Πληροφορική I. "Εισαγωγικές έννοιες" B. Φερεντίνος

Transcript

1 ΤΕΙ ΙΟΝΙΩΝ ΝΗΣΩΝ ΣΧΟΛΗ ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ ΚΑΙ ΟΙΚΟΝΟΜΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ ΕΠΙΧΕΙΡΗΣΕΩΝ - ΕΙΣ. ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗ ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ ΤΟΥΡΙΣΤΙΚΩΝ ΕΠΙΧΕΙΡΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΕΠΙΧΕΙΡΗΣΕΩΝ ΦΙΛΟΞΕΝΙΑΣ Πληροφορική I "Εισαγωγικές έννοιες" B. Φερεντίνος ver

2 Περιεχόμενο μαθήματος Εισαγωγικές έννοιες Αρχιτεκτονική Η/Υ Υλικό (hardware) Λειτουργικά συστήματα Λογισμικό (software) Δίκτυα υπολογιστών Internet Αριθμητική υπολογιστών Λογικές Πράξεις Ψηφιακή πληροφορία Αλγόριθμοι Προγραμματισμός Πληροφοριακά Συστήματα Βάσεις Δεδομένων

3 Πληροφορική (Informatics) ή Επιστήμη Υπολογιστών (Computer Science): Η επιστήμη που ερευνά την ανάλυση, προδιαγραφές, σχεδίαση, ανάπτυξη και υλοποίηση, αυτοματοποιημένων υπολογιστικών συστημάτων που σκοπό έχουν τη συλλογή, κωδικοποίηση, διαχείριση, επεξεργασία, ανάλυση, αποθήκευση, ανάκτηση και μετάδοση συμβολικών αναπαραστάσεων γνώσης και πληροφορίας. Επίσης, ερευνά τις θεωρητικές βάσεις και τη φύση της πληροφορίας, των αλγορίθμων και των υπολογισμών και την εφαρμογή τους στα αυτοματοποιημένα υπολογιστικά συστήματα. Πληροφορική μαθηματικές ιδιότητες υπολογισμού (δεκαετία 1940) κατασκευή ηλεκτρονικών υπολογιστικών μηχανών Επιστήμη Υπολογιστών

4 Ηλεκτρονικός Υπολογιστής (Η/Υ) Ηλεκτρονική συσκευή για τον υπολογισμό, επεξεργασία και αποθήκευση δεδομένων. Αυτοματοποιημένη Αναλογική, Ψηφιακή ή Κβαντική Επαναπρογραμματιζόμενη Επεξεργασία δεδομένων βάσει συνόλου προκαθορισμένων οδηγιών / εντολών (πρόγραμμα)

5 Υπολογιστές στην αρχαιότητα Πρόγονος σημερινών υπολογιστών: άβακας (5000 π.χ.) Κόσκινο του Ερατοσθένη (αλγόριθμος για εύρεση πρώτων αριθμών) (130 π.χ.) Πρώτα υπολογιστικά εργαλεία με μηχανικά μέρη Αστρολάβος (2ος αιώνας π.χ.) Μηχανισμός των Αντικυθήρων (~100 π.χ.)

6 17ος 19ος αιώνας Μηχανή του Pascal (1645): πρώτη αληθινή αριθμομηχανή με τροχαλίες Αναλυτική μηχανή του Babbage (1822): θεωρητική μηχανή με ατμό - προγραμματισμός με διάτρητες κάρτες Άλγεβρα Boole (δεκ. 1840): πρώτη χρήση δυαδικού συστήματος

7 Βασικό στοιχείο λειτουργίας Υλοποίηση της άλγεβρας Boole με τη λογική των διακοπτών (ηλεκτρομηχανικό σύστημα) ή ελεγχόμενα μεταβλητή ροή ηλεκτρονίων (ηλεκτρονικό σύστημα) μέσα σε ένα κύκλωμα. Ηλεκτρονική λυχνία κενού Τρανζίστορ

8 20ος αιώνας MARK I(1944): ηλεκτρομηχανικός υπολογιστής. ENIAC (1946) ηλεκτρονικός υπολογιστής με χρήση λυχνιών κενού.

9 Η επανάσταση του Ολοκληρωμένου Κυκλώματος (Integrated Circuit) - Chip Δυνατότητα "εκτύπωσης" κυκλωμάτων και τρανζίστορς στην κλίμακα του μικρόμετρου (μm 10-6m) ή και του νανόμετρου (nm 10-9m). Χρήση πυριτίου ως βάση. SSI, MSI, LSI VLSI: Very Large Scale Integration Δεκάδες δισεκατομμύρια τρανζίστορς σε ένα chip

10 Ο νόμος του Moore 2x αριθμός τρανζίστορ σε ένα chip κάθε 1.5 χρόνο

11 Γενιές Ηλεκτρονικών Υπολογιστών 1η γενιά Η/Υ: [50Κ-200Κ IPS] 2η γενιά Η/Υ: [200Κ-1M IPS] Ηλεκτρονικές λυχνίες / ENIAC (UPenn) Τρανζίστορς ('48) / TX-0 (MIT) ( απαιτούμενη ισχύς, μέγεθος, κόστος) 3η γενιά Η/Υ: [1M IPS] Ολοκληρωμένο κύκλωμα (chip) ('58, Texas Instr.) ( μέγεθος, απαιτούμενη ισχύς, θερμότητα)

12 Γενιές Ηλεκτρονικών Υπολογιστών (συν.) 4η γενιά Η/Υ: 1972 σήμερα [πολλά εκατ. IPS] Μικροεπεξεργαστής Μικροϋπολογιστές Προσωπικοί υπολογιστές Φορητοί υπολογιστές Netbooks Tablets Smartphones Δίκτυα υπολογιστών - Internet

13 Ο Η/Υ στο σύνολό του Υλικό (hardware) Λογισμικό (software) Δεδομένα (data) Χρήστης Δίκτυο Είσοδος Επεξεργασία Έξοδος Αποθήκευση

14 Δεδομένα (data) Η βασική μονάδα δεδομένων στην άλγεβρα Boole: bit: η στοιχειώδης μονάδα πληροφορίας στην Επιστήμη Υπολογιστών και στις Τηλεπικοινωνίες. Ένα bit μπορεί να υπάρχει σε μία από δύο διακριτές καταστάσεις: οι δύο θέσεις ενός διακόπτη, δηλαδή οι δύο τάσεις ηλεκτρικού ρεύματος που επιτρέπονται σε ένα κύκλωμα (μηδέν ή πλήρης τάση). Ένα bit είναι η ποσότητα της πληροφορίας που μπορεί να αποθηκευτεί από μία δυαδική συσκευή. Στην επιστήμη των υπολογιστών, ένα bit μπορεί να έχει μόνο δύο πιθανές τιμές (δυαδικός αριθμός) που αναπαριστούνται με τους αριθμούς 0 και 1. Για δημιουργία μεγαλύτερων αριθμών χρησιμοποιούνται περισσότερα δυαδικά ψηφία.

15 Εύρος τιμών δυαδικών αριθμών 1-bit : 2 τιμές (0 και 1) 2-bit : 4 τιμές (00, 01, 10, 11) Αντιστοιχούν στα δεκαδικά 0, 1, 2, 3 3-bit : 8 τιμές (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111) Αντιστοιχούν στα δεκαδικά 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 4-bit : 16 τιμές... n-bits : 2n τιμές (αριθμός πιθανών συνδυασμών) Εύρως τιμών ή δυναμική περιοχή (δεκαδικά 0 έως 2 n-1).

16 Μονάδες Μέτρησης δεδομένων- Κλίμακες 1 byte = 8 bits (1 bit = 1 Binary digit) 1 Kilobyte (ΚΒ) = 1024 bytes (ή 2^10 η πιο κοντινή δύναμη του 2 στο 1.000) 1 Μegabyte (ΜΒ) = bytes ή 1024 KB (1024*1024 bytes) 1 Gigabyte(GB) = bytes ή kilobytes ή 1024 (ΜΒ) Terabyte (TB), Petabyte (PB), Exabyte (EB), Zettabyte (ZB), Yottabyte (YB)

17 Τα βασικά μέρη ενός Η/Υ (hardware) Κεντρική μονάδα επεξεργασίας (ΚΜΕ CPU) Μνήμη Μονάδες εισόδου Μονάδες εξόδου Αποθηκευτικά μέσα Δίκτυο

18 Σύνθεση ενός Υπολογιστή To κουτί (case) ή Κεντρική Μονάδα Περιφερειακές Συσκευές

19 Περιεχόμενα κουτιού Τροφοδοτικό Κουτί (case) Μητρική Πλακέτα Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας ΚΜΕ/CPU (Επεξεργαστής) Μονάδα Οπτικού Δίσκου (DVD) Σκληρός Δίσκος Κάρτα γραφικών Μνήμη (RAM)

20 ΚΜΕ (CPU) (Επεξεργαστής) Μονάδα ελέγχου (Control unit) Αριθμητική και λογική μονάδα (ALU) Έλεγχος ροής πληροφοριών/δεδομένων Έλεγχος επεξεργασίας πληροφοριών Ουσιαστική επεξεργασία πληροφοριών Εκτελεί αριθμητικές και λογικές πράξεις Καταχωρητές (Registers) Μικρές μονάδες μνήμης Προσωρινή αποθήκευση των προς επεξεργασία δεδομένων

21 ΚΜΕ (CPU) (συν.) Μπορεί να εκτελέσει ένα σύνολο από οδηγίες (εντολές): Αριθμητικές / Λογικές πράξεις Διαχείριση μνήμης: διαβάζει και αποθηκεύει δεδομένα Λήψη αποφάσεων βασισμένη σε συγκρίσεις Έλεγχος του hardware Απόδοση / ταχύτητα ΚΜΕ: IPS Instructions per second (εντολές ανά δευτ/λεπτο)

22 Μνήμη (RAM) Αποθηκεύει τα προγράμματα που τρέχουν και τα δεδομένα τους Οργανώνεται λογικά σαν ένα σύνολο αριθμημένων "κουτιών" ή "κελιών". Κάθε κελί αποθηκεύει 1 byte = 8 bits πληροφορίας Μονάδα μέτρησης χωρητικότητας: byte (Gbytes) Τυχαίας προσπέλασης (Random Acess Memory): η ΚΜΕ μπορεί να προσπελάσει όλες τις θέσεις με την ίδια ταχύτητα Προσοχή: Η μνήμη του Η/Υ δεν πρέπει να συγχέεται με τα αποθηκευτικά μέσα (π.χ. σκληρό δίσκο).

23 Δομή Μνήμης, Τεχνολογία Υπολογιστή Εύρος δεδομένων μνήμης / Τεχνολογία Υπολογιστή To 32-bit (εδώ) δεδομένο αναφέρεται και ως λέξη (word). / Μπορεί να κάνει πράξεις με δεδομένα των 32-bit Data or Program address C (π.χ ) Μέγεθος / Εύρος διευθύνσεων κελιών μνήμης Εξαρτάται μόνο από το πλήθος των κελιών (μέγεθος μνήμης) FFFFFFFF 32-bits

24 Ροή Δεδομένων Τα διάφορα μέρη είναι συνδεδεμένα μεταξύ τους μέσω μίας συλλογής καλωδίων που ονομάζονται δίαυλος (bus) Οι δίαυλοι απαρτίζονται από διάφορες ηλεκτρικές γραμμές (μέταλλο), μία για κάθε bit δεδομένων. Υπάρχουν τρεις τύποι διαύλων: διευθύνσεων, δεδομένων (ή/και εντολών) και ελέγχου.

25 Μονάδες Εισόδου/Εξόδου (I/O) Συσκευές Εισόδου (Input) Πληκτρολόγιο Ποντίκι Μικρόφωνο Κάμερα Scanner... Συσκευές Εξόδου (Output) Οθόνη Εκτυπωτής Ηχεία...

26 Αποθηκευτικά μέσα Σκληροί δίσκοι (hard disks) Οπτικοί δίσκοι (CD, DVD, Blu Ray) Κάρτες μνήμης (flash cards) Δισκέτες Βασικά χαρακτηριστικά: Χωρητικότητα, δυνατότητα εγγραφής, ταχύτητες ανάγνωσης/εγγραφής, κόστος ανά μονάδα χωρητικότητας Το μέλλον: αποθήκευση online

27 Διαφορές αποθ/κών μέσων και RAM Στη χωρητικότητα (αποθ/κά μέσα > RAM) Στην ταχύτητα (αποθ/κά μέσα < RAM) Στην τιμή (αποθ/κά μέσα < RAM) Στο είδος δεδομένων (για αποθήκευση vs. για επεξεργασία) Στο είδος αποθήκευσης ("μόνιμη" αποθήκευση (χωρίς παροχή ρεύματος) vs. προσωρινή αποθήκευση (όσο διαρκεί η τροφοδοσία του υπολογιστή)

28 Μητρική πλακέτα (Motherboard) Θύρα PCI Express για σύνδεση κάρτας γραφικών Θύρες PCI για κάρτες επέκτασης (ήχου, δικτύου κτλ) Θέση επεξεργαστή (CPU) Θέσεις μνήμης (RAM) Τροφοδοσία από το τροφοδοτικό Θύρες ISA (Δίαυλοι υπολογιστών) Μπαταρία CMOS

29 Άλλα βασικά μέρη ενός Η/Υ Κάρτα γραφικών (Video card) Κάρτα ήχου Κάρτα δικτύου (Network interface card) Ενσύρματου δικτύου (Ethernet) Ασύρματου δικτύου (WiFi)

30 Κατηγορίες Η/Υ Υπερυπολογιστές (Supercomputers) Μεγάλοι υπολογιστές (Mainframes) Μεσαίοι υπολογιστές (Minicomputers) Προσωπικοί υπολογιστές (Microcomputers PC) Desktops Laptops Netbooks Tablets

31 Supercomputers No 1: Tianhe-2 - Κίνα (33,863 PetaFLOPS, CPUs) Νο 2: Titan ΗΠΑ ( PetaFLOPS, ~ CPUs) Ερευνητικά Κέντρα & Πανεπιστήμια Υπολογιστικές εφαρμογές: Περιβαλλοντική μηχανική / μετεωρολογία Βιολογία Κρυπτογραφία Αστροφυσική γενικά προσομοιώσεις κτλ. Λειτουργικά: Unix Linux

32 Mainframes Αναπτύχθηκαν τη δεκαετία του 60 Κυρίως από την IBM Μεγάλες εταιρείες Τράπεζες Πανεπιστήμια Ταχύτητες στην κλίμακα MIPS Timesharing πολλοί χρήστες συνήθως με διαφορετικά τερματικά Εφαρμογές: ανάλυση μεγάλου πλήθους δεδομένων επιστημονικά πειράματα

33 Minicomputers Δημιουργήθηκαν τη δεκαετία του '60 Αντικαταστάθηκαν από τους προσωπικούς υπολογιστές κατά τις δεκαετίες '80-90 Για αυτούς αναπτύχθηκε το λειτουργικό UNIX Κύρια εφαρμογή τους: προγραμματισμός Κύριοι παραγωγοί: DEC, HP

34 Microcomputers (PC) Δημιουργήθηκαν τη δεκαετία του '70 Στηρίχθηκαν στη δημιουργία του μικροεπεξεργαστή (microprocessor) [4η γενιά Η/Υ] Εξελίχθηκαν στους προσωπικούς υπολογιστές

35 Η εξέλιξη των Η/Υ Πλήθος transistors ανά επεξεργαστή Επεξεργαστής Έτος Transistors , , , , , , ,180,000 Pentium ,100,000 Pentium II ,500,000 Pentium III ,000,000 Pentium ,000,000 Itanium ,000,000 Core 2 Duo ,000,000 Core i ,000,000 Quad-Core Itanium ,000,000,000

36

37 Το μέλλον της εξέλιξης Ο νόμος του Moore δεν μπορεί να συνεχίσει να ισχύει για πολύ ακόμα: Φυσικά όρια δυνατοτήτων κατασκευής Λειτουργικότητα Παραγωγικότητα Κόστος Νέα τεχνολογία: Νανοτεχνολογία

38 Νανοτεχνολογία στην Πληροφορική Πυρίτιο των transistors νανοσωλήνες άνθρακα Μαγνητική μνήμη (MRAM) Ανάπτυξη κβαντικών και μοριακών υπολογιστών Ώθηση στην παράλληλη αρχιτεκτονική παράλληλη επεξεργασία

39 Παράλληλη αρχιτεκτονική Στόχος σχεδιαστή υπολογιστικών συστημάτων: βελτιστοποίηση όλων των επιπέδων ενός συστήματος υπολογιστών μεγιστοποίηση απόδοσης και ευκολίας προγραμματισμού (με συγκεκριμένο κόστος και τεχνολογία) Παράλληλη αρχ/νική: σύνολο μονάδων επεξεργασίας που επικοινωνούν μεταξύ τους και συνεργάζονται για τη γρήγορη επίλυση ενός μεγάλου προβλήματος

40 Παράλληλη αρχ/νική: κύρια σημεία Κατανομή (υπολογιστικών) πόρων Πρόσβαση στα δεδομένα / επικοινωνία / συγχρονισμός Πλήθος υπολογιστών (επεξεργαστών) Ισχύς των επιμέρους στοιχείων Μνήμη των επιμέρους στοιχείων Τρόπος επικοινωνίας των επί μέρους στοιχείων Τρόπος μετάδοσης δεδομένων Απαραίτητες δομές και πρωτόκολλα επικοινωνίας Απόδοση και επεκτασιμότητα Τρόπος μετατροπής όλων των παραπάνω σε όρους απόδοσης Επεκτασιμότητα της όλης αρχιτεκτονικής

41 Πολυεπεξεργασία Σημερινοί μικροεπεξεργαστές: πολυεπεξεργασία σε τρία επίπεδα: Επίπεδο bit Επίπεδο εντολών (instruction level) Επίπεδο νήματος (thread level) Πλέον οι μικροεπεξεργαστές είναι πολυ-επεξεργαστές: πολλοί πυρήνες ΚΜΕ σε ένα chip. Dual-core (AMD Phenom II X2, Intel Core 2 Duo) Quad-core (AMD Phenom II X4, Intel Core 2 Quad) Hexa-core (AMD Phenom II X6, Intel Core i7 Extreme)