Εφαρμογές Πληροφορικής Κεφ. 3 Υλικο

Εφαρμογές Πληροφορικής ΥπολογιστώνΕφαρμογές Πληροφορικής Υπολογιστών

Κεφάλαιο 3

Το υλικό του υπολογιστή

Εισαγωγή

• Τμήματα του Η/Υ και Οργάνωση

• Μονάδα Κεντρικής Μνήμης

• Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (CPU)

• Μονάδα Εισόδου - Εξόδου

• Δίαυλοι Επικοινωνίας

• Εναλλακτικές αρχιτεκτονικές

Αρχιτεκτονική Η/Υ

• Το υλικό (hardware) είναι το σύνολο των ηλεκτρονικών τμημάτων που συνθέτουν ένα υπολογιστικό σύστημα.

• Η μελέτη της δομής και της συμπεριφοράς του υλικού αποτελεί το αντικείμενο της αρχιτεκτονικής των Η/Υ.

• Μας βοηθά να διακρίνουμε τα μέρη και τον τρόπο διασύνδεσης του υλικού.

Τμήματα του Η/Υ

Τμήματα του Η/Υ

• Μονάδα Κεντρικής Μνήμης

• Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (CPU)

Αριθμητική και Λογική Μονάδα (ALU)

Μονάδα Ελέγχου (Control Unit)

Καταχωρητές (Registers)

• Μονάδα Εισόδου - Εξόδου

• Δίαυλοι Επικοινωνίας

Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (CPU)

CONTROL UNIT

Μονάδα Ελέγχου

ALUΑριθμητική

Λογική μονάδα

REGISTERSΚαταχωρητές

ΔΙΑΥΛΟΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ

ALU και Control Unit

• Αριθμητική και Λογική Μονάδα (ALU)

• Κύκλωμα το οποίο είναι ικανό να εκτελεί γρήγορα αριθμητικές και λογικές πράξεις .

• Control Unit

• Συγχρονίζει και ελέγχει τη λειτουργία του Η/Υ,

• Ανακαλεί εντολές από την κεντρική μνήμη

• Προσδιορίζει τον τύπο των εντολών και αναθέτει στην ALU την εκτέλεσή τους

• Ελέγχει την επικοινωνία του περιφερειακού μέρους με το κεντρικό

Καταχωρητές (Registers)

• Ταχύτατες μνήμες που έχουν ως σκοπό την προσωρινή αποθήκευση δεδομένων ή εντολών ή την εκτέλεση ειδικών λειτουργιών

• Καταχωρητές Διεύθυνσης Μνήμης (Memory Address Register)

• Καταχωρητές Δεδομένων Μνήμης (Memory Data Register)

• Ειδικοί καταχωρητές (Εντολών, Κατάστασης, κλπ)

Λειτουργία της CPU

• Μεταφορά της επόμενης εντολής από την Κεντρική Μνήμη

• Αποκωδικοποίηση της εντολής

• Εκτέλεση της εντολής

• Επανάληψη των παραπάνω βημάτων μέχρι να βρεθεί συνθήκη τερματισμού

• Για το χρονισμό των λειτουργιών υπάρχει ενσωματωμένο ένα κύκλωμα χρονισμού, το ρολόι (clock).

• Η ταχύτητα του ρολογιού μετριέται πλέον σε Ghz

Παράδειγμα ένα ρολόι έχει ταχύτητα 3 Ghz, αυτό σημαίνει ότι μπορεί να παράγει παλμούς ανά 0,33 nsec

Μονάδα Κεντρικής Μνήμης

Χρησιμοποιείται για την αποθήκευση:

• Προγραμμάτων (Ακολουθίες εντολών)

• Δεδομένων προς επεξεργασία

• Αποτελεσμάτων εκτέλεσης προγραμμάτων

Είναι οργανωμένη σε διαδοχικές θέσεις ίδιας χωρητικότητας (πχ 32 bit)

Μονάδα Κεντρικής Μνήμης

Κάθε μία από τις διαδοχικές θέσεις έχει μία διεύθυνση (address)

Η διεύθυνση είναι ένας αριθμός μέσω του οποίου μπορούμε να αναφερόμαστε σε μία θέση μνήμης

Διεύθυνση μνήμης

Περιεχόμενο θέσης

Διεύθυνσεις μνήμης

Χαρακτηριστικά Κεντρικής Μνήμης

• Χωρητικότητα (Storage Capability) : Ακέραιος αριθμός που δηλώνει το μέγιστο πλήθος δυαδικών ψηφίων που μπορεί να αποθηκεύσει.

• Χρόνος προσπέλασης (Access Time) : Το χρονικό διάστημα που μεσολαβεί από τότε που θα απαιτηθεί η ανάγνωση ή η εγγραφή ενός κυττάρου μέχρι την πραγματοποίησης της λειτουργίας.

Χαρακτηριστικά Κεντρικής Μνήμης

• Χρόνος κύκλου (Cycle Time) : Το ελάχιστο δυνατό χρονικό διάστημα μεταξύ 2 διαδοχικών λειτουργιών στη μνήμη.

• Εύρος Ζώνης (Bandwidth) : Μέγιστη δυνατή ταχύτητα μεταφοράς δεδομένων από ή προς τη μνήμη.

Είδη Κεντρικής Μνήμης

• ΜνήμηΤυχαίας Προσπέλασης (Random Access Memory - RAM)

• Μνήμη Μόνο για Ανάγνωση (Read - Only Memory - ROM)

• Λανθάνουσα Μνήμη (Cache)

Μνήμη RAM

• Μπορούμε να γράψουμε και να διαβάσουμε δεδομένα

• Τα περιεχόμενά της διατηρούνται όσο ο Η/Υ βρίσκεται σε λειτουργία

• Χρησιμοποιείται για την προσωρινή αποθήκευση των δεδομένων και αποτελεσμάτων προγραμμάτων κατά τη διάρκεια εκτέλεσής τους

Μνήμη ROM

• Η εγγραφή στις Μνήμες ROM γίνεται εφάπαξ και στη συνέχεια μπορούμε μόνο να διαβάσουμε δεδομένα

• Χρησιμοποιούνται από τον κατασκευαστή του Η/Υ για την αποθήκευση μικροπρογραμμάτων, που δεν χρειάζεται να αλλαχτούν στη συνέχεια

• Τέτοια μικροπρογράμματα είναι απαραίτητα για την εκκίνηση του Η/Υ

Μνήμη ROM

Υπάρχουν κάποια είδη ROM που επιτρέπουν τον προγραμματισμό τους και από το χρήστη του Η/Υ:

•Programmable Read Only Memories - PROM.

Μπορούν να προγραμματιστούν μία μόνο φορά

•Erasable Programmable Read Only Memories -EPROM .

Μπορούν να διαγραφούν και να προγραμματιστούν πάλι

Μνήμη Cache

• Η ταχύτερη και ακριβότερη από τα τρία είδη κεντρικής μνήμης

• Παρεμβάλλεται μεταξύ της CPU και της RAM

• Συμβάλλει στην αύξηση της ταχύτητας εκτέλεσης των προγραμμάτων από τη CPU

Μονάδα Εισόδου/Εξόδου

• Υπεύθυνη για την επικοινωνία του Κεντρικού Μέρους του Η/Υ με το σύνολο των περιφερειακών συσκευών

• Σκοπός είναι η γρήγορη και ασφαλής μεταφορά δεδομένων

• Η μεταφορά μπορεί να γίνει παράλληλα ή σειριακά

• Η επικοινωνία μπορεί να είναι σύγχρονη ή ασύγχρονη

Μονάδα Εισόδου/Εξόδου

Παράλληλη - Σειριακή Μεταφορά

•Στην παράλληλη μεταφορά, ένας αριθμός ν δυαδικών ψηφίων μεταφέρεται ταυτόχρονα μέσω ν γραμμών μεταφοράς.

•Στην σειριακή μεταφορά, τα bit μεταδίδονται ακολουθιακά, το ένα μετά το άλλο, μέσα στη γραμμή μεταφοράς.

•Η παράλληλη μεταφορά είναι πιο γρήγορη, ενώ η σειριακή λιγότερο δαπανηρή

Μονάδα Εισόδου/Εξόδου

Σύγχρονη - Ασύγχρονη Επικοινωνία

•Στη σύγχρονη επικοινωνία, συγχρονίζονται τα ρολόγια των δύο μερών και ανταλλάσσονται συνεχώς δεδομένα, ακόμη όταν δεν υπάρχουν. Αυτό γίνεται για να διατηρηθεί ο συγχρονισμός.

•Στην ασύγχρονη επικοινωνία, το κάθε μέρος στέλνει δεδομένα μόνο όταν απαιτείται, αλλιώς η γραμμή παραμένει ανενεργή

Μονάδα Εισόδου/Εξόδου

Προσαρμοστική μονάδα (Interface Unit).

•Η πολυμορφία των σημερινών συσκευών κάνει αδύνατη την επικοινωνία του κεντρικού μέρους με κάθε τύπο συσκευής μέσω της Μονάδας Εισόδου/Εξόδου.

•Έτσι μεταξύτης ΜονάδαςΕισόδου / Εξόδου και κάθε συσκευής παρεμβάλλεται μία προσαρμοστική μονάδα (Interface Unit).

•Σκοπός της είναι η διασφάλιση της συνεργασίας των επικοινωνούντων μερών

•Παραδείγματα IU είναι USB, Firewire, SCSI.

Δίαυλος Επικοινωνίας

• Χρησιµοποιείται για την επικοινωνία µεταξύ των δοµικών µερών ενός Η/Υ.

• Αποτελείται από το φυσικό µέρος και ένα σύνολο κανόνων για να εξασφαλιστεί η µέγιστη ταχύτητα επικοινωνίας και η εξυπηρέτηση όσο το δυνατόν περισσοτέρων συσκευών.

Διακρίνεται σε•Δίαυλο δεδομένων •Δίαυλο διευθύνσεων •Δίαυλο ελέγχου

Το περιφερειακό μέρος του ΗΥ

Πληκτρολόγιο (Keyboard)

Χρησιμοποιείται για την εισαγωγή εντολών ή δεδομένων. Με το πάτημα κάθε πλήκτρου του εισάγονται πληροφορίες ή εντολές στον υπολογιστή.

Τα πλήκτρα ενός πληκτρολογίου διακρίνονται σε διάφορες ομάδες: Πλήκτρα λειτουργιών (Function keys, F1,F2..) τα οποία προγραμματίζονται με

μακροεντολές. Πλήκτρα γραφομηχανής (πρότυπο διάταξης QWERTY) Πλήκτρα αριθμομηχανής Πλήκτρα μετακίνησης του δρομέα, Πλήκτρα ελέγχου (Esc, Enter, Tab, κλπ)

Το περιφερειακό μέρος του ΗΥ

Ποντίκι

Συσκευή που διευκολύνει το χρήστη να καταδείξει ή να επιλέξει μία λειτουργία που απεικονίζεται στην οθόνη.

Μηχανικοί Αισθητήρες

Μπίλια

Μικροεπεξεργαστής

Το περιφερειακό μέρος του ΗΥ

Οθόνη

• Συσκευή εξόδου για την παρουσίαση των αποτελεσμάτων μιας επεξεργασίας.

• Εικονοστοιχείο (pixel) : ελάχιστη ποσότητα οπτικής πληροφορίας.

• Ανάλυση (resolution) : αριθμός των εικονοστοιχείων οριζόντια x κάθετα. π.χ. 1024 x 768

• Κάρτα γραφικών : ομάδα κυκλωμάτων που καθοδηγούν τα κυκλώματα της οθόνης.

Το περιφερειακό μέρος του ΗΥ

Κατηγορίες οθονών

Οθόνη καθοδικού σωλήνα (Cathode Ray Tube - CRT)

Καλύπτεται από τρία διαφορετικά είδη φωσφόρου (κόκκινο, πράσινο, μπλέ) πάνω στα οποία χτυπάνε τρεις δέσμες ηλεκτρονίων των οποίων η ένταση καθορίζει τον τελικό χρωματισμό.

Επιφάνεια του καθοδικού σωλήνα

Φωτεινό εικονοστοιχείο

Το περιφερειακό μέρος του ΗΥ

Κατηγορίες οθονών

Οθόνη υγρών κρυστάλλων (Liquid Crystal Display – LCD)

• Ένα πλέγμα υγρών κρυστάλλων οργανωμένο σε γραμμές και στήλες ελέγχεται από τρανζίστορ.

• Αυτό καθορίζει την ποσότητα του φωτός που φτάνει στην οθόνη.

• Όταν κάθε pixel ελέγχεται από διαφορετικό τρανζίστορ, η οθόνη είναι τεχνολογίας TFT (Thin Film Transistor) και έχει καλύτερη ευκρίνεια.

Το περιφερειακό μέρος του ΗΥ

Κατηγορίες οθονών

Οθόνη αφής (touch screen)

Resistive touch screen technology

Capacitive touch screen technology

Το περιφερειακό μέρος του ΗΥ

Εκτυπωτές

Συσκευές εξόδου για την εκτύπωση πληροφοριών σε χαρτί.

Κατηγορίες εκτυπωτών:

• Εκτυπωτές ακίδων (dot matrix)

Δύο κύλινδροι κινούν μπρος - πίσω το χαρτί και μία κεφαλή που περιέχει μία μήτρα ακίδων, χτυπάει μια μελανοταινία. Υπάρχουν κεφαλές με 9, 18 η 24 ακίδες. Είναι βολικοί για τη δημιουργία πολλαπλών αντιγράφων π.χ. τιμολογίων

Το περιφερειακό μέρος του ΗΥ

Εκτυπωτές

• Εκτυπωτές έγχυσης μελάνης (inkjet)

Η κεφαλή διαθέτει σωληνάκια (π.χ. 300) με τα οποία εκτοξεύει το μελάνι.

Βασικά ποιοτικά χαρακτηριστικά :

• ανάλυση (dots per inch - dpi) π.χ. 1440 x 720

• ταχύτητα εκτύπωσης σελίδων ανά λεπτό (pages per minute - ppm) π.χ. 8, 16

Το περιφερειακό μέρος του ΗΥ

•Εκτυπωτές laser

Διαθέτουν μία δέσμη laser η οποία προσπίπτει πάνω σε ένα τύμπανο. Αυτό φορτίζεται με θετικό στατικό ηλεκτρισμό και περιστρέφεται γύρω από δοχείο με κόκκους από γραφίτη (toner) τους οποίους και έλκει.

Τελικά το τύμπανο έρχεται σε επαφή με τη λευκή σελίδα στην οποία προσκολλάται ο γραφίτης ο οποίος και απορροφάται με αύξηση της θερμοκρασίας του.

Βασικά ποιοτικά χαρακτηριστικά : • ανάλυση (dots per inch - dpi) π.χ. 2400 x 2400 • ταχύτητα εκτύπωσης σελίδων ανά λεπτό

(pages per minute - ppm) π.χ. 32

Το περιφερειακό μέρος του ΗΥ

Περιφερειακή μνήμηΜαγνητική δισκέττα :

Δίσκος από εύκαμπτο μαγνητικό υλικό 3,5”.

Διαμόρφωση (formatting) : οργάνωση και αρίθμηση της δισκέττας σε ίχνη (tracks) και τομείς (sectors)

Το περιφερειακό μέρος του ΗΥ

Περιφερειακή μνήμηΣκληρός δίσκος :

Μέσος χρόνος προσπέλασης : για ανάγνωση ή εγγραφή π.χ. 9 ms

Ταχύτητα μετάδοσης : δεδομένων π.χ. 17 – 250 ΜΒ/sec

Το περιφερειακό μέρος του ΗΥ

Περιφερειακή μνήμηΜαγνητική ταινία :

Πλαστική ταινία με μαγνητικό υλικό. Η πρόσβαση είναι σειριακή.

Το περιφερειακό μέρος του ΗΥ

Περιφερειακή μνήμηΟπτικός δίσκος (CD) :

Μία ακτίνα laser για ανάγνωση και εγγραφή.

Διάμετρος : 12 cm και πάχος : 1,2 mm.

Κυριότερα είδη CD :

•CD – ROM (read only) : 640 ΜΒ •CD – R (write once – read) •CD – RW (read - write) •DVD (Digital Versatile Disk) : 4,7 – 17 GB.

Αναπαραγωγή βιντεοταινιών ή μουσικής

Το περιφερειακό μέρος του ΗΥ

Το περιφερειακό μέρος του ΗΥ

Μόντεμ (Modulator – Demodulator)•Συνδέει δύο ή περισσότερους ΗΥ μέσω του κοινού τηλεφωνικού δικτύου. •Μεταφράζουν τα ψηφιακά σήματα 0 και 1 σε αναλογικά και αντίστροφα. •Ταχύτητα μετάδοσης π.χ. 33, 56 ή 128 Kbps.

Το περιφερειακό μέρος του ΗΥ

Σαρωτής (scanner) Συσκευή ψηφιακής αναπαράστασης της σελίδας ενός εγγράφου με τη βοήθεια μιας δέσμης φωτός. Ανάλυση : αριθμός των στιγμών (dots) στις οποίες χωρίζεται η εικόνα, π.χ. 19200 x 19200 Πρόγραμμα Οπτικής Αναγνώρισης Χαρακτήρων (OCR – Optical Character Recognition) : μετατρέπει τις εικόνες των χαρακτήρων σε χαρακτήρες ASCII. Τύποι σαρωτών :•Σαρωτές σελίδας •Σαρωτές χειρός

Το περιφερειακό μέρος του ΗΥ

Σχεδιογράφος (plotter)

Συσκευή εξόδου για την εκτύπωση χαρτών, αρχιτεκτονικών ή

μηχανικών σχεδίων κλπ. μεγάλων διαστάσεων για τους κοινούς

εκτυπωτές.

Τύποι σχεδιογράφων :

•Σχεδιογράφοι με πενάκια (στυλό)

•Σχεδιογράφοι έγχυσης μελάνης (inkjet)

Το περιφερειακό μέρος του ΗΥ

Φωτογραφίδα (light pen)Συσκευή εισόδου σαν στυλό για την εισαγωγή σχεδίων σε ψηφιακή μορφή.

Το περιφερειακό μέρος του ΗΥ

Άλλες περιφερειακές συσκευέςΚάμερα, ηχεία, μικρόφωνο

Διασύνδεση υπολογιστών

Δίκτυα είναι ένα σύνολο ηλεκτρονικών υπολογιστών και

περιφερειακών συσκευών ενωµένων µεταξύ τους κατά τέτοιο

τρόπο ώστε να µπορούν να επικοινωνούν

Διασύνδεση υπολογιστών

Δίκτυα αρτηρίαςΔίκτυα αρτηρίας

Όλοι οι υπολογιστές συνδέονται κατά µήκος ενός κεντρικού

αγωγού.

Διασύνδεση υπολογιστών

Δίκτυα δακτυλίου

Όλοι οι υπολογιστές είναι συνδεδεµένοι σε έναν πλήρη κλειστό

δακτύλιο.

Διασύνδεση υπολογιστών

Δίκτυα αστέρα

4747

Κεντρικός ΗΥ υπεύθυνος για τη σωστή λειτουργία

του δικτύου.

Υπάρχει ένας κεντρικός υπολογιστής στον οποίον συνδέονται

οι υπόλοιποι υπολογιστές του δικτύου.