ΙΟΝΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΤΜΗΜΑ ΤΕΧΝΩΝ ΗΧΟΥ & ΕΙΚΟΝΑΣ

Παρουσίαση με θέμα: "ΙΟΝΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΤΜΗΜΑ ΤΕΧΝΩΝ ΗΧΟΥ & ΕΙΚΟΝΑΣ"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 ΙΟΝΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΤΜΗΜΑ ΤΕΧΝΩΝ ΗΧΟΥ & ΕΙΚΟΝΑΣ
Εισαγωγή στην Ψηφιακή Τεχνολογία Δεληγιάννης Ι. BSc, Ph.D και Βοσινάκης Σ. BSc, MSc, Ph.D

2 Στόχοι Τμήματος Το πενταετές πρόγραμμα σπουδών έχει ως αφετηρία την ιδέα, ότι η σύγχρονη εξειδίκευση στον οπτικοακουστικό χώρο και στα πολυμέσα πρέπει να στηρίζεται σε επαρκείς γνώσεις: α. των οπτικοακουστικών τεχνικών β. των σύγχρονων ψηφιακών μεθόδων επεξεργασίας ήχου, εικόνας και του συνδυασμού τους γ. της επιστημονικής θεμελίωσης του ρόλου των οπτικοακουστικών εφαρμογών στη σύγχρονη εξελισσόμενη κοινωνία Πηγή:

3 Στόχοι Μαθήματος Βασικός στόχος του μαθήματος είναι η εισαγωγή των φοιτητών στην ψηφιακή τεχνολογία όπως συναντάται σήμερα. Ξεκινώντας απο την κατανόηση και επεξεργασία απλών τύπων δεδομένων, καταλήγουμε στο συνδιασμό αυτών σε μια πληθώρα μορφών όπως: Ροές βίντεο, διαδραστικές εφαρμογές πολυμέσων. Η ύλη είναι χωρισμένη σε θεματικές ενότητες αυξανόμενης πολυπλοκότητας: «Ήχος», «Εικόνα/Βίντεο/Κινούμενη Εικόνα», «Συμπίεση Δεδομένων» και «Πολυμέσα».

4 Δ=Δεληγιάννης Ι. και Β=Βοσινάκης Σ.
Ενότητες Μαθήματος Εισαγωγή Δ Ήχος Β Εικόνα / Video / Animation Δ Συμπίεση Δεδομένων Β ΠΟΛΥΜΕΣΑ ΚΑΙ ΔΙΑΔΙΚΤΥΟ Δ και Β Σχεδιασμός και ανάπτυξη πολυμέσων στο Διαδίκτυο (θεωρητικό + πρακτικό) Δ Δ=Δεληγιάννης Ι. και Β=Βοσινάκης Σ.

5 Εκτός απο θεωρία με τι άλλο θα ασχοληθώ;
Χρήση υπολογιστή (εργαστήριο) Ψηφιακή επεξεργασία ήχου (εργαστήριο) Ψηφιακή επεξεργασία εικόνας (εργαστήριο) Συνδιασμός ήχου και εικόνας (εργαστήριο) Δημιουργία απλών διαδραστικών εφαρμογών πολυμέσων (εργαστήριο)

6 Σημερινή Παρουσίαση Εισαγωγή στην Ψηφιακή Τεχνολογία
Ιστορία υπολογιστών Πώς λειτουργεί ένας ψηφιακός υπολογιστής

7 Εισαγωγή στην ΨηφιακήΤεχνολογία

8 ΤΙ ΕΙΝΑΙ ΕΝΑ ΨΗΦΙΑΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ
Τα συστηματα διακρινονται σε Αναλογικα, αν τα σηματα που τα διατρεχουν παιρνουν τιμες απο ενα συνεχες διαστημα τιμων Ψηφιακα, αν τα σηματα που τα διατρεχουν εχουν ενα πεπερασμενο αριθμο διακριτων τιμων x,z z(t) x z Συστημα x(t) t Αναλογικα σηματα x,z 4 3 x(t) Ψηφιακα σηματα 2 z(t) 1 1 2 3 4 5

9 ΓΙΑΤΙ ΧΡΕΙΑΖΟΜΑΣΤΕ ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ
Τα ψηφιακα συστηματα χρησιμοποιουνται για: Επεξεργασια δεδομενων Μεταδοση δεδομενων – επικοινωνια Αποθηκευση δεδομενων Παρασταση διαφορων μορφων πληροφοριας Παραδειγμα: Ψηφιακη επεξεργασια αναλογικων σηματων Ψηφιακη επεξεργασια ADC DAC Ψηφιακα σηματα Αναλογικο σημα μικροφωνου Αναλογικο σημα μεγαφωνου

10 Συνέχεια ... 1. Καταλληλα για την επεξεργασια ψηφιακων ΚΑΙ αναλογικων σηματων 2. Μπορει να χρησιμοποιηθει ενας γενικης χρησης υπολογιστης για την επεξεργασια δεδομενων 3. Ο πεπερασμενος αριθμος τιμων ενος ψηφιακου σηματος μπορει να παρασταθει με ενα διανυσμα σηματων που παιρνουν δυο μονο τιμες (δυαδικα σηματα). Για παραδειγμα το 10 δεκαδικα ψηφια μπορουν να παρασταθουν με διανυσματα 4 δυαδικων σηματων: Ψηφιο Διανυσμα 4. Τα ψηφιακα σηματα εχουν μεγαλη ανοχη στην επιδραση του θορυβου ή στις θερμοκρασιακες μεταβολες των τιμων των εξαρτηματων των συστηματων

11 Σημασια των ψηφιακων συστηματων
Τα ψηφιακα συστηματα μπορουν να αποκτησουν μεγαλυτερη ακριβεια αν αυξησουμε τον αριθμο των ψηφιων. Για παραδειγμα ενα ψηφιακο ρολοϊ δειχνει την ωρα με μεγαλυτερη ακριβεια αν αυξησουμε τον αριθμο των ψηφιων απο 4 σε 6 12: :30:45 Οι εξελιξεις της μικρο-ηλεκτρονικης τεχνολογιας επιτρεπουν την κατασκευη εξαιρετικα πολυπλοκων ψηφιακων συστηματων που ειναι μικρα, ταχυτατα, και φθηνα (ολοκληρωμενα κυκλωματα ICs). Παρεχεται η δυνατοτητα επιλογης μεταξυ διαφορετικων υλοποιησεων που ανταλλασουν ταχυτητα με πολυπλοκοτητα. Για παραδειγμα θεωρειστε ενα συστημα που προσθετει δυο 5ψηφιους αριθμους: Μπορει να κανει την προσθεση ταυτοχρονα και για τα 5 ψηφια ή σειριακα προσθετοντας διαδοχικα τα ψηφια

12 Ψηφιακή παράσταση Αναλογικών σημάτων
Τα αναλογικά σήματα (π.χ. η φωνή, το video ) είναι σήματα συνεχή στον χρόνο και στο μέγεθος (amplitude) τους

13 Ψηφιακή παράσταση Αναλογικών σημάτων
Με την δειγματοληψία τα αναλογικά σήματα μετατρέπονται σε σήματα διακριτού χρόνου

14 Ψηφιακή παράσταση Αναλογικών σημάτων
Με τον κβαντισμο (Quantization) τα δείγματα ενός σήματος γίνονται διακριτά ως προς την τιμή τους 1 0.8 0.6 0.4 0.2 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1.0 Συχνότητα = 1/6 Συχνότητα δειγματοληψίας= 20/6 Επίπεδα κβαντισμου = 11

15 Ψηφιακη επεξεργασια αναλογικων σηματων

16 Μεταροπεις A/D και D/A Ο μετατροπεας Αναλογικου-σε-Ψηφιακο (Analog to Digital - A/D) κωδικοποιει την τιμη του δειγματος ενος σηματος σε δυαδικο αριθμο αναλογο της τιμης αυτης. Ο μετατροπεας Ψηφιακου-σε-Αναλογικο (Digital to Analog (D/A) μετατρεπει εναν δυαδικο αριθμο σε ταση (ή ενταση) αναλογη της τιμης του αριθμου αυτου.

17 A/D

18 Ψηφιακή Παράσταση Αναλογικών Σημάτων
Εάν γίνει όπως πρέπει (= με την σωστη συχνοτητα δειγματοληψιας), η δειγματοληψία αυτη καθ’ εαυτη δεν εισάγει παραμόρφωση στο σήμα. Ο Κβαντισμος ομως εισάγει πάντοτε κάποια παραμόρφωση. Η παραμορφωση μειωνεται αν αυξηθει ο αριθμος των επιπεδων κβαντισμου (= ο αριθμος των απαιτουμενων bits για την κωδικοποιηση) Μπορεί να γίνει ανταλλαγή μεταξύ της παραμόρφωσης και του ρυθμου παραγωγης bits/sec ( = των απαιτήσεων σε φάσμα για την μετάδοση του κβαντισμένου σήματος) Θα ασχοληθούμε αρχικά με την δειγματοληψία και κατόπιν με τον κβαντισμο

19 Κωδικοποιηση εικονας και Video
Εικονα 1000 x 1000 pixels με 8 bits για καθε ενα απο τα τρια χρωματα χρειαζεται 24 Mbits για να κωδικοποιηθει. Το video χρειαζεται περιπου 20 frames/sec. Τα standards συμπιεσης ειναι βασικα για την αναπτυξη του ψηφιακου video. JPEG: Συμπιεση εικονας κατα 20 φορες τουλαχιστον MPEG: Συμπιεση video κατα 100 φορες ή περισσοτερο

20 Ιστορία των Υπολογιστών

21 Central issues identical in the past...
- Abacus (ca. 50 BC) - Difference Engine (Babbage, ca. 1822) - ENIAC (Univ. of Pennsylvania, 1945)

22 … today ... - Distributed ASCI Supercomputer 2 - Earth Simulator
(Vrije Universiteit, Amsterdam, 2002) (contains 72 1-Ghz Dual Pentium-IIIs) - Earth Simulator (ES Center, Yokohama, Japan, 2001) (contains Ghz NEC CPUs)

23 … and in the future! World Wide Computing

24 Alan Turing Ανακάλυψε την ιδέα του προγραμματιζομενου υπολογιστή το 1936 Βοήθησε να σχεδιαστεί ο “Colossus”, ένας ηλεκτρονικός υπολογιστής που χρησιμοποιήθηκε για το σπάσιμο κωδικών στον 2ο παγκόσμιο πόλεμο. Η ανακάλυψη αυτή ήταν μέγιστης σημασίας για το θετικό αποτέλεσμα του πολέμου Σχεδίασε τον υπολογιστή ACE μετά τον πόλεμο.

25 Alan Turing 1912 - 1954 Η πρώτη του μεγάλη ανακάλυψη δημοσιεύτηκε
στο παρακάτω άρθρο: “On computable numbers with an application to the Entscheidungsproblem” 1936

26 Τι ανακάλυψε το 1936 Δημιούργησε ένα υπολογιστικό μοντέλο που ονομάστηκε Turing Machine Δημιούργησε την ιδέα του προγραμματιζόμενου υπολογιστή (τότε ονομαζόταν “universal” machine). Έδειξε οτι υπάρχουν ακόμα άλυτα υπολογιστικά προβλήματα (ακόμα και με τη χρήση υπολογιστών)

27 Turing’s machine Ταινία Κεφαλή ανάγνωσης και εγγραφής
Κεφαλή ανάγνωσης και εγγραφής Άν είσαι στην κατάσταση q και βλέπεις το σύμβολο s τότε πήγαινε στην κατάσταση p, γράψε το σύμβολο r και μετακινήσου ένα κελί δεξιά. Έλεγχος κατάστασης

28 Περισσότερες πηγές Το βιβλίο, “Alan Turing: the Enigma” by Andrew Hodges, 1984 Το έργο, “Breaking the Code” based on this book Η τηλεοπτική έκδοση του έργου Η τηλεοπτική σειρά (NOVA) Bletchley Park

29 Οι εξελίξεις που επέτρεψαν την δημιουργία των πρώτων υπολογιστών
Ηλεκτρομαγνητικοί διακόπτες Vannevar Bush – τέλος του 30, MIT, USA Konrad Zuse – WW II, Germany, βοήθησε στο σχεδιασμό των ρουκετών V2

30 Ο πρώτος ηλεκτρονικός υπολογιστής
Atanasoff και Berry, Πανεπιστήμιο της Iowa Πρωτότυπο 1939, λειτουργικό μοντέλο 1943 Δέν προγραμματιζόταν Οι ιδέες χρησιμοποιήθηκαν στον ENIAC Ξεχασμένο μέχρι την δικαστική υπόθεση πατέντας Sperry-Rand εναντίον Honeywell, 1967

31 Ο υπολογιστής Colossus, Βρεττανία
Σκοπός: αποκωδικοποίηση Flowers, Knox, Turing et al. Σε πλήρη λειτουργία: Δεκ. 1943 Προγραμματισμός εξωτερικά (με διακαλοδίωση) 1500 λυχνίες

32 Colossus

33 von Neumann αρχιτεκτονική
John von Neumann (Princeton) – μαθηματικός Ανακάλυψε την “game theory” Βοήθησε στο σχεδιασμό των ENIAC και EDVAC

34 ENIAC - 1946 Electronic Numerical Integrator and Calculator
Ο πρώτος πλήρως ηλεκτρονικός υπολογιστής 18,000 λυχνίες 1,500 διακόπτες 6 χ 12 μέτρα Χαμηλής πιστότητας, μεγάλης κατανάλωσης, χρειαζόταν κλιματισμό Ζωύφια (Debugging)

35 Ο πρώτος εσωτερικά προγραμματιζόμενος υπολογιστής
Πανεπιστήμιο Manchester, UK, 21 Ιουνίου 1948 Μηχάνημα εργαστηρίου 1024 bits μνήμης (όσο ένα SMS)

36 EDSAC (UK) Ο πρώτος πλήρους κλίμακας εσωτερικά προγραμματιζόμενος υπολογιστής Λειτουργούσε τον Μάϊο 1949 Wilkes et al., Πανεπιστήμιο του Cambridge

37 Electronic Discrete Variable Computer (EDVAC – USA)
Eckert, Mauchly, von Neumann Ολοκληρώθηκε το 1952 Εσωτερικά προγραμματιζόμενος

38 Μερικές σημειώσεις για τα μεγέθη στην τεχνολογία υπολογιστών
Λυχνίες – όσο ένας αντίχειρας Τρανσίστορς – στερεή μορφή (Γερμάνιο, Σιλικόνη) 1946 και μετά – μέγεθος μικρού δακτύλου Ολοκληρωμένα κυκλώματα – σιλικόνη 1975 και μετά, πολλά χωρούν σε ένα τσίπ Ολοκληρωμένα κυκλώματα μεγάλης κλίμακας – πολλά εκατομμύρια σε ένα τσίπ

39 Internal Memory Technology
Initially mercury tubes (acoustic) and magnetic wire 1955 – late 70s, magnetic cores (donuts) J. Forrester, MIT 70s onwards, semiconductors

40 Ιστορία - Επανάληψη Γενιά 0: Μηχανικά και ηλεκτρομαγνητικά
Γενιά 1: Λυχνίες (ENIAC, EDVAC, EDSAC) Γενιά 2: Τρανσίστορς, Γλώσσες προγραμματισμού Γενιά 3: Ολοκληρωμένα κυκλώματα, Minicomputers Γενιά 4: Πρώτοι μικρουπολογιστές, LSI και μετά VLSI κυκλώματα, “PC”s (προσωπικοί υπολογιστές) Γενιά 5: Σήμερα! VLSI Παράλληλοι επεξεργαστές Προηγμένες δυνατότητες γραφικών Εφαρμογές διαδικτύου, δίκτυα Gen 0: up to 1950s Gen 1: Gen 2: Gen 3: Gen 4:

41 Generation 0: Mechanical Computers (1642-1945)
1642 – Μηχανική υπολογιστική μηχανή του Πασκάλ mechanical gears, hand-crank, dials and knobs Άλλες παρόμοιες μηχανές ακολούθησαν 1805 – Η πρώτη προγραμματιζόμενη μηχανή, Jacquard loom (ράψιμο σχεδίων σε υφάσματα) wove tapestries with elaborate, programmable patterns pattern represented by metal punch-cards, fed into loom could mass-produce tapestries, reprogram with new cards Μέσα 19ου αιώνα – Η αναλυτική μηχανή του Babbage expanded upon mechanical calculators, but programmable via punch-cards described general layout of modern computers never functional, beyond technology of the day

42 Generation 0 (cont.) 1890 – Hollerith invented tabulating machine
used for 1890 U.S. Census stored data on punch-cards, could sort and tabulate using electrical pins finished census in 6 weeks (vs. 7 years) Hollerith's company would become IBM 1930's – several engineers independently built "computers" using electromagnetic relays physical switch, open/close via electrical current Zuse (Nazi Germany) – destroyed in WWII Atanasoff (Iowa State) – built with grad student Stibitz (Bell Labs) – followed design of Babbage

43 Generation 1: Vacuum Tubes (1945-1954)
mid 1940's – vacuum tubes replaced relays glass tube w/ partial vacuum to speed electron flow faster than relays since no moving parts invented by de Forest in 1906 1940's – hybrid computers using vacuum tubes and relays were built COLOSSUS (1943) built by British govt. (Alan Turing) used to decode Nazi communications ENIAC (1946) built by Eckert & Mauchly at UPenn 18,000 vacuum tubes, 1,500 relays weighed 30 tons, consumed 140 kwatts

44 Generation 1 (cont.) COLOSSUS and ENIAC were not general purpose computers could enter input using dials & knobs, paper tape but to perform a different computation, needed to reconfigure von Neumann popularized the idea of a "stored program" computer store both data and programs in Memory Central Processing Unit (CPU) executes by loading program instructions from memory and executing them in sequence interact with the user via Input/Output devices virtually all modern machines follow this von Neumann Architecture programming was still difficult and tedious each machine had its own machine language, 0's & 1's corresponding to the settings of physical components in 1950's, assembly languages replaced 0's & 1's with mnemonic names

45 Generation 2: Transistors (1954-1963)
mid 1950's – transistors began to replace tubes piece of silicon whose conductivity can be turned on and off using an electric current smaller, faster, more reliable, cheaper to mass produce invented by Bardeen, Brattain, & Shockley in 1948 (won 1956 Nobel Prize in physics) computers became commercial as cost dropped high-level languages were designed to make programming more natural FORTRAN (1957, Backus at IBM) LISP (1959, McCarthy at MIT) BASIC (1959, Kemeny at Dartmouth) COBOL (1960, Murray-Hopper at DOD) the computer industry grew as businesses could buy Eckert-Mauchly (1951), DEC (1957) IBM became market force in 1960's

46 Generation 3: Integrated Circuits (1963-1973)
integrated circuit (IC) as transistor size decreased, could package many transistors with circuitry on silicon chip mass production further reduced prices 1971 – Intel marketed first microprocessor, a chip w/ all the circuitry for a calculator 1960's saw the rise of Operating Systems an operating system is a collection of programs that manage peripheral devices and other resources allowed for time-sharing, where multiple users share a computer by swapping jobs in and out as computers became affordable to small businesses, specialized programming languages were developed Pascal (1971, Wirth) C (1972, Ritche)

47 Generation 4: VLSI (1973-1985) Very Large Scale Integration (VLSI)
by mid 1970's, could fit hundreds of thousands of transistors w/ circuitry on a chip could mass produce powerful microprocessors and other useful IC's computers finally affordable to individuals late 1970's saw rise of personal computing Gates & Allen founded Microsoft in 1975 Gates wrote BASIC compiler for personal computer would grow into software giant, Gates richest in world Wozniak and Jobs founded Apple in 1977 went from garage to $120 million in sales by 1980 IBM introduced PC in 1980 Apple countered with Macintosh in 1984 Stroustrup developed C++ in 1985 object-oriented extension of C language

48 Generation 5: Parallelism & Networking (1985-????)
high-end machines (e.g. servers) can have multiple CPU's in 1997, highly parallel Deep Blue beat Kasparov in speed chess match Date Computers on Internet Web sites on Internet 2001 117,000,000 40,000,000 2000 84,000,000 10,000,000 1998 59,249,000 4,279,000 1996 12,881,000 300,000 1994 3,212,000 3,000 1992 992,000 50 1989 130,000 1981 210 1969 4 most computers today are networked Internet born in 1969, connected 4 computers (UCLA, UCSB, SRI, & Utah) mainly used by govt. & universities until late 80's/early 90's Web invented by Berners-Lee at CERN in 1989 designed to allow physics researchers to share data and documents not popular until 1993 when Andreessen developed graphical browser (Mosaic) Andreessen would go on to found Netscape, and Internet Explorer soon followed stats from netvalley.com & netsizer.com

49 Πώς λειτουργεί ένας ψηφιακός υπολογιστής:
Περιγραφή των συστατικών και της λειτουργίας τους μιας μηχανής von Neumann Περιγραφή τού κύκλου "φέρε-αποκωδικοποίησε-εκτέλεσε" μιας μηχανής von Neumann Περιγραφή της οργάνωσης της μνήμης ενός Η/Υ και του τρόπου πρόσβασης σε αυτή Περιγραφή διαφορετικών συσκευών αποθήκευσης βοηθητικής μνήμης Ορισμός τριών εναλλακτικών μορφών παράλληλης επεξεργασίας για ενα Η/Υ

50 Η αρχιτεκτονική von Neumann

51 Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (ΚΜΕ/CPU)
Η ΚΜΕ είναι το πιό σημαντικό συστατικό ενός H/Y H KME δέχεται τουλάχιστον δύο είδη δεδομένων: •Εντολές σχετικές με την επεξεργασία των άλλων δεδομένων •Δεδομένα προς επεξεργασία ακολουθώντας τις διαθέσιμες εντολές. Αποκαλούμε εντολές τον κώδικα ενός προγράμματος. Σε αυτές περιλαμβάνονται επίσης τα συνεχή μηνύματα που στέλνουμε στο PC μας μέσω του "ποντικιού" και του πληκτρολογίου. Τα μηνύματα αυτά αφορούν εντολές για εκτύπωση, αποθήκευση ή άνοιγμα ενός αρχείου, κτλ.

52 Aριθμητική/Λογική Μονάδα
Αριθμητική και Λογική Μονάδα – (Α/Λ) (Arithmetic and Logical Unit) Εκτελεί αριθμητικές πράξεις (+, -, /, *) Εκτελεί λογικές πράξεις (ΑND, OR, NOT, …) Οι πράξεις αυτές γίνονται βάσει προκαθορισμένων λειτουργιών , μετασχηματίζοντας ή συνδιάζοντας τα απαραίτητα δεδομένα, για την δημιουργία των εκάστοτε επιθυμητών αποτελεσμάτων Οι κωδικοποιημένες παραστάσεις των δεδομένων εισέρχονται στην Α/Λ μονάδα προερχόμενες από την μνήμη. Η μονάδα ελέγχου, γνωρίζοντας εκ των προτέρων την πράξη που πρόκειται να εκτελεσθεί, παρέχει προς τα ηλεκτρονικά κυκλώματα της Α/Λ μονάδας τα απαραίτητα σήματα ελέγχου, ώστε αυτή να δημιουργήσει τα εκάστοτε αποτελέσματα των αριθμητικών, λογικών ή συνδυαστικών πράξεων. Οι περισσότερες μοντέρνες Α/Λ μονάδες έχουν ένα μικρό αριθμό ειδικών μονάδων αποθήκευσης που ονομάζονται καταχωρητές (registers)

53 Μονάδα Ελέγχου (ΜΕ) Η Μονάδα Ελέγχου είναι η οργανωτική δύναμη στον Η/Υ Υπάρχουν δύο καταχωρητές στην ΜΕ Ο καταχωρητής εντολής (instruction register (IR)) περιέχει την εντολή που εκτελείται Τον μετρητή προγράμματος (program counter (PC)) που περιέχει την διεύθυνση της επόμενης εντολής προς εκτέλεση Υπενθυμίζουμε οτι Α/Λ μονάδα και ΜΕ αποτελούν την ΚΜΕ (CPU)

54 Μονάδα Ελέγχου (ΜΕ, συν.)
Η ΜΕ είναι το υποσύστημα εκείνο, το οποίο αποφασίζει και συντονίζει την διαδοχή των πράξεων καί τη λειτουργία των υπολοίπων μονάδων του υπολογιστή. Κατά την εκτέλεση ενός προγράμματος, η ΜΕ λαμβάνει από τη μνήμη ορισμένα κωδικοποιημένα ηλεκτρικά σήματα, τα οποία ονομάζονται εντολές. Τα κυκλώματα της μονάδας ελέγχου "αποκωδικοποιούν" κατ΄αρχάς τις εντολές αυτές και εν συνεχεία εκπέμπουν σήματα ελέγχου προς: Την μνήμη για την εξαγωγή πληροφοριών προς τις άλλες μονάδες του υπολογιστή ή την λήψη πληροφοριών απ΄αυτές και την αποθήκευσή τους στη μνήμη Την Α/Λ μονάδα για την εκτέλεση των επιθυμητών υπολογιστικών πράξεων Τις μονάδες εισόδου/εξόδου, για τη μεταφορά πληροφοριών απο τον υπολογιστή προς το εξωτερικό του περιβάλλον, και αντιστρόφως

55 Μονάδες Εισόδου/Εξόδου
Μία μονάδα εισόδου είναι μια συσκευή μέσω της οποίας, δεδομένα και προγράμματα εισάγονται απο τον έξω κόσμο στον Η/Υ Πληκτρολόγιο, ποντίκι, κτλ. Μία μονάδα εξόδου είναι μια συσκευή μέσω της οποίας, αποτελέσματα αποθηκευμένα στον Η/Υ, καθίστανται διαθέσιμα στον εξεωτερικό κόσμο Εκτυπωτές, τερματικά

56 Ροή της Πληροφορίας Τα διάφορα μέρη είναι συνδεδεμένα μεταξύ τους μέσω μίας συλλογής καλωδίων που ονομάζονται δίαυλος

57 Ο Κύκλος Φέρε-Eκτέλεσε
Φέρε την επόμενη εντολή Αποκωδικοποίησε την εντολή Πάρε δεδομένα αν υπάρχει ανάγκη Eκτέλεσε την εντολή

58 Ο Κύκλος Φέρε-Εκτέλεσε (συν.)

59 Mνήμη Μνήμη είναι μια συλλογή απο κελιά, το καθένα απο τα οποία έχει μία μοναδική φυσική διεύθυνση

60 Μνήμη (συν.) Η μνήμη είναι μέρος του υλικού και χρησιμεύει για την αποθήκευση δεδομένων και εντολών. Είναι απ΄ευθείας συνδεδεμένη με τον επεξεργαστή. Οποια πληροφορία δημιουργείται σε κάποια χρονική στιγμή και πρόκειται να χρησιμοποιηθεί αργότερα, αποθηκεύεται, συνήθως προσωρινά, στη μνήμη για να μπορεί να ανακληθεί εύκολα. Στη μνήμη αποθηκεύονται επίσης πληροφορίες χρήσιμες για τη διαμόρφωση (configuration) του συστήματος. Ο χρόνος προσπέλασης είναι πολύ πιο γρήγορος απο αυτόν ενός δίσκου, αλλά η αποθηκευτική της δυνατότητα είναι περιορισμένη. ΄Ενεκα του οτι η μνήμη είναι γρηγορότερη, οι εντολές φορτώνονται πρώτα εδώ πρίν την εκτέλεσή τους ώστε τα προγράμματα να μπορούν να τρέχουν με πιο αποτελεσματικό τρόπο. Εχουμε τριών ειδών μνήμη: Random Access Memory (RAM) Read Only Memory (ROM) CMOS

61 RAM(Random Access Memory, Μνήμη Τυχαίας Προσπέλασης)

62 ROM (Read-Only Memory, Μνήμη Μόνο Ανάγνωσης)
Η μνήμη αυτή δεν επιδέχεται αλλαγές. Τα περιεχόμενα της μπορούν να διαβαστούν όχι όμως και να μεταβληθούν παρά μόνο εάν αντικατασταθούν ολοσχερώς τα ίδια τα κυκλώματα των ημιαγωγών (chips) που την αποτελούν. Η ROM χρησιμοποιείται για καταστάσεις οπου η πληροφορία χρειάζεται να φυλαχθεί χωρίς να δεχθεί μεταβολές. Η πρωταρχική χρήση της ROM είναι κατά τη διάρκεια της διαδικασίας εκκίνησης τού υπολογιστή. Η ROM βρίσκεται στη μητρική πλακέτα του υπολογιστή και περιέχει εντολές που υποδεικνύουν στη μηχανή πώς να εκτελέσει τη διαδικασία εκκίνησης ("boot process"). Η διαδικασία αυτή παρέχει πρόσβαση στον οδηγό του δίσκου και ανίχνευση στη μνήμη CMOS για την ανεύρεση των δεδομένων διαμόρφωσης (configuration) του συστήματος.

63 Μητρική Πλακέτα

64 Μητρική Πλακέτα (συν.) ROM κώδικας  εντολές εκκίνησης:
POST (Power On Self Test) Setup (παραμετροποίησης) εντολές, οι οποίες ενεργοποιούν εντολές του CMOS BIOS εντολές που αφορούν τη διαχείριση των περιφερειακών συσκευών του υλικού Boot εντολές που καλούν το λειτουργικό σύστημα (DOS, OS/2, Windows) Ολες αυτές οι εντολές είναι στα chips της ROM και ενεργοποιούνται μία προς μία κατα τη διάρκεια της εκκίνησης.

65 Μητρική Πλακέτα (συν.) ROM BIOS - CMOS
BIOS (Basic Input-Output Service) δίνει τη δυνατότητα ελέγχου της αλληλεπίδρασης του υπολογιστή με τον χρήστη. CMOS (Complimentary Metal Oxide Semiconductor) Η μνήμη CMOS περιέχει δεδομένα ζωτικής σημασίας για το setup. Η πρόσβαση σε αυτή γίνεται με την εκκίνηση για να προσδιορισθεί ποιο υλικό εχει ο υπολογιστής, και πως είναι διαμορφωμένο (configured). Η χρήση αυτής της μνήμης, η οποία φυλάσσει τη διαμόρφωση του συστήματος, καθιστά δυνατή την αλλαγή του υλικού της μηχανής και μαζί την αναγνώριση της αλλαγμένης διαμόρφωσης απο τον υπολογιστή. Επομένως, όταν αλλάζουμε τη διαμόρφωση του υλικού πρέπει να αλλάξουμε (manually) το περιεχόμενο της CMOS. Το CMOS Setup είναι αποθηκευμένο σε ενα ειδικό chip στη μητρική πλακέτα.

66 Μητρική Πλακέτα (συν.) Οι σταθερές τιμές του CMOS Setup χρησιμοποιούνται για τη διαμόρφωση: - Ημερομηνίας και ώρας - Πληκτρολογίου - Οθόνης - Οδηγού Δισκέττας - Σκληρού δίσκου, οδηγού CD-ROM, etc.

67 Δίαυλοι Ο Η/Υ δέχεται και στέλνει δεδομένα από και προς τούς διαύλους. Οι δίαυλοι μπορούν να χωρισθούν σε: - Ο κεντρικός δίαυλος (system bus), ο οποίος συνδέει την CPU και την RAM - Διαύλους εισόδου/εξόδου (I/O buses), που συνδέουν την CPU με άλλα συστατικά Ο κεντρικός δίαυλος συνδέεται με τους διαύλους εισόδου/εξόδου, όμως η σχετική αρχιτεκτονική ειναι πολυπλοκώτερη αυτής του παρακάτω σχήματος το οποίο μας δίνει μια γενική αντίληψη

68 Η διαδικασία εκκίνησης (Boot Process)
Ειναι η ακολουθία των εντολών που εκτελεί ενας υπολογιστής κατά την διαδικασία εκκίνησης πριν ειναι έτοιμος να δεχθεί τις εντολές του χρήστη. Υπάρχουν 7 βασικά στάδια: Ηλεκτρικό ρεύμα διοχετεύεται στη μητρική πλακέτα. Ο Η/Υ εκτελεί εντολές αποθηκευμένες στη ROM BIOS προκαλώντας πρόσβαση στις CMOS εντολές. Χρησιμοποιώντας τις ενολές της CMOS, ο Η/Υ πραγματοποιεί διάφορα διαγνωστικά τέστ του συστήματος. Το λειτουργικό σύστημα φορτώνεται στη RAM. Ο επεξεργαστής φορτώνει δεδομένα απο τους διάφορους οδηγούς (π.χ. σκληρό δίσκο, δισκέττα) Ο επεξεργαστής "τρέχει" ιδιαίτερα προγράμματα σχετικά με το συγκεκριμένο χρήστη. Μια οθόνη υποδεικνύει ότι η μηχανή είναι έτοιμη να δεχθεί τίς εντολές του χρήστη.

69 Συσκευές Αποθήκευσης Δευτερευούσης Μνήμης
Επειδή το μεγαλύτερο μέρος της κύριας μνήμης είναι περιορισμένη, είναι σημαντικό να υπάρχουν και άλλοι τύποι συσκευών αποθήκευσης όπου προγράμματα και δεδομένα να μπορούν να είναι αποθηκευμένα όταν δεν βρίσκονται πλέον υπό επεξεργασία. Οι συσκευές αποθήκευσης δευτερευούσης μνήμης μπορούν να είναι εγκατεστημένες απο την αρχή η να προστεθούν αργότερα αν υπάρχει ανάγκη

70 Μαγνητική Ταινία Είναι η πρώτη πραγματικά συσκευή μαζικής βοηθητικής αποθήκευσης

71 Mαγνητικοί Δίσκοι Μια κεφαλή διάβασε/γράψε διατρέχει ενα περιστρεφόμενο μαγνητικό δίσκο, βρίσκοντας η εγγράφοντας δεδομένα

72 Δίσκοι Compact Μια συσκευή CD χρησιμοποιεί laser για να διαβάζει πληροφορίες αποθηκευμένες οπτικά σε ένα πλαστικό δίσκο CD-ROM είναι Read-Only Memory DVD σημαίνει Digital Versatile Disk

73 Σύγχρονη Επεξεργασία Μια προσέγγιση παραλληλισμού είναι να έχουμε πολλούς επεξεργαστές που εφαρμόζουν το ίδιο πρόγραμμα σε πολλαπλά σύνολα δεδομένων

74 Pipelining Εχουμε πολλούς επεξεργαστές μαζί όπου καθένας τους συμβάλει μερικώς στον συνολικό υπολογισμό