Έτσι δίαυλος 66 MHz σηµαίνει 66×10 bit/sec. Εύρος διαύλου ονοµάζεται το πλήθος των παράλληλων καλωδίων. Το εύρος αντιπροσωπεύει τον αριθµό bits που µπορούν να µεταδοθούν ταυτόχρονα και το οποίο είναι πολλαπλάσιο του µήκους λέξης του υπολογιστή. Το εύρος του διαύλου επί την ταχύτητά του µας δίνουν το µέγιστο αριθµό των bits που µεταδίδονται από όλα τα κανάλια του διαύλου παράλληλα, στην µονάδα του χρόνου και ονοµάζεται διαµεταγωγή (throughput). 50

51 Εκτέλεση προγράμματος στην ΚΜΕ ΛΕΚΤΙΚΟΔΝ/ΣΗΕΠΕΞΗΓΗΣΗ LOAD X Το περιεχόμενο της διεύθυνσης Χ ανακαλείται από τη μνήμη και μεταφέρεται στο συσσωρευτή (αντικαθιστώντας τα προηγούμενα περιεχόμενα του) ADDY Το περιεχόμενο της διεύθυνσης Υ ανακαλείται από τη μνήμη και προστίθεται στο συσσωρευτή STOREZ Το περιεχόμενο του συσσωρευτή μεταφέρεται στη διεύθυνση μνήμης Ζ (αντικαθιστώντας τα προηγούμενα περιεχόμενα της) STOPΕντολή τερματισμού του προγράμματος 51 Μια εντολή στη γλώσσα μηχανής αποτελείται από 2 μέρη: Λεκτικό: που περιέχει τον κώδικα λειτουργίας της εντολής Διεύθυνσης: που περιέχει τις διευθύνσεις των δεδομένων που θα χρησιμοποιηθούν από την εντολή

52 5 8 4 Χ Υ Ζ 5 ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΗΣ LOAD X ΚΕΝΤΡΙΚΗ ΜΝΗΜΗ Χ Υ Ζ 13 ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΗΣ ADD Υ ΚΕΝΤΡΙΚΗ ΜΝΗΜΗ Χ Υ Ζ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΗΣ STORE Z ΚΕΝΤΡΙΚΗ ΜΝΗΜΗ LOAD X ADD Y STORE Z STOP Εκτέλεση Προγράμματος 52

53 Εκτέλεση εντολών Για την εκτέλεση κάθε εντολής είναι απαραίτητο να γίνουν δύο διαδικασίες: 1.κύκλος ανάκλησης (fetch cycle) και 2.κύκλος εκτέλεσης (execution cycle) της εντολής. 53

54 Κύκλος Ανάκλησης (Fetch Cycle) Η διεύθυνση της επόμενης προς εκτέλεση εντολής (που βρίσκεται αποθηκευμένη στον μετρητή προγράμματος PC) μεταφέρεται στον καταχωρητή διευθύνσεων μνήμης MAR. Μεταφέρεται στον καταχωρητή περιεχομένων μνήμης MDR το περιεχόμενο της διεύθυνσης στην οποία δείχνει ο MΑR. Το περιεχόμενο του MDR, δηλαδή η εντολή προς εκτέλεση, μεταφέρεται στον καταχωρητή εντολών IR. Μεταβάλλεται το περιεχόμενο του μετρητή προγράμματος PC ώστε αυτός να δείχνει στην επόμενη προς εκτέλεση εντολή. Ξεκινά ο κύκλος εκτέλεσης της τρέχουσας εντολής (execution cycle) με την ενεργοποίηση των κατάλληλων κυκλωμάτων για την εκτέλεση της. Ξεκινά ο κύκλος ανάκλησης της επόμενης εντολής (fetch cycle) από το Βήμα 1 παραπάνω. 54

55 Παράδειγμα εκτέλεσης προγράμματος LOAD 0110 ADD 0111 STORE 1010 STOP 55 Έστω οτι θελουμε να προσθέσουμε τα δεδομένα που βρίσκονται στις θέσεις 0110, 0111 (διευθύνσεις Χ και Υ αντίστοιχα) ενώ το αποτέλεσμα της πράξης να αποθηκευθεί στη θέση 1010 (διεύθυνση Ζ).

56 Βήμα 1ο ΚΜΕΜΝΗΜΗ ΚΑΤΑΧΩΡΗΤΕΣΣΥΣΣΩΡΕΥΤΗΣΔΙΕΥΘΥΝΣΗΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ IR LOAD 0110 PC ADD 0111 MAR STORE 1010 MDR STOP α) Ο μετρητής προγράμματος (PC) περιέχει τη διεύθυνση της πρώτης εντολής δηλ β) Το περιεχόμενο των άλλων καταχωρητών δεν ενδιαφέρει σε αυτό το βήμα.

57 Βήμα 2ο ΚΜΕΜΝΗΜΗ ΚΑΤΑΧΩΡΗΤΕΣΣΥΣΣΩΡΕΥΤΗΣΔΙΕΥΘΥΝΣΗΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ IRLOAD LOAD 0110 PC0001 ADD 0111 MAR STORE 1010 MDRLOAD STOP α) Η διεύθυνση του PC μεταφέρεται στον καταχωρητή διευθύνσεων μνήμης MAR, δηλ. το 0000 β) Μεταφέρεται στον καταχωρητή περιεχομένων μνήμης MDR το περιεχόμενο της διεύθυνσης στην οποία δείχνει ο MΑR (δηλαδή το LOAD 0110). γ)Το περιεχόμενο του MDR, δηλαδή η εντολή προς εκτέλεση, μεταφέρεται στον καταχωρητή εντολών IR (που έτσι έχει τιμή LOAD 0110). δ)Μεταβάλλεται το περιεχόμενο του μετρητή προγράμματος PC ώστε αυτός να δείχνει στην επόμενη προς εκτέλεση εντολή (έτσι ο PC έχει τιμή 0001).

58 Βήμα 2 ο (συνέχεια) ΚΜΕΜΝΗΜΗ ΚΑΤΑΧΩΡΗΤΕΣΣΥΣΣΩΡΕΥΤΗΣΔΙΕΥΘΥΝΣΗΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ IRLOAD LOAD 0110 PC0001 ADD 0111 MAR STORE 1010 MDR STOP ε) Το τμήμα διεύθυνσης της εκτελούμενης εντολής (δηλαδή το 0110) μεταφέρεται στον καταχωρητή διευθύνσεων μνήμης MAR. Έτσι, ο MAR παίρνει τιμή στ) Μεταφέρεται στον καταχωρητή περιεχομένων μνήμης MDR το περιεχόμενο της διεύθυνσης στην οποία δείχνει ο MΑR (δηλαδή το ). ζ) ΚΥΚΛΟΣ ΕΚΤΕΛΕΣΗΣ: Το περιεχόμενο του MDR μεταφέρεται στον συσσωρευτή (που έτσι έχει τιμή ) αφού εκτελείται μια εντολή LOAD.

59 Βήμα 3ο ΚΜΕΜΝΗΜΗ ΚΑΤΑΧΩΡΗΤΕΣΣΥΣΣΩΡΕΥΤΗΣΔΙΕΥΘΥΝΣΗΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ IRADD LOAD 0110 PC ADD 0111 MAR STORE 1010 MDRADD STOP α) Η διεύθυνση του PC μεταφέρεται στον καταχωρητή διευθύνσεων μνήμης MAR, δηλ. το 0001 β) Μεταφέρεται στον καταχωρητή περιεχομένων μνήμης MDR το περιεχόμενο της διεύθυνσης στην οποία δείχνει ο MΑR (δηλαδή το ΑDD 0111). γ)Το περιεχόμενο του MDR, δηλαδή η εντολή προς εκτέλεση, μεταφέρεται στον καταχωρητή εντολών IR (που έτσι έχει τιμή ΑDD 0111). δ)Μεταβάλλεται το περιεχόμενο του μετρητή προγράμματος PC ώστε αυτός να δείχνει στην επόμενη προς εκτέλεση εντολή (έτσι ο PC έχει τιμή 0010).

60 Βήμα 3 ο (συνέχεια) ΚΜΕΜΝΗΜΗ ΚΑΤΑΧΩΡΗΤΕΣΣΥΣΣΩΡΕΥΤΗΣΔΙΕΥΘΥΝΣΗΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ IRADD LOAD 0110 PC ADD 0111 MAR STORE 1010 MDR STOP ε) Το τμήμα διεύθυνσης της εκτελούμενης εντολής (δηλαδή το 0111) μεταφέρεται στον καταχωρητή διευθύνσεων μνήμης MAR. Έτσι, ο MAR παίρνει τιμή στ) Μεταφέρεται στον καταχωρητή περιεχομένων μνήμης MDR το περιεχόμενο της διεύθυνσης στην οποία δείχνει ο MΑR (δηλαδή το ). ζ) ΚΥΚΛΟΣ ΕΚΤΕΛΕΣΗΣ: Το περιεχόμενο του MDR προστίθεται στον συσσωρευτή (που έτσι έχει τιμή ) αφού εκτελείται μια εντολή ADD.

61 Βήμα 4ο ΚΜΕΜΝΗΜΗ ΚΑΤΑΧΩΡΗΤΕΣΣΥΣΣΩΡΕΥΤΗΣΔΙΕΥΘΥΝΣΗΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ IRSTORE LOAD 0110 PC ADD 0111 MAR0010 STORE 1010 MDRSTORE STOP α) Η διεύθυνση του PC μεταφέρεται στον καταχωρητή διευθύνσεων μνήμης MAR, δηλ. το 0010 β) Μεταφέρεται στον καταχωρητή περιεχομένων μνήμης MDR το περιεχόμενο της διεύθυνσης στην οποία δείχνει ο MΑR (δηλαδή το STORE 1010). γ)Το περιεχόμενο του MDR, δηλαδή η εντολή προς εκτέλεση, μεταφέρεται στον καταχωρητή εντολών IR (που έτσι έχει τιμή STORE 1010). δ)Μεταβάλλεται το περιεχόμενο του μετρητή προγράμματος PC ώστε αυτός να δείχνει στην επόμενη προς εκτέλεση εντολή (έτσι ο PC έχει τιμή 0011).

62 Βήμα 4 ο (συνέχεια) ΚΜΕΜΝΗΜΗ ΚΑΤΑΧΩΡΗΤΕΣΣΥΣΣΩΡΕΥΤΗΣΔΙΕΥΘΥΝΣΗΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ IRSTORE LOAD 0110 PC ADD 0111 MAR STORE 1010 MDR STOP ε) Το τμήμα διεύθυνσης της εκτελούμενης εντολής (δηλαδή το 1010) μεταφέρεται στον καταχωρητή διευθύνσεων μνήμης MAR. Έτσι, ο MAR παίρνει τιμή στ) Μεταφέρεται στον καταχωρητή περιεχομένων μνήμης MDR το περιεχόμενο της διεύθυνσης στην οποία δείχνει ο MΑR (δηλαδή το ). ζ) ΚΥΚΛΟΣ ΕΚΤΕΛΕΣΗΣ: Το περιεχόμενο του συσσωρευτή μεταφέρεται στη θέση της κύριας μνήμης που δείχνει ο MAR, αφού εκτελείται μια εντολή STORE.

63 Βήμα 5ο ΚΜΕΜΝΗΜΗ ΚΑΤΑΧΩΡΗΤΕΣΣΥΣΣΩΡΕΥΤΗΣΔΙΕΥΘΥΝΣΗΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ IRSTOP LOAD 0110 PC…0001ADD 0111 MAR STORE 1010 MDRSTOP0011STOP α) Η διεύθυνση της επόμενης προς εκτέλεση εντολής μεταφέρεται στον MAR. Έτσι, ο MAR παίρνει τιμή β) Μεταφέρεται στον καταχωρητή περιεχομένων μνήμης MDR το περιεχόμενο της διεύθυνσης στην οποία δείχνει ο MΑR (δηλαδή το STOP). γ) Το περιεχόμενο του MDR, δηλαδή η εντολή προς εκτέλεση, μεταφέρεται στον καταχωρητή εντολών IR (που έτσι έχει τιμή STOP). δ) Μεταβάλλεται το περιεχόμενο του μετρητή προγράμματος PC ώστε αυτός να δείχνει στην επόμενη προς εκτέλεση εντολή (έτσι ο PC παίρνει μια ειδική τιμή που συμβολίζει ότι δεν υπάρχει επόμενη προς εκτέλεση εντολή και εξαρτάται από την υλοποίηση του υπολογιστή).

64 Χαρακτηριστικά της ΚΜΕ Ένας συνήθης τρόπος μέτρησης των ταχυτήτων των επεξεργαστών είναι ο προσδιορισμός του πλήθους των εκτελουμένων εντολών ανά δευτερόλεπτο. Η ταχύτητα ενός επεξεργαστή εξαρτάται από δύο παράγοντες: Το μήκος της λέξης του και την ταχύτητα του ρολογιού του Έχει καθιερωθεί ως μονάδα μέτρησης της ταχύτητας το πλήθος εντολών ανά δευτερόλεπτο (MIPS) 64

65 Ιστορία Μικροεπεξεργαστών της Intel 65 View Online:

66 Παράλληλη Επεξεργασία 66 ΠΑΡΑΛΛΗΛΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕ ΠΟΛΛΑΠΛΕΣ Κ.Μ.Ε. Ένας Υπολογιστής Πολλοί Υπολογιστές Πολυεπεξεργαστικοί Υπολογιστές Πολυπύρηνοι Επεξεργαστές Συστοιχίες υπολογιστών (υπολογιστικά πλέγματα) Αρχιτεκτονικές Μαζικής Παράλληλης Επεξεργασίας

67 Παράλληλη Επεξεργασία Πολυεπεξεργαστικοί υπολογιστές (multi-processor computers) – Στην περίπτωση αυτή, έχουμε δυο ή περισσότερες ξεχωριστές ΚΜΕ (δηλαδή σε χωριστά ολοκληρωμένα κυκλώματα) οι οποίες προσπελαύνουν την ίδια κύρια μνήμη. Η αρχιτεκτονική αυτή είναι γνωστή ως SMP (symmetric multiprocessing) και αποτελεί μια από τις πρώτες ιστορικά αρχιτεκτονικές παράλληλης επεξεργασίας. Πολυπύρηνοι επεξεργαστές (multi-core processors) – Στην περίπτωση αυτή έχουμε ένα μόνο ολοκληρωμένο κύκλωμα στο οποίο έχουν ενσωματωθεί περισσότεροι του ενός πυρήνες (core) Κεντρικών Μονάδων Επεξεργασίας. Οι συνηθέστερες περιπτώσεις είναι να έχουμε δυο πυρήνες (οπότε μιλάμε για dual-core επεξεργαστή) ή τέσσερις πυρήνες (οπότε μιλάμε για quad-core επεξεργαστή). Συστοιχίες υπολογιστών (cluster computers) & υπολογιστικά πλέγματα (grid computers) – Παράδειγμα χρήσης τέτοιων τεχνικών μπορούμε να δούμε σε εφαρμογές διαδικτύου και ηλεκτρονικού επιχειρείν, όπου συστοιχίες υπολογιστών χρησιμοποιούνται για την ισοκατανομή του φόρτου προσπέλασης πολλών χρηστών ταυτόχρονα σε πολλά μηχανήματα (οι συστοιχίες αυτές είναι γνωστές ως load balancing clusters). Αρχιτεκτονική μαζικής παράλληλης επεξεργασίας (massive parallel processing, MPP) – Οι MPP αρχιτεκτονικές χρησιμοποιούνται για την υλοποίηση των μεγαλύτερων υπερ- υπολογιστών που υπάρχουν αυτή τη στιγμή στον κόσμο και οι οποίοι συνδέουν χιλιάδες επεξεργαστών σε μια μόνο μηχανή. Παράδειγμα τέτοιου υπολογιστή μαζικής παράλληλης επεξεργασίας είναι ο Earth Simulator που αποτελούσε το γρηγορότερο υπολογιστή του κόσμου μέχρι το

68 Παράλληλη Επεξεργασία 68 RANKCOUNTRYSYSTEMCORES RMAX (TFLOP/S) RPEAK (TFLOP/S) POWER (KW) 1 China Tianhe-2 (MilkyWay-2) - TH-IVB-FEP Cluster, Intel Xeon E C 2.200GHz, TH Express-2, Intel Xeon Phi 31S1P Tianhe-2 (MilkyWay-2) - TH-IVB-FEP Cluster, Intel Xeon E C 2.200GHz, TH Express-2, Intel Xeon Phi 31S1P NUDT , , United States Titan - Cray XK7, Opteron C 2.200GHz, Cray Gemini interconnect, NVIDIA K20x Titan - Cray XK7, Opteron C 2.200GHz, Cray Gemini interconnect, NVIDIA K20x Cray Inc , , United States Sequoia - BlueGene/Q, Power BQC 16C 1.60 GHz, Custom Sequoia - BlueGene/Q, Power BQC 16C 1.60 GHz, Custom IBM , , Japan K computer, SPARC64 VIIIfx 2.0GHz, Tofu interconnect K computer, SPARC64 VIIIfx 2.0GHz, Tofu interconnect Fujitsu , , United States Mira - BlueGene/Q, Power BQC 16C 1.60GHz, Custom Mira - BlueGene/Q, Power BQC 16C 1.60GHz, Custom IBM , ,33945 Source: top500.org (as of June 2014)

69 ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΚΑ & ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Κεφάλαιο 4 – Γ’ μέρος Συσκευές Εισόδου - Εξόδου Γιώργος Γιαγλής

70 Περίληψη Κεφαλαίου 4 – Γ’ ΄μέρος Συσκευές Εισόδου – Πληκτρολόγιο – Συσκευές κατάδειξης – web κάμερα – Σαρωτής – Συσκευές αναγνώρισης ήχου – Αναγνώστες barcode – Ασύρματη Αναγνώριση μέσω ραδιοσυχνοτήτων (RFID) Συσκευές Εξόδου – Οθόνη – Εκτυπωτής Επικοινωνία των συσκευών εισόδου-εξόδου με τον υπολογιστή 70

71 Εισαγωγή στις Συσκευές Εισόδου - Εξόδου Συσκευές Εισόδου – Εξόδου = τεχνολογίες που χρησιμεύουν στην επικοινωνία ανθρώπου και υπολογιστή 71

72 Συσκευές Εισόδου - Πληκτρολόγιο Το πληκτρολόγιο (keyboard) παρέχει τον πιο διαδεδομένο σήμερα τρόπο εισαγωγής κειμένου, αριθμών και εντολών σε ένα υπολογιστή – διάταξη πλήκτρων QWERTY (AZERTY στη Γαλλία) – αποτελείται από 101 ή 104 πλήκτρα Πλήκτρα δακτυλογράφησης Αριθμητικό πληκτρολόγιο Πλήκτρα λειτουργιών Πλήκτρα ελέγχου – ενσύρματα (PS/2 ή USB), ασύρματα (υπέρυθρες ή Bluetooth) 72

73 Άλλα Πληκτρολόγια GamingPhotoshop LaserFoldable 73

74 Συσκευές Εισόδου - Ποντίκι Το ποντίκι (mouse) είναι μια βοηθητική συσκευή κατάδειξης και ελέγχου του δρομέα της οθόνης – Στόχος: να μεταφράσει την κίνηση του χεριού του χρήστη σε σήματα τα οποία αντιλαμβάνεται και μεταφράζει ο υπολογιστής σε εντολές – Ο χρήστης μετακινώντας το ποντίκι μετακινεί κατά την ίδια φορά και ταχύτητα ένα κέρσορα, ο οποίος έχει συνήθως τη μορφή δείκτη, στην οθόνη Μηχανικό ποντίκι Οπτικό ποντίκι Επιφάνεια Αφής Οθόνη αφής 74

75 Συσκευές Εισόδου - Ποντίκι 75 Μηχανικό Ποντίκι – Μία σφαίρα – Δύο κύλινδροι – Έναν άξονα, ο οποίος περιστρέφει ένα διάτρητο δίσκο – Στις δυο πλευρές του δίσκου υπάρχει μία πηγή υπέρυθρου φωτός και ένας αισθητήρας υπέρυθρου φωτός – Ένας μικροεπεξεργαστής Οπτικό Ποντίκι – Το οπτικό ποντίκι χρησιμοποιεί οπτικούς ή υπέρυθρους αισθητήρες οι οποίοι αντιλαμβάνονται αλλαγές στην επιφάνεια πάνω στην οποία μετακινείται το ποντίκι καθώς αυτό κινείται. – mouse pad – ευαίσθητα σε συγκεκριμένα είδη επιφανειών (π.χ. γυαλί)

76 Συσκευές Εισόδου μέσω Αφής 76 Επιφάνεια Αφής (touchpad) – αντικαθιστούν τα ποντίκια σε μικρού μεγέθους υπολογιστές – έχουν μια επιφάνεια ευαίσθητη στην πίεση που μπορεί να αντιληφθεί τη θέση και την κατεύθυνση κίνησης των δαχτύλων του χεριού – διαθέτουν ένα τουλάχιστον πλήκτρο (μέχρι και τρία) ώστε ο χρήστης να μπορεί να δώσει κατάλληλες εντολές Οθόνη αφής – Αποτελεί συσκευή εισόδου- εξόδου – η οθόνη διατρέχεται από οριζόντιες και κάθετες φωτοδιόδους – Όταν ο χρήστης αγγίξει την οθόνη, συγκεκριμένες ακτίνες φωτός διακόπτονται και έτσι υπολογίζεται το σημείο που επιλέχθηκε και που αντιστοιχεί σε μια συγκεκριμένη εντολή

77 Συσκευές Εισόδου 77 web κάμερα – με την ανάπτυξη του διαδικτύου και των εφαρμογών του, έχει γίνει ιδιαίτερα δημοφιλής η χρήση μικρών καμερών που ονομάζονται συνήθως webcams για την λήψη εικόνων ή βίντεο που είναι προσπελάσιμα από διαδικτυακές εφαρμογές (π.χ. ένα web browser ή μια εφαρμογή instant messaging) – streetcams, metrocams, trafficams σαρωτής – είναι μια συσκευή που μεταφράζει αναλογικά δεδομένα σε ψηφιακά (εικόνες, έντυπο κείμενο κ.α.) – ποιότητα της σάρωσης καθορίζεται κυρίως από την ανάλυση και το πλήθος χρωμάτων – οπτική αναγνώριση χαρακτήρων (OCR)

78 Συσκευές Εισόδου - Συσκευές αναγνώρισης ήχου Η είσοδος ηχητικών πληροφοριών σε ένα υπολογιστικό σύστημα και η αποθήκευση τους σε δυαδική μορφή μπορεί να γίνει με συνδυασμό χρήσης υλικού (μικρόφωνο) και λογισμικού (λογισμικό αναγνώρισης ομιλίας). Το μικρόφωνο είναι μια συσκευή που μετατρέπει ηχητικές πληροφορίες σε ηλεκτρικά σήματα. Στην πιο συχνή του μορφή διαθέτει μια πολύ λεπτή μεμβράνη, η οποία πάλλεται ανάλογα με την πίεση των ηχητικών κυμάτων που τη χτυπούν. Η δόνηση της μεμβράνης μεταφράζεται στη συνέχεια σε ηλεκτρικούς παλμούς Το λογισμικό αναγνώρισης ομιλίας (speech recognition software) μετατρέπει τους παλμούς σε ASCII χαρακτήρες κατά την εισαγωγή κειμένου ή σε αριθμ ούς κατά την εισαγωγή ψηφίων Συστήματα αναγνώρισης ομιλίας χρησιμοποιούνται ευρύτατα σε εφαρμογές όπως κινητά τηλέφωνα (φωνητικές κλήσεις, voice dialing) και τηλεφωνικές υπηρεσίες (για παράδειγμα, κλείσιμο εισιτηρίων ή τραπεζικές συναλλαγές με αυτόματα συστήματα αναγνώρισης ομιλίας) 78

79 Συσκευές Εισόδου - Αναγνώστες barcode 79 Αναγνώστες barcode – χρησιμοποιούνται ευρέως για την ταυτοποίηση και καταχώρηση προϊόντων σε καταστήματα, αποθήκες και άλλους εργασιακούς χώρους. – Τα δεδομένα αναπαρίστανται με την μορφή παράλληλων γραμμών διαφορετικού πάχους. – Ένας ειδικός σαρωτής (επιτραπέζιος ή χειρός) που ονομάζεται barcode scanner διαβάζει τις γραμμές αυτές και τις μεταφράζει σε πληροφορίες που έτσι εισάγονται αυτόματα στον υπολογιστή. – Κάθε χαρακτήρας παριστάνεται από δύο γραμμές και δύο κενά, ενώ υπάρχουν τρία διαφορετικά πάχη γραμμής.

80 Συσκευές Εισόδου - Ασύρματη Αναγνώριση μέσω ραδιοσυχνοτήτων (RFID) Η τεχνολογία ραδιοσυχνικής αναγνώρισης (Radio Frequency Identification – RFID) είναι μια νεότερη τεχνολογία αυτόματης αναγνώρισης και πρόσκτησης δεδομένων η οποία χρησιμοποιεί τις ραδιοκυματικές συχνότητες. Τα δύο βασικά συστατικά της τεχνολογίας RFID είναι οι ετικέτες (tags) και οι αναγνώστες (scanners), οι οποίοι είναι ικανοί να σαρώσουν αυτόματα τις ετικέτες όταν αυτές βρίσκονται μέσα στο πεδίο κάλυψης τους και να μεταδώσουν πληροφορίες από την ετικέτα σε έναν κεντρικό υπολογιστή ο οποίος διαθέτει μια κατάλληλη εφαρμογή λογισμικού. 80

81 Συσκευές Εισόδου - Ασύρματη Αναγνώριση μέσω ραδιοσυχνοτήτων (RFID) Οι ετικέτες αποτελούνται από ένα πηνίο κεραίας μέσα σε μια θήκη από γυαλί ή πλαστικό, συγκολλημένο σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα. – Ενεργές (active RFID tags) – Παθητικές (passive RFID tags) – Ημιπαθητικές (semi-passive RFID tags) – Ανάγνωσης μόνο (read only) – Ανάγνωσης-εγγραφής (read-write) Οι αναγνώστες ετικετών ραδιοσυχνικής αναγνώρισης είναι συνήθως συνδεδεμένοι με κάποιον ηλεκτρονικό υπολογιστή στον οποίο λειτουργεί εξειδικευμένο λογισμικό που είναι σε θέση να κατανοήσει την πληροφορία που λαμβάνουν οι αναγνώστες 81

82 Συσκευές Εισόδου - Ασύρματη Αναγνώριση μέσω ραδιοσυχνοτήτων (RFID) Διάδοχος των ετικετών barcode – Προσδιορίζεται η ακριβής θέση και κατάσταση ενός προϊόντος, παρέχοντας πλήρη διαφάνεια από το σημείο παραγωγής έως και το σημείο κατανάλωσης Κύρια πεδία εφαρμογής της τεχνολογίας RFID στην εφοδιαστική αλυσίδα: – Δυναμική παρακολούθηση αποθεμάτων – Ενίσχυση της αγοραστικής εμπειρίας στο κατάστημα – Προστασία κατά των κλοπών – Δυναμικές πολιτικές μάρκετινγκ 82

83 Συσκευές Εξόδου - Οθόνη Το πιο κοινό μέσο εξόδου ενός υπολογιστικού συστήματος είναι η οθόνη, καθώς δίνει στο χρήστη τη δυνατότητα να έχει οπτική επαφή με τα δεδομένα και τα αποτελέσματα που παράγονται από ένα υπολογιστικό σύστημα – επίπεδες οθόνες, ακολουθώντας την τεχνολογία TFT LCD (thin film transistor liquid crystal display), ενώ παλιότερα χρησιμοποιούνταν οθόνες καθοδικού σωλήνα (cathode ray tube, CRT) Χαρακτηριστικά των οθονών – Μέγεθος – Μέγεθος του εικονοστοιχείου (pixel) – Ανάλυση – Κατανάλωση – Ρυθμός ανανέωσης εικόνας 83

84 Συσκευές Εξόδου - Εκτυπωτής Ο εκτυπωτής (printer) είναι μία μονάδα εξόδου, η οποία εκτυπώνει σε χαρτί τα δεδομένα που λαμβάνει από τον υπολογιστή. – Κρουστικοί εκτυπωτές (μήτρας στιγμών) – Μη Κρουστικοί εκτυπωτές (λέιζερ και inkjet) 84

85 Συσκευές Εξόδου - Κρουστικοί εκτυπωτές (μήτρας στιγμών) Οι κρουστικοί εκτυπωτές αποτύπωνουν τους χαρακτήρες στο χαρτί μέσω της κρούσης μιας κεφαλής πάνω σε αυτό – Οι εκτυπωτές μήτρας στιγμών (dot matrix) διαθέτουν έναν πίνακα (μήτρα), ο οποίος αποτελείται από Κ x Ν κουκίδες (στιγμές). Λίγο πριν την εκτύπωση κάθε χαρακτήρα, προωθούνται προς τα έξω οι συγκεκριμένες στιγμές που σχηματίζουν τη μορφή του και ονομάζονται ακίδες (pins). Στη συνέχεια, ο χαρακτήρας αποτυπώνεται στο χαρτί με πρόσκρουση της κεφαλής πρώτα σε μελανοταινία και μετά σε αυτό – Οι εκτυπωτές dot matrix χρησιμοποιούνται αποκλειστικά για εκτυπώσεις στις οποίες απαιτείται να δημιουργούνται μηχανικά αντίγραφα (με χρήση καρμπόν) του εκτυπούμενου κειμένου, για παράδειγμα στην εκτύπωση τριπλότυπων τιμολογίων 85

86 Συσκευές Εξόδου - Μη Κρουστικοί εκτυπωτές (laser - inkjet) Οι μη κρουστικοί εκτυπωτές ουσιαστικά αποτελούνται από πολλές και πολύ διαφορετικές μεταξύ τους τεχνολογίες, με μόνο κοινό ότι η εκτύπωση δε γίνεται με κρούση του χαρτιού. – χρησιμοποιείται θερμότητα, ακτίνες λέιζερ, φωτογράφηση ή εκτόξευση μελάνης, ανάλογα με το είδος του εκτυπωτή – ταχύτητα, από τη στιγμή που δεν έχουν τόσα μηχανικά μέρη όσα οι κρουστικοί εκτυπωτές – αθόρυβοι, αφού η εκτύπωση δε γίνεται με κρούση – Οι βασικοί τύποι μη κρουστικών εκτυπωτών είναι οι εκτυπωτές εκτόξευσης μελάνης (inkjet) και οι εκτυπωτές λέιζερ (laser). 86

87 Εκτυπωτές Εκτόξευσης Μελάνης (inkjet) Οι εκτυπωτές εκτόξευσης μελάνης (inkjet) έχουν μήτρα στιγμών όπως οι dot matrix εκτυπωτές, μόνο που η μελάνη εκτοξεύεται πάνω στο χαρτί με τη βοήθεια κάποιου εμβόλου που πιέζει τις ανάλογες ακίδες (pins) Λόγω της αναπόφευκτης διάχυσης της μελάνης κατά την εκτόξευση και πριν στεγνώσει πάνω στο χαρτί, οι inkjet εκτυπωτές μπορεί να υστερούν στην ποιότητα εκτύπωσης Επειδή το μελάνι που χρησιμοποιείται στους εκτυπωτές αυτούς είναι ευαίσθητο στο νερό, ακόμα και μια μικρή υγρασία θα προκαλέσει διάχυση της μελάνης στο χαρτί Είναι πολύ αθόρυβοι εκτυπωτές, σχετικά φθηνοί στην αγορά τους (σε σχέση με τους λέιζερ εκτυπωτές), αλλά μπορεί η ανάγκη συχνής αντικατάστασης των μελανιών τους να αυξήσει σημαντικά το κόστος λειτουργίας τους μια παρόμοια τεχνολογία είναι αυτή των εκτυπωτών φυσαλίδας (bubblejet), μόνο που σε αυτή την περίπτωση το μελάνι εκτοξεύεται μετά από θέρμανση μίας φυσαλίδας αέρα που το πιέζει, αντί για έμβολο 87

88 Εκτυπωτές Λέιζερ (laser) Οι εκτυπωτές λέιζερ (laser) αποτελούν μια σχετικά παλιά τεχνολογία (εφευρέθηκαν πριν και από τους dot matrix εκτυπωτές) που όμως έγινε οικονομική και δημοφιλής τα τελευταία χρόνια Μία ακτίνα λέιζερ προσπίπτει σε ένα περιστρεφόμενο κύλινδρο (ο οποίος είναι φτιαγμένος από φωτοευαίσθητο υλικό), μεταβάλλοντας το ηλεκτρικό φορτίο κάποιων σημείων του και δημιουργώντας έτσι ένα ηλεκτροστατικό «είδωλο» της προς εκτύπωσης σελίδας Στη συνέχεια, ο κύλινδρος «ντύνεται» με θετικά φορτισμένο γραφίτη, ο οποίος προσκολλάται μόνο στα σημεία του κυλίνδρου που έχουν φορτιστεί αρνητικά. Τέλος, μια σελίδα χαρτιού συμπιέζεται ανάμεσα στον κύλινδρο και σε μια σταθερή επιφάνειας και έτσι ο γραφίτης περνάει στη σελίδα σχηματίζοντας την επιθυμητή εικόνα. Οι εκτυπωτές λέιζερ διαθέτουν δική τους μνήμη Αρχικά, οι εκτυπωτές λέιζερ ήταν ασπρόμαυροι Τα τελευταία χρόνια έχουν αναπτυχθεί και έγχρωμοι λέιζερ εκτυπωτές, οι οποίοι έχουν σχετικά ακριβότερο κόστος αγοράς και λειτουργίας (κόστος ανταλλακτικών γραφίτη – toner) από τους αντίστοιχους inkjet. 88

89 Χαρακτηριστικά εκτυπωτών Ανάλογα με τους χρήστες – τοπικοί (local printers), συνδέεται (ενσύρματα ή ασύρματα) σε ένα υπολογιστή και μπορεί να εξυπηρετήσει μόνο τους χρήστες του υπολογιστή αυτού. – δικτυακοί (network printers), συνδέεται (πάλι ενσύρματα ή ασύρματα) σε ένα δίκτυο και μπορεί να δέχεται εντολές εκτύπωσης από όλους τους χρήστες του δικτύου αυτού η ταχύτητα μετριέται σε σελίδες ανά λεπτό (pages per minute, ppm). η ανάλυση μετριέται σε στιγμές ανά ίντσα (dots per inch, dpi) 89

90 Επικοινωνία των συσκευών εισόδου-εξόδου με τον υπολογιστή Ο συνηθέστερος τρόπος διασύνδεσης είναι μέσω μιας ενδιάμεσης συσκευής που ονομάζεται ελεγκτής (controller). – έχει τη μορφή κάρτας που συνδέεται στη μητρική κάρτα του υπολογιστή και στη συσκευή εισόδου-εξόδου που εξυπηρετεί – είναι διαφορετικός για κάθε διαφορετική συσκευή εισόδου-εξόδου (π.χ. έχουμε ελεγκτή οθόνης, ελεγκτή CD-ROM, κτλ) – συνδέεται πάνω στους διαύλους που συνδέουν την ΚΜΕ με την κεντρική μνήμη για να μπορεί να επικοινωνεί και με τις δυο Η απευθείας επικοινωνία ενός ελεγκτή με τη μνήμη ονομάζεται άμεση προσπέλαση μνήμης (direct memory access, DMA) – αυξάνει την ταχύτητα του υπολογιστή επιτρέποντας στην ΚΜΕ να συνεχίσει τη λειτουργία της (π.χ. εκτελώντας εντολές) όση ώρα μεταφέρονται δεδομένα από και προς την κεντρική μνήμη και τους ελεγκτές βοηθητικών μνημών (π.χ. ενός σκληρού δίσκου). 90


Κατέβασμα ppt "ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ Κεφάλαιο 4 - A’ μέρος Υλικό - Hardware Γιώργος Γιαγλής."

Παρόμοιες παρουσιάσεις


Διαφημίσεις Google