Αρχιτεκτονική Υπολογιστών

Transcript

1 Αρχιτεκτονική Υπολογιστών 1. ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΗΣ ΚΑΙ ΝΟΗΜΟΣΥΝΗ 2. ΜΙΑ ΣΥΝΤΟΜΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ 3. ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ 4. ΛΟΓΙΚΑ ΨΗΦΙΑΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ 5. ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ

2 1. ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΗΣ ΚΑΙ ΝΟΗΜΟΣΥΝΗ Στην αρχή τις εξελικτικής του πορείας πάνω στη γη, ο άνθρωπος χρησιμοποιούσε περισσότερο τη μυϊκή παρά τη πνευματική του δύναμη. 'Όπως λοιπόν ήταν φυσικό, τα πρώτα εργαλεία που ήρθαν στο φως ήταν εργαλεία που πολλαπλασίαζαν τη μυϊκή και όχι την πνευματική δύναμη. Μερικά από τα εργαλεία αυτά, όπως ο τροχός, το ιστίο, ο μοχλός, η χρήση του ατμού κ.λ.π. κατέχουν ξεχωριστή θέση στην ανθρώπινη ιστορία. Σε μια επόμενη φάση, η εξασφάλιση της τροφής και της στέγης, η ανάπτυξη του εμπορίου, των τεχνών και των επιστημών, απαιτούσαν όλο και πιo πολύπλοκους υπολογισμούς. Οι απαιτήσεις αυτές οδήγησαν νομοτελειακά στην επινόηση εργαλείων, που είχαν σαν σκοπό την υποβοήθηση του ανθρώπινου μυαλού στην πραγματοποίηση υπολογισμών που δεν ήταν πρωτότυποι. Oι πρώτες κατασκευές που παρουσιάστηκαν (π.χ. ο άβακας) είχαν μικρές δυνατότητες εξαιτίας της περιορισμένης ταχύτητας λειτουργίας τους. Με το πέρασμα των αιώνων, οι προσπάθειες δεν σταμάτησαν, αλλά οι νέες κατασκευές δεν βελτίωσαν σημαντικά τον παράγοντα της ταχύτητας των υπολογισμών. Η ανάπτυξη της τεχνολογίας στον τομέα της φυσικής και της ηλεκτρονικής έδωσε την ευκαιρία για την κατασκευή ενός υπολογιστικού εργαλείου με πάρα πολύ μεγάλες ταχύτητες υπολογισμού και απεριόριστες δυνατότητες. Ο υπολογιστής με τη σειρά του βοήθησε στην ανάπτυξη των άλλων επιστημών και αποτέλεσε τη βάση πάνω στην οποία στηρίζονται όλες εκείνες οι επιστήμες που έχου σαν αντικείμενο τη συλλογή, αποθήκευση, επεξεργασία και διανομή της πληροφορίας. Το σύνολο των επιστημών που σχετίζονται με την πληροφορία μπορεί να την ονομάσει κανείς πληροφορική. Η πληροφορία θεωρείται σήμερα το τρίτο στη σπουδαιότητα συστατικό του σύμπαντος μετά την ύλη και την ενέργεια. Η μεγάλη ταχύτητα επεξεργασίας, η απεριόριστη δυνατότητα χειρισμού πάσης φύσεως πληροφορία (κείμενο, εικόνα, ήχος), δίνουν την εντύπωση ότι οι σημερινοί υπολογιστές δρουν σχεδόν σαν νοήμονα όντα. Είναι όμως έτσι; Μπορούμε να τους συγκρίνουμε ως ένα βαθμό με τα νοήμονα όντα; Για να γίνει αυτό εφικτό θα περιγράψουμε πρώτα, αν και αυτό είναι εξαιρετικά δύσκολο, τους παράγοντες που συνθέτουν τη νοημοσύνη όλων των ζωντανών πλασμάτων. Βέβαια, είναι εξαιρετικά δύσκολο να βρεθούν όλοι οι παράγοντες και να περιγραφούν με ακρίβεια, μία και η έννοια της νοημοσύνης δεν είναι πλήρως ξεκαθαρισμένη. Οι πιο βασικοί από αυτούς τους παράγοντες είναι: Ικανότητα απόκτησης πληροφοριών Ικανότητα αποθήκευσης πληροφοριών Ταχύτητα επεξεργασίας Αγγελόπουλος Γιάννης Σελίδα 2

3 Ταχύτητα τροποποίησης λογικού Αποδοτικότητα λογικού Ποικιλία λογικού Η ικανότητα απόκτησης πληροφοριών σχετίζεται άμεσα με την ύπαρξη εξελιγμένων αισθητηρίων οργάνων, τα οποία βοηθούν το έμβιο ον να αποκτήσει πληροφορίες από το περιβάλλον του, με δική του πρωτοβουλία, χωρίς δηλαδή καμία εξωτερική εντολή.. Η ικανότητα αποθήκευσης πληροφοριών σχετίζεται πρώτα με τη δυνατότητα αυτοδύναμης αποθήκευση πληροφοριών και ύστερα με τον όγκο (μέγεθος μνήμης) της πληροφορίας που μπορεί να αποθηκευτεί και να παραμείνει αναλλοίωτη.. Το μέτρο της ταχύτητας με την οποία ένα πλάσμα μπορεί να επεξεργάζεται τις πληροφορίες που παίρνει από το περιβάλλον, όπως και αυτές που ανασύρει από την μνήμη του, αποτελεί έναν σημαντικό παράγοντα που επηρεάζει τη νοημοσύνη του. Η έννοια της "ταχύτητας τροποποίησης του λογικού" είναι αρκετά πολύπλοκη για να την περιγράψει κανείς σε μερικές γραμμές. Είναι ένας από τους ποίο βασικούς παράγοντες της νοημοσύνης, και σε καμία περίπτωση δεν πρέπει να την μπερδεύουμε με την ταχύτητα επεξεργασίας. 'Ένα πλάσμα εφοδιάζεται κατά την γέννηση του από μια σειρά από "προγράμματα", τα οποία μπορούμε να τα ονομάσουμε ένστικτα. Με τον όρο "προγράμματα" εννοούμε μια ακολουθία από εντολές που απευθύνονται σε κάποιο τμήμα του έμβιου όντως. Υπάρχουν ένστικτα που ελέγχουν τις σωματικές λειτουργίες, όπως για παράδειγμα την αναπνοή, τη γαστρική απορρόφηση, τη λειτουργία της καρδιάς, το παίξιμο των βλεφάρων, τις κινήσεις που κάνουμε ασυναίσθητα κ.λ.π. Υπάρχουν επίσης "προγράμματα - ένστικτα" που οδηγούν το νεαρό πλάσμα στα πρώτα βήματα της ζωής του. Τα εμφυτευμένα προγράμματα είναι προϊόντα της εξελικτικής πορείας του είδους μέσα στον χρόνο. Υπήρξε βέβαια και "κάποιος" αρχικός προγραμματιστής, αυτό όμως δεν είναι ώρα να το κουβεντιάσουμε και ανήκει στη σφαίρα της μεταφυσικήs και της θεολογίας. Πέρα όμως από αυτά τα εμφυτευμένα προγράμματα (λέγονται και Firmware) τα οποία είναι ίδια για όλα τα μέλη του κάθε είδους, αναπτύσσονται κατά την διάρκεια της ζωής του πλάσματος, με διαδικασίες που ακόμα είναι άγνωστες, χιλιάδες ακόμη προγράμματα. Για τον άνθρωπο δημιουργούνται προγράμματα τα οποία τον βοηθούν να μιλά, να γράφει, να περπατά, να απολαμβάνει μουσική, να οδηγεί αυτοκίνητο, να προγραμματίζει έναν υπολογιστή, να δημιουργεί μαθηματικές θεωρίες κ.λ.π. Τα προγράμματα αυτά διαφέρουν σημαντικά από το ένα μέλος στο άλλο του ιδίου είδους. Κύριο χαρακτηριστικό τους είναι ότι κατασκευάζονται μετά τη γέννηση του πλάσματος και από το ίδιο το πλάσμα. Το σύνολo αυτό των Αγγελόπουλος Γιάννης Σελίδα 3

4 προγραμμάτων μπορούμε να το ονομάσουμε λογικό ή λογισμικό (Software). Με την βοήθεια των πληροφοριών τις οποίες δέχεται το πλάσμα από το περιβάλλον του τα προγράμματα αυτά συνεχώς τροποποιούνται και βελτιώνονται. Η ταχύτητα της μεταβολής των προγραμμάτων αποτελεί ένα σημαντικό παράγοντα νοημοσύνης και είναι η ταχύτητα για την οποία μιλήσαμε στην αρχή της παραγράφου.. Η αποδοτικότητα του λογικού συνδέεται άμεσα με την αποδοτικότητα των προγραμμάτων που το απαρτίζουν. 'Όσο πιο έξυπνα είναι τα προγράμματα, τόσο πιο νοήμον θεωρείται το πλάσμα που τα ανάπτυξε. Για παράδειγμα, το πρόγραμμα που έχει σχέση με την κατανόηση μιας ξένης γλώσσας διαφέρει από άνθρωπο σε άνθρωπο. 'Όσο μεγαλύτερη είναι η ποικιλία των προγραμμάτων με τα οποία είναι εξοπλισμένο ένα πλάσμα τόσο πιο νοήμον θεωρείται. Επαναλαμβάνουμε ότι το λογικό του κάθε πλάσματος είναι μοναδικό με την έννοια ότι δεν θα βρούμε σε δύο ανθρώπους το ίδιο πλήθος προγραμμάτων το καθένα από τα οποία να είναι όμοιο με το αντίστοιχο του. Στην συνέχεια θα προσπαθήσουμε να εξηγήσουμε ποίους ακριβώς παράγοντες της ανθρώπινης νοημοσύνης ενισχύει ο Η/Υ. Αυτό το τελευταίο θα φανεί από την αντιπαράθεση ενός έμβιου όντος με τον υπολογιστή. Η αντιπαράθεση θα γίνει στο επίπεδο των έξη παραγόντων νοημοσύνης που περιγράψαμε πριν από λίγο. Η ικανότητα ενός Η/Υ να συλλέγει πληροφορίες από το περιβάλλον του αυτόνομα, είναι μηδενική. Τα τελευταία χρόνια γίνονται κάποιες προσπάθειες σε αυτό το επίπεδο αλλά προς το παρόν η τροφοδότηση ενός Η/Υ με πληροφορίες εξαρτάται αποκλειστικά και μόνο από τη βούληση του περιβάλλοντός του. Όταν οι Η/Υ τροφοδοτηθούν με δεδομένα και ένα πρόγραμμα επεξεργασίας αυτών των δεδομένων, εκτελούν τις εντολές του προγράμματος με ταχύτητες που είναι αδύνατο να τις πλησιάσει ο εγκέφαλος οποιουδήποτε πλάσματος. Να λοιπόν μια πρώτη υπεροχή του υπολογιστή. Σημειώνουμε όμως ότι η ευθύνη για την ποιότητα των αποτελεσμάτων, βαρύνουν τα δεδομένα και το πρόγραμμα, δηλαδή τον εξωτερικό παράγοντα. Οι Η/Υ έχουν απεριόριστες δυνατότητες αποθήκευσης δεδομένων. Οι μνήμες που διαθέτουν μπορούν να αποθηκεύσουν χιλιάδες προγράμματα και δεδομένα, τα οποία βέβαια κατασκευάστηκαν από ανθρώπους. Τα προγράμματα και τα δεδομένα παραμένουν "παθητικά" μέσα στις μνήμες ως τη στιγμή που κάποιος εξωτερικός παράγοντας τα ενεργοποιήσει. Αν εξαιρέσουμε περιπτώσεις ολικής καταστροφής (πυρκαγιά κ.λ.π.) τα προγράμματα φυλάσσονται στη μνήμη χωρίς καμία απώλεια. Αλήθεια, πόσοι άνθρωποι έχουν άραγε αυτή την ικανότητα; Εδώ υπάρχει συνήθως από τους ανθρώπους μια ένσταση. Ότι δηλαδή ο άνθρωπος διαθέτει τεράστια μνήμη και είναι ικανός να θυμάται τεράστιο όγκο στοιχείων μόνο που καμία φορά δεν μπορεί να θυμηθεί κ.λ.π. Θα θέλαμε να τονίσουμε ότι Αγγελόπουλος Γιάννης Σελίδα 4

5 με την έννοια μνήμη εννοούμε ένα μηχανισμό αποθήκευσης-αναζήτησης πληροφοριών, όπου ανά πάσα στιγμή μπορούμε να αποκτήσουμε αναλλοίωτη κάθε αποθηκευμένη πληροφορία. Ο Η/Υ δεν έχει "ακόμα" καμία δυνατότητα να τροποποιήσει τα προγράμματα που του δόθηκαν, άλλωστε όπως είπαμε πριν λίγο, δεν μπορεί να κατασκευάσει προγράμματα με δική του πρωτοβουλία. Επομένως δεν μπορούμε να μιλάμε για ταχύτητα τροποποίησης προγραμμάτων. Η αποδοτικότητα των προγραμμάτων εξαρτάται αποκλειστικά και μόνο από τη εξυπνάδα των κατασκευαστών τους. Το ίδιο ισχύει και για την ποικιλία. Η ποικιλία των προγραμμάτων ενός Η/Υ αντικατοπτρίζει απλώς την "εξυπνάδα" του περιβάλλοντος του, δηλαδή την εξυπνάδα του προγραμματιστή του. Ανακεφαλαιώνοντας, λέμε ότι ο άνθρωπος γεννιέται εφοδιασμένος με κάποια "προγράμματα". Αναπτύσσει μόνος του τα περισσότερα με κάποιους μηχανισμούς που μας είναι προς το παρόν άγνωστοι. Στους Η/Υ το σύστημα προγραμμάτων κατασκευάζεται από ένα μηχανισμό που βρίσκεται έξω από αυτούς. Ο Η/Υ δέχεται στην συνέχεια αυτά τα προγράμματα και τα εκτελεί χωρίς καμία δυνατότητα να τα τροποποιήσει ή μπορεί να τα τροποποιήσει προγραμματισμένα.. Παράγοντες Νοημοσύνης 'Έμβιο ον Υπολογιστής Aπόκτησης πληροφοριών Ναι Όχι Aποθήκευσης πληροφοριών Περιορισμένη Άπειρη Ταχύτητα επεξεργασίας Μικρή Μεγάλη Ταχύτητα τροποποίησης λογικού Ναι Όχι Αποδοτικότητα λογικού Ναι Όχι Ποικιλία λογικού Ναι Όχι Παράγοντες νοημοσύνης Η ταχύτητα και η μνήμη είναι δύο από τους παράγοντες νοημοσύνης όπου φαίνεται ότι οι Η/Υ διαθέτουν υπεροχή (βλέπε πίνακα παράγοντες νοημοσύνης). Βέβαια η ύπαρξη αυτών των παραγόντων δεν σημαίνει αυτόματα ότι οι Η/Υ διαθέτουν νοημοσύνη. Πάντως σε μια προσπάθεια που έγινε να μετρηθεί η νοημοσύνη των Η/Υ με το τεστ IQ από τον Ουώρεν Μακ Κάλλοχ, ένα πρωτοπόρο της τεχνητής νοημοσύνης, βγήκε το συμπέρασμα (όσο και αν αυτό είναι συζητήσιμο) ότι οι υπολογιστές της δεκαετίας του 60 ήταν το ίδιο "έξυπνοι" με τις ταινίες του εντέρου και οι Η/Υ της δεκαετίας που διανύουμε σήμερα υπολείπονται κατά πολύ από αυτήν των ψαριών. Προς το παρόν λοιπόν το ανθρώπινο γένος δεν έχει να φοβηθεί τίποτε από τους Η/Υ οι οποίοι περιορίζονται στο να ενισχύουν τη μνήμη και την ταχύτητα Αγγελόπουλος Γιάννης Σελίδα 5

6 επεξεργασίας του ανθρώπινου εγκεφάλου. Ακόμα και αυτή η ενίσχυση γίνεται σε πλαίσια που εξαρτώνται πλήρως από τον άνθρωπο. Στο σημείο αυτό μπαίνω στον πειρασμό να μεταφέρω έναν ορισμό για τους Η/Υ που δόθηκε πριν αυτοί κατασκευαστούν!!! 'Όπως θα δούμε στο ιστορικό μέρος αυτής της εισαγωγής το 1834 ο Charles Babbage ( ) σχεδίασε μια μηχανή την οποία ονόμασε αναλυτική. Η μηχανή αυτή αν και αποτελείτο από μηχανικά μέρη, είχε τη λογική δομή των σημερινών Η/Υ (Μνήμη, Κεντρική μονάδα επεξεργασίας, Μονάδα ελέγχου, Μονάδες εισόδου-εξόδου). Γι' αυτή τη μηχανή, η μαθηματικός λαίδη Augusta Ada, κόρη του λόρδου Βύρωνα έγραψε: "Η αναλυτική μηχανή δεν διατείνεται με κανένα τρόπο ότι κάνει μόνη της κάποιο πρωτότυπο έργο. Είναι ικανή να κάνει οτιδήποτε ξέρουμε εμείς να την διατάξουμε να κάνει. Μπορεί να παρακολουθήσει την ανάλυση, δεν έχει όμως την ικανότητα να γνωρίζει εκ των προτέρων αναλυτικές σχέσεις ή αξιώματα. Σκοπός της είναι να μας βοηθήσει, ώστε να εξασφαλίσουμε πράγματα, με τα οποία είμαστε εξοικειωμένοι". Αν στην παραπάνω περιγραφή αντικαταστήσουμε τις λέξεις "αναλυτική μηχανή" με "υπολογιστής" τότε θα έχουμε μια πάρα πολύ καλή προσέγγιση των πραγματικών δυνατοτήτων των σημερινών υπολογιστών. Σήμερα ένας νέος κλάδος της πληροφορικής, η τεχνητή νοημοσύνη (Artificial Inteligence) προσπαθεί να προωθήσει και να υλοποιήσει διαδικασίες όπου οι υπολογιστές ή άλλα εργαλεία (π.χ. ρομπότ) με βάση την επίδραση του περιβάλλοντος τους, να παίρνουν αυτοδύναμα αποφάσεις, οι οποίες βέβαια θα επιλέγονται από ένα προκαθορισμένο από τον άνθρωπο κατάλογο. Αν όμως ο κατάλογος αυτό εμπλουτίζεται συνέχει τότε φτάνουμε σε εργαλεία ( Hardware ή Software) που θα συμπεριφέρονται σχεδόν "λογικά". Μία πρώτη προσπάθεια ήταν μια ιατρική διαγνωστική συσκευή (ένας υπολογιστής εφοδιασμένος με το κατάλληλο πρόγραμμα) όπου με βάση κάποια συμπτώματα ενός αρρώστου, έδινε μια διάγνωση και πρότεινε και την φαρμακευτική αγωγή. Το σύστημα μπορούσε να "διδάσκεται" από τις αποτυχίες του και να μην επαναλαμβάνει ξανά το ίδιο λάθος. Η διδασκαλία γινόταν από τον άνθρωπο και που δεν ήταν τίποτε άλλο παρά ενσωμάτωση στην βάση γνώσης του προγράμματος της νέας περίπτωσης. Οι πιο γνωστές γλώσσες προγραμματισμού που είναι κατάλληλες για την υλοποίηση προγραμμάτων τεχνίτης νοημοσύνης είναι η LISP και η PROLOG. 2. ΜΙΑ ΣΥΝΤΟΜΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ Ένας Η/Υ είναι ένα σύνολο από ηλεκτρονικά και ηλεκτρομηχανικά μέρη τα οποία είναι οργανωμένα σε διάφορα επίπεδα. Στο πρώτο επίπεδο οργάνωσης οι ομάδες ονομάζονται μονάδες (Units). Κάθε μονάδα έχει τη δική της οργάνωση και δομή και με τη σειρά της διαιρείται σε μικρότερα λειτουργικά σύνολα που ονομάζονται Αγγελόπουλος Γιάννης Σελίδα 6

7 υπο-μονάδες. Η ιεραρχία αυτή συνεχίζεται μέχρι τα στοιχειώδη ηλεκτρονικά ή ηλεκτρομηχανικά κομμάτια. Εκείνο που χαρακτηρίζει την τεχνολογία των υπολογιστών δεν είναι τόσο οι λογικές σχέσεις μεταξύ των τμημάτων ενός υπολογιστή όσο η τεχνολογία ηλεκτρονικών στοιχείων. Δεν είναι μέσα στα ενδιαφέροντα αυτής της ενότητας να αναλύσει όλες τις λογικές σχέσεις μεταξύ των μονάδων του πρώτου επιπέδου. Αυτό θα γίνει αργότερα σε ειδικό κεφάλαιο. Το σύνολο των μονάδων ενός Η/Υ περιγράφεται από τον όρο υλικό (Hardware), το οποίο όμως από μόνο του δεν είναι ικανό να παράγει υπολογιστικό έργο. Το υλικό τροφοδοτείται από τον άνθρωπο με ένα σύνολο από προγράμματα, που καλύπτονται κάτω από τον γενικό όρο λογισμικό (Software). Μπορούμε άφοβα να πούμε ότι υπολογιστής είναι μια και αδιαίρετη δυάδα (υλικό + λογισμικό). Αριθμητική Λογική Μονάδα Μονάδες Δευτ.+Τριτ. Μνημών Κεντρική Μνήμη Μονάδα Ελέγχου Μονάδες Εισόδου Εξόδου Περιβάλλον Μονάδες τυπικού υπολογιστή Οι βασικές μονάδες (βλέπε παραπάνω σχήμα) από τις οποίες αποτελείται το υλικό οποιουδήποτε υπολογιστή είναι: Κεντρική Μνήμη (ΚΜ) Αριθμητική και Λογική Μονάδα (ΑΛΜ) Μονάδα Ελέγχου (ΜΕ) Μονάδες εισόδου-εξόδου. (Ε/Ε) Αγγελόπουλος Γιάννης Σελίδα 7

8 Μονάδες δευτερεύουσας και τριτεύουσας μνήμης. (ΜΔΜ και ΜΤΜ) H ύπαρξη του λογισμικού διευκολύνει τον χρήστη να χρησιμοποιήσει αποδοτικά το υλικό. Εδώ ο όρος "χρησιμοποιώ" σημαίνει συνθέτω ένα σύνολο από εντολές οι οποίες εκτελούνται από το υλικό με σκοπό την παραγωγή υπολογιστικού έργου. Η σύνθεση εντολών ονομάζεται "προγραμματισμός". Ξαναγυρίζοντας στην αρχή λέμε ότι το λογισμικό βοηθά τον χρήστη να προγραμματίζει αποδοτικά το υλικό. Ο όρος "αποδοτικά" έχει σχέση με την ποιότητα και την ευελιξία του λογισμικού αλλά και με τις γνώσεις και την ευστροφία του προγραμματιστή. Μέρος του λογισμικού, μπορεί να αναπλάθεται ανάλογα με τις ανάγκες. Κάτι τέτοιο είναι σχεδόν αδύνατο για το υλικό. Το λογισμικό ενός υπολογιστή αποτελείται από τα προγράμματα του συστήματος (System programms) και τα προγράμματα εφαρμογών (application programms). Το λογισμικό του συστήματος αποτελείται από όλα τα αναγκαία προγράμματα τα οποία είναι υπεύθυνα για τον συντονισμό της λειτουργίας των μονάδων, την εύκολη επικοινωνία του ανθρώπου με τον υπολογιστή και με την διαχείριση των πληροφοριών που είναι αποθηκευμένες στις δευτερεύουσες μνήμες. Ξεχωριστή θέση ανάμεσα στα προγράμματα του συστήματος κατέχει το λειτουργικό σύστημα (Operating system) το οποίο είναι υπεύθυνο για την επικοινωνία του υπολογιστή και των μονάδων του με το περιβάλλον καθώς και με τον έλεγχο και διαχείριση των πόρων του. Λειτουργικό σύστημα Αλλά προγράμματα του συστήματος είναι οι μεταφραστές των γλωσσών προγραμματισμού(compilers), οι συντάκτες προγραμμάτων(editors), τα προγράμματα ανίχνευσης λογικών λαθών (debuggers), και οι λεγόμενες Αγγελόπουλος Γιάννης Σελίδα 8

9 ευκολίες(facilities) κ.λ.π. Το λογισμικό συστήματος κατασκευάζεται είτε από τον κατασκευαστή του υλικού, είτε από ανεξάρτητες εταιρείες λογισμικού. Το ελάχιστο λογισμικό συστήματος που απαιτείται, για την κατασκευή ενός προγράμματος εφαρμογών, είναι το λειτουργικό σύστημα, ένας συντάκτης προγραμμάτων και τουλάχιστον ένας μεταφραστής ανώτερης γλώσσας προγραμματισμού. Με τη βοήθεια των προγραμμάτων του συστήματος ο άνθρωπος κατασκευάζει τα προγράμματα εφαρμογών (π.χ. μια μισθοδοσία ή ένα νέο επεξεργαστή κειμένου). Πολλές φορές τα προγράμματα εφαρμογών μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή νέων προγραμμάτων εφαρμογών. Στην περίπτωση αυτή μιλάμε για εργαλεία προγραμματισμού. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται η λογική δομή μιας σύγχρονης υπολογιστικής μηχανής. Λογική Δομή μιας σύγχρονής μηχανής Δεν υπάρχουν σαφή όρια μεταξύ των εργασιών που εκτελούνται από το υλικό ή το λογισμικό, τα οποία να τηρούνται σε όλους τους Η/Υ. Κάθε κατασκευή έχει τα δικά της όρια, τα οποία εξαρτώνται από τον αρχικό σχεδιασμό και ένα σωρό άλλους παράγοντες που θα τους εξετάσουμε αργότερα. Για παράδειγμα, οι πράξεις μεταξύ αριθμών κινητής υποδιαστολής σε άλλους υπολογιστές γίνονται Αγγελόπουλος Γιάννης Σελίδα 9

10 από το λογισμικό και σε άλλους από το υλικό. 'Όπως είναι φυσικό οι λειτουργίες που εκτελούνται απ' ευθείας από το υλικό είναι πιο γρήγορες από τις αντίστοιχες που εκτελούνται μέσο λογισμικού. Με τη σημερινή εξέλιξη της τεχνολογίας ολοκληρωμένων κυκλωμάτων όλο και περισσότερες λειτουργίες που γίνονταν από το λογισμικό μετατρέπονται σε υλικό. Αν αυτή η μετατροπή είναι απαγορευτική σε κόστος υπάρχει και η λύση του υλικολογικού(firmware). Υλικολογικό ονομάζουμε ένα σύνολο από μικροπρογράμματα τα οποία αναλαμβάνουν τον ρόλο της ερμηνείας των εντολών γλώσσας μηχανής του υπολογιστή. Στην περίπτωση που οι εντολές γλώσσας μηχανής ερμηνεύονται από μικροπρογράμματα και όχι απευθείας από το υλικό, τότε κάθε εντολή γλώσσας μηχανής, μέσο των μικροπρογραμμάτων, μετατρέπεται σε "ηλεκτρονικές εντολές" προς το υλικό του υπολογιστή. Τα μικροπρογράμματα έχουν εμφυτευτεί με την τεχνική του μικροπρογραμματισμού σε ειδικές μνήμες (EPROM) κατά το στάδιο της κατασκευής του υλικού. Το υλικολογικό έχει τη δυνατότητα να αλλάξει όταν υπάρχουν λόγοι που άπτονται της αρχιτεκτονικής του υλικού. : Περιβάλλον λογισμικό λογισμικό Περιβάλλον : Υλικο- Υλικό < λογικό Συστήματος Περιβάλλον : Περιβάλλον Εφαρμογών : Æ Σχήμα 0.1 Αρχιτεκτονικά επίπεδα Στο παραπάνω σχήμα παρουσιάζουμε τα τρία βασικά επίπεδα που αναφέραμε, κατά τα οποία είναι γνωστά και σαν αρχιτεκτονικά επίπεδα ή φλοιοί. Προσέξτε τις μυτερές γωνίες του σχήματος που παριστάνει το υλικό ή τη μηχανή στόχο (Target Machine). Το υλικολογικό σαν πιο εύπλαστο από το υλικό παρουσιάζεται με στρογγυλεμένες γωνίες σε αντίθεση με το λογισμικό που παριστάνεται με ένα κύκλο. Το λογισμικό μπορεί να παρασταθεί με δύο φλοιούς. Ο εσωτερικός Αγγελόπουλος Γιάννης Σελίδα 10

11 παριστάνει τα προγράμματα του συστήματος και ο εξωτερικός τα προγράμματα εφαρμογών. 3. ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ Δεν υπάρχει σήμερα σχεδόν καμία ανθρώπινη δραστηριότητα που να μην χρησιμοποιεί την υπολογιστική ισχύ ενός μικρού ή μεγάλου υπολογιστή. 'Όσοι υπολογιστές σχεδιάζονται για να χρησιμοποιηθούν από ένα ευρύ φάσμα ανθρωπίνων δραστηριοτήτων ονομάζονται γενικής χρήσης (general purpose computers). Οι υπολογιστές γενικής χρήσης απευθύνονται σ' όλους, αλλά πολλές φορές σχεδιάζονται έτσι ώστε να είναι περισσότερο αποδοτικοί για ένα συγκεκριμένο πεδίο δραστηριοτήτων. 'Έτσι έχουμε Η/Υ γενικής χρήσης με καλύτερες επιδόσεις στις εμπορικές εφαρμογές και άλλους με καλύτερες επιδόσεις στις επιστημονικές χωρίς αυτό να σημαίνει ότι δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν και με επιτυχία και στις εμπορικές και αντίστροφα. Στο σημείο αυτό θα πρέπει να επισημάνουμε ότι η εμφάνιση των μικροϋπολογιστών (microcomputers) έδωσε τη δυνατότητα της χρήσης του υπολογιστή από εκατομμύρια ανθρώπους, οι οποίοι σε άλλη περίπτωση δεν θα ήταν δυνατό, να έχουν πρόσβαση σε ένα μεγάλο υπολογιστή. Πράγματι, η χρήση υπολογιστή, όπως αυτός ήταν γνωστός την δεκαετία το 1970, από μία μικρή επιχείρηση ήταν απαγορευτική λόγω του μεγάλου κόστους αγοράς και συντήρησης. Πριν από την εμφάνιση των μικροϋπολογιστών, ευκαιρία χρήσης υπολογιστή είχαν μόνο οι εργαζόμενοι στα μεγάλα υπολογιστικά κέντρα των πανεπιστημίων, των ερευνητικών κέντρων και των μεγάλων επιχειρήσεων του ιδιωτικού ή του δημοσίου τομέα. Σήμερα, για παράδειγμα, το Video Club της γειτονίας σας διαχειρίζεται ηλεκτρονικά τους πελάτες και τις κασέτες. Μήπως δεν είναι γεγονός η αντικατάσταση των ταμιακών μηχανών από υπολογιστές; Ένα απλο υπολογιστικό σύστημα όπως αυτό που εικονίζεται παρακάτω και ονομάζεται μικρουπολογιστής έχει φοβερή υπολογιστική ισχύ, τέτοια συγκρινόμενη με αυτή των πρώτων υπολογιστών θα τους έκαμε να μοιάζουν με πλυντήρια. Ενδεικτικά αναφέρουμε ότι σήμερα υπάρχουν μικρουπολογιστές με επεξεργαστή στο 1GHz ενώ ο ENIAC δούλευε στα 0,5 ΜΗz. Αγγελόπουλος Γιάννης Σελίδα 11

12 Μικρουπολογιστής Το βασικό πλεονέκτημα των μικροϋπολογιστών πέρα από το φτηνό κόστος αγοράς και τη μεγάλη ισχύ είναι η συμβατότητα. Ο τεχνολογικός ανταγωνισμός δημιούργησε δύο μεγάλες οικογένειες μικρουπολογιστικών συστημάτων που είχαν σαν βάση τους επεξεργαστές της ΙΝΤΕL και της MOTOROLA. Τα μέλη της κάθε ομάδας είναι συμβατά μεταξύ τους πράγμα που σημαίνει μια τεράστια ποικιλία φτηνού και αξιόλογου λογισμικού εφαρμογών. Συμβατότητα σημαίνει ότι ένα πρόγραμμα λειτουργεί σε όλα τα μέλη της ομάδας. Η πρώτη συμβατή ομάδα, που είναι και η μεγαλύτερη σε πλήθος εγκατεστημένων συστημάτων, περιλαμβάνει του υπολογιστές που βασίζονται στον μικροεπεξεργαστή 8086 της Intel και τους απογόνους του Η δεύτερη συμβατή ομάδα βασίζεται στον μικροεπεξεργαστή 6800 της Motorola και τους απογόνους του. Μια άλλη κατηγορία, η οποία σχεδιάζεται για ένα συγκεκριμένο και μοναδικό σκοπό, είναι οι υπολογιστές ειδικής χρήσης (special purpose computers). Aυτοί οι Η/Υ χρησιμοποιούνται σαν τμήματα των βιομηχανικών ρομπότ ή ελέγχουν διαστημόπλοια ή άλλες τέτοιες σύνθετες κατασκευές. Με βάση την εσωτερική παράσταση και επεξεργασία των πληροφοριών έχουμε και τις παρακάτω κατηγορίες. 'Ένας Η/Υ ονομάζεται ψηφιακός (digital) όταν η παράσταση και επεξεργασία των Αγγελόπουλος Γιάννης Σελίδα 12

13 πληροφοριών γίνεται σ' ένα θεσιακό αριθμητικό σύστημα βάσης και συγκεκριμένα στο δυαδικό σύστημα. Οι Η/Υ αυτής της κατηγορίας καλύπτουν σχεδόν το σύνολο των εμπορεύσιμων συστημάτων έτσι ώστε οι έννοιες Η/Υ και ψηφιακός Η/Υ να θεωρούνται ταυτόσημες. 'Ένας Η/Υ ονομάζεται αναλογικός (analog) όταν η παράσταση και η επεξεργασία των πληροφοριών εξαρτάται από την μεταβολή φυσικών ποσοτήτων (τάση, ένταση, χωρητικότητα), που μεταβάλλονται κατά συνεχή τρόπο. Οι Η/Υ αυτής της κατηγορίας χρησιμοποιούνται για υπολογισμούς με μεγάλη ακρίβεια, έχουν υψηλό κόστος κατασκευής και είναι ελάχιστα εμπορεύσιμοι. Παράδειγμα ενός πρωτόγονου αναλογικού εργαλείου μπορεί να θεωρηθεί το ηλιακό ρολόι. Ένας πιο σύγχρονος αναλογικός μηχανισμός είναι το ταχύμετρο των αυτοκινήτων. Τέλος ένας Η/Υ ονομάζεται υβριδικός (hybric) όταν αποτελείται από τμήματα όπου ή πληροφορία παριστάνεται ψηφιακά και από τμήματα όπου παριστάνεται αναλογικά. Για παράδειγμα, ο χιλιομετρητής του αυτοκινήτου αποτελείται από ένα σύστημα όπου η πληροφορία μετριέται και υπολογίζεται αναλογικά και από ένα άλλο σύστημα όπου η πληροφορία παριστάνεται ψηφιακά. 4. ΧΡΗΣΕΙΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ Το να περιγράψει κανείς σήμερα τις χρήσεις των υπολογιστών θα ήθελε ένα βιβλίο με μερικές χιλιάδες σελίδες, και υπάρχουν τέτοια. Εμείς θα σκιαγραφήσουμε μερικούς βασικούς τομείς χρήσης των υπολογιστών και θα πούμε λίγα λόγια για τις επιπτώσεις που προκάλεσαν ή πρόκειται να προκαλέσουν στο κοινωνικό μας σύστημα. Λέγεται ότι είναι πιο εύκολο να περιγράψεις τους τομείς εκείνους που δεν χρησιμοποιούνται υπολογιστές, αν και νομίζω ότι σήμερα, θα πρέπει να ψάξεις αρκετά για να τους βρεις. Οι υπολογιστές είναι εργαλεία αύξησης της προσωπικής και της συλλογικής παραγωγικότητας. Οι σπουδαιότεροι λόγοι που ένα άτομο, ή ένας οργανισμός, ή μια επιχείρηση αποκτά ένα υπολογιστή είναι οι παρακάτω : Αυτοματοποίηση της λειτουργίας του οργανισμού ή της επιχείρησης. Προώθηση της επιστήμης και της εκπαίδευσης. Βελτίωση της προσωπικής παραγωγικότητας. Δημιουργία στο χώρο της τέχνης και της επιστήμης. Μετάδοση/ λήψη πληροφοριών προς /από άλλους υπολογιστές Χρήση εξελιγμένων συστημάτων. Πέρα από την καθαρά επαγγελματική χρήση έχουμε και χρήση για κοινωνικούς σκοπούς όπως : υγεία, τοπική αυτοδιοίκηση, εκπαίδευση, διασκέδαση, αθλητισμό, στη μουσική και την τέχνη γενικότερα, στον χώρο της έκδοσης και Αγγελόπουλος Γιάννης Σελίδα 13

14 της τυπογραφίας, στην μετεωρολογία κ.λ.π. Όμως το πιο σπουδαίο επίτευγμα των υπολογιστών και των εφαρμογών του ήταν ότι κατόρθωσε να παγκοσμιοποιήσει την πληροφορία. Πριν από μερικά χρόνια οι υπολογιστές εξυπηρετούσαν τους ανθρώπους που βρισκόταν στον ίδιο χώρο με αυτούς. Έτσι οι νέες πληροφορίες παρέμεναν στον χώρο του υπολογιστή. Για να μεταφερθούν σε άλλον υπολογιστή έπρεπε να τυπωθούν ή να αντιγραφούν σε αποθηκευτικά μέσα που θα ήταν συμβατά από τον απομακρυσμένο υπολογιστή. Με τον τρόπο αυτό η μεταφορά πληροφορίας ήταν περιορισμένη. Σήμερα οι υπολογιστές μπορούν να επικοινωνούν και να αποτελούν ένα ενιαίο δίκτυο (π.χ INTERNET) τούς κάνοντας χρήση κάθε δυνατού φυσικού μέσου (χαλκός, οπτική ίνα, αέρας διάστημα). Οι υπολογιστές που συνδέονται μπορούν να βρίσκονται στην ίδια περιοχή (LAN) που να περιλαμβάνει ένα κτίριο ή ένα εργοστάσιο ή ένα πανεπιστήμιο. Μπορούν να βρίσκονται σε μια ευρεία περιοχή (ΜAN) που να περιλαμβάνει μια ολόκληρη πόλη και τέλος μπορούν να βρίσκονται σε οποιοδήποτε σημείο μιας χώρας (WAN) ή της υδρογείου. Τα δίκτυα μπορούν να συνδέονται μεταξύ τους ώστε να έχουμε τα λεγόμενα διαδίκτυα. Ένα τέτοιο διαδίκτυο είναι το INTERNET στο οποίο συμμετέχουν εκατομμύρια υπολογιστές και οι οποίοι βρίσκονται σε κάθε σημείο του πλανήτη μας. Οι χρήστες αυτού του δικτύου επικοινωνούν μεταξύ τους με το ηλεκτρονικό ταχυδρομείο, ανταλλάσσουν αρχεία απεριορίστου όγκου (FTP) και με οποιοδήποτε περιεχόμενο (κείμενο, εικόνα, ήχος), κάνουν χρήση (ΤELNET) των δυνατοτήτων απομακρυσμένων υπολογιστών (ένα πρόγραμμα που αργεί να τελειώσει στον δικό μας υπολογιστή μπορεί να τελειώσει αμέσως αν τρέξει σε έναν υπερυπολογιστή), χρησιμοποιούν τον παγκόσμιο δίκτυο-ιστό(www) για να κάνουν τα ψώνια τους(e-commerce), και συνομιλούν με τους φίλους τους βλέποντάς τους ταυτόχρονα (netmeeting η MBONE). Μπορούν να παρακολουθούν ραδιοτηλεοπτικά προγράμματα ή να μετέχουν σε μαθήματα από απόσταση(doodl Open Distance Learning) ή τέλος να ακούσουν την κομμάτια από την μουσική βιβλιοθήκη του φίλου τους(napster). Όλα τα εκπαιδευτικά ιδρύματα της χώρας(αει-τει) συνθέτουν ένα δίκτυο το GUNet(Greek University Network), το οποίο συνδέεται με το ακαδημαϊκό και ερευνητικό δίκτυο της χώρας (GRNET ή ΕΔΕΤ- Ελληνικό Δίκτυο Ερευνάς και τεχνολογίας). Με τη σειρά του το ΕΔΕΤ συνδέεται με το αντίστοιχο ευρωπαϊκό δίκτυο, το οποίο με τη σειρά του συνδέεται με το. κ.λ.π. Το Τ.Ε.Ι Θεσσαλονίκης είναι μέλος του GUNet και απολαμβάνει όλες αυτές τις υπηρεσίας που περιγράψαμε πιο πριν. Ύστερα από τα παραπάνω νομίζω ότι η έννοια της παγκοσμιότητας της πληροφορίας θα σας είναι πιο προσιτή. Φαντασθείτε κάποιον εδώ στη Ελλάδα και από το γραφείο του να ψάχνει για κάποιο βιβλίο ή περιοδικό στην βιβλιοθήκη του πανεπιστημίου της Αλάσκα ή να παίζει σκάκι με κάποιον φίλο του στην άλλη άκρη του κόσμου ή να παρακολουθεί την εξέλιξη ενός φυσικού φαινομένου σε μια άκρη του κόσμου. Αγγελόπουλος Γιάννης Σελίδα 14

15 Η καθολική σχεδόν χρήση των υπολογιστών στην καθημερινή ζωή έφερε αλλαγές στο περιβάλλον εργασίας. Οι όροι τηλεαπασχόληση, ηλεκτρονικό σπίτι και τηλεσυνδιάσκεψη είναι πια πραγματικότητα. Δημιουργήθηκαν επίσης μια σειρά από νέα επαγγέλματα απασχόλησης στο χώρο του λογισμικού, του υλικού, των αναλώσιμων υπολογιστών και της εκπαίδευσης. Είχαμε εξαφάνιση και μετεξέλιξη επαγγελμάτων. Αλλά δεν έλειψαν και οι αρνητικές επιπτώσεις με την εμφάνιση ενός νέου τύπο εγκλήματος, του εγκλήματος μέσο υπολογιστή (Computer Crime). Το έγκλημα αυτό περιλαμβάνει την κλοπή χρημάτων από το τραπεζιτικό ή άλλο σύστημα με τη βοήθεια υπολογιστών, την καταστροφή ή κλοπή πληροφοριών που φυλάσσονται σε βάσεις δεδομένων (βιομηχανική κατασκοπία), την καταστροφή πληροφοριών για λόγους εκδίκησης ή ψυχαγωγίας ( κατασκευή και χρήση ιών) κ.λ.π. Επίσης η συνεχιζόμενη συσσώρευση πληροφοριών που αφορούν της οικονομικές και άλλες δραστηριότητες ενός πολίτη σε ηλεκτρονικά αρχεία μπορεί να αποτελέσει και παράγοντα μείωσης των προσωπικών ελευθεριών και καταπάτηση του απορρήτου της ιδιωτικής ζωής. Αλίμονο αν μια τέτοια δομή πληροφοριών χρησιμοποιηθεί από δικτατορικά καθεστώτα. Το μυθιστόρημα με τίτλο "1986" του Τ. Οργουελ θα έμοιαζε παραμύθι για μικρά παιδιά. 5. ΛΟΓΙΚΑ ΨΗΦΙΑΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ Οι υπολογιστές που συναντάμε σε κάθε μας βήμα είναι ψηφιακοί υπολογιστές και μάλιστα δυαδικοί ψηφιακοί υπολογιστές. Αυτό σημαίνει ότι το ηλεκτρονικό τους μέρος αποτελείται από λογικά ψηφιακά κυκλώματα. Ονομάζουμε λογικά ψηφιακά κυκλώματα, αυτά που υλοποιούνται με τη βοήθεια δίτιμων στοιχείων (στοιχεία δύο καταστάσεων) και συνδυάζονται με τη βοήθεια λογικών συναρτήσεων. Τα δίτιμα στοιχεία που στην πραγματικότητα δεν είναι τίποτε άλλο από διακόπτες, αποτελούν και τα κύτταρα των υπολογιστών. Όπως θα διαπιστώσετε ή ταχύτητα με την οποία ένα δίτιμο στοιχείο ή διακόπτης αλλάζει κατάσταση είναι αποφασιστική για την ταχύτητα ολόκληρου του υπολογιστή. Η πρώτη γενιά δίτιμων στοιχείων αποτελείτο από μηχανικούς διακόπτες και ηλεκτρονόμους(relays). Μάλιστα όπως θα δούμε και στην ιστορική αναδρομή κατασκευάστηκαν υπολογιστές όπου τα λογικά τους κυκλώματα υλοποιούνταν από ηλεκτρονόμους (π.χ. Ζ3, Mark Ι). Τα κυκλώματα αυτής της γενιάς ήταν θορυβώδη και τελείως αναξιόπιστα. Η επόμενη γενιά αποτελείτο από την τρίοδο ηλεκτρονική λυχνία ή λυχνία κενού (1906). Το βήμα που έγινε ήταν σημαντικό γιατί περάσαμε από την ηλεκρομηχανική, στην ηλεκτρονική υλοποίηση των δίτιμων στοιχείων. Παρά την απουσία των μηχανικών μερών οι λυχνίες έχουν ελαττώματα, όπως χαμηλή ταχύτητα, μεγάλο μέγεθος, μεγάλο κόστος και υψηλή κατανάλωση ισχύος. Το μεγάλο πλήθος λυχνιών που απαρτίζουν ένα υπολογιστή σε συνδυασμό την Αγγελόπουλος Γιάννης Σελίδα 15

16 μεγάλη συχνότητα βλαβών των λυχνιών τους καθιστούς ελαφρώς αναξιόπιστους. Από το 1948 έχουμε τα πρώτα ημιαγώγιμα δίτιμα στοιχεία με το τρανζίστορ ζεύξης ή κρυσταλλοτρίοδο στα Bell labs. Το πρώτο αξιόπιστο τρανζίστορ ζεύξης κατασκευάστηκε από τον William Shockley το Για την εφεύρεσή του αυτή τιμήθηκε το 1956 με το βραβείο Νόμπελ. To τρανζίστορ είναι μια συσκευή ή οποία επιτρέπει να διέρχεται από μέσα της καθορισμένη ποσότητα ηλεκτρισμού η οποία εξαρτάται από την ποσότητα ηλεκτρισμού, η οποία εμφανίζεται στην είσοδο. Δεν έχει προφανώς μηχανικά μέρη και δεν αλλάζει μορφή (solid state) όταν αλλάζει κατάσταση. Κατασκευάζεται από ημιαγώγιμα υλικά (semicontactors) τα οποία δεν ούτε καλοί ούτε κακοί αγωγοί. Η σιλικόνη είναι από τα βασικά ημιαγώγιμα υλικά. To τρανζιστορ έλυσε όλα τα προβλήματα των λυχνιών κενού. Ταυτόχρονα η δυνατότητα σμίκρυνσης τους οδήγησε στην ολοκλήρωση των κυκλωμάτων Το 1959 έχουμε το επίπεδο τρανζίστορ Το επίπεδο τρανζίστορ δεν είναι παρά ένα τρανζίστορ ζεύξης που κατασκευάστηκε με μια επίπεδη διαδικασία. Η διαδικασία αυτή επέτρεψε τον ταυτόχρονο σχηματισμό μεγάλου αριθμού τρανζίστορ μαζί με αντιστάσεις και πυκνωτές, πάνω στη μία όψη ενός πλακιδίου από Πυρίτιο ή Γερμάνιο. Τα κυκλώματα που κατασκευάζονται με αυτή τη διαδικασία ονομάζονται ολοκληρωμένα (IC). Για την δημιουργία των λογικών κυκλωμάτων συνεργάστηκαν η επιστήμη της φυσικής με την κατασκευή των ημιαγωγών και η μαθηματική επιστήμη με την Άλγεβρα Bοοle. Στις αρχές του 19ου αιώνα ο αυτοδίδακτος μαθηματικός George Boole ( ) κατασκεύασε το σύστημα συμβολικής λογικής που πήρε το όνομά του. Σχεδόν ένα αιώνα αργότερα οι επιστήμονες συνδύασαν τις προτάσεις τις άλγεβρας Boole με το δυαδικό σύστημα και το αποτέλεσμα ήταν τα λογικά κυκλώματα και οι ψηφιακοί ηλεκτρονικοί υπολογιστές. Τα πρώτα λογικά κυκλώματα υλοποιήθηκαν για πρώτη φορά το 1938 από τον C. Shannon ο οποίος στηριζόμενος στην άλγεβρα του Boole παρουσίασε μια μεθοδολογία κατασκευής λογικών κυκλωμάτων. Τα κυκλώματα που υλοποίησε ήταν τηλεπικοινωνιακά και σαν δίτιμα στοιχεία χρησιμοποίησε ηλεκτρονόμους. Έχουμε δύο κατηγορίες λογικών κυκλωμάτων, τα συνδυαστικά( Combinatorial Circuits ) και τα ακολουθιακά(sequential Circuits). Τα ακoλουθιακά διαιρούνται σε σύγχρονα και ασύγχρονα. Ας δούμε τώρα πρώτα με μεγαλύτερη λεπτομέρεια μερικά στοιχεία που αφορούν τα δομικά υλικά των λογικών κυκλωμάτων, τις λογικές πύλες. Άλγεβρα Βοοle η θεωρητική βάση των λογικών κυκλωμάτων Η άλγεβρα Βοοle ορίζεται επάνω στο σύνολο Α = { 0, 1 }. Ισχύει η πράξη της ισότητας και οι παρακάτω πράξεις: α) Η πράξη λογικό 'Η (OR), συμβολίζεται με V ή + Αγγελόπουλος Γιάννης Σελίδα 16

17 β) Η πράξη λογικό ΚΑΙ (AND), συμβολίζεται Λ ή. γ) Η πράξη της αντιστροφής ή του συμπληρώματος (NOT) συμβολίζεται με ' ή - Αν υποθέσουμε ότι Β = { α, β,γ, δ...} είναι το σύνολο στοιχείων της παραπάνω άλγεβρας τότε ισχύουν τα παρακάτω αξιώματα: Το αποτέλεσμα των λογικών πράξεων V και Λ μεταξύ των στοιχείων της άλγεβρας α, β, γ... ανήκει στο σύνολο Β. Ισχύει η αντιμετάθεση, δηλαδή α V β = β V α και α Λ β = β Λ α Ισχύει ο επιμερισμός, δηλαδή α Λ (β V γ) = α Λ β V α Λ γ και α V (β Λ γ) = (α V β) Λ (α V γ) Υπάρχουν μέσα στο Β το ουδέτερο στοιχείο 0 για το λογικό OR και μοναδιαίο στοιχείο 1 για το λογικό AND,τέτοια ώστε : 0 V α = α και 1 Λ α = α Για κάθε στοιχείο α του Β υπάρχει και το α το οποίο επίσης ανήκει στο Β και για το οποίο ισχύουν οι σχέσεις α V α = 1 και α Λ α = 0 Υπάρχουν τουλάχιστον δύο στοιχεία του Β που είναι διάφορα μεταξύ τους. Τα παραπάνω αξιώματα σχηματίζουν την άλγεβρα Boole τα στοιχεία της οποίας είναι λογικές προτάσεις οι οποίες συνδέονται μεταξύ τους με τις λογικές πράξεις ( λογική πρόσθεση, λογικός πολλαπλασιασμός και λογική αντιστροφή). Κάθε λογική πρόταση είναι αληθής ( τιμή 1), ή ψευδής (τιμή 0). Ονομάζουμε λογική συνάρτηση F μια απεικόνιση του συνόλου Β στο σύνολο Α = { 0, 1 }. Συνάρτηση Χ = F(α,β) = α Λ β είναι το λογικό γινόμενο του α επί το β. Θα έχουμε Χ = 1 αν α = 1 και ταυτόχρονα β = 1 ενώ για οποιοδήποτε συνδυασμό τιμών α και β θα έχουμε Χ = 0. Αν πινακοποιήσουμε όλες τις δυνατές τιμές του ζεύγους (α,β) με τις αντίστοιχες τιμές Χ της συνάρτησης σχηματίζεται ο πίνακας αλήθειας της συνάρτησης. Με την βοήθεια των τριών βασικών συναρτήσεων-πράξεων AND, OR και NOT ορίζονται και οι συναρτήσεις NAND (ΟΧΙ-ΚΑΙ), NOR (ΟΧΙ-Η) και XOR (αποκλειστικό Η) ως εξής: F(α,β) = ΝΟΤ (α AND β ) = NOT(α) OR NOT(β) NAND F(α,β) = ΝΟΤ (α OR β) = ΝΟΤ(α) AND NOT (β) NOR F(α,β) = (ΝΟΤ(α) AND β) OR (α AND NOT(β)) XOR Στον παρακάτω πίνακα περιγράφουμε του πίνακες αλήθειας των βασικών συναρτήσεων της άλγεβρας Boole. Αγγελόπουλος Γιάννης Σελίδα 17

18 Α β AND OR NOT ΝAND NOR XOR Πίνακας αλήθειας των βασικών συναρτήσεων Οι λογικές συναρτήσεις μπορούν να υλοποιηθούν με την βοήθεια των λογικών κυκλωμάτων. Τα ηλεκτρονικά κυκλώματα που υλοποιούν τις βασικές συναρτήσεις ονομάζονται πύλες (gateς) και φέρουν το όνομα της αντίστοιχης συνάρτησης.. Οι πιο σύνθετες λογικές συναρτήσεις συντίθενται από λογικές πύλες κατάλληλα συνδεδεμένες. Λογικές πύλες Τα βασικά δομικά στοιχεία ενός ψηφιακού λογικού κυκλώματος, άρα και του υπολογιστή είναι οι λογικές πύλες. Αποτελούνται από βασικά ηλεκτρονικά κυκλώματα (π.χ τρανζίστορ, πυκνωτές κ.λ.π) και έχουν μια ή περισσότερες εισόδους, αλλά μόνο μια έξοδο. Οι τιμές εισόδου και εξόδου είναι "αλήθεια" ή "ψέματα" (1 ή 0). Η τιμή της εξόδου εξαρτάται μόνο από τις τιμές των εισόδων γεγονός που σημαίνει ότι οι πύλες δεν έχουν μνήμη. Η συμπεριφορά ή λειτουργία μιας πύλης περιγράφεται από ένα πίνακα που ονομάζεται πίνακας αλήθειας Ο πίνακας αλήθειας περιγράφει την συμπεριφορά οποιασδήποτε λογικής συνάρτησης και σχηματίζεται από τον συνδυασμό όλων των δυνατών τιμών των εισόδων οι οποίοι οδηγούν σε ένα συνδυασμό τιμών εξόδου.για παράδειγμα ο παρακάτω πίνακας περιγράφει την συμπεριφορά ενός λογικού κυκλώματος με τρεις εισόδου (x,y,z) και δύο εξόδους (a,b) w x y a b Αγγελόπουλος Γιάννης Σελίδα 18

19 Βασικές πύλες Η AND-πύλη Η πύλη αυτή μπορεί να έχει πολλές εισόδους αλλά μία έξοδο. Η έξοδος έχει την τιμή 1, αν και μόνον αν, όλες οι είσοδοι έχουν την τιμή 1. Διαφορετικά η τιμή της είναι μηδέν. Οι πύλες παριστάνονται σχηματικά μια ορισμένη τυποποίηση. Στο επόμενο σχήμα βλέπουμε την αμερικανική τυποποίηση μιας πύλης AND με δύο εισόδους. Ο πίνακας αλήθειας της παραπάνω πύλη είναι : x y z Η OR-πύλη Η πύλη αυτή μπορεί να έχει πολλές εισόδους αλλά μία έξοδο. Η έξοδος έχει την τιμή 1 αν τουλάχιστον μια από τις εισόδους έχει την τιμή 1, διαφορετικά έχει την τιμή 0 Θα μπορούσαμε να πούμε ότι η έξοδος έχει την τιμή 0, μόνον αν όλες οι έξοδοι έχουν την τιμή 0. Ο πίνακας αλήθειας μιας OR-πύλης είναι : x y z Αγγελόπουλος Γιάννης Σελίδα 19

20 Η NOT-πύλη ή πύλη αντιστροφής Η πύλη αντιστροφής έχει μονό μια είσοδο και μια έξοδο Η τιμή εξόδου είναι 1 αν η τιμή είσοδοι είναι 0, διαφορετικά είναι 0 Θα μπορούσαμε να πούμε ότι τιμή εξόδου είναι πάντοτε αντίθετοι της τιμής εξόδου. Ο πίνακας αλήθειας μιας πύλης αντιστροφής είναι : x y Σύνθετες πύλες Οι σύνθετες πύλες κατασκευάζονται από συνδυασμούς των τριών βασικών πυλών με σκοπό την απλοποίηση των διαγραμμάτων των συνθέτων κυκλωμάτων Η NAND-πυλη H NAND πύλη κατασκευάζεται από μια AND πύλη και μια NOT πύλη σε σειρά όπως δείχνει το παρακάτω διάγραμμα, και μπορεί να έχει πολλές εισόδους. Η παράσταση της σύνθετης αυτής πύλης στην Aμερικάνικη τυποποίηση δίνεται στο παρακάτω σχήμα (Μια AND πύλη με ένα μικρό κύκλο στην έξοδο). Ο πίνακας αλήθειας της πύλης NAND δίδεται παρακάτω: x y z Αγγελόπουλος Γιάννης Σελίδα 20

21 Η NOR-πύλη H NΟR πύλη κατασκευάζεται από μια OR πύλη και μια NOT πύλη σε σειρά όπως δείχνει το παρακάτω διάγραμμα, και μπορεί να έχει πολλές εισόδους. Η παράσταση της σύνθετης αυτής πύλης στην Aμερικάνικη τυποποίηση δίνεται στο παρακάτω σχήμα (Μια OR πύλη με ένα μικρό κύκλο στην έξοδο). Ο πίνακας αλήθειας της πύλης NOR δίδεται παρακάτω: x y z Η XOR-πύλη H exclusive OR-πύλη μπορεί να έχει περισσότερες από μια εισόδους και ή τιμή εξόδου είναι 1 αν και μόνον αν υπάρχει μόνο ένας άσσος στις εισόδους της πύλης, διαφορετικά η είσοδος έχει την τιμή 0. Ο πίνακας αλήθειας της πύλης XOR δίδεται παρακάτω: O πίνακας αλήθειας έχει την παρακάτω μορφή: x y z Αγγελόπουλος Γιάννης Σελίδα 21

22 Πολλές τεχνολογίες κατασκευής λογικών κυκλωμάτων απαιτούν όσον το δυνατόν λιγότερες λογικές πύλες για την υλοποίηση των συνθέτων κυκλωμάτων. Όλες οι βασικές πύλες μπορούν να κατασκευαστούν μόνο από μια σύνθετη πύλη. Παρακάτω παρουσιάζουμε την κατασκευή των τριών βασικών πυλών με συνδυασμούς της πύλης NOR Υλοποίηση πύλης ΝΟΤ Υλοποίηση πύλης OR Υλοποίηση πύλης AND Μπορείτε να επαληθεύσετε τις παραπάνω υλοποιήσεις; ΑΣΚΗΣΗ: Να υπολογίσετε το πλήθος των διαφορετικών πυλών που μπορείτε να κατασκευάσετε και οι οποίες να έχουν δύο εισόδους. Συνδυαστικά λογικά κυκλώματα Τα συνδυαστικά λογικά κυκλώματα αποτελούνται από ένα συνδυασμό από πύλες και είναι τα κυκλώματα που η έξοδος τους (ή έξοδοι) εξαρτάται μόνο από την λογική κατάσταση της εισόδου (η των εισόδων του). Στο επόμενο σχήμα περιγράφουμε ένα γενικό συνδυαστικό κύκλωμα με N εισόδους και Μ εξόδους. Το συνδυαστικό κύκλωμα περιγράφεται από τη συνάρτηση Ζ = Φ(χ) όπου Ζ = (Z1,Z2,Z3,...,Zm) και Χ = (Χ1,Χ2,Χ3,...Χn). Αγγελόπουλος Γιάννης Σελίδα 22

23 m Συνδυαστικό κύκλωμα n Ένα συνδυαστικό κύκλώμα είναι μια γενικευμένη πύλη με m εισόδους και n εξόδους. Δεν έχει στοιχεία μνήμης, δηλαδή οι τιμές στις εξόδους εξαρτώνται αποκλειστικά από τις τιμές των εισόδων. Για την κατασκευή ενός συνδυαστικού κυκλώματος που εκτελεί μια επιθυμητή λειτουργία πρέπει να συνδυάσουμε έναν αριθμό από πύλες. Στόχος του κατασκευαστή είναι να πετύχει τον σκοπό του με τον ελάχιστό αριθμό πυλών. Ο ελάχιστος αριθμός πυλών μας εξασφαλίζει μεγαλύτερη ταχύτητα και μικρότερη κατανάλωση ηλεκτρικής ισχύος. Η ελαχιστοποίηση είναι ένα δύσκολο πρόβλημα και επιτυγχάνεται με την βοήθεια ευριστικών αλγορίθμων που υλοποιούνται από προγράμματα υπολογιστών(ο υπολογιστής κάνει πιο γρήγορο τον εαυτό του). Aν υποθέσουμε ότι ο πίνακας αλήθειας ενός συνδυαστικού κυκλώματος είναι ο παρακάτω x y z a b τότε έχουμε το εξής συνδυαστικό κύκλωμα Αγγελόπουλος Γιάννης Σελίδα 23

24 Το παραπάνω λογικό κύκλωμα δεν έχει τον ελάχιστο αριθμό πυλών. Αν παρατηρήσουμε τον συνδυασμό εισόδου (0, 0,1) βλέπουμε ότι οδηγούν σε έξοδο (1,1). Ο έμπειρος σχεδιαστής ή το αντίστοιχο πρόγραμμα υπολογιστή, εκμεταλλεύεται αυτό το γεγονός και κατασκευάζει το παρακάτω κύκλωμα που κάνει την ίδια δουλειά με το προηγούμενο, αλλά με μικρότερο αριθμό πυλών. Τα συνδυαστικά είναι τα απλούστερα των λογικών κυκλωμάτων. Τέτοια κυκλώματα είναι οι ημιαθροιστές (half Adder), οι αθροιστές (full adder), οι κωδικοποιητές (encoder), οι αποκωδικοποιητές (decoder), οι πολυπλέκτες (multiplexer), οι αποπολυπλέκτες (demultiplexer), διάδρομοι(bus) και η μονάδα αριθμητικής και λογικής (ALU ) Συνδυαστικά κυκλώματα για δυαδική αριθμητική Η δυαδική αριθμητική υλοποιείται με συνδυαστικά κυκλώματα Για την μη προσημασμένη δυαδική πρόσθεση το κατάλληλο κύκλωμα είναι ο πλήρης αθροιστής (full adder) ο οποίος έχει τρεις εισόδους και δύο εξόδους. Χ Υ F. A. C-in S C-out Αγγελόπουλος Γιάννης Σελίδα 24

25 Στις εισόδους του δέχεται δύο δυαδικά ψηφία(χ,υ), συν ένα κρατούμενο(c-in) που προέρχεται από την προηγούμενη θέση. Παράγει το αποτέλεσμα (S) της πρόσθεσης συν ένα κρατούμενο για την επόμενη θέση(c-out). Ο πίνακας αλήθειας του κυκλώματος είναι ο εξής: x y c-in c-out s και μας δίνει το παρακάτω λογικό κύκλωμα Οι full adders πραγματοποιούν μονοψήφιες προσθέσεις, και αν για παράδειγμα επιθυμούμε την πρόσθεση οκταψηφίων δυαδικών αριθμών πρέπει να συνδυάσουμε, εν σειρά οκτώ από αυτούς, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Ο αρχικός full adder δέχεται κρατούμενο μηδέν. Αγγελόπουλος Γιάννης Σελίδα 25

26 8-bits full adder Με την ίδια μέθοδο μπορούμε να φτιάξουμε ένα 32-bit full adder αν και υπάρχει η ενδίαμεση λύση, o full adder να κατασκευαστεί από τέσσερις 8-bits full-adders. Ακολουθιακά λογικά κυκλώματα Στα ακολουθιακά κύκλωμα ή έξοδος (οι έξοδοι) είναι συνάρτηση της εισόδου (των εισόδων) και της κατάστασης του κυκλώματος πριν από την χρονική στιγμή της εφαρμογής της εισόδου. Για το λόγο αυτό διαθέτουν στοιχεία μνήμης στα οποία αποθηκεύεται κάθε φορά η κατάσταση του κυκλώματος. Στο επόμενο σχήμα παρουσιάζουμε ένα ακολουθιακό κύκλωμα με τρεις εισόδους Χ1, Χ2, Χ3, δύο εξόδους Ζ1, Ζ2 και ένα στοιχείο μνήμης Υ. Το λογικό κύκλωμα περιγράφεται από τη συνάρτηση Ζ = Φ(Χ,Υ), όπου Ζ = (Ζ1,Ζ2) και Χ = (Χ1,Χ2,Χ3). (X1,X2,X3) Ακολουθιακό Κύκλωμα (Z1,Z2) clock Μνήμη Σύγχρονο Ακολουθιακό κύκλωμα. Αν οι ενέργειες ενός ακολουθιακού κυκλώματος συντονίζονται από ένα ρολόι (Clock) το οποίο στέλνει τετραγωνικούς παλμούς με σταθερή συχνότητα, τότε τα κυκλώματα αυτά ονομάζονται σύγχρονα. Αν οι ενέργειες γίνονται σε χρονικές στιγμές που καθορίζει το ίδιο το κύκλώμα τότε λέγονται ασύγχρονα. Τα ακολουθιακά κυκλώματα που είναι ενσωματωμένα στους υπολογιστές είναι σύγχρονα. Από εδώ και πέρα όταν αναφερόμεθα σε ακολουθιακά κυκλώματα θα εννοούμε Αγγελόπουλος Γιάννης Σελίδα 26

27 σύγχρονα ακολουθιακά κυκλώματα. Latches και flip-flops Όπως οι πύλες αποτελούν τα βασικά δομικά υλικά των συνδυαστικών κυκλωμάτων έτσι τα latches και τα flip-flops αποτελούν τα βασικά δομικά υλικά των ακολουθιακών κυκλωμάτων. Οι πύλες κατασκευάζονται από τρανζίστορ ενώ τα latches κατασκευάζονται από πύλες και τα flip-flops από latches. Οι έξοδοι στα latches και τα flip-flops εξαρτώνται από όλες τις προηγούμενες τιμές των εισόδων τους και όχι μόνο από την τελευταία, όπως στις πύλες. Τα flipflop χρονίζονται από το σήμα ενός ρολογιού ενός τα latches όχι Latches Για να κάνουμε ένα κύκλωμα μη συνδυαστικό εφαρμόζουμε την μέθοδο της επανάδρασης (feed-back), δηλαδή κατασκευάζουμε βρόγχους στο διάγραμμα του κυκλώματος έτσι ώστε πληροφορίες εξόδου να επανατροφοδοτούν το κύκλωμα Παρακάτω δίνουμε ένα παράδειγμα ενός απλού latch το οποίο αποτελείται από δύο NOR πύλες και έχει δύο εισόδους S (set) R (reset) και μία έξοδο X. Το latch αυτό ονομάζεται SR-latch ή Set-Rest-latch. Βασική προϋπόθεση της λειτουργίας του (λέγεται και μάνδαλο), οι τιμές στην είσοδο δεν μπορούν ποτέ να είναι ταυτόχρονα 1. Εάν και οι δύο είναι μηδέν η έξοδος Χ μπορεί να είναι μηδέν ή ένα όπως φαίνεται στα παρακάτω σχήματα: Αγγελόπουλος Γιάννης Σελίδα 27

28 Η τιμή Χ εξαρτάται από την ιστορία των τιμών εισόδου, δηλαδή αν παλαιά τιμή του Χ=0, τότε νέα τιμή του Χ=0, αν πάλι παλαιά τιμή του Χ=1, τότε νέα τιμή του Χ=1. Πιέζουμε το πλήκτρο S (S=1 και R=0), με παλαιά τιμή Χ=1, τότε έχουμε Χ=1 Την ίδια τιμή θα παίρναμε ( Χ=1) έστω και αν η παλαιά τιμή το Χ ήταν μηδέν, και αυτό γιατί η πύλη NOR δίνει μηδέν και για το ζεύγος(1,1) και για το ζεύγος (1,0). Ξαναπιέζουμε το πλήκτρο S και έχουμε S=0, ενώ το R παραμένει μηδέν. Παρατηρούμε ότι το Χ παραμένει 1. Το κύκλωμα λοιπόν θυμάται ότι κάποια στιγμή πατήθηκε το πλήκτρο S και αυτό θα το θυμάται όσο το πλήκτρο R παραμένει μηδέν, ανεξάρτητα από το πόσες φορές θα πατηθεί το πλήκτρο S. H διαδικασία αυτή λέγεται SET. Δίνουμε τώρα τιμές R=1 (πιέζουμε το πλήκτρο RESET) και υποχρεωτικά S=0 και παίρνουμε τις παρακάτω τιμές και Χ=0. Αν πιέσουμε ξανά το πλήκτρο R (R=0, S=0) και παρατηρούμε ότι η τιμή Χ παραμένει αναλλοίωτη, δηλαδή μηδέν. Το κύκλωμα λοιπόν θυμάται ότι κάποια στιγμή πατήθηκε το πλήκτρο R και αυτό θα το θυμάται όσο το πλήκτρο S παραμένει μηδέν, ανεξάρτητα από το πόσες φορές θα πατηθεί το πλήκτρο R. H διαδικασία αυτή λέγεται RESET. Δηλαδή το κύκλώμα τίθεται σε κατάσταση ένα όταν πατηθεί το πλήκτρο SET και θα παραμείνει στην κατάσταση αυτή μέχρι να πατηθεί το πλήκτρο RESET, όποτε θα μεταπέσει στην κατάσταση μηδέν. Με τη συσκευή αυτή μπορούμε να συγκρατήσουμε (μανδαλώσουμε) την τιμή 1 ή 0 ανάλογα με το πιο πλήκτρο θα πατήσουμε Ένα SR-latch παριστάνεται συνοπτικά από το σύμβολο: Αγγελόπουλος Γιάννης Σελίδα 28

29 Τα Latches είναι ασύγχρονα κυκλώματα αυτό σημαίνει ότι η τιμή στη έξοδο μεταβάλλεται σχεδόν αμέσως μετά την εφαρμογή των τιμών στην είσοδο. Flip-flops Ένα κύκλωμα ονομάζεται σύγχρονο όταν οι τιμές στην έξοδο μεταβάλλονται ταυτόχρονα με τον κτύπο ενός ρολογιού. Ο κτύπος αυτός παράγεται από ένα κύκλωμα που λέγεται clock και έχει σαν στόχο να χρονίζει όλα τα κυκλώματα που έχει στη δικαιοδοσία του. Όταν λέμε ότι έχουμε ένα επεξεργαστή 500 MHz αυτό σημαίνει ότι ο επεξεργαστής που χρονίζεται από ένα ρολόι που κτυπά κάθε 5 nanoseconds. Προσοχή, μη μπερδεύετε το ρόλοι αυτό με το ρολόι που χρησιμοποιούμε για να δίνουμε στον υπολογιστή την ώρα. Αυτό είναι ένα άλλο ρόλοι το λεγόμενο RTS (Real Time Clock) Ένα flip-flop δεν είναι τίποτε άλλο παρά ένα latch ή συνδυασμός τους, που χρονίζεται. Υπάρχουν πολλά είδη flip-flop. Ένα από αυτά είναι το D-flip-flop ή Data flip-flop και κατασκευάζεται από δύο SR-latches και μερικές πύλες. Το αριστερό latche ονομάζεται κύριο(master) και το δεξιό, δευτερεύον (slave). Το διάγραμμά του έχει την μορφή: Το D-flip-flop έχει σαν αποστολή να συλλαμβάνει την τιμή στην είσοδο και να την οδηγεί στην έξοδο, την στιγμή που το σήμα ρολογιού γίνεται ένα από μηδέν (κτύπος). Σε κάθε άλλη περίπτωση το σήμα στη είσοδο αγνοείται. Μπoρούμε να Αγγελόπουλος Γιάννης Σελίδα 29

30 πούμε πιο απλά, ότι κατά την διάρκεια ενός κτύπου, αποθηκεύεται στο κύκλωμα η τιμή που υπάρχει στην είσοδο D και παραμένει σε αυτό μέχρι τον επόμενο κτύπο και εφόσον η τιμή την είσοδο D αλλάξει. Ένα D-flip-flop λοιπόν είναι ένα στοιχείο μνήμης Ένα D-flip-flop παριστάνεται συνοπτικά από το σύμβολο. Από τα ποίο γνωστά σύγχρονα ακολουθιακά κυκλώματα είναι ο καταχωρητής (Register) ο μετρητής (Counter) και ο συσσωρευτής (Accumulator). Η μνήμη όπως θα δούμε αργότερα είναι ένα μη σύγχρονο ακολουθιακό κύκλωμα, δηλαδή ένα ακολουθιακό κύκλωμα που δεν χρονίζεται. Ολοκλήρωση κυκλωμάτων Η ανάπτυξη της τεχνολογίας οδήγησε στην τοποθέτηση των πυλών, των βοηθητικών εξαρτημάτων και των συνδέσεων που υλοποιούν ένα λογικό κύκλωμα πάνω σε μια λεπτή φέτα ημιαγωγού. Το κύκλωμα αυτό ονομάστηκε ολοκληρωμένο κύκλωμα (Ιntegrated Circuit) ή ψηφίδα (Chip) και έχει μέγεθος μερικών τετραγωνικών χιλιοστών. Επειδή η ψηφίδα, λόγω του μικρού της μεγέθούς δεν μπορούσε να επικοινωνήσει με το περιβάλλον, αλλά και για λόγους προστασίας, τοποθετείται σε πλαστικές συσκευασίες οι οποίες φέρουν περιφερειακά ακροδέκτες. Αγγελόπουλος Γιάννης Σελίδα 30

31 Συσκευασίες ολοκληρωμένων Οι βασικές συσκευασίες που υπάρχουν είναι: DIP (Dual In-line Package) SIP (Single In-line Package) SIMM (Single In-line Memory Module) DIMM (Dual In-line Memory Module) PGA (Pin Grid Array) PPGA (Plastic Pin Grid Array) CPGA (Ceramic Pin Grid Arrays) Το κύριο χαρακτηριστικό των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων είναι ότι το κόστος του τσιπ είναι συνάρτηση του φυσικού του μεγέθους και όχι της ποσότητας λογικής που έχει εμφυτευτεί σ' αυτό. Η παραπάνω ιδιότητα οδήγησε στην δραματική πτώση του κόστους του υλικού τα τελευταία χρόνια. Η συμπίεση όλο και περισσοτέρων πυλών σε μία ψηφίδα οδήγησαν στον διαχωρισμό των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων με βάση την κλίμακα ολοκλήρωσης που χρησιμοποιήθηκε. Είναι περιττό να τονίσουμε ότι η αύξηση αυτής της κλίμακας έγινε σταδιακά. Αγγελόπουλος Γιάννης Σελίδα 31

32 Έτσι έχουμε: Μικρή κλίμακα ολοκλήρωσης (Small Scale Intergration ή SSI). Τέτοια κυκλώματα φέρουν το πολύ 100 ηλεκτρονικά εξαρτήματα. Μέσης κλίμακα ολοκλήρωσης (Medium Scale Intergration ή MSI). Από 100 έως Μεγάλη κλίμα ολοκλήρωσης (Large Scale Intergration ή LSI). Από έως εξαρτήματα. Πολύ μεγάλη κλίμακα ολοκλήρωσης ( Very Large Scale Intergration ή VLSI). Από έως εξαρτήματα. Υπέρ μεγάλη κλίμακα ολοκλήρωσης (Ultra Large Scale Integration ή ULSI). Πέρα από εξαρτήματα ανά ψηφίδα, Ο μικροεπεξεργαστής ( Αριθμητική και Λογική Μονάδα + Μονάδα Ελέγχου) είναι σήμερα ένα ULSI, όπου πάνω σε μια ελαχίστη επιφάνεια περιέχεται ουσιαστικά ολόκληρος ο υπολογιστής. Η αύξηση του βαθμού ολοκλήρωση έδωσε κυκλώματα ποιο φτηνά, ποιο γρήγορα, ποιο αξιόπιστα και πιο οικονομικά σε κατανάλωση ισχύος. Για την ιστορία αναφέρουμε ότι το πρώτο Chip κατασκευάστηκε το 1959 και περιείχε ένα τρανζίστορ. Το 1961 είχαμε μια ψηφίδα με τέσσερα τρανζίστορ. Σήμερα για παράδειγμα ο επεξεργαστής Pentium Xeon της INTEL έχει τρανζίστορ. Date Intel Transistors Technology CPU (x1000) micron HMOS micron CMOS micron CMOS Pentium (P5) micron CMOS Pentium Pro (P6) micron ? Merced (P7) micron? Αγγελόπουλος Γιάννης Σελίδα 32