ΗΜΥ 007 – Τεχνολογία Πληροφορίας Διάλεξη 3 Βασικές αρχές αναπαράστασης πληροφορίας με δυαδικά ψηφία TΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ

Περίληψη Έννοιες: Αναπαράσταση πληροφορίας με αλφάβητα Δυαδικά ψηφία Τι είναι; Γιατί χρησιμοποιούνται; Πως υλοποιούνται; Ψηφιακά συστήματα για Αποθήκευση, Επεξεργασία και Μετάδοση πληροφορίας

Διαδίκτυο και Παγκόσμιος Ιστός Βασική αρχή για την λειτουργία τους είναι ότι όλων των ειδών οι πληροφορίες όπως Κείμενο Εικόνες Ήχος Βίντεο κ.λ.π. μετατρέπονται στην ίδια μορφή Δυαδικά ψηφία

Αναπαράσταση Πληροφορίας Ιστορική αναδρομή γραφής Πρώτες συμβολικές αναπαραστάσεις Ανάγλυφα σε βράχους Διάγραμμα με εικόνες Ιδεόγραμμα Πρώτα συστήματα γραφής Σφηνοειδής - Σουμέριοι Ιερογλυφικά - Αιγύπτιοι Λογογράμματα - Κινέζοι Αλφάβητα Φοινικικό Ελληνικό Ρωμαϊκό Τυπογραφία του Gutenberg ( ) Ηλεκτρονική αναπαράσταση ηλεκτρονική τεχνολογία πληροφορίας

Αναπαράσταση Πληροφορίας Πρόβλημα: Οι πληροφορίες έχουν διαφορετική μορφή Αριθμοί (η ώρα, το σκορ παιγνιδιού, τιμές, λογαριασμοί κλπ) Μήνυμα φωνής Μουσική Φωτογραφίες Βίντεο Λύση => «κωδικοποίηση» πληροφορίας Μοναδική (unique) ένας κώδικας αναπαριστά μόνο μία πληροφορία η Αποκωδικοποίηση πρέπει να δίνει την αρχική πληροφορία Τυποποιημένη (standardized) χρησιμοποιεί πρότυπα που εξυπηρετούν διάφορες εφαρμογές Συμβατική (compatible) Με αξιόπιστη τεχνολογία που δεν είναι ακριβή

Αλφάβητο πεπερασμένο αριθμών«Κώδικας» που περιέχει ένα πεπερασμένο αριθμών στοιχείων Πόσα στοιχεία είναι ιδανικά για καλύτερη αξιοπιστία; Παραδείγματα: Αγγλικό και Κινέζικο αλφάβητο Ποιο είναι πιο αξιόπιστο για επικοινωνία; δηλ. πιο εύκολη αναγνώριση γραμμάτων με λιγότερα λάθη Ελληνικά: συγκεντρώνω, συναντιόμαστε, καλά, άριστα, ωραία μαθαίνω, μάθηση, σχολείο συνάντηση (40,000 χαρακτήρες) (26 γράμματα) Επικοινωνεί πιο πολλά από ένα γράμμα

Δυαδικός Κώδικας Κώδικας με δύο σύμβολα προσφέρει ευρωστία απέναντι στο θόρυβο συστημάτων επικοινωνίας (δηλ. στην υποβάθμιση του σήματος) ανοχή σε λάθη που επηρεάζουν την αναγνώριση των συμβόλων Εύκολη υλοποίηση Δυαδικά ψηφία – binary digits = bits 0 και 1 Αναπαριστούν μία από δύο αντίθετες καταστάσεις: ανοικτό ή κλειστό λάθος (False) ή σωστό (True)

Δυαδικό Ψηφίο Ένα bit είναι η μικρότερη ποσότητα πληροφορίας που μπορούμε να αποθηκεύσουμε, να επεξεργαστούμε και να μεταδώσουμε Ένα bit μπορεί να απαντήσει «σωστό» ή «λάθος» σε μία ερώτηση Δύο bits ενωμένα μαζί τι μπορούν να συμβολίσουν; Στοιχειοσειρά: 00, 01, 10, 11 Π.χ. 00: Βορράς 01: Νότος 10: Ανατολή 11: Δύση

Παράδειγμα αναπαράστασης με 2 bits ΒορράςΝότοςΔύσηΑνατολή Απάντηση σε δύο ερωτήσεις λάθος ή σωστό δίνει 4 πιθανές απαντήσεις

Δύναμη αναπαράστασης με Κ bits Με 3 bits έχουμε 8 μοναδικά σχήματα (patterns) *2*2 = ; = 2 3 = 8 Με 4 bits έχουμε 16 μοναδικά σχήματα 0000, , , , , , , , *2*2*2= 16 Γενικά με Κ bits έχουμε 2 Κ μοναδικά σχήματα Δύο πιθανές τιμές που μπορεί να πάρει ένα δυαδικό ψηφίο

Η χρησιμότητα των δυαδικών ψηφίων Δυαδικά ψηφία αναπαριστούν μία από δύο αντίθετες καταστάσεις: ανοικτό (ON) ή κλειστό (OFF) όπως τις δύο καταστάσεις ενός διακόπτη Το βασικότερο ηλεκτρονικό κύκλωμα που χρησιμοποιείται στους Η/Υ είναι ο ηλεκτρονικός διακόπτης και μπορεί να βρίσκεται σε μία από δύο καταστάσεις ανοικτό ή κλειστό αγωγή ρεύματος ή διακοπή ρεύματος Ηλεκτρονικά κυκλώματα που μπορούν να βρίσκονται σε δύο καταστάσεις λέγονται ψηφιακά Η κατάλληλη διασύνδεση ψηφιακών κυκλωμάτων επιτρέπει την αποθήκευση και επεξεργασία δεδομένων σε ψηφιακή μορφή 000

Ηλεκτρονική υλοποίηση της δυαδικής πληροφορίας Εύκολη αποθήκευση σε στοιχεία με δύο καταστάσεις Μπορεί να μεταδοθεί με επιτυχία πάνω σε καλώδια που έχουν θόρυβο και είναι ανακριβή Διάστημα τιμών 0.0V 0.5V 2.8V 3.3V 010 Δύο διακριτές καταστάσεις: χαμηλότερη τάση (π.χ. 0 – 0.5 V) => ‘0’ ψηλότερη τάση (π.χ. 2.8 – 3.3 V) => ‘1’

Ψηφιακά συστήματα Συστήματα ψηφιακής επεξεργασίας πληροφοριών : ηλεκτρονικοί υπολογιστές (Η/Υ) Συστήματα ψηφιακής αποθήκευσης πληροφοριών: ηλεκτρονικά, μαγνητικά και οπτικά Συστήματα ψηφιακής μετάδοσης πληροφοριών Σημαντικότερο προτέρημα τους είναι η ευρωστία στον θόρυβο και η ανοσία στα λάθη αναγνώρισης των δυαδικών ψηφίων

Συστήματα ψηφιακής επεξεργασίας πληροφοριών Ηλεκτρονικοί Υπολογιστές (Η/Υ) Αποτελούνται από ηλεκτρονικά κυκλώματα που είναι ηλεκτρονικοί διακόπτες Οι δυαδική πληροφορία που είναι αποθηκευμένη σε Η/Υ επεξεργάζεται με ειδικά προγράμματα που καθορίζουν την κατάσταση κάθε διακόπτη (ανοικτός ή κλειστός) Τα προγράμματα είναι επίσης σε δυαδική μορφή!

Ηλεκτρονική Λυχνία (Vacuum Tube)

Το πρώτο τρανζίστορ επαφής (Point-Contact Transistor) 1947 Μουσείο των Bell Labs

Το πρώτο τρανζίστορ ένωσης (Junction Transistor) 1951 Bell Labs Εργαστηριακό μοντέλο M1752 Εκτός εργαστηρίου

Αρχικά με τα τρανζίστορ

Μια πιο κοντινή ματιά, τότε

Επεξεργαστές Σήμερα

Μια πιο κοντινή ματιά, σήμερα

Μαγνητικός δίσκος Αποτελείται από στοιχειώδη σημεία (domains) που μπορούν να έχουν μία από δύο καταστάσεις Τα στοιχειώδη σημεία μαγνητίζονται ως προς το βορά («πάνω») ή ως προς το νότο («κάτω») Έτσι κάθε στοιχείο μπορεί να αποθηκεύσει ένα bit πληροφορίας Η πληροφορία διαβάζεται με μία μαγνητική συσκευή που μπορεί να προσδιορίσει την κατεύθυνση μαγνήτισης κάθε στοιχείου

Οπτικός δίσκος Η πληροφορία αποθηκεύεται με το «κάψιμο» του οπτικού δίσκου με μία ακτίνα λέιζερ δημιουργώντας μια «λακκούβα» (pit) ή ένα «λόφο» (smooth area) Που αντιστοιχούν στο ‘0’ και το ‘1’ Η πληροφορία διαβάζεται με ακτίνα λέιζερ Οι λόφοι αντανακλούν την ακτίνα ενώ οι λακκούβες δεν την αντανακλούν στοιχειώδη σημεία που μπορούν να έχουν μία από δύο καταστάσεις

Προτερήματα δυαδικής πληροφορίας Φανταστείτε ένα νέο είδος οπτικού δίσκου με στοιχεία που μπορούν να πάρουν μία από 3 καταστάσεις: στοιχείο με ψηλή αντανάκλαση στοιχείο με μέτρια αντανάκλαση στοιχείο χωρίς αντανάκλαση Προτέρημα Κάθε στοιχείο μπορεί να αποθηκεύσει περισσότερες πληροφορίες Μειονεκτήματα Λιγότερη ανοσία σε λάθη Παράδειγμα: δακτυλικά αποτυπώματα μπορούν να αλλάξουν ένα στοιχείο ψηλής αντανάκλασης σε στοιχείο μέτριας αντανάκλασης Απαιτεί πιο ακριβή τεχνολογία Επειδή μόνο ένα από δύο σύμβολα (καταστάσεις) χρειάζεται να αναγνωριστεί στον συνηθισμένο οπτικό δίσκο, το σύστημα είναι πιο απλό και αξιόπιστο

Πληροφορία Πηγή πληροφορίας ΠομπόςΚανάλι Δέκτης ΘόρυβοςΠροορισμός Μήνυμα Σήμα Επικοινωνιακό Σύστημα Σύστημα Επικοινωνιών

Κανάλι Μετάδοσης Μέσο μετάδοσης  μεταδίδει το σήμα Παραδείγματα Ενσύρματα μέσα: οπτικές ίνες (optical fiber), ομοαξονικό καλώδιο (coaxial cable), κυματοδηγοί (waveguides) Ασύρματα μέσα: αέρας, διάστημα, θαλάσσιο νερό

Οπτικές ίνες Ένα καλώδιο οπτικών ινών, το οποίο περιέχει μια δέσμη οπτικών ινών μπορεί να μεταφέρει εκατό τηλεοπτικά κανάλια ταυτόχρονα, χωρίς το πάχος του να ξεπερνά το πάχος μιας κιμωλίας. Οι οπτικές ίνες επέτρεψαν τη μεταφορά του φωτός λέιζερ που είναι ικανό να μεταδώσει μεγάλο όγκο πληροφοριών. Το 1966 διαπιστώθηκε ότι οπτικές ίνες από γυαλί ήταν κατάλληλοι κυματοδηγοί φωτεινής ακτινοβολίας. Το 1970 παρήχθη οπτική ίνα για πρακτικές εφαρμογές. Η εξέλιξη των οπτικών ινών ακολουθεί την εξέλιξη των υλικών και ιδιαίτερα την ελαχιστοποίηση της απόσβεσης που προκαλούν στο φως που τις διαρρέει. Μια οπτική ίνα μπορεί να εξυπηρετήσει χιλιάδες τηλεφωνικά κυκλώματα και έτσι ισοδυναμεί με εκατοντάδες χάλκινους αγωγούς, ενώ ταυτόχρονα υπερτερεί και στην ποιότητα.

Θόρυβος Καναλιού Ανεπιθύμητη και αναπόφευκτη παρεμβολή από εξωτερικές πηγές Από άλλο σύστημα επικοινωνίας Από φυσικές πηγές Αστραπές Ακτινοβολία Αλλοιώνει το σήμα και προκαλεί πρόβλημα στην σωστή αναγνώριση του μηνύματος από τον δέκτη (π.χ. ΑΜ ράδιο) Επίσης το κανάλι επικοινωνίας δεν είναι τέλειο. Το σήμα αδυνατεί όσο ποιο μακριά είμαστε από την πηγή.

Εύκολη Αναγνώριση Σε ψηφιακό σύστημα το πρόβλημα αναγνώρισης είναι πιο εύκολο Η αλλοίωση του σήματος δεν επηρεάζει την αναγνώριση Ο δέκτης αποφασίζει μεταξύ μόνο δύο συμβόλων: ‘1’ και ‘0 ΄ Παράδειγμα (οπτικές ίνες) ‘1’‘0’

Επίλογος Αναπαράσταση πληροφορίας με αλφάβητα Λιγότερα σύμβολα -> πιο εύκολη η αναγνώριση -> πιο απλή τεχνολογία Δυαδικά ψηφία ( binary digits = bits) 0 και 1 => μόνο δύο διακριτές καταστάσεις Αναπαράσταση πληροφορίας με στοιχειοσειρές 0101 Με Κ bits αναπαριστούμε 2 Κ μοναδικές στοιχειοσειρές Εύκολη υλοποίηση για ψηφιακά συστήματα Αποθήκευσης Επεξεργασίας και Μετάδοση πληροφορίας Παραδείγματα υλοποίησης δυαδικών ψηφίων Με διαφορετικά διαστήματα τιμών ηλεκτρικής τάσης Με διαφορετική κατεύθυνση μαγνητισμού Με αντανάκλαση του φωτός Με παλμούς φωτός

Στην συνέχεια … Μετατροπή αριθμών σε δυαδικά ψηφία Μετατροπή γραμμάτων σε δυαδικά ψηφία Μετατροπή σημάτων σε δυαδικά ψηφία