Εισαγωγή στην Πληροφορική Δομή προσωπικού υπολογιστή Χαράλαμπος Γναρδέλλης ΤΑΥ, ΤΕΙ Δυτικής Ελλάδας

Δομή προσωπικού υπολογιστή Τα βασικά στοιχεία ενός προσωπικού υπολογιστή είναι Οι μονάδες εισαγωγής δεδομένων στο υπολογιστικό σύστημα (π.χ. πληκτρολόγιο, ποντίκι, κάμερα κ.λπ.) ονομάζονται μονάδες εισόδου (input units) Οι μονάδες με τη βοήθεια των οποίων το υπολογιστικό σύστημα εμφανίζει τα αποτελέσματα μιας επεξεργασίας σε μορφή κατανοητή και αναγνώσιμη από τον άνθρωπο (όπως η οθόνη και ο εκτυπωτής). Ονομάζονται μονάδες εξόδου (output units)

Το ηλεκτρονικό κύκλωμα το οποίο επεξεργάζεται τα δεδομένα και ονομάζεται Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας – ΚΜΕ (Central Processing Unit, CPU) Το ηλεκτρονικό κύκλωμα που χρησιμεύει στην προσωρινή αποθήκευση των δεδομένων κατά τη διάρκεια της λειτουργίας του υπολογιστικού συστήματος και ονομάζεται κεντρική ή κύρια μνήμη (main memory) Οι μονάδες στις οποίες ο υπολογιστής μπορεί να αποθηκεύει δεδομένα με μόνιμο τρόπο (π.χ. σκληρός δίσκος, CD, USB κ.λπ.). Ονομάζονται μονάδες βοηθητικής μνήμης Οι δίαυλοι επικοινωνίας και μεταφοράς δεδομένων (data buses) μέσω των οποίων επικοινωνούν οι επιμέρους μονάδες του υπολογιστή και μεταφέρονται τα δεδομένα

Μονάδες προσωπικού υπολογιστή Μονάδες εισόδου (input units) Μονάδες εξόδου (output units) Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (Central Processing Unit) Κεντρική ή κύρια μνήμη (main memory) Μονάδες βοηθητικής μνήμης Δίαυλοι επικοινωνίας και μεταφοράς δεδομένων (data buses)

Δεδομένα και πληροφορία – Μονάδες μέτρησης Bit και Byte Δεδομένα (data) είναι το ακατέργαστο υλικό που βρίσκεται σε μια τυποποιημένη μορφή (σύμβολα, αριθμοί, λέξεις κ.λπ.) και το οποίο είναι κατάλληλο προς επεξεργασία από τον άνθρωπο και τα ηλεκτρονικά μέσα. Επεξεργασία δεδομένων (data processing) είναι η διαδικασία που αφορά τη συλλογή, την οργάνωση, την ταξινόμηση, την αποθήκευση και μεταβολή των δεδομένων καθώς και την εφαρμογή αριθμητικών και λογικών πράξεων για την παραγωγή πληροφορίας. Πληροφορία (information) είναι η ερμηνεία των αποτελεσμάτων που προκύπτει από την επεξεργασία των δεδομένων με σκοπό τη λήψη αποφάσεων ή την επίλυση ενός προβλήματος.

Η επικοινωνία ανθρώπου-υπολογιστή επιτυγχάνεται μέσα από ένα λειτουργικό κύκλο που συγκροτείται από την καταχώρηση των δεδομένων στον υπολογιστή – την επεξεργασία τους από τον υπολογιστή – και την επιστροφή της πληροφορίας στον άνθρωπο. Οποιαδήποτε λειτουργία κι αν επιτελεί ένας υπολογιστής, αυτή πραγματοποιείται με τη «μετάφραση» των δεδομένων σε ένα σύνολο από 0 και 1. Κάθε χαρακτήρας 0 και 1 ορίζεται ως ένα bit. Ένα σύνολο 8 bits ονομάζεται byte. Κάθε χαρακτήρας π.χ. του λατινικού αλφαβήτου απεικονίζεται με 1 byte (π.χ. ο χαρακτήρας Α αντιστοιχεί στο δυαδικό αριθμό Κάθε χαρακτήρας πεζός ή κεφαλαίος, κάθε αριθμός και κάθε σύμβολο αντιστοιχίζονται με ένα μοναδικό byte. Με αυτό τον τρόπο μπορούν να αντιστοιχιστούν 256 διαφορετικοί χαρακτήρες, όσες και οι διαφορετικές οκτάδες που προκύπτουν από τα στοιχεία 0 και 1 (2 8 =256).

Κάθε αρχείο οποιασδήποτε μορφής είναι ένα σύνολο από bytes ή, αλλιώς, ένα σύνολο από 0 και 1. 1 Kilobytes, 1Kb=1024 bytes=2 10 bytes 1 Megabyte, 1MB=1024 Kb=2 20 bytes 1 Gigabyte, 1 GB=1024 MB=2 30 bytes 1 Terabyte, 1 TB=1024 GB=2 40 bytes 1 Petabyte 1 PB=1024 TB=2 50 bytes Όλες οι λειτουργίες που πραγματοποιούν οι υπολογιστές βασίζονται στην εκτέλεση αριθμητικών και λογικών πράξεων με τη χρήση των bits.

Μεταφορά δεδομένων και σημάτων ελέγχου Οι κύριες διαδρομές διακίνησης των δεδομένων, των σημάτων ελέγχου και των πληροφοριών μέσω των διαύλων μεταφοράς δεδομένων, είναι: Από τις μονάδες εισόδου προς την CPU και τη κύρια μνήμη Από τη CPU προς την κύρια μνήμη και αντίστροφα Από τη CPU ή την κύρια μνήμη στις μονάδες εξόδου Από τη CPU ή την κύρια μνήμη στις μονάδες αποθήκευσης και αντίστροφα Από τις μονάδες αποθήκευσης προς τη CPU και την κύρια μνήμη και αντίστροφα Οποιαδήποτε χρονική στιγμή μόνο δυο μονάδες είναι δυνατόν να ανταλλάσουν πληροφορίες.

Παράδειγμα Αν η CPU μέσω του διαύλου επικοινωνεί με τη μνήμη, τότε η μονάδα εισόδου δεν μπορεί να στείλει δεδομένα, αλλά θα πρέπει να περιμένει μέχρι να ολοκληρωθεί η επικοινωνία της CPU με τη κύρια μνήμη.

Παράδειγμα αλγεβρικής πράξης Ο χρήστης εισάγει τα δεδομένα (αριθμούς και σύμβολο πράξης) από το πληκτρολόγιο. Τα δεδομένα μεταφέρονται στην κύρια μνήμη, κατόπιν εντολής της CPU. Στη συνέχεια η CPU ανασύρει τα δεδομένα από την κύρια μνήμη (ανάκληση δεδομένων), εκτελεί την αριθμητική πράξη και τοποθετεί το αποτέλεσμα στην κύρια μνήμη. Τέλος το αποτέλεσμα της πράξης εμφανίζεται στην οθόνη ενώ παράλληλα είναι δυνατόν να αποθηκευτεί για μελλοντική χρήση στο σκληρό δίσκο του υπολογιστή.

Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (CPU) Η Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας είναι το σημαντικότερο ολοκληρωμένο κύκλωμα του υπολογιστή. Ελέγχει και συντονίζει όλες τις μονάδες που είναι συνδεδεμένες στον υπολογιστή, είναι υπεύθυνη για την εκτέλεση όλων των εργασιών και καθορίζει τη σειρά εκτέλεσης των εντολών. Κατά τη διάρκεια εκτέλεσης των εντολών η CPU: Συντονίζει τη μεταφορά δεδομένων από τις εισόδους προς αυτήν και προς την κύρια μνήμη. Επεξεργάζεται τα δεδομένα σύμφωνα με το πρόγραμμα επεξεργασίας του υπολογιστικού συστήματος Κατευθύνει τη μεταφορά δεδομένων από την ίδια ή την κύρια μνήμη προς τις εξόδους.

Η κεντρική μονάδα αποτελείται από τρία μικρότερα ηλεκτρονικά κυκλώματα Α) Την αριθμητική και λογική μονάδα (arithmetic and logical unit – ALU) B) Τη μονάδα ελέγχου (control unit, CU) Γ) Τους καταχωρητές (registers)

Αριθμητική και λογική μονάδα Στην αριθμητική και λογική μονάδα εκτελούνται οι αριθμητικές και λογικές πράξεις που απαιτούνται από το σύνολο των εντολών μιας υπολογιστικής διαδικασίας. Αριθμητικές πράξεις είναι η πρόσθεση, η αφαίρεση (πρόσθεση ενός αριθμού με έναν αρνητικό αριθμό), η αύξηση και η ελάττωση ενός αριθμού κατά ένα, το συμπλήρωμα ενός αριθμού ως προς 1 ή ως προς 2, ο πολλαπλασιασμός και η διαίρεση (πρόκειται για πολλαπλασιασμό ενός αριθμού με τον αντίστροφο ενός άλλου). Οι λογικές πράξεις εκτελούνται σύμφωνα με τους κανόνες της άλγεβρας του Boole. Οι λογικές πράξεις είναι το λογικό KAI (AND), το λογικό Ή (OR) και το λογικό ΌΧΙ (NOT). Επίσης λογικές πράξεις είναι η σύγκριση δύο αριθμών.

Π.χ. if (x=1 or y=2) then z=5 else z=8 if (x=1 and y=2) then z=5 else z=8 if (x=1 and (y not=2)) then z=5 else z=8 Η εκτέλεση των βασικών αριθμητικών και λογικών πράξεων γίνεται μέσω εντολών ενσωματωμένων μέσα στον επεξεργαστή (π.χ. πρόσθεση) ή μέσω μιας ακολουθίας πολλών εντολών.

Πράξεις όπως ο πολλαπλασιασμός, η διαίρεση, η εύρεση ρίζας, η διαφόριση, η ολοκλήρωση κ.ά., απαιτούν πολύπλοκους υπολογισμούς με πολλές μετακινήσεις δεδομένων που το υλικό του μικροεπεξεργαστή από μόνο του δεν είναι σε θέση να τις αντιμετωπίσει. Αυτές οι πράξεις αναλύονται σε συνδυασμό βασικών αριθμητικών εντολών (π.χ. η εύρεση ρίζας αριθμού μπορεί να γίνει με διαδοχικές αφαιρέσεις) και πραγματοποιούνται εύκολα ως ακολουθία βασικών εντολών από την αριθμητική και λογική μονάδα. Σε πολλές περιπτώσεις οι αριθμητικές και λογικές πράξεις είναι μικροπρογραμματιζόμενες. Ο μικροπρογραμματισμός συμβάλει στη γρήγορη εκτέλεση των πράξεων και στην επίτευξη μεγαλύτερων ταχυτήτων κατά τους υπολογισμούς.

Μονάδα ελέγχου Η μονάδα ελέγχου CPU είναι το κατευθυντήριο κέντρο του μικροεπεξεργαστή που παρέχει: A) λειτουργίες χρονισμού, συγχρονίζει τη μεταφορά και την επεξεργασία των δεδομένων Β) αποκωδικοποιεί δεδομένα και εντολές Γ) ενεργοποιεί όλα τα δομικά τμήματα του υπολογιστή

Καταχωρητές Οι καταχωρητές (registers) είναι κυκλώματα που χρησιμεύουν για την αποθήκευση προσωρινών αποτελεσμάτων ή δεδομένων που έχουν σημασία για τον μικροεπεξεργαστή

Κύρια μνήμη Η κεντρική ή κύρια μνήμη του υπολογιστή είναι ένα κύκλωμα το οποίο απαρτίζεται από ένα σύνολο θέσεων-κελιών (cells), σε κάθε μια από τις οποίες αποθηκεύεται και ένα τμήμα της πληροφορίας (σύνολα δεδομένων και εντολών) με τη μορφή δυαδικών ψηφίων. Το βασικά χαρακτηριστικά της κύριας μνήμης είναι: Α)Η χωρητικότητά της (η οποία διαφέρει σε κάθε υπολογιστή). Β)Και ο χρόνος προσπέλασης μιας εγγραφής. Ο χρόνος προσπέλασης ισούται με το χρόνο που παρέρχεται από τη στιγμή που η μνήμη λαμβάνει ένα αίτημα για ανάγνωση μέχρι της στιγμής που η αιτούμενη πληροφορία είναι διαθέσιμη στη μνήμη. Σημαντικό ρόλο στο χρόνο προσπέλασης της κύριας μνήμης παίζει η τεχνολογία των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, το μέγεθός της και η αρχιτεκτονική της.

Κύρια μνήμη Σε κάθε θέση της μνήμης αντιστοιχεί ένας αριθμός που χρησιμοποιείται όταν απαιτηθεί να γίνει αναφορά σε συγκεκριμένη θέση. Ο αριθμός αυτός καλείται φυσική διεύθυνση της μνήμης. Σε μια μνήμη που διαθέτει ν θέσεις, οι φυσικές τους διευθύνσεις αριθμούνται από το 0 μέχρι τον αριθμό ν-1, με τις γειτονικές θέσεις μνήμης να διαθέτουν διαδοχικές διευθύνσεις. Το βασικό χαρακτηριστικό της θέσης μνήμης είναι ότι αποθηκεύει τη μικρότερη ποσότητα πληροφορίας που μπορεί να μεταφερθεί στην κεντρική μονάδα επεξεργασίας (CPU).

Βοηθητική ή δευτερεύουσα μνήμη Οι βοηθητικές ή δευτερεύουσες μνήμες είναι εξωτερικές μνήμες (CD’s, USB κ.λπ.) που βοηθούν στην αύξηση της χωρητικότητας των δεδομένων για χρήση από τον υπολογιστή. Η βοηθητική μνήμη είναι αρκετά πιο αργή από την κύρια μνήμη με συνηθέστερες τις μνήμες οπτικών δίσκων και τις μνήμες στερεάς κατάστασης (μνήμες τύπου Solid State Drive ή SSD). Η αποθηκευμένη πληροφορία της βοηθητικής μνήμης (προγράμματα και δεδομένα) διατηρείται και μετά τη διακοπή της τάσης τροφοδοσίας. Πριν τον τερματισμό της λειτουργίας του υπολογιστή θα πρέπει να αποθηκεύεται στη βοηθητική μνήμη όλη η πληροφορία που βρίσκεται καταχωρημένη στην κύρια μνήμη.

Τα πιο διαδεδομένα μέσα Βοηθητικής Μνήμης είναι: Ο σκληρός δίσκος (Hard Disk) ο οποίος είναι ενσωματωμένος στο κουτί του Η/Υ ή συνδέεται μέσω USB θύρας (με συνήθη χωρητικότητα από 20 έως 2000 GB). Το CD-ROM (Compact Disk – Read Only Memory), που είναι δίσκος μόνο για ανάγνωση (μέχρι 700ΜΒ). Το DVD (Digital Video Disk), απόγονος του CD με πολλαπλάσια δυνατότητα αποθήκευσης (μέχρι 17GB). Το CDR – CDRW / DVD – DVDRW έχουν δυνατότητα εγγραφής και επανεγγραφής των δεδομένων. Τα USB sticks και οι κάρτες μνήμης π.χ. SD, MMC κ.λπ. με χωρητικότητα μέχρι αρκετά GB (256 GB).

Λανθάνουσα μνήμη (Cache memory) Η λανθάνουσα (ή αλλιώς προσωρινή ή κρυφή) μνήμη βοηθά στην επιτάχυνση της λειτουργίας ενός επεξεργαστή. Είναι μια είδους RAM μνήμη, η οποία ανταλλάσει δεδομένα με την CPU με πολύ μεγαλύτερες ταχύτητες, σε σχέση με την κύρια RAM του υπολογιστή. Γενικά η λανθάνουσα μνήμη είναι ιδιαίτερα γρήγορη, αλλά και κοστίζει περισσότερο σε σχέση με τις άλλες μνήμες όπως η RAM.

Τύποι λανθάνουσας μνήμης Εξαιτίας της διαφοράς στην ταχύτητα των επεξεργαστών και των κυκλωμάτων κύριας μνήμης, οι πιο πολλοί προσωπικοί υπολογιστές έχουν πλέον τρεις διαφορετικούς τύπους λανθάνουσας μνήμης, που είναι γνωστοί σαν λανθάνουσα μνήμη «επιπέδου 1» (Level 1 ή L1 cache), «επιπέδου 2» (L2 cache) και «επιπέδου 3» (L3 cache) Συνήθως οι λανθάνουσες μνήμες βρίσκονται μέσα στον επεξεργαστή με ταχύτερη εξ’ αυτών την L1. Οι άλλες δύο είναι βραδύτερες αλλά με μεγαλύτερη χωρητικότητα από την L1 (κατά σειρά L2 και L3)

Εικονική μνήμη (Virtual memory) Όταν το κύκλωμα της μνήμης RAM γεμίσει από πληροφορία και απαιτείται επιπλέον χώρος τότε γίνεται μεταφορά των προγραμμάτων που είναι «ανοιχτά» και δεν χρησιμοποιούνται, σε ένα ειδικό αρχείο στο σκληρό δίσκο. Αυτό το αρχείο χρησιμοποιείται ως επέκταση της μνήμης RAM οπότε δημιουργείται ουσιαστικά μια ενοποίηση της RAM με ένα κομμάτι του σκληρού δίσκου. Έτσι όσο υπάρχει διαθέσιμος χώρος στο σκληρό δίσκο, η μνήμη RAM δεν παρουσιάζει προβλήματα ανεπάρκειας χώρου. Στην περίπτωση που το ειδικό αρχείο (η εικονική μνήμη) γεμίσει, το λειτουργικό σύστημα δίνει τη δυνατότητα στο χρήστη να αυξήσει τα όρια του διαθέσιμου χώρου του.

Οργάνωση της Μνήμης Μέσω των ψηφίων 0 και 1 μπορεί να κωδικοποιηθεί οποιαδήποτε πληροφορία και να καταχωρηθεί σε ένα υπολογιστικό σύστημα. Θεωρούμε δηλαδή, ότι τα δυαδικά ψηφία 0 και 1 που αποτελούν το σύνολο {0, 1} είναι ένα αλφάβητο δύο συμβόλων. Το ελάχιστο στοιχείο μνήμης του υπολογιστή ονομάζεται bit (από τον όρο Binary digIT) και αντιστοιχεί στα ψηφία 0 και 1. Μια λέξη (word) είναι μια ακολουθία από bit. Το πλήθος N των bit που περιέχονται σε μια λέξη, είναι χαρακτηριστικό για κάθε είδος επεξεργαστή. Μια λέξη μπορεί, επομένως, να αποδώσει 2 Ν το πολύ διαφορετικές καταστάσεις. Με τον τρόπο αυτό μια λέξη είναι δυνατόν να παραστήσει και 2 Ν διαφορετικά πληροφοριακά στοιχεία, αν κάθε ένα αποδοθεί με ένα διαφορετικό συνδυασμό καταστάσεων των bit της λέξης

Ο χαρακτηριστικός αριθμός Ν, που αποδίδει το πλήθος των bit ανά λέξη, ποικίλει στους διάφορους τύπους επεξεργαστών. Υπάρχουν επεξεργαστές διαφόρων κατηγοριών με 8, 16, 32, 64 bit ανά λέξη. Μια τυπική υποδιαίρεση των λέξεων, είναι μια ακολουθία από 8 bit, που ονομάζονται byte. Σύμφωνα με αυτό μια λέξη 1 byte αποτελείται από 8 bit, μια λέξη 2 bytes αποτελείται από 16 bit, ενώ μια λέξη από 4 bytes αποτελείται από 32 bit. Τα δεδομένα στο εσωτερικό της μνήμης του υπολογιστή προσδιορίζονται μέσω των διευθύνσεών τους. Κάθε καταχωρημένο byte στη μνήμη του υπολογιστή αντιστοιχεί σε μια διεύθυνση. Η διεύθυνση ενός byte αποδίδεται με μια διάταξη των στοιχείων 0 και 1 ανά k. Ο αριθμός k είναι ακέραιος, χαρακτηριστικός του υπολογιστή και καθοριστικός του μεγέθους της μνήμης του.

Κάθε υπολογιστικό σύστημα στο οποίο χρησιμοποιούνται k ψηφία, έχει μνήμη χωρητικότητας μέχρι 2 k bytes. Αυτό σημαίνει ότι δεν είναι δυνατόν να αποκτήσει περισσότερη μνήμη, δεδομένου ότι δεν έχει τη δυνατότητα διευθυνσιοδότησης των επιπλέον θέσεων. Οι διευθύνσεις της μνήμης είναι διαδοχικοί ακέραιοι αριθμοί εκφρασμένοι στο δυαδικό σύστημα αρίθμησης. Η διεύθυνση του πρώτου byte είναι πάντα ο αριθμός 0. Η διεύθυνση του τελευταίου byte της μνήμης είναι M-1, εφόσον το σύνολο των θέσεων της μνήμης περιέχει Μ bytes.

Παραδείγματα: Αν k=3, οι διευθύνσεις της μνήμης είναι 2 3 =8 : (000), (001), (010), (100), (011), (101), (110), (111). Ένα υπολογιστικό σύστημα με διευθύνσεις μνήμης μήκους 16 bits έχει δυνατότητα για διευθύνσεις 2 16 = bytes. Αυτό σημαίνει, ότι το υπολογιστικό σύστημα μπορεί να διαθέτει μνήμη μικρότερη ή ίση με bytes. Ένα σύστημα με διευθύνσεις μνήμης μήκους k=32 bit, μπορεί να διευθύνει μνήμη μέχρι 2 32 = bytes δηλαδή 4 GB. Οι προσπελάσεις (access) σε θέσεις της μνήμης για ανάκληση ή για καταχώρηση πληροφοριακών δεδομένων, είναι δυνατόν να γίνονται σε ολόκληρες λέξεις ή σε bytes της μνήμης. Οι προσπελάσεις σε χαμηλότερο επίπεδο π.χ. bits είναι δυνατές αλλά πραγματοποιούνται πάντα μέσω του byte.

Μέτρηση χωρητικότητας της μνήμης Η χωρητικότητα μιας μνήμης μετριέται σε πολλαπλάσια των bytes. Πολλαπλάσιο του byte είναι ο αριθμός 2 10 =1024 που αποδίδεται με το γράμμα k και προφέρεται kilo. Το γράμμα M (Mega), σημαίνει 1024 x 1024, δηλαδή 2 20 = bytes, προφέρεται Megabyte. Τέλος το γράμμα G είναι το πρώτο γράμμα της λέξης Giga, 1 Giga=1024 Mega= bytes. Τα πολλαπλάσια του byte γράφονται Gbyte ή GB και προφέρονται Gigabyte Π.χ. χωρητικότητα byte γράφεται 65 KB Χωρητικότητα byte γράφεται 16 MB Χωρητικότητα byte γράφεται 4 GB

Μονάδες εισόδου-εξόδου Οι μονάδες εισόδου-εξόδου (Input/Output Devices, I/O) είναι οι κατάλληλες συσκευές που μεσολαβούν για την εισαγωγή δεδομένων και πληροφοριών στον υπολογιστή (μονάδες εισόδου) προς επεξεργασία και οι οποίες αναλαμβάνουν την επιστροφή των πληροφοριών και των αποτελεσμάτων (μονάδες εξόδου) στο χρήστη. Ονομάζονται και περιφερειακές συσκευές ή περιφερειακά καθώς αρκετές από αυτές δεν εντάσσονται στις εντελώς απαραίτητες συσκευές της βασικής δομής του υπολογιστή.

Βασικές μονάδες εισόδου-εξόδου Σκληροί δίσκοι και δίσκοι στερεάς κατάστασης Οπτικοί δίσκοι (DVD και Blu-Ray disk) Πληκτρολόγιο Οθόνη Ποντίκι Σαρωτές Ψηφιακή κάμερα (Web camera) Εκτυπωτές

Σκληροί δίσκοι Οι σκληροί δίσκοι χρησιμοποιούνται για την αποθήκευση μεγάλων ποσοτήτων πληροφορίας. Οι δίσκοι αποτελούνται από μαγνητικούς δίσκους και υπάρχουν τόσες κεφαλές όσες και οι μαγνητικοί δίσκοι. Οι κεφαλές που είναι ανάγνωσης και εγγραφής κινούνται πάνω και κάτω από την επιφάνεια κάθε δίσκου. Οι μαγνητικοί δίσκοι περιστρέφοντα με συνήθη ταχύτητα 7200 περιστροφές ανά λεπτό (rpm, revolutions per minute) η οποία μπορεί να φτάσει μέχρι rpm. Τα δεδομένα αποθηκεύονται στην επιφάνεια ενός μαγνητικού δίσκου σε τομείς (sectors) και τροχιές (tracks). Οι τροχιές είναι ομόκεντροι κύκλοι και οι τομείς είναι τόξα πάνω σε μια τροχιά. Πολλοί τομείς ομαδοποιούνται σε συστάδες clusters.

Ο χρόνος που απαιτείται για τη μεταφορά πληροφορίας μεγέθους ενός sector (256 ή 512 bytes) από και προς το δίσκο αποτελείται από τις εξής συνιστώσες: Το χρόνο τοποθέτησης της κεφαλής στο σωστό track (χρόνος αναζήτησης) Το χρόνο περιστροφής μέχρι ο σωστός sector να βρεθεί κάτω από την κεφαλή (χρόνος περιστροφής) Το χρόνο ανάγνωσης του sector Η πρώτη από τις παραπάνω συνιστώσες είναι και η μεγαλύτερη. Για τη μετακίνηση μεταξύ γειτονικών tracks, απαιτείται χρόνος μερικών χιλιοστών του δευτερολέπτου.

Η μείωση του χρόνου αναζήτησης μπορεί να γίνει με την ύπαρξη περισσότερων μετακινούμενων κεφαλών ανά μαγνητικό δίσκο. Για παράδειγμα αν διαθέτουμε 2 κεφαλές και 1024 tracks ανά επιφάνεια δίσκου και αναθέτουμε στη μια κεφαλή να εξυπηρετεί αιτήσεις των tracks 0 έως 511 και στη δεύτερη των υπολοίπων, μειώνουμε στο μισό το χρόνο αναζήτησης. Στην ακραία περίπτωση μπορούμε να έχουμε τόσες κεφαλές όσα και τα traks κάθε επιφάνειας. Οι δίσκοι αυτοί ονομάζονται δίσκοι σταθερής κεφαλής και προσφέρουν σχεδόν μηδενικό χρόνο αναζήτησης Οι δίσκοι σταθερών κεφαλών έχουν όμως πολλαπλάσιο κόστος από τους αντίστοιχους δίσκους κινητής κεφαλής.

Δίσκοι στερεάς κατάστασης (SSD) Οι δίσκοι στερεάς κατάστασης (SSD, Solid State Drives), δεν έχουν μηχανικά μέρη (κινούμενα μέρη) και αποθηκεύουν τα δεδομένα σε ολοκληρωμένα ηλεκτρονικά κυκλώματα (τσιπάκια). Οι SSD δίσκοι εξελίσσονται με ραγδαίο ρυθμό κυρίως λόγω της χαμηλής τους κατανάλωσης σε ρεύμα και των μεγάλων ταχυτήτων στην προσπέλαση των δεδομένων τους. Ένας δίσκος SSD μπορεί να έχει χωρητικότητα από 40 GB έως και 512 GB. Έχουν ελαφρώς διαφορετικές (πραγματικές) χωρητικότητες απ’ ότι οι σκληροί δίσκοι (π.χ. 120 αντί 128, 250 αντί 256 κ.ο.κ.), διότι ένας SSD βάζει κάποια GB πάντα «στην άκρη» και τα χρησιμοποιεί για να κάνει βελτιστοποίηση της απόδοσής του και «τακτοποίηση» των δεδομένων, όταν γεμίζει σιγά-σιγά.

SSD έναντι Σκληρών δίσκων (HDD) Πλεονεκτήματα SSD: ✔ δε ζεσταίνονται ✔ δεν κάνουν θόρυβο ✔ είναι πιο γρήγοροι (ενώ οι μαγνητικοί HDD, αργούν λόγω του ότι οι αναζήτηση των δεδομένων μέσα στο δίσκο καθυστερεί λόγω της κίνησης της κεφαλής) ✔ δεν κινδυνεύουν να καταστρέψουν δεδομένα λόγω δονήσεων ✔ καταναλώνουν ελάχιστη ενέργεια (έτσι στο laptop η μπαταρία κρατάει περισσότερο) Μειονεκτήματα SSD: ✔ Είναι ακριβοί ✔ Έχουν συγκεκριμένο αριθμό εγγραφών-επανεγγραφών Αυτό σημαίνει ότι μετά από κάποια χρόνια θα αχρηστευτεί. ✔ Σε κάποιες ιδιαίτερες περιπτώσεις, οι ταχύτητες εγγραφής είναι χαμηλότερες από αυτές των δίσκων HDD

Οπτικοί δίσκοι Οι οπτικοί δίσκοι που χρησιμοποιούνται στα σημερινά υπολογιστικά συστήματα είναι τα DVDs (Digital Video Disk) και τα Blu-ray Disks (BD). Τα DVDs χρησιμοποιούνται για την ψηφιακή αποθήκευση δεδομένων και η πυκνότητα εγγραφής τους έχει αυξηθεί σημαντικά (μέχρι 17 GB). Η αποθήκευση της πληροφορίας σε ένα DVD γίνεται όμοια με αυτήν ενός δίσκου, με μόνη διαφορά ότι ενώ στο δίσκο τα κανάλια είναι οργανωμένα σαν ομόκεντροι κύκλοι, εδώ έχουμε μια σπειροειδή μορφή.

Ο λόγος είναι ότι ένας δίσκος περιστρέφεται με σταθερή γωνιακή ταχύτητα ενώ η πυκνότητα εγγραφής μεταβάλλεται, ενώ σε ένα οπτικό δίσκο η ταχύτητα και η πυκνότητα εγγραφής είναι σταθερές. Στην αγορά διατίθενται οπτικοί δίσκοι για μια εγγραφή μόνο ή επανεγγράψιμοι (DVD-R ή DVD-RW). Για την εγγραφή τους απαιτείται ειδική συσκευή η οποία εγγράφει τον οπτικό δίσκο με ακτίνα laser χαμηλής εντάσεως. Η εγγραφή σε αυτές τις συσκευές διαρκεί σημαντικά περισσότερο απ’ ότι η ανάγνωση ενός δίσκου.

Blu-ray Disks Τα Blu-ray Disks είναι διάδοχοι των DVDs. Είναι οπτικά μέσα υψηλής πυκνότητας εγγραφής, ούτως ώστε να μπορούν να αποθηκεύονται σε αυτά και αρχεία βίντεο υψηλής ευκρίνειας. Πήραν το όνομά τους από το μπλε-ιώδες λέιζερ το οποίο χρησιμοποιείται για την ανάγνωση και εγγραφή των δίσκων αυτών. Ένας μονής στρώσης δίσκος Blu-ray μπορεί να αποθηκεύσει 25 GB ενώ ένας διπλής στρώσης μπορεί να αποθηκεύσει 50 GB. Μια συσκευή ανάγνωσης ή εγγραφής/ανάγνωσης δίσκων BD μπορεί να αναγνώσει ή να εγγράψει ένα δίσκο DVD, χωρίς όμως να γίνεται το αντίστροφο.

Πληκτρολόγιο Το πληκτρολόγιο είναι από τα πιο αργά περιφερειακά ενός υπολογιστή. Συνδέεται με τον υπολογιστή μέσω διεπαφής PS/2 ή USB αλλά και με άλλες διεπαφές όπως Bluetooth ή Wifi. Τα πλήκτρα ενός πληκτρολογίου είναι συνήθως 104, όμως κάθε ένα από αυτά κάνει περισσότερες από μία δουλειά. Επίσης πολλές σημαντικές εργασίες γίνονται με συνδυασμό πλήκτρων.

Περιγραφή εργασιών βασικών πλήκτρων Επιλογή και διόρθωση χαρακτήρων α)Διαγραφή Προηγούμενου Χαρακτήρα : β)Διαγραφή Επόμενου Χαρακτήρα : γ)Εισαγωγή / Επικάλυψη χαρακτήρων δ)Επιλογή κειμένου : & πάνω ή κάτω ή αριστερό ή δεξί βέλος ε)Με το συνδυασμό των πλήκτρων & γίνεται αλλαγή σελίδας ή εισαγωγή νέας παραγράφου σε ένα πεδίο ελευθέρου κειμένου (π.χ. σχολίου)

Συνήθεις λειτουργίες βασικών πλήκτρων α)Το πλήκτρο χρησιμοποιείται για επιλογή ή επιβεβαίωση. Κατά τη διάρκεια σύνταξης κειμένου χρησιμοποιείται για αλλαγή παραγράφου β)Το πλήκτρο για ακύρωση εντολής, για έξοδο, από ένα πρόγραμμα ή ακύρωση μιας ενέργειας γ) Το πλήκτρο για ενεργοποίηση του μενού μιας εφαρμογής ή σε συνδυασμό με κάποιο γράμμα (το αντίστοιχο υπογραμμισμένο) για την επιλογή μιας ομάδας εντολών από το μενού, για παράδειγμα Alt & F ανοίγει το μενού της ομάδας του μενού File

α)Το πλήκτρο χρησιμοποιείται για διαγραφή στοιχείων ή εγγραφών από μια λίστα ή έναν κατάλογο β)Το πλήκτρο χρησιμοποιείται για να ζητήσετε βοήθεια από μια εφαρμογή γ) Για να εισαχθούν διαλυτικά κρατάμε πατημένο το πλήκτρο και πατάμε μια φορά το πλήκτρο του τόνου, ελευθερώνουμε το πλήκτρο και πατάμε μια φορά το φωνήεν που θέλουμε π.χ. το δ) Για να παραχθούν τα διαλυτικά με τόνο κρατάμε πατημένο το δεξί πλήκτρο, πατάμε μια φορά το πλήκτρο του τόνου, ελευθερώνουμε το πλήκτρο και πατάμε μια φορά το φωνήεν που θέλουμε π.χ. το

Ποντίκι (Mouse) Πρόκειται για καινούργια συσκευή που εμφανίστηκε πρώτη φορά το 1979 από μια ερευνητική μονάδα της Xerox. Το ποντίκι παρέχει τη δυνατότητα στο χρήστη να μετακινείται εύκολα και γρήγορα στην οθόνη ενός υπολογιστή ενεργοποιώντας εντολές Το οπτικό ποντίκι έχει μια φωτοδίοδο (LED) και αισθητήρες φωτός προς τα τέσσερα σημεία του ορίζοντα. Καθώς μετακινείται το ποντίκι, η κίνηση μεταφράζεται σε παλμοσειρές ύπαρξης ή μη ύπαρξης φωτός προς τα τέσσερα σημεία του ορίζοντα. Χρησιμοποιώντας το ποντίκι μπορούμε να κάνουμε διάφορες εργασίες γρήγορα και απλά, π.χ. να επιλέξουμε ένα μενού ή ένα κείμενο, να μετακινήσουμε ένα εικονίδιο ή μια σελίδα κ.λπ.

Βασικές λειτουργίες του ποντικιού 1. Κατάδειξη (Point), Μεταφέρουμε το δείκτη πάνω σε ένα σημείο της οθόνης 2. Κλικ (Click), Πατάμε το αριστερό πλήκτρο και το αφήνουμε ελεύθερα. Είναι η πιο συχνή ενέργεια για να επιλέξουμε κάτι ή να μεταφέρουμε το σημείο εισαγωγής στο σημείο που θέλουμε 3. Διπλό κλικ (Double click), Πατάμε συγχρονισμένα δύο φορές το αριστερό πλήκτρο και το απελευθερώνουμε. «Τρέχει» ένα εκτελέσιμο αρχείο ή ανοίγουμε ένα φάκελο κ.ά. 4. Σύρσιμο (Drag), Κρατάμε πατημένο το αριστερό πλήκτρο και σύρουμε το ποντίκι. Μετακινούμενα αντικείμενα, επιλέγουμε κείμενο κ.ά. 5. Σύρσιμο και ρίψη (Drag and drop), Κάνουμε κλικ σε ένα αντικείμενο και χωρίς να απελευθερώσουμε το αριστερό πλήκτρο, μετακινούμε το αντικείμενο μέχρι να βρεθεί στη θέση που θέλουμε. 6. Δεξί κλικ, Το πάτημα του δεξιού πλήκτρου εμφανίζει ένα μενού συντομίας (pop-up menu)

Η Οθόνη Η οθόνη αποτελεί τη μονάδα απεικόνισης του υπολογιστικού συστήματος (ονομάζεται και μόνιτορ). Τεχνολογίες οθονών 1. Οθόνες υγρών κρυστάλλων (LCD, liquid crystal display) 2. Οθόνες φωτοδιοδίων (LED, light emitting diode) 3. Οθόνες επίστρωσης φωτοτρανζίστορ (TFT, Thin –Film Transistor Ουσιαστικά και οι τρεις τύποι βασίζονται στην τεχνολογία υγρών κρυστάλλων με διαφορετικό όμως τρόπο.

Ανεξάρτητα από την τεχνολογία που χρησιμοποιούμε για τη κατασκευή μιας οθόνης, η εικόνα που σχηματίζεται σε αυτές αποτελείται από μικροσκοπικά εικονοστοιχεία (pixels). Όσο περισσότερα είναι αυτά τόσο μεγαλύτερη είναι η ευκρίνεια της σχηματιζόμενης εικόνας. Η πλέον συνηθισμένη ανάλυση για τις σύγχρονες οθόνες φτάνει μέχρι και τα 1920x1080 εικονοστοιχεία ή 2,1 Mpixels. Ουσιαστικά πρόκειται για οθόνες οι οποίες υποστηρίζουν την αναπαραγωγή βίντεο υψηλής ευκρίνειας (Full HD) Για να δίνεται η εικόνα της συνεχούς κίνησης στο ανθρώπινο μάτι, πρέπει η ανανέωση της οθόνης να γίνεται τουλάχιστον 25 φορές το δευτερόλεπτο. Οι σύγχρονες οθόνες έχουν ρυθμό ανανέωσης 120 φορές/δευτερόλεπτο.

Εκτυπωτής Χρησιμοποιείται για την εκτύπωση των παραγόμενων αποτελεσμάτων από ένα υπολογιστικό σύστημα. Είδη εκτυπωτών Εκτυπωτές ψεκασμού μελάνης (inkjet), εκτοξεύουν μελάνη μέσω μικροσκοπικών ψεκαστήρων από μια ή περισσότερες δεξαμενές υγρής μελάνης. Είναι οι πλέον χρησιμοποιούμενοι με σχετικά χαμηλό κόστος. Συνήθως συνδυάζονται με άλλα μηχανήματα όπως σαρωτές, φωτοτυπικά κ.λπ. Η τυπική μέγιστη ανάλυση στους περισσότερους είναι τα 4800x1200 dpi.

Πλεονεκτήματα εκτυπωτών ψεκασμού Α) Είναι σχετικά αθόρυβοι Β) Είναι δυνατή η εκτύπωση πάνω σε διαφάνειες ή οποιαδήποτε άλλη επιφάνεια. Σήμερα οι εκτυπωτές ψεκασμού μπορούν να προσεγγίσουν τη φωτογραφική ποιότητα εκτύπωσης (2400dpi). Μειονεκτήματα εκτυπωτών ψεκασμού Το κύριο μειονέκτημα των εκτυπωτών ψεκασμού είναι η χαμηλή ταχύτητά τους στη μέγιστη ανάλυση και το υψηλό κόστος χρήσης.

Εκτυπωτές λέιζερ (laser printer), χρησιμοποιούν τεχνολογία λέιζερ. Οι εκτυπωτές αυτοί παράγουν μονομιάς μια σελίδα εκτύπωσης και συνεπώς μπορούν να χαρακτηριστούν και ως εκτυπωτές σελίδας. Η ανάλυσή τους ποικίλει ιδιαίτερα, ανάλογα με το μοντέλο και το κόστος του εκτυπωτή. Επίσης πολύ συχνά συναντώνται και ως πολυμηχανήματα με σαρωτή, φωτοτυπικό και φαξ. Οι εκτυπωτές λέιζερ προσφέρουν άριστη ποιότητα εκτύπωσης με σχετικά χαμηλό κόστος χρήσης, το οποίο μπορεί να είναι χαμηλότερο από τους εκτυπωτές ψεκασμού. Στα μειονεκτήματά τους συγκαταλέγονται το σχετικά υψηλό κόστος κτήσης ειδικά για τους έγχρωμους εκτυπωτές.

Σαρωτής (Scanner) Ο σαρωτής είναι μια από τις πολλές συσκευές ανάγνωσης του υπολογιστή. Εκτελεί την ανάγνωση ενός κειμένου ή μιας εικόνας και τα μετατρέπει σε ψηφιακή μορφή. Ουσιαστικά είναι σα να φωτογραφίζεται το οποιοδήποτε αντικείμενο ή σελίδα και να ψηφιοποιείται παράγοντας ένα αρχείο μορφής εικόνας. Επίσης ένα κείμενο μπορεί να αντιγραφεί ως εικόνα και να μετατραπεί πάλι σε κείμενο για επεξεργασία μέσω ενός ειδικού προγράμματος οπτικής ανάγνωσης χαρακτήρων (OCR-Optical Character Recognition). Συναντώνται ως αυτόνομες συσκευές, αλλά και ως τμήμα ενός πολυμηχανήματος.

Web camera Οι Web camera είναι ψηφιακές κάμερες οι οποίες έχουν τη δυνατότητα να συνδέονται με τον υπολογιστή και να μεταφέρουν σ’ αυτόν βίντεο υψηλής ποιότητας, είτε για αποθήκευση στο σκληρό δίσκο ή σε άλλο αποθηκευτικό μέσο, είτε για χρήση και αποστολή του σε πραγματικό χρόνο μέσω του διαδικτύου σε συνδυασμό με εφαρμογές μεταφοράς εικόνας όπως π.χ. το Skype. Είναι τόσο ραγδαία η βελτίωση των Web camera που πλησιάζουν πάρα πολύ στην ποιότητα των φορητών ψηφιακών φωτογραφικών μηχανών μέσης κατηγορίας. Φτάνουν σε ανάλυση τα 1920x1080 pixels, έχουν ενσωματωμένο μικρόφωνο και συνδέονται με τον υπολογιστή μέσω διεπαφής USB.

Κάρτες υπολογιστικών συστημάτων Κάρτα δικτύου Μια από τις σημαντικές δυνατότητες του υπολογιστή είναι η δικτύωσή τους. Π.χ. η σύνδεση των υπολογιστών των υποκαταστημάτων μιας τράπεζας σε μια κοινή βάση δεδομένων καταθέσεων και αναλήψεων. Η διασύνδεση αυτή γίνεται μέσω μιας κάρτας δικτύου (NIC – Network Interface Card). Η υλοποίηση της διασύνδεσης απαιτεί και το απαραίτητο λογισμικό μέσω του οποίου διακινούνται οι πληροφορίες στο τοπικό δίκτυο. Το βασικό πρωτόκολλο διασύνδεσης είναι το Ethernet. Υπάρχουν πρωτόκολλα Ethernet που διακινούν δεδομένα με ταχύτητα με 10, 100 μέχρι 1000 Mbps (1 Gigabit).

Κάρτα ήχου Η αναπαραγωγή και η εισαγωγή ήχου πραγματοποιείται από ένα ψηφιακό κύκλωμα. Ένα μικρόφωνο και ένα ζευγάρι ηχεία ή ακουστικά συνδέονται στην κάρτα ήχου. Η διαχείριση εισερχόμενου και εξερχόμενου ήχου πραγματοποιείται μέσω εδικού λογισμικού. Κάρτα οθόνης Η κάρτα οθόνης ή κάρτα γραφικών είναι βασικό στοιχείο ενός υπολογιστή. Πάνω σε αυτήν μπορεί να συνδεθεί μια οθόνη ώστε να μπορούμε να τη χρησιμοποιούμε με ευκολία. Πρόκειται για ειδικά κυκλώματα που συνήθως βρίσκονται πάνω στη μητρική κάρτα. Συνήθως για καλύτερες επιδόσεις της οθόνης (π.χ. 3D games) χρησιμοποιείται κάρτα υψηλών επιδόσεων που τοποθετείται σε κάποια θύρα επέκτασης.

Δικτυακός εξοπλισμός Πέραν της αυτόνομης χρήσης τους, οι υπολογιστές, λειτουργώντας σε ένα δίκτυο υπολογιστών, μπορούν να προσφέρουν εξαιρετικά σύνθετες υπηρεσίες. Η δημιουργία του παγκόσμιου ιστού (Internet) προσέφερε μια τεράστια βιβλιοθήκη πληροφοριών συνεχώς εμπλουτιζόμενη. Η ύπαρξη του παγκόσμιου ιστού οφείλεται στη συνδεσμολογία και την επικοινωνία πολλών υπολογιστών μεταξύ τους. Η πιο απλή σύνδεση που θα μπορούσε να γίνει μεταξύ υπολογιστικών συστημάτων είναι οι σύνδεση δύο μόνο υπολογιστών. Αυτό απαιτεί απλά δύο κάρτες δικτύου και ένα καλώδιο δικτύου. Για μεγαλύτερες συνδέσεις απαιτούνται ειδικές συσκευές για την παρακολούθηση των μετακινούμενων δεδομένων δρομολογώντας τα ανάλογα με τις ανάγκες.

Hub To Hub είναι υπεύθυνο για την αντιγραφή των δεδομένων που έρχονται σε μια από τις θύρες του, προς όλες τις υπόλοιπες. Αν θέλουμε να συνδέσουμε από 3 και πάνω υπολογιστές θα πρέπει να χρησιμοποιήσουμε ένα hub, το οποίο θα κάνει τον διαβιβαστή. Σε ένα δίκτυο με περισσότερα από 2 υπολογιστικά συστήματα που χρησιμοποιεί hub, όταν ένας υπολογιστής «αντιληφθεί» ότι ένα πακέτο πληροφοριών που απευθύνεται προς αυτόν είναι χρήσιμο, τότε το κρατάει και το χρησιμοποιεί, διαφορετικά το απορρίπτει.

Switching hub To Switching Hub ή απλά Switch θα μπορούσαμε να πούμε ότι είναι ένα hub με βελτιωμένη αντίληψη και συμπεριφορά. Ένα απλό hub αντιγράφει απλώς τα δεδομένα που δέχεται, σε όλους τους υπολογιστές που συνδεδεμένοι επάνω του. Για λόγους ασφαλείας θα θέλαμε να πηγαίνουν μόνο στον παραλήπτη και όχι σε όλους τους υπολογιστές. Αυτό ακριβώς κάνει ένα switching hub. Τα δίκτυα που δημιουργούνται με λίγους υπολογιστές συνήθως εντός ενός δικτύου λέγονται LAN (Local Area Network). Αυτά που καλύπτουν αποστάσεις της τάξης μεγέθους πόλης λέγονται MAN (Metropolitan Area Network). Τα δίκτυα ευρείας κλίμακας όπως το Internet λέγονται WAN (Wide Area Network)

Router Ο Router προωθεί τα πακέτα από το ένα LAN στο άλλο ανάλογα με την περίσταση. Θα μπορούσαμε να πούμε ότι είναι ένα είδος Switching Hub που, όμως, δεν ενώνει δύο υπολογιστές αλλά δύο δίκτυα υπολογιστών. Για να επικοινωνήσουν δύο LAN θα πρέπει να υπάρχει ένας Router στο ένα και ένας Router στο άλλο και να είναι συνδεδεμένοι μεταξύ τους. Σε ένα μεγάλο δίκτυο κάθε ένας Router επικοινωνεί και με τους υπόλοιπους έτσι ώστε να βρει τον κατάλληλο δρόμο ώστε τα πακέτα δεδομένα να φτάσουν το ταχύτερο και με μεγαλύτερη ασφάλεια στον προορισμό τους. Ο κάθε Router επιλέγει την καλύτερη διαδρομή που μπορεί να ακολουθήσει ένα πακέτο. Αν ένας Router εμφανίσει πρόβλημα απλώς αλλάζει η διαδρομή των πακέτων.

Μέθοδοι σύνδεσης δικτύων Η δικτύωση δύο υπολογιστών είναι εύκολη διαδικασία χρησιμοποιώντας δύο κάρτες δικτύου και ένα καλώδιο. Οι πιο διαδεδομένες μορφές δικτύων χρησιμοποιούν καλώδια για να συνδέσουν την κάρτα στα ενεργά στοιχεία ή από ένα ενεργό στοιχείο στο άλλο. Πολλά δίκτυα δεν είναι ενσύρματα, και εφαρμόζουν πρωτόκολλα ασύρματης επικοινωνίας. Στα ασύρματα δίκτυα αντί για καλώδια χρησιμοποιούνται ηλεκτρομαγνητικά κύματα για τη μεταφορά της πληροφορίας. Οι ταχύτητες που μπορούν να φτάσουν αυτά τα δίκτυα ανταλλαγής δεδομένων είναι της τάξεως των Gigabits/second, δηλαδή, περίπου bits /sec. Τα πλέον συχνά συναντώμενα δίκτυα είναι της τάξεως 100/1000 Μbit/sec, με πρωτόκολλο Ethernet