Κεφ 3 - Υλικό - Εφαρμογές Υπολογιστών

Εφαρμογές Υπολιστών - Κεφ. 3 Λ.Οικ

Εφαρμογές Πληροφορικής - Υπολογιστών

Κεφάλαιο 3 - Το υλικό του υπολογιστή


•Τμήματα του Η/Υ και Οργάνωση

•Μονάδα Κεντρικής Μνήμης

•Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (CPU)

•Μονάδα Εισόδου – Εξόδου

•Δίαυλοι Επικοινωνίας

•Εναλλακτικές αρχιτεκτονικές

ΕΙΣΑΓΩΓΗ


• 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.

• Περιγράφει τα μέρη και τον τρόπο διασύνδεσης του υλικού.

ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ Η/Υ


ΜΕΡΗ ΤΟΥ Η/Υ


• Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας ( CPU )

* Αριθμητική και Λογική Μονάδα ( ALU )* Μονάδα Ελέγχου ( Control Unit )* Kαταχωρητές ( Registers )

• Μονάδα Κεντρικής Μνήμης

• Μονάδα Εισόδου – Εξόδου

• Δίαυλοι Επικοινωνίας

ΜΕΡΗ ΤΟΥ Η/Υ


ΚΕΝΤΡΙΚΗ ΜΟΝΑΔΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ

• Αριθμητική και Λογική Μονάδα

• Μονάδα Ελέγχου

• Καταχωρητές


ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΚΑΙ ΛΟΓΙΚΗ ΜΟΝΑΔΑ

• Εκτελεί γρήγορα αριθμητικές και λογικές πράξεις

• Πρόσθεση, αφαίρεση, πολλαπλασιασμός, διαίρεση

• ΚΑΙ , Ή , ΌΧΙ

• Χρόνος πράξης < 10 -7 sec


ΜΟΝΑΔΑ ΕΛΕΓΧΟΥ

• Συγχρονίζει τη λειτουργία του Η/Υ

• Ανακαλεί απ’ την κεντρική μνήμη εντολές

• Αναθέτει στην ALU την εκτέλεση τους

• Ελέγχει την επικοινωνία με τα περιφερειακά μέρη


ΚΑΤΑΧΩΡΗΤΕΣ

• Διεύθυνσης Μνήμης (MAR) – Εδώ αποθηκεύονται προσωρινά οι θέσεις μνήμης δεδομένων στη διαδρομή τους μεταξύ ΚΜΕ και Κύριας Μνήμης

• Δεδομένων Μνήμης (MDR) – Εδώ αποθηκεύονται προσωρινά τα δεδομένα και οι εντολές στη διαδρομή τους μεταξύ ΚΜΕ και Κύριας Μνήμης

• Ειδικού σκοπού – Απαριθμούν εντολές, αποκωδικοποιούν εντολές, αποθηκεύουν ενδιάμεσα αποτελέσματα


ΕΝΤΟΛΕΣ

• Σύνολο εντολών κάθε ΚΜΕ ενός Η/Υ : Το πλήθος των εντολών (20 – 300) που μπορεί αυτός να χρησιμοποιήσει

• Τις καλεί η Μονάδα Ελέγχου από την Κεντρική Μνήμη


ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΗΣ CPU

1. Mεταφέρει την επόμενη εντολή από την Κεντρική Μνήμη

2. Αποκωδικοποιεί την εντολή

3. Εκτελεί την εντολή

4. Επαναλαμβάνει μέχρι να βρεθεί συνθήκη τερματισμού


ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΗΣ CPU

• Ένα κύκλωμα χρονισμού (ρολόι) καθορίζει το χρονισμό των λειτουργιών

• Η ταχύτητα του ρολογιού μετριέται σε GHz

• CPU με ισχύ 3 GHz παράγει παλμούς ανα 0,33 nsec

• Παλμός είναι το μικρότερο χρονικό διάστημα για να συμβεί μια λειτουργία


ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΗΣ CPU - ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΕΣ

Οι δυνατότητες μιας CPU καθορίζονται από :

• Το σύνολο εντολών του επεξεργαστή

• Την ταχύτητα του ρολογιού

• Το μήκος λέξης του επεξεργαστή (πόσα δυαδικά ψηφία μπορεί να διαβάσει τη φορά – πχ 64 bits)


ΚΕΝΤΡΙΚΗ ΜΝΗΜΗ

• Αποθηκεύονται προγράμματα (σύνολα εντολών)

• Αποθηκεύονται δεδομένα προς επεξεργασία

• Αποθηκεύονται προσωρινά αποτελέσματα εκτέλεσης προγραμμάτων

• Είναι οργανωμένη σε διαδοχικές θέσεις ίδιας χωρητικότητας (πχ 32 bits)


ΚΕΝΤΡΙΚΗ ΜΝΗΜΗ

• Kάθε μια απ’ τις διαδοχικές θέσεις έχει μια διεύθυνση

• Ο αριθμός της διεύθυνσης μας επιτρέπει να αναφερόμαστε σε μια συγκεκριμένη θέση μνήμης


ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΚΕΝΤΡΙΚΗΣ ΜΝΗΜΗΣ

• Χωρητικότητα : Δηλώνει το συνολικό αριθμό δυαδικών ψηφίων που μπορούν να αποθηκευτούν (ενδεικτικές τιμές σήμερα, 4 GBytes δηλ. 32 δις bits )

• Χρόνος προσπέλασης : Ο χρόνος που απαιτείται απ’ τη στιγμή της εντολής για ανάγνωση ή εγγραφή ενός κυττάρου μνήμης μέχρι την εκτέλεση αυτής.

• Χρόνος κύκλου : Ο χρόνος μεταξύ δύο λειτουργιών.

• Εύρος ζώνης : Η μέγιστη δυνατή ταχύτητα μεταφοράς δεδομένων


ΕΙΔΗ ΚΕΝΤΡΙΚΗΣ ΜΝΗΜΗΣ

• Μνήμη RAM ( Mνήμη Τυχαίας Προσπέλασης )

• Μνήμη ROM ( Μνήμη Μόνο Ανάγνωσης )

• Cache Memory ( Λανθάνουσα Μνήμη )


ΜΝΗΜΗ RAM

• Εδώ γράφονται και διαβάζονται δεδομένα

• Χρησιμοποιείται για την προσωρινή αποθήκευση δεδομένων καθώς και αποτελεσμάτων εκτέλεσης εντολών


ΜΝΗΜΗ RΟM

• Χρησιμοποιείται από τον κατασκευαστή του Η/Υ για τον προγραμματισμό του υλικού. Απαραίτητη για την εκκίνηση του. Κατά βάση, δεν επεμβαίνει ο χρήστης.

• Κάποια είδη ROM (PROM, EPROM) μπορούν να προγραμματιστούν από το χρήστη είτε μια φορά είτε επαναλαμβανόμενα.


Cache Memory

• Πιο ακριβή και πιο γρήγορη από τις προηγούμενες

• Λειτουργεί ως ενδιάμεσος μεταξύ CPU και RAM

• Αυξάνει την ταχύτητα εκτέλεσης των προγραμμάτων


Μονάδα Εισόδου - Εξόδου

• Είναι υπεύθυνη για την επικοινωνία του κεντρικού μέρους του Η/Υ (CPU , RAM) με τα περιφερειακά

• Η μετάδοση δεδομένων γίνεται είτε παράλληλα (ταυτόχρονη μετάδοση δεδομένων μέσω αντίστοιχων γραμμών μεταφοράς – πιο γρήγορη ) είτε σειριακά (μετάδοση στη σειρά με μια γραμμή μεταφοράς – πιο φθηνή)

• Η επικοινωνία γίνεται είτε σύγχρονα (συνεχής ανταλλαγή δεδομένων ακόμα και όταν δε χρειάζεται) είτε ασύγχρονα (ανταλλαγή μόνο αν υπάρχουν δεδομένα)


Μονάδα Εισόδου - Εξόδου

• Είναι υπεύθυνη για την επικοινωνία του κεντρικού μέρους του Η/Υ (CPU , RAM) με τα περιφερειακά

• Η μετάδοση δεδομένων γίνεται είτε παράλληλα (ταυτόχρονη μετάδοση δεδομένων μέσω αντίστοιχων γραμμών μεταφοράς – πιο γρήγορη ) είτε σειριακά (μετάδοση στη σειρά με μια γραμμή μεταφοράς – πιο φθηνή)

• Η επικοινωνία γίνεται είτε σύγχρονα (συνεχής ανταλλαγή δεδομένων ακόμα και όταν δε χρειάζεται) είτε ασύγχρονα (ανταλλαγή μόνο αν υπάρχουν δεδομένα)


Προσαρμοστική Μονάδα

• Είναι απαραίτητη λόγω της πολυμορφίας των περιφερειακών συσκευών

• Παρεμβάλλεται μεταξύ μιας περιφερειακής συσκευής και της μονάδας I/O. Παράδειγμα οι οδηγοί (drivers) των συσκευών


Δίαυλος Επικοινωνίας

• Χρησιμοποιείται για την επικοινωνία των μερών του Η/Υ

• Εξασφαλίζει τη φυσική μεταφορά των δεδομένων

• Εγγυάται με ένα σύνολο κανόνων την ταχύτερη και ευρύτερη επικοινωνία


Δίαυλος Επικοινωνίας

• Μεταφέρει δεδομένα προς επεξεργασία (data bus)

• Mεταφέρει διευθύνσεις μνήμης (address bus)

• Mεταφέρει σήματα ελέγχου, απόκρισης και συγχρονισμού (control bus)

• Xαρακτηριστικά ενός διαύλου είναι το εύρος (γραμμές μεταφοράς) και η ταχύτητα (bits/sec)


Περιφερειακά μέρη

• Πληκτρολόγιο (Μον.εισόδου)

• Ποντίκι (Μον.εισόδου)

• Οθόνη (CRT , LCD, αφής) – Μον.εξόδου Χαρακτηρίζονται απ’το μέγεθος (ίντσες) και την ανάλυση

(pixels)

• Εκτυπωτής –Μον. Εξόδου


Περιφερειακές μνήμες

• Σκληρός Δίσκος

Σύνολο από ομόκεντρους μαγνητικούς δίσκους, χαρακτηρίζεται από την ταχύτητα μετάδοσης και φυσικά το μέγεθος χωρητικότητας σε bytes.

• CD (Oπτικός Δίσκος) – CD-R, CD-RWΧρησιμοποιούν την τεχνολογία του φωτός (ακτίνα laser)

• DVD (Ίδια τεχνολογία, διαφορετικό μέγεθος)


Δίκτυα Υπολογιστών

Δίκτυο είναι ένα σύνολο Η/Υ και περιφερειακών συσκευών, συνδεδεμένων μεταξύ τους (ενσύρματα ή ασύρματα) με σκοπό την ανταλλαγή δεδομένων

• Δίκτυο αρτηρίας Μια γραμμή επικοινωνίας

• Δίκτυο αστέραΚεντρικός υπολογιστής

• Δίκτυο δακτυλίουΣχηματισμός βρόχου


Δίκτυα Υπολογιστών

Πλεονεκτήματα: Διαμοιρασμός υλικού (π.χ εκτυπωτής)

Διαμοιρασμός εφαρμογών Διαμοιρασμός αρχείων

• Τοπικό Δίκτυο ( LAN ) Έκταση ενός κτιρίου (πχ σχολείο)

• Μητροπολιτικό Δίκτυο (ΜΑΝ)Έκταση μιας πόλης

• Δίκτυο ευρείας περιοχής (WAN)

Documents

Κεφ 3 - Υλικό - Εφαρμογές Υπολογιστών