Υλικό - Λογισμικό Υλικό (Hardware) Λογισμικό (Software)

Παρουσίαση με θέμα: "Υλικό - Λογισμικό Υλικό (Hardware) Λογισμικό (Software)"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Υλικό - Λογισμικό Υλικό (Hardware) Λογισμικό (Software)
Είναι οτιδήποτε έχει μία υλική-φυσική υπόσταση σε ένα υπολογιστικό σύστημα Λογισμικό (Software) Είναι το σύνολο των προγραμμάτων που συντονίζουν τις λειτουργίες του υλικού και αξιοποιούν τις δυνατότητες του για την χρήση του υπολογιστή ως εργαλείου

2 Γενική Περιγραφή Προσωπικού Υπολογιστή
ΚΜΕ CPU Κύρια Μνήμη Δίαυλος Επικοινωνίας (Bus) Μονάδα Εισόδου Εξόδου Βοηθητική Μνήμη Σήματα Ελέγχου Δεδομένα

3 Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας - ΚΜΕ Central Processing Unit – CPU
Η Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας είναι υπεύθυνη για τον έλεγχο και τον συντονισμό όλων των στοιχείων ώστε να συνεργάζονται αρμονικά για την εκτέλεση των προγραμμάτων που βρίσκονται στην κύρια μνήμη. Πρώτος επεξεργαστής για προσωπικούς υπολογιστές θεωρείται ο 8088 της Intel.

4 Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας - ΚΜΕ Central Processing Unit – CPU
Η Αριθμητική Λογική Μονάδα (Arithmetic Logical Unit) αναλαμβάνει την εκτέλεση τον αριθμητικών και λογικών πράξεων. Η Μονάδα Ελέγχου (Control Unit) συντονίζει την εκτέλεση των εντολών και την εκτέλεση των πράξεων στην ALU. Οι Καταχωρητές (Registers) χρησιμεύουν ως χώροι αποθήκευσης. Η Μονάδα Αποκωδικοποίησης (Decode Unit) αναλαμβάνει την αποκωδικοποίηση των προς εκτέλεση εντολών σε δυαδικό κώδικα Στην Μνήμη Δεδομένων (Data Cache) αποθηκεύονται προσωρινά τα δεδομένα πριν την χρησιμοποίηση τους Στην Μνήμη Εντολών (Instruction Cache) αποθηκεύονται οι εντολές που πρόκειται να εκτελεστούν. Η Μονάδα Προεργασίας (Prefetch Unit) αναλαμβάνει τις αρχικές διεργασίες πριν την εκτέλεση των εντολών. Η Μονάδα Διαδρόμου (Bus Unit) αναλαμβάνει την είσοδο και την έξοδο των δεδομένων από και προς τις μονάδες εισόδου και εξόδου αντίστοιχα.

5 Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας - ΚΜΕ Παράδειγμα εκτέλεσης εντολής
Μόλις πατάμε το πλήκτρο 2 ο επεξεργαστής με την βοήθεια του Prefetch Unit ζητάει από την κύρια μνήμη την επόμενη εντολή, αφού δεν υπάρχει κάτι στην Instruction Cache. 1ο βήμα είσοδος ‘2’ Το νέο δεδομένο έρχεται στον επεξεργαστή και αποθηκεύεται στην Instruction Cache, όπου της αποδίδεται ο κωδικός "2=X".

6 Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας - ΚΜΕ Central Processing Unit – CPU
1ο βήμα είσοδος ‘2’ Η Prefetch Unit ζητά από την Instruction Cache ένα αντίγραφο της εντολής "2=X" και το στέλνει στην Decode Unit για περαιτέρω επεξεργασία. Στην Decode Unit η εντολή "2=X" μεταφράζεται σε δυαδικό κώδικα και στέλνεται στην Control Unit και στην Data Cache για να τους πει τι πρέπει να κάνουν. Ο αριθμός 2 πρέπει να αποθηκευθεί στην Data Cache για να χρησιμοποιηθεί στο μέλλον. Η Control Unit εκτελεί την εντολή "2=X" η οποία έχει ως αποτέλεσμα την αποθήκευση της τιμής 2 σε μία θέση της Data Cache που λέγεται "X".

7 Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας - ΚΜΕ Central Processing Unit – CPU
2ο βήμα είσοδος ‘3’ Όταν πατάμε το πλήκτρο ‘3’, η Prefetch Unit ζητάει από την κύρια μνήμη του υπολογιστή και την Instruction Cache για συγκεκριμένες εντολές για το νέο δεδομένο. Εφόσον δεν βρίσκονται αντίστοιχες εντολές στην Instruction Cache αυτές θα ανακτηθούν από την κύρια μνήμη. Η νέα εντολή που αποθηκεύεται στην Instruction Cache αντιστοιχεί στο νέο δεδομένο εισόδου και της ανατίθεται ο κωδικός "3=Y"

8 Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας - ΚΜΕ Central Processing Unit – CPU
2ο βήμα είσοδος ‘3’ Η Prefetch Unit κάνει ένα αντίγραφο της εντολής "3=Y" από την Instruction Cache και την στέλνει στην Decode Unit για περαιτέρω επεξεργασία. Στην Decode Unit η εντολή "3=X" μεταφράζεται σε δυαδικό κώδικα και στέλνεται στην Control Unit και στην Data Cache για να τους πει τι πρέπει να κάνουν. Ο αριθμός 3 πρέπει να αποθηκευθεί στην Data Cache για να χρησιμοποιηθεί στο μέλλον. Η Control Unit εκτελεί την εντολή "3=Y" η οποία έχει ως αποτέλεσμα την αποθήκευση της τιμής 3 σε μία θέση της Data Cache που λέγεται "Y".

9 Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας - ΚΜΕ Central Processing Unit – CPU
3ο βήμα είσοδος ‘+’ Όταν πατάμε το πλήκτρο ‘+’ η Prefetch Unit ζητάει από την κύρια μνήμη την επόμενη εντολή για το νέο δεδομένο. Η νέα εντολή αποθηκεύεται στην Instruction Cache με τον κωδικό "X+Y=Z".

10 Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας - ΚΜΕ Central Processing Unit – CPU
3ο βήμα είσοδος ‘+’ Η Prefetch Unit κάνει ένα αντίγραφο της εντολής "X+Y=Z" από την Instruction Cache και την στέλνει στην Decode Unit για περαιτέρω επεξεργασία. Στην Decode Unit η εντολή "3=X" μεταφράζεται σε δυαδικό κώδικα και στέλνεται στην Control Unit και στην Data Cache για να τους πει τι πρέπει να κάνουν. Επίσης ειδοποιείται η ALU ότι πρόκειται να εκτελεστεί μία πράξη πρόσθεσης.

11 Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας - ΚΜΕ Central Processing Unit – CPU
3ο βήμα είσοδος ‘+’ Η Control Unit στέλνει μία εντολή πρόσθεσης στην ALU η οποία αναλαμβάνει την πρόσθεση των X και Y αφού ανακτηθούν οι τιμές τους από την Data Cache. Το αποτέλεσμα αποθηκεύεται σε έναν από του Registers

12 Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας - ΚΜΕ Central Processing Unit – CPU
4ο βήμα είσοδος ‘=’ Όταν πατάμε το πλήκτρο ‘=’ η Prefetch Unit ζητάει από την κύρια μνήμη την επόμενη εντολή για το νέο δεδομένο εισόδου. Η νέα εντολή αποθηκεύεται στην Instruction Cache με τον κωδικό "Print Z".

13 Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας - ΚΜΕ Central Processing Unit – CPU
4ο βήμα είσοδος ‘=’ Η Prefetch Unit κάνει ένα αντίγραφο της εντολής "Print Z" από την Instruction Cache και την στέλνει στην Decode Unit για περαιτέρω επεξεργασία. Στην Decode Unit η εντολή "print Z" μεταφράζεται σε δυαδικό κώδικα και στέλνεται στην Control Unit για να της πει τι πρέπει να κάνει.

14 Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας - ΚΜΕ Central Processing Unit – CPU
3ο βήμα είσοδος ‘=’ Τελευταία ενέργεια είναι η μεταφορά της τιμής ‘5’ που βρίσκεται στον καταχωρητή, στην μονάδα εξόδου για να δούμε το αποτέλεσμα.

15 Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας - ΚΜΕ Κύρια Χαρακτηριστικά
Συχνότητα λειτουργίας Εύρος διαδρόμου δεδομένων Εύρος διαδρόμου διευθύνσεων Εύρος καταχωρητών Τάση λειτουργίας

16 Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας - ΚΜΕ Συχνότητα λειτουργίας
Η συχνότητα λειτουργίας του επεξεργαστή είναι η συχνότητα του ρολογιού του και ορίζεται ως το πλήθος των κτύπων του ρολογιού αυτού ανά δευτερόλεπτο.

17 Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας - ΚΜΕ Συχνότητα λειτουργίας
Μονάδα μέτρησης Hertz (Hz) 1 Hz = ένας κύκλος ρολογιού ανά δευτερόλεπτο 1 KHz = Hz 1 MHz = KHz = Hz 1 GHz = MHz = KHz = = Hz Pentium 4 - Συχνότητα 3,6 GHz

18 Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας - ΚΜΕ Εύρος διαδρόμου δεδομένων
Ο διάδρομος δεδομένων είναι αυτός που επιτρέπει την ανταλλαγή δεδομένων μεταξύ του επεξεργαστή, της μνήμης και των περιφερειακών μονάδων. Καθορίζει πόσα bits μπορούν να μεταφερθούν ταυτόχρονα.

19 Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας - ΚΜΕ Εύρος διαδρόμου δεδομένων
1ο Παράδειγμα Εύρος διαδρόμου 32 bits = 4 bytes Εγγραφή 4 byte = 1 κύκλος Εγγραφή 8 byte = 2 κύκλοι Εγγραφή 12 byte = 3 κύκλοι Εγγραφή 16 byte = 4 κύκλοι 2ο Παράδειγμα Εύρος διαδρόμου 8 bits = 1 byte Εγγραφή 4 byte = 4 κύκλοι Εγγραφή 8 byte = 8 κύκλοι Εγγραφή 12 byte = 12 κύκλοι Εγγραφή 16 byte = 16 κύκλοι

20 Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας - ΚΜΕ Εύρος διαδρόμου διευθύνσεων
Ο διάδρομος διευθύνσεων μεταφέρει την πληροφορία για την διεύθυνση της μνήμης την οποία πρόκειται να προσπελάσει ο επεξεργαστής. Δηλαδή, στον διάδρομο διευθύνσεων εμφανίζεται σε δυαδική μορφή η διεύθυνση της θέσης μνήμης στην οποία θα γραφτούν τα δεδομένα ή από την οποία θα διαβαστούν τα δεδομένα.

21 Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας - ΚΜΕ Εύρος διαδρόμου διευθύνσεων
Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας - ΚΜΕ Εύρος διαδρόμου διευθύνσεων 1ο Παράδειγμα Εύρος διαδρόμου 3 bits 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111 23 = 8 διαφορετικές διευθύνσεις 2ο Παράδειγμα Εύρος διαδρόμου 4 bits 0000, 0001, 0010, 0011, 0100, 0101, 0110, 0111, 1000, 1001, 1010, 1011, 1100, 1101, 1110, 1111 24 = 16 διαφορετικές διευθύνσεις 3ο Παράδειγμα Εύρος διαδρόμου 8 bits 28 = 256 διαφορετικές διευθύνσεις

22 Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας - ΚΜΕ Εύρος διαδρόμου διευθύνσεων
Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας - ΚΜΕ Εύρος διαδρόμου διευθύνσεων 4ο Παράδειγμα Εύρος διαδρόμου 16 bits 216 = διαφορετικές διευθύνσεις 5ο Παράδειγμα Εύρος διαδρόμου 32 bits 232 = 4 δισεκατομμύρια διαφορετικές διευθύνσεις 6ο Παράδειγμα Εύρος διαδρόμου 36 bits 236 = 68 δισεκατομμύρια διαφορετικές διευθύνσεις

23 Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας - ΚΜΕ Εύρος καταχωρητών
Το εύρος των καταχωρητών ενός επεξεργαστή καθορίζει το μέγιστο μήκος σε bits που μπορεί να διαχειριστεί με μία εντολή.

24 Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας - ΚΜΕ Εύρο καταχωρητών
Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας - ΚΜΕ Εύρο καταχωρητών 1ο Παράδειγμα Εύρος καταχωρητών 32 bits Πρόσθεση 2 αριθμών των 32 bits πραγματοποιείται σε 1 εντολή 2ο Παράδειγμα Εύρος καταχωρητών 16 bits Πρόσθεση 2 αριθμών των 32 bits πραγματοποιείται σε 2 εντολές πρόσθεσης των 16 bits

25 Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας - ΚΜΕ Τάση λειτουργίας
Η τάση λειτουργίας ενός επεξεργαστή έχει άμεση σχέση με την ισχύ που καταναλώνει. Παράγοντες που επηρεάζονται από την τάση λειτουργίας είναι η κατανάλωση ισχύος και η θερμοκρασία.

26 Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας - ΚΜΕ Κύρια Χαρακτηριστικά
Συχνότητα λειτουργίας Εύρος διαδρόμου δεδομένων Εύρος διαδρόμου διευθύνσεων Εύρος καταχωρητών Τάση λειτουργίας

27 Ιστορία Μικροεπεξεργαστών 1η γενιά
Επεξεργαστής 8088 8086 Κατασκευαστής Intel Συχνότητα λειτουργίας MHz Κύκλοι για μία εντολή 12 Εύρος εσωτερικού διαδρόμου 16 bits Εύρος εξωτερικού διαδρόμου 8 bits Εύρος διαδρόμου διευθύνσεων 20 bits Τάση λειτουργίας 5 V Μαθηματικός συνεπεξεργαστής 8087

28 Ιστορία Μικροεπεξεργαστών 2η γενιά
Επεξεργαστής 80286 Κατασκευαστής Intel Συχνότητα λειτουργίας 6-20 MHz Κύκλοι για μία εντολή 4.5 Εύρος εσωτερικού διαδρόμου 16 bits Εύρος εξωτερικού διαδρόμου Εύρος διαδρόμου διευθύνσεων 24 bits Τάση λειτουργίας 5 V Μαθηματικός συνεπεξεργαστής 80287

29 Ιστορία Μικροεπεξεργαστών 3η γενιά
Επεξεργαστής 80386 SX 80386 DX Κατασκευαστής Intel AMD Cyrix Συχνότητα λειτουργίας 16, 25, 33 MHz 16, 25, 33, 40 MHz Κύκλοι για μία εντολή 4.5 Εύρος εσωτερικού διαδρόμου 32 bits Εύρος εξωτερικού διαδρόμου 16 bits Εύρος διαδρόμου διευθύνσεων 24 bits Τάση λειτουργίας 5 V Μαθηματικός συνεπεξεργαστής 80387 SX 80387 DX

30 Ιστορία Μικροεπεξεργαστών 4η γενιά
Επεξεργαστής 80486 SX 80486 SL 80486 DX Κατασκευαστής Intel Συχνότητα λειτουργίας 16, 25, 33 MHz 25, 33 MHz 25, 33, 50 MHz Εξωτερική συχνότητα λειτουργίας Κύκλοι για μία εντολή 2 Εύρος εσωτερικού διαδρόμου 32 bits Εύρος εξωτερικού διαδρόμου Εύρος διαδρόμου διευθύνσεων Τάση λειτουργίας 5 V 5, 3.3 V Μαθηματικός συνεπεξεργαστής 80387 SX ΝΑΙ Λανθάνουσα Μνήμη 1ου Επιπέδου 8 KByte

31 Ιστορία Μικροεπεξεργαστών 4η γενιά
Επεξεργαστής 80486 DX/2 80486 DX/4 80586 Κατασκευαστής Intel AMD Cyrix Συχνότητα λειτουργίας 50, 66, 80 MHz 75, 100, 120 MHz 133 MHz Εξωτερική συχνότητα λειτουργίας 25, 33, 40 MHz 33 MHz Κύκλοι για μία εντολή 2 Εύρος εσωτερικού διαδρόμου 32 bits Εύρος εξωτερικού διαδρόμου Εύρος διαδρόμου διευθύνσεων Τάση λειτουργίας 3.3 V 5, 3.3 V Μαθηματικός συνεπεξεργαστής ΝΑΙ Λανθάνουσα Μνήμη 1ου Επιπέδου 8 KByte 16 KByte

32 Ιστορία Μικροεπεξεργαστών 5η γενιά
Επεξεργαστής Pentium Pentium MMX K5 Κατασκευαστής Intel AMD Συχνότητα λειτουργίας MHz 75, 100, 120 MHz 75-117MHz Εξωτερική συχνότητα λειτουργίας MHz 25, 33, 40 MHz 50-66 MHz Εντολές σε έναν κύκλο 2 2+ Εύρος εσωτερικού διαδρόμου 32 bits Εύρος εξωτερικού διαδρόμου 64 bits Εύρος διαδρόμου διευθύνσεων Τάση λειτουργίας 5, 3.3 V 3.3 V 3.52 V Μαθηματικός συνεπεξεργαστής ΝΑΙ Λανθάνουσα Μνήμη 1ου Επιπέδου 8+8 KByte 16+8 KByte

33 Ιστορία Μικροεπεξεργαστών 6η γενιά
Επεξεργαστής Pentium Pro Pentium II Pentium III Celeron Κατασκευαστής Intel Συχνότητα λειτουργίας MHz MHz MHz MHz Εξωτερική συχνότητα λειτουργίας 60, 66 MHz 66, 100 MHz 100, 133 MHz 66 MHz Εντολές σε έναν κύκλο 3 Εύρος εσωτερικού διαδρόμου 32 bits Εύρος εξωτερικού διαδρόμου 64 bits Εύρος διαδρόμου διευθύνσεων 36 bits Τάση λειτουργίας 3.1, 3.3 V 2, 2.8 V 2 V Λανθάνουσα Μνήμη 1ου Επιπέδου 8+8 KByte 16+8 KByte 16+16 KByte KByte 512 KByte 256, 512 KByte 0-128 KByte

34 Ιστορία Μικροεπεξεργαστών 6η γενιά
Επεξεργαστής K6 K6-2 K6-III Athlon Κατασκευαστής AMD Συχνότητα λειτουργίας MHz MHz MHz MHz Εξωτερική συχνότητα λειτουργίας 66 MHz 66, 100 MHz 100 MHz 200 MHz Εντολές σε έναν κύκλο 6 Εύρος εσωτερικού διαδρόμου 32 bits Εύρος εξωτερικού διαδρόμου 64 bits Εύρος διαδρόμου διευθύνσεων Τάση λειτουργίας 2.2, 3.2 V 2.2, 2.4 V 1.55, 1.75 V Λανθάνουσα Μνήμη 1ου Επιπέδου 32+32 KByte 64+64 KByte - 256 KByte 512 KByte

35 Pentium 4

36 AMD Athlon 64

37 Πυρήνας Επεξεργαστή

38 Κύρια Μνήμη Χρησιμοποιείται για την προσωρινή ή τη μόνιμη αποθήκευση του κώδικα των προγραμμάτων και των δεδομένων τους. Βασικές κατηγορίες ολοκληρωμένων κυκλωμάτων μνήμης RAM (Random Access Memory) - Μνήμη Τυχαίας Προσπέλασης ROM (Read Only Memory) - Μνήμη Μόνο Ανάγνωσης Βασικά Χαρακτηριστικά Χωρητικότητα (MB) Χρόνος προσπέλασης (nsec) Χρόνος κύκλου (nsec) Εύρος ζώνης (Mbit/sec)

39 Κύρια Μνήμη Είδη Μνήμης ROM Είδη Μνήμης RAM
ROM (Read Only Memory) - Μνήμη Μόνο Ανάγνωσης PROM (Programmable ROM) – Προγραμματιζόμενη ROM EPROM (Erasable PROM) – Διαγράψιμη PROM Flash ROM Είδη Μνήμης RAM SRAM (Static RAM) – Στατική RAM DRAM (Dynamic RAM) – Δυναμική RAM FPM DRAM (Fast Page Mode RAM) – DRAM λειτουργίας γρήγορης σελιδοποίησης EDO DRAM (Extended Data Out RAM) – RAM εκτεταμένης εξαγωγής δεδομένων SDRAM (Synchronous DRAM) – σύγχρονη DRAM RAMBUS DDR-SDRAM (Double Data Rate SDRAM) DDR2-SDRAM

40 Κύρια Μνήμη Είδη Κύριας Μνήμης Πτητική (Volatile)
Όταν χάνει το περιεχόμενο της με την διακοπή ηλεκτρικού ρεύματος Απαλείψιμη (Erasable) Όταν το περιεχόμενο της μπορεί να τροποποιηθεί Δυναμική (Dynamic) Όταν το περιεχόμενο της πρέπει να ανανεώνεται περιοδικά γιατί εξασθενεί με τον χρόνο Στατική (Static) Όταν το περιεχόμενο της διατηρείται όσο υπάρχει παροχή ηλεκτρικού ρεύματος και τροποποιείται μόνο από λειτουργία έγγραφής στη συγκεκριμένη θέση

41 Μνήμη RAM