ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΣ Η/Υ Κ.ΑΛΑΦΟΔΗΜΟΣ καθηγητής Δ.Παπαχρήστος μέλος ΕΔΙΠ ΑΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ ΤΤ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ Α ΙΓΑIΟΥ & ΑΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τ.Τ. Τμήματα Ναυτιλίας και Επιχειρηματικών Υπηρεσιών & Μηχ. Αυτοματισμού ΤΕ 3 η Διάλεξη

Σκοπός Διάλεξης η παράθεση βασικών εννοιών της αρχιτεκτονικής Η/Υ & των επιμέρους μονάδων

Αρχιτεκτονική Η/Υ (κλασσική προσέγγιση) ARXITEKTONIKH Von Neumann

Αρχιτεκτονική Η/Υ Υπολογιστικά Συστήματα: Στρώματα

Αρχιτεκτονική Η/Υ Δομή υπολογιστή

Αρχιτεκτονική Η/Υ κεντρική μονάδα επεξεργασίας (ΚΜΕ, central Η κεντρική μονάδα επεξεργασίας (ΚΜΕ, central processing unit CPU) processing unit CPU) είναι «καρδιά» υπολογιστή unit, η του υπολογιστή: εντολή καθοδηγεί τη λειτουργία του: Καθορίζει ποια εντολή πρέπει να εκτελεστεί ανά πάσα στιγμή δεδομένα εκτελεί τις πράξεις στα δεδομένα: Εκτελεί την κάθε εντολή στα κατάλληλα δεδομένα

Αρχιτεκτονική Η/Υ η ΚΜΕ λειτουργεί με σειριακό τρόπο ανάλογα με τις υποδείξεις των εντολών του αποθηκευμένου προγράμματος επεξεργάζεται τα δεδομένα σύμφωνα με το πρόγραμμα επεξεργασίας του υπολογιστικού συστήματος ώστε να ανταποκρίνονται στη ζητούμενη εφαρμογή

Αρχιτεκτονική Η/Υ Η ΚΜΕ αποτελείται από δύο βασικά τμήματα: μονάδα ελέγχου, ΜΕ (Control Unit, CU) μονάδα ελέγχου, ΜΕ (Control Unit, CU) αριθμητική και λογική μονάδα, ΑΛΜ (Arithmetic and Logic Unit, ALU) αριθμητική και λογική μονάδα, ΑΛΜ (Arithmetic and Logic Unit, ALU) Καταχωρητές (registers) : θέσεις μνήμης για αποθήκευση δεδομένων

Αρχιτεκτονική Η/Υ αριθμητική πράξη (+, ‐, /,*) ή λογική (ΑND, OR, NOT, …) Η ΑΛΜ εκτελεί κάθε αριθμητική πράξη (+, ‐, /,*) ή λογική (ΑND, OR, NOT, …) που απαιτείται Η ΜΕ την καθοδηγεί στις εξής λειτουργίες: ποια πράξη να εκτελέσει - ποια πράξη να εκτελέσει - από πού να πάρει δεδομένα -που να τοποθετήσεις το αποτέλεσμα

Αρχιτεκτονική Η/Υ Τα κυκλώματα, τα οποία συνήθως περιέχονται σε μια ALU: αθροιστής (adder) Ένας αθροιστής (adder) για την εκτέλεση των βασικών αριθμητικών πράξεων συγκριτής (comparator) Ένας συγκριτής (comparator), για την σύγκριση των αριθμών που τοποθετούνται στους καταχωρητές ολισθητής (shifter), Ένας ολισθητής (shifter), για την ολίσθηση ή την περιστροφή ενός αριθμού μονάδα λογικής επεξεργασίας Μία μονάδα λογικής επεξεργασίας, για την εκτέλεση λογικών πράξεων πάνω στους αριθμούς, που τοποθετούνται στους καταχωρητές καταχωρητές Κάποιοι καταχωρητές για την αποθήκευση των αριθμών και τα αποτελέσματα των πράξεων

Αρχιτεκτονική Η/Υ Η ΜΕ είναι το οργανωτικό κέντρο του Η/Υ, που περιέχει δύο καταχωρητές: Καταχωρητή Εντολής, ΚΕ (Instruction Register, IR) Καταχωρητή Εντολής, ΚΕ (Instruction Register, IR), που περιέχει την εντολή που εκτελείται αυτή τη στιγμή Μετρητή Προγράμματος, ΜΠ (program counter, PC Μετρητή Προγράμματος, ΜΠ (program counter, PC), που περιέχει τη διεύθυνση (στη μνήμη) της εντολής που θα εκτελεστεί αμέσως μετά

Αρχιτεκτονική Η/Υ κατευθυντήριο κέντρο η μονάδα ελέγχου είναι το κατευθυντήριο κέντρο του μικροεπεξεργαστή και παρέχει τις λειτουργίες χρονισμού, αποκωδικοποίησης και ενεργοποίησης για όλα τα τμήματα του μικροϋπολογιστή ΚΕ ΜΠ

Αρχιτεκτονική Η/Υ κύρια μνήμη Η κύρια μνήμη αποτελείται από έναν αριθμό θέσεων που σε καθεμία από αυτές αποθηκεύεται και ένα τμήμα πληροφορίας (εντολή, μέρος εντολής ή δεδομένα) με τη μορφή μιας ακολουθίας δυαδικών ψηφίων φυσική διεύθυνση Σε κάθε θέση της μνήμης αντιστοιχεί ένας αριθμός, που καλείται φυσική διεύθυνση της θέσης μνήμης, και χρησιμοποιείται για να αναφερθούμε στη συγκεκριμένη θέση

Αρχιτεκτονική Η/Υ Οι βασικότερες ιδιότητες της κύριας μνήμης είναι ότι: οι θέσεις της μπορούν να προσπελαστούν άμεσα από την ΚΜΕ (CPU) οι θέσεις της μπορούν να προσπελαστούν με οποιαδήποτε σειρά και γο χρόνος προσπέλασης μίας θέσης είναι σταθερός και ανεξάρτητος από τη διεύθυνση της θέσης

Αρχιτεκτονική Η/Υ το χρόνο προσπέλασης ανάγνωσης ή χρόνο προσπέλασης (access time) Η ταχύτητα της κύριας μνήμης μετριέται με το χρόνο προσπέλασης ανάγνωσης ή χρόνο προσπέλασης (access time) μιας θέσης της κύριας μνήμης χρόνος προσπέλασης εγγραφής χρόνο προσπέλασης ανάγνωσης Ο χρόνος προσπέλασης εγγραφής είναι συνήθως ίσος με το χρόνο προσπέλασης ανάγνωσης χρόνος προσπέλασης Ο χρόνος προσπέλασης ισούται με το χρόνο που παρέρχεται από τη στιγμή, που η μνήμη λαμβάνει μία απαίτηση διαβάσματος μέχρι τη στιγμή που η απαιτούμενη πληροφορία είναι διαθέσιμη στις εξόδους της μνήμης χρόνος προσπέλασης τεχνολογία των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, Ο χρόνος προσπέλασης της κύριας μνήμης εξαρτάται από την τεχνολογία των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, με τα οποία υλοποιείται, το μέγεθός της και τον τρόπο σχεδιασμού της

Αρχιτεκτονική Η/Υ

Χωρητικότητα μνήμης Κύρια Μνήμη 1 λέξη των 16 bit : 2 byte Κύρια Μνήμη 1 λέξη των 16 bit & διευθύνσεις (address) 8 bit : 256 λέξεις (512 byte)

Αρχιτεκτονική Η/Υ Σύνδεση ΚΜΕ και Κύριας Μνήμης Σύνδεση ΚΜΕ και Κύριας Μνήμης Δίαυλος ελέγχου (control bus) Δίαυλος διευθύνσεων (address bus) Δίαυλος δεδομένων (data bus)

Αρχιτεκτονική Η/Υ Η κύρια μνήμη μπορεί να υλοποιηθεί με ημιαγωγικές μνήμες ανάγνωσης και εγγραφής άμεσης προσπέλασης (Random Access Memory, RAM) Υπάρχουν δύο κατηγορίες μνημών RAM, οι στατικές, SRAM, και οι δυναμικές, DRAM Συγκρίνοντας μία SRAM, με μία DRAM της ίδιας χωρητικότητας, η SRAM είναι ακριβότερη και πιό γρήγορη από την DRAM Λόγω των απαιτήσεών μας για κύρια μνήμη πολύ μεγάλης χωρητικότητας, η κύρια μνήμη υλοποιείται συνήθως με DRAM

Αρχιτεκτονική Η/Υ Read Only Memory, ROM Ένα μικρό τμήμα της υλοποιείται από μνήμη μόνο ανάγνωσης (Read Only Memory, ROM), δηλαδή μία μνήμη που τα περιεχόμενά της μπορούν να διαβάζονται, αλλά δεν είναι δυνατόν να τροποποιηθούν μέσα από τα προγράμματα που εκτελούνται στον υπολογιστή Παραμένει τα περιεχόμενο της και όταν «κλείσει» ο υπολογιστής

Αρχιτεκτονική Η/Υ Οι διατάξεις που χρησιμοποιούνται για την υλοποίηση της βοηθητικής ή δευτερεύουσας μνήμης, είναι σημαντικά φθηνότερες από αυτές που χρησιμοποιούνται για την υλοποίηση της κύριας μνήμης Διακρίνονται σε διατάξεις σειριακής προσπέλασης (serial access) και διατάξεις κατευθείαν προσπέλασης (direct access)

Αρχιτεκτονική Η/Υ μέσα Βοηθητικής Μνήμης Τα πιο διαδεδομένα μέσα Βοηθητικής Μνήμης είναι: Σκληρός Δίσκος (Hard Disk 100 GB – 2 TB) CD-ROM (~ 700MB) / DVD-ROM (4-17 GB) BD (Blue-ray Disk) (50GB) USB sticks (8 GB – 128 GB)

Αρχιτεκτονική Η/Υ

λανθάνουσα ή κρυφή μνήμη (cache memory) Η λανθάνουσα ή κρυφή μνήμη (cache memory) βοηθά στην επιτάχυνση της λειτουργίας ενός επεξεργαστή κρατώντας το περιεχόμενο των πιο πρόσφατα χρησιμοποιημένων θέσεων μνήμης οι πιο πολλοί προσωπικοί υπολογιστές έχουν δύο διαφορετικούς τύπους λανθάνουσας μνήμης: «επιπέδου 1» (Level 1 ή L1 cache) & «επιπέδου 2» (Level 2 ή L2 cache)

Αρχιτεκτονική Η/Υ L1 L1: βρίσκεται στο εσωτερικό του επεξεργαστή και κρατά διευθύνσεις μνήμης που αντιστοιχούν σε δεδομένα αλλά και σε εντολές μηχανής (~ 2MB) L2 L2: είναι μεγαλύτερου μεγέθους, πιο αργή και βρίσκεται πάνω στη μητρική κάρτα του υπολογιστή και χρησιμοποιείται βάση της τοπικότητας των αναφορών (~ 4MB)

Αρχιτεκτονική Η/Υ Εικονική μνήμη (Virtual Memory) Εικονική μνήμη (Virtual Memory) Αύξηση αναγκών σε μνήμη κάνει το χρήστη να βλέπει την κύρια μνήμη και ένα μέρος της μνήμης στο δίσκο σαν μία ενιαία, πολύ μεγάλη άμεσα προσπελάσιμη από την ΚΜΕ μνήμη η ιδεατή μνήμη γίνεται αντιληπτή από το λογισμικό του συστήματος, αλλά όχι και από το λογισμικό των εφαρμογών

Αρχιτεκτονική Η/Υ Για να εκτελέσουν ένα πρόγραμμα, η ΚΜΕ και η μνήμη κύκλο μηχανής (machine cycle), επαναλαμβάνουν διαρκώς τον λεγόμενο κύκλο μηχανής (machine cycle), δηλαδή τα εξής δύο στάδια: «φέρε»: - «φέρε»: η επόμενη προς εκτέλεση εντολή (όπως υποδεικνύει ο PC) μεταφέρεται από τη μνήμη στην ΜΕ «εκτέλεσε»: - «εκτέλεσε»: η ΜΕ στέλνει τα σήματα που απαιτούνται (στην μνήμη, την ΑΛΜ, τις συσκευές Ε/Ε) για την εκτέλεση αυτής της εντολής.

Αρχιτεκτονική Η/Υ Κάθε εντολή εκτελείται/αποτελείται σε δύο φάσεις (μέσα στον επεξεργαστή) : Προσκόμιση εντολής (Fetch) Προσκόμιση εντολής (Fetch) Εκτέλεση εντολής (Execute) Εκτέλεση εντολής (Execute) H διεργσία που απαιτείται για την εκτέλεση μιας εντολής ενός προγράμματος ονομάζεται κύκλος μηχανής (εντολής)

Αρχιτεκτονική Η/Υ Συσκευές εισόδου Συσκευές εισόδου

Αρχιτεκτονική Η/Υ Εσωτερικό ποντικού (mouse) Εσωτερικό ποντικού (mouse)

Αρχιτεκτονική Η/Υ Συσκευές εξόδου Συσκευές εξόδου

Αρχιτεκτονική Η/Υ Οθόνες:βασικές κατηγορίες Οθόνες σωλήνα καθοδικών ακτίνων (CRT- Cathode Ray Tube) Οθόνες σωλήνα καθοδικών ακτίνων (CRT- Cathode Ray Tube)

Αρχιτεκτονική Η/Υ Οθόνες υγρών κρυστάλλων LCD, TFT συνδυασμός δύο φίλτρων πόλωσης και μίας διάταξης υγρών κρυστάλλων Ένας υγρός κρύσταλλος είναι μία ελεγχόμενη από ηλεκτρικό πεδίο διάταξη, η οποία μπορεί να αλλάζει ή να μη αλλάζει την πόλωση του φωτός που περνά μέσα απ' αυτό χρησιμοποιείται ανάκλαση φωτισμού (backlight) που παράγεται από λαμπτήρες φθορισμού και κατευθύνεται προς τους υγρούς κρυστάλλους. Τα τελευταία χρόνια άρχισε η διάθεση στην αγορά οθονών LCD που χρησιμοποιούν φωτοεκπέμπουσες διόδους (LED) αντί των λαμπτήρων φθορισμού.

Αρχιτεκτονική Η/Υ οθόνη πλάσμα Η οθόνη πλάσμα είναι ένα είδος επίπεδης οθόνης, συνηθισμένης σε τηλεοράσεις μεγαλύτερες από 76 εκατοστά (30 ίντσες). χρησιμοποιεί μικρές κυψέλες που περιέχουν αέριο που ιονίζεται από ηλεκτρικό φορτίο, ή όπως είναι κοινώς γνωστό λυχνίες φθορισμού

Αρχιτεκτονική Η/Υ Χαρακτηριστικά Οθονών Διάσταση Διάσταση: Το μήκος της διαγωνίου, σε ίντσες: 15”, 17 ”κ.λπ. Μεγάλη διάσταση → ξεκούραστη εικόνα Ανάλυση Ανάλυση: Το πλήθος των πίξελ: 640x480, 800x600, κ.λπ. Μεγάλη ανάλυση → ευκρινής εικόνα Απόσταση κουκκίδων (pixel-pitch): Απόσταση κουκκίδων (pixel-pitch): Η απόσταση μεταξύ γειτονικών κουκκίδων: 0,24mm, 0,20mm, κ.λπ. Μικρή απόσταση → ευκρινής εικόνα Συχνότητα ανανέωσης Συχνότητα ανανέωσης: Πόσο συχνά ξαναπροβάλλεται η είκονα: 72 Hz, 96 Hz, κ.λπ. Μεγάλη συχνότητα → ξεκούραστη εικόνα Βάθος χρώματος Βάθος χρώματος: Πόσα μπιτ/πίξελ: 16, 24, κ.λπ. Μεγάλο βάθος → πολλά διαφορετικά χρώματα. Ένταση της ακτινοβολίας Ένταση της ακτινοβολίας: Πόσο ισχυρή η ακτινοβολία. Υπάρχουν διάφορα πρότυπα: MPRII, TCO, ELF&VLF κλπ.

Αρχιτεκτονική Η/Υ Έκχυσης μελάνης (inkjet): Έκχυσης μελάνης (inkjet): Σταγόνες μελάνης ψεκάζο‐νται προς το χαρτί από κινούμενη κεφαλή. Καλή ποιότητα, φθηνή αγορά, ακριβή συντήρηση Laser: Laser: Τεχνολογία παρόμοια με των φωτοτυπικών, με χρήση laser στο στάδιο της έκθεσης. Υψηλή ποιότητα, μεγάλη ταχύτητα, φθηνότερη εκτύπωση ανά σελίδα

Αρχιτεκτονική Η/Υ BIOS Basic Input – Output System, BIOS Το BIOS είναι το ολοκληρωμένο κύκλωμα το οποίο λειτουργεί ως βασικό σύστημα εισόδου – εξόδου (Basic Input – Output System, BIOS) σε έναν ηλεκτρονικό υπολογιστή μνήμη ROM είναι ουσιαστικά μία μνήμη ROM αποτελείται από μερικά βασικά προγράμματα, τα οποία έχουν γραφτεί από τον κατασκευαστή της μητρικής κάρτας και παρέχουν τις βασικές υπηρεσίες πρόσβασης στο υλικό του υπολογιστή

Αρχιτεκτονική Η/Υ μητρική κάρτα (motherboard) Η μητρική κάρτα (motherboard) είναι ένα μεγάλο τυπωμένο κύκλωμα, το οποίο υλοποιεί τη βασική συνδεσμολογία ενός προσωπικού υπολογιστή Η αρχιτεκτονική της μητρικής πλακέτας έχει άμεση σχέση με το είδος του επεξεργαστή του προσωπικού υπολογιστή

Αρχιτεκτονική Η/Υ θύρες επικοινωνίας Οι θύρες επικοινωνίας του προσωπικού υπολογιστή είναι τυποποιημένες Yπάρχουν τρεις τυποποιημένες θύρες, που έχουν επικρατήσει στο χώρο των προσωπικών υπολογιστών: 1. Η παράλληλη θύρα 2. Η σειριακή θύρα 3. Η θύρα USB

Αρχιτεκτονική Η/Υ Η επικοινωνία μεταξύ δύο υπολογιστών πραγματοποιείται μέσω μιας ειδικής συσκευής, η οποία λέγεται Modem (κωδικοποιητής - αποκωδικοποιητής), η επικοινωνία αυτή επιτυγχάνεται µεταξύ τους, µέσω µιας απλής τηλεφωνικής γραµµής Το modem είναι η συσκευή η οποία μετατρέπει τα ψηφιακά σήµατα του υπολογιστή σε αναλογικά σήµατα και αντίστροφα (κωδικοποίηση – modulation), µεταβάλλοντας τη συχνότητα των ηλεκτρονικών κυµάτων, προκειµένου να είναι δυνατόν να περάσουν µέσω των τηλεφωνικών καλωδίων

Αρχιτεκτονική Η/Υ Κάρτα δικτύου (Network Interface Card), Η πραγματοποίηση αυτής της διασύνδεσης γίνεται μέσω της Κάρτα δικτύου (Network Interface Card), η οποία είναι και το βασικότερο µέσο διασύνδεσης των υπολογιστών σε δίκτυο Slot επέκτασης Τοποθετείται σε κάποια υποδοχή (Slot επέκτασης) της µητρικής πλακέτας Η υλοποίηση της διασύνδεσης απαιτεί και το απαραίτητο λογισμικό και τα πρωτόκολλα δικτύου και αποτελεί τον κύριο τρόπο διακίνησης των πληροφοριών µέσα σε ένα τοπικό δίκτυο

Σας ευχαριστώ για την προσοχή σας…