ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΧΡΗΣΗ Η/Υ

Transcript

1 ΤΕΙ ΛΑΡΙΣΑΣ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΚΑΡΔΙΤΣΑΣ ΤΜΗΜΑ ΔΑΣΟΠΟΝΙΑΣ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΦΥΣΙΚΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ Σημειώσεις στο μάθημα: ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΧΡΗΣΗ Η/Υ Μέρος Ι: Βασικές έννοιες Δρ. Αντώνιος Καραγεώργος Χειμερινό εξάμηνο

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑ ΡΟΜΗ Σηµαντικές Ανακαλύψεις Εξέλιξη Τεχνολογίας Υπολογιστών ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΜΟΝΑ ΕΣ εκαδικό Σύστηµα Αρίθµησης υαδικό Σύστηµα Αρίθµησης Οκταδικό Σύστηµα Αρίθµησης εκαεξαδικό Σύστηµα Αρίθµησης Μετατροπές στα Αριθµητικά Συστήµατα Βασικές Μονάδες Μέτρησης στην Πληροφορική ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ Βασικά Τµήµατα των Υπολογιστών Ιεραρχία Λογισµικού-Υλικού ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ Λειτουργίες του Λειτουργικού Συστήµατος Ιστορία των Λειτουργικών Συστηµάτων Έννοιες των Λειτουργικών Συστηµάτων ΑΡΧΕΙΑ Απαιτήσεις Αποθήκευσης Σύστηµα Αρχείων Αρχεία Κατάλογοι Πρόσθετα Χαρακτηριστικά ΤΟ ΙΚΤΥΟ INTERNET ΚΑΙ ΟΙ ΠΡΟΣΦΕΡΟΜΕΝΕΣ ΥΠΗΡΕΣΙΕΣ Ιστορικά Στοιχεία Πρωτόκολλα και Υπηρεσίες στο Internet Το World Wide Web (www ή W3) Ηλεκτρονικό Ταχυδροµείο ( ) ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΩΝ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ Αλγόριθµοι και Προγραµµατισµός Η ΓΛΩΣΣΑ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΥ PASCAL ΟΜΗ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΩΝ

3 ΒΑΣΙΚΟΙ ΤΥΠΟΙ ΚΑΙ ΤΕΛΕΣΤΕΣ ΗΛΩΣΕΙΣ ΚΑΙ ΟΡΙΣΜΟΙ ΟΜΕΣ ΕΛΕΓΧΟΥ Εντολές Επανάληψης ΙΑ ΙΚΑΣΙΕΣ (PROCEDURES) ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ ΑΝΑ ΡΟΜΗ ΕΙΣΟ ΟΣ-ΕΞΟ ΟΣ Ε ΟΜΕΝΩΝ ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΤΟΛΕΣ ΣΥΝΟΠΤΙΚΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α: ΧΡΗΣΗ ΤΩΝ WINDOWS ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ B: ΛΕΞΙΛΟΓΙΟ ΟΡΩΝ

4 1. ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑ ΡΟΜΗ 1.1. Σηµαντικές Ανακαλύψεις Τα σηµαντικότερα γεγονότα και ανακαλύψεις στο χώρο της επεξεργασίας της πληροφορίας φαίνονται στον πίνακα που ακολουθεί. 400 π.χ. Χρησιµοποιείται ο άβακας για την υποβοήθηση των συναλλαγών. 300 π.χ. ιαµορφώνεται ο αλγόριθµος του Ευκλείδη. Πρόκειται για τον αρχαιότερο γνωστό αλγόριθµο, αυτόν της εύρεσης Μέγιστου Κοινού ιαιρέτη. 5 ος αιώνας µ.χ. Το δεκαδικό σύστηµα επινοείται στην Ινδία. 820 O πέρσης µαθηµατικός και αστρονόµος Al-Khovarizmi γράφει ένα βιβλίο για την άλγεβρα. Η λέξη αλγόριθµος εισάγεται για πρώτη φορά για να περιγράφουν οι µέθοδοι υπολογιστικών διαδικασιών Ο Ιταλός µαθηµατικός Fibonacci συγγράφει την πρώτη συστηµατική εισαγωγή στο δεκαδικό σύστηµα Το δεκαδικό σύστηµα διαδίδεται στην Ευρώπη. Ο Adam Riese εκδίδει µια προπαίδεια µε τους κανόνες των 4 πράξεων στο δεκαδικό σύστηµα. Μέχρι τότε χρησιµοποιούνταν οι λατινικοί αριθµοί Ο Γερµανός W. Schikard κατασκευάζει µηχανή που µπορεί να εκτελέσει τις τέσσερις στοιχειώδεις πράξεις της αριθµητικής. Την κατασκευάζει για να διευκολύνει τον διάσηµο Αστρονόµο Kepler στους υπολογισµούς. Ο Kepler όµως πρόλαβε να δει µόνο αναλυτικά σχέδια, διότι η πρωτότυπη καταστρέφεται σε µια πυρκαγιά. Χρησιµοποιούσε ράβδους και οδοντωτούς τροχούς. Η εφεύρεση περνάει απαρατήρητη Ο Γάλλος µαθηµατικός B. Pascal κατασκευάζει µηχανή που κάνει άµεσα προσθέσεις και αφαιρέσεις ενώ µε διαδοχικές προσθέσεις και αφαιρέσεις γίνονταν οι πολλαπλασιασµοί και οι διαιρέσεις. Αφορούσε εξαψήφιους αριθµούς. Η όλη συσκευή αποτελούνταν από οδοντωτούς τροχούς σε ένα κουτί Ο µεγαλοφυής Γερµανός G. W. Leibniz κατασκευάζει µηχανή που µπορεί να εκτελέσει τις τέσσερις στοιχειώδεις πράξεις της αριθµητικής. Σε συζητήσεις µε τον Άγγλο φιλόσοφο T. Hobbs επισηµαίνουν την ιδιαίτερη αξία του δυαδικού συστήµατος. Ο Hobbs µάλιστα φθάνει στο σηµείο να τονίσει τα κοινά στοιχεία που µπορεί να έχει το δυαδικό σύστηµα µε τους κανόνες της λογικής. Ο G. W. Leibniz οραµατίζεται και πιστεύει πως είναι δυνατόν να βρεθεί µια γλώσσα κατάλληλη για να µεταφράζει τις ιδέες µας σε εντολές προς µια ψηφιακή µηχανή! Είχαν φθάσει δηλαδή να οραµατιστούν και οι δυο τις σηµερινές γλώσσες προγραµµατισµού! 1774 Ο P.M. Hahm κατασκευάζει την πρώτη αξιοποιήσιµη µηχανική αριθµοµηχανή Ο Άγγλος καθηγητής των µαθηµατικών Charles Babbage σχεδιάζει την αναλυτική µηχανή του. Επρόκειτο για µια µηχανική υπολογιστική µηχανή σαν τις προηγούµενες αλλά µε µια σηµαντική διαφορά. Είχε την ιδέα να καθοδηγήσει την λειτουργία της µε αποθηκευµένα προγράµµατα κατά την αρχή του Jacquard. To 1805 στην Γαλλία ο Jacquard είχε εφεύρει ένα εργαλείο που ελέγχονταν από ένα σύστηµα διάτρητων ξύλινων πλακιδίων (βέβαια από παλιά ήταν γνωστή η αποθήκευση µουσικής σε κυλίνδρους µε καρφιά). Η λεγόµενη Αναλυτική Μηχανή του Babbage θεωρείται ο πρόδροµος των σύγχρονων υπολογιστών αφού διέθετε τµήµατα εισόδου, εξόδου, επεξεργαστή και αποθήκης µεταβλητών 4

5 και αποτελεσµάτων. Ποτέ δεν µπόρεσε να υλοποιήσει την µηχανή του λόγω τεχνικών δυσκολιών Ο Αµερικάνος στατιστικός H. Hollerith εφευρίσκει τις διάτρητες κάρτες για να καταφέρει να εισάγει δεδοµένα µε ηλεκτροµηχανική αναγνώριση των καρτών. Έτσι, κατάφερε να υλοποιήσει την µηχανή του Babbage µε ηλεκτροµηχανικό τρόπο O K. Ζuse σχεδιάζει υπολογιστική µηχανή µε αποθηκευµένο πρόγραµµα που χρησιµοποιεί το δυαδικό σύστηµα και τους αριθµούς κινητής υποδιαστολής. Μέχρι τότε όλες οι προαναφερθείσες µηχανές χρησιµοποιούσαν το αυτονόητο δυαδικό σύστηµα. Ο Zuse χρησιµοποίησε ρελέδες και είχε την έµπνευση να αντιστοιχήσει το άνοιγµα και το κλείσιµο κυκλώµατος µε το 0 και το Οι J.P. Eckert και J. W. Mauchly κατασκευάζουν το Electronic Numerical Integrator And Computer (ENIAC). Πρόκειται για το πρώτο πλήρως ηλεκτρονικό υπολογιστή γενικής χρήσης. Χρόνος για πολλαπλασιασµό 3ms. Ο µεγαλοφυής Ούγγρος µαθηµατικός John von Neumann εκτός του ότι έχει βοηθήσει στην υλοποίηση του ENIAC, προτείνει αυτή την χρονιά και το αποθηκευµένο στην µνήµη ψηφιακό πρόγραµµα. Πιο πριν είχε αρχίσει να κατασκευάζεται ο πρώτος πλήρως ηλεκτρονικός υπολογιστής, αλλά όχι γενικής χρήσης, ο ABC από τον J. Athanasov, που προοριζόταν για την επίλυση συστηµάτων διαφορικών εξισώσεων O M. V. Wilkes κατασκευάζει τον EDSAC χρησιµοποιώντας για πρώτη φορά την πρόταση του John von Neumann. Είναι ο πρώτος ψηφιακός υπολογιστής γενικής χρήσης µε αποθηκευµένο στην µνήµη πρόγραµµα ψηφιακής µορφής. Από εδώ και πέρα ξεκινά ο ηλεκτρονικός υπολογιστής να έχει την σηµερινή έννοια της λέξης. Τρία είναι λοιπόν τα βασικά χαρακτηριστικά: η χρήση δυαδικού συστήµατος, η χρήση της ηλεκτρονικής και το αποθηκευµένο στην µνήµη πρόγραµµα και έπειτα αρχίζει η βιοµηχανική παραγωγή Εξέλιξη Τεχνολογίας Υπολογιστών Πρώτη γενιά Η/Υ ( ) Οι υπολογιστές αρχικά είχαν διαστάσεις πολύ µεγαλύτερες από αυτές των σηµερινών υπολογιστών (µεγέθους δωµατίων) και κατανάλωναν µεγάλη ποσότητα ενέργειας. Χρησιµοποιούσαν ηλεκτρονικές καθοδικές λυχνίες. Οι τυπικοί χρόνοι για µια πράξη πρόσθεσης κυµαίνονταν µεταξύ 100 και 1000µs. Η χωρητικότητα της µνήµης ήταν µικρότερη από 100 αριθµούς. Ο προγραµµατισµός γινόταν µε στήλες αριθµών, δηλαδή µε γλώσσα µηχανής. Στην γενιά αυτή ανήκει ο ENIAC και ο IBM 701. εύτερη γενιά Η/Υ ( ) Ουσιαστικά αρχίζει µε την αντικατάσταση των λυχνιών από κρυσταλλοτριόδους (τρανζίστορ). Έτσι οι υπολογιστές γίνονται πιο αξιόπιστοι (οι λυχνίες έχουν µικρό χρόνο ζωής) φθηνότεροι, µικρότεροι και ταχύτεροι. Οι τυπικοί χρόνοι για την πρόσθεση κυµαίνονται µεταξύ 1 και 10 µs. Επειδή η µνήµη εργασίας έχει χωρητικότητα λίγων χιλιάδων αριθµών, εµφανίζονται οι λεγόµενες δευτερεύουσες µνήµες, µε την µορφή µαγνητικών ταινιών. Ο υπολογιστής TRADIC που κατασκευάστηκε το 1954 στα εργαστήρια της Bell, ήταν ο πρώτος υπολογιστής αυτής της γενιάς. Στον τοµέα του προγραµµατισµού εµφανίζονται οι πρώτες ανεξάρτητες από τον συγκεκριµένο τύπο υπολογιστή γλώσσες υψηλού επιπέδου, 5

6 Fortran και Cobol. Έτσι τα προγράµµατα σε περίπτωση αλλαγής του υπολογιστή δεν χρειάζεται να ξαναγραφούν. Επιπλέον, εµφανίζονται τα λειτουργικά συστήµατα. Το λειτουργικό σύστηµα τώρα αναλαµβάνει να διεκπεραιώσει τα προγράµµατα πολλών χρηστών που συγκεντρώνονται υπό την µορφή διάτρητων καρτών. Τρίτη γενιά Η/Υ ( ) Χρησιµοποιήθηκαν σαν βασικές µονάδες τα ολοκληρωµένα κυκλώµατα µικρής κλίµακας ολοκλήρωσης SSI και µέσης κλίµακας MSI. Χρησιµοποιούνται επίσης µνήµες ηµιαγωγών, γλώσσες µε έξυπνους µεταφραστές, λειτουργικά συστήµατα πολυπρογραµµατισµού και καταµερισµού χρόνου. Σε αυτή τη γενιά ανήκουν οι CDC 7600, IBM 360/91, Iliac IV, κλπ. Εµφανίζονται πληκτρολόγια για είσοδο δεδοµένων καθώς και οθόνες για έξοδο που αντικατέστησαν τις γραφοµηχανές εξόδου. Έτσι αρχίζει και η ανάγκη της επεξεργασίας των δεδοµένων µε γραφικά. Τέταρτη γενιά ΗΥ ( ) Χρησιµοποιούν ως βασικές δοµές κυκλώµατα πολύ υψηλής κλίµακας ολοκλήρωσης VLSI. Το πρώτο επιτυχηµένο τέτοιο σύστηµα είναι το Altair Αρχιτεκτονική των 8 bits. Εµφανίζονται οι µικροϋπολογιστές. Η επικοινωνία ανθρώπου µηχανής µέσω της οθόνης στον µικροϋπολογιστή άνοιξε νέες διαστάσεις στην χρήση και την διάδοση των υπολογιστών. Πέµπτη γενιά Η/Υ (1985-Σήµερα) Οι υπολογιστές της γενιάς αυτής χρησιµοποιούν κυκλώµατα πολύ υψηλής κλίµακας ολοκλήρωσης VLSI. Εµφανίζονται τα δίκτυα µικροϋπολογιστών. Η µείωση της τιµής των επεξεργαστών καθιστά εφικτή και την παράλληλη επεξεργασία µε πολλούς επεξεργαστές. Η εποχή χαρακτηρίζεται από ταχύτατες αλλαγές σε όλα τα χαρακτηριστικά, όπως φαίνεται παρακάτω. Επεξεργαστής λογική χωρητικότητα: αύξηση περίπου 30% ανά χρόνο ρυθµός ρολογιού: αύξηση περίπου 20% ανά χρόνο Μνήµη DRAM ίσκοι χωρητικότητα: αύξηση περίπου 60% ανά χρόνο (4x κάθε 3 χρόνια) ταχύτητα µνήµης: αύξηση περίπου 10% ανά χρόνο κόστος ανά bit: µείωση περίπου 25% ανά χρόνο χωρητικότητα: αύξηση περίπου 60% ανά χρόνο Ενδεικτικά ακολουθεί ένα σχήµα που επιδεικνύει την πρόοδο που παρουσίασε η απόδοση αντιπροσωπευτικών επεξεργαστών σε σχέση µε το χρόνο, κατά την περίοδο

7 Σχήµα 1 Πρόοδος της απόδοσης αντιπροσωπευτικών επεξεργαστών, µετρηµένη σε Spec Marks. 7

8 2. ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΜΟΝΑ ΕΣ Οι αριθµοί πάντα έπαιζαν και εξακολουθούν να διαδραµατίζουν ιδιαίτερα σηµαντικό ρόλο στις ανθρώπινες δραστηριότητες, όπως π.χ. σε συναλλαγές, λογιστική και κάθε είδους υπολογισµό ή εκτίµηση. Επίσης, αριθµοί χρησιµοποιούνται στις µηχανές που επινοεί ο άνθρωπος και ιδιαίτερα στους ηλεκτρονικούς υπολογιστές. Στους υπολογιστές οι αριθµοί δεν χρησιµοποιούνται µόνο για την επίλυση προβληµάτων που σχετίζονται µε αριθµούς, αλλά είναι θεµελιώδεις για την αρχιτεκτονική και τον τρόπο λειτουργίας τους. Ενώ όµως η έννοια των αριθµών είναι διαδεδοµένη και καθολικά αντιληπτή, υπάρχουν διαφορετικοί τρόποι αναπαράστασής τους, δηλαδή υπάρχουν διαφορετικά συστήµατα αρίθµησης (αριθµητικά συστήµατα). Καθένα από τα αριθµητικά συστήµατα παρουσιάζει ιδιαίτερα χαρακτηριστικά, τα οποία και το καθιστούν κατάλληλο για ορισµένες εφαρµογές. Το σηµείο αναφοράς ενός αριθµητικού συστήµατος είναι ο αριθµός που αποτελεί τη βάση του. Το επικρατέστερο αριθµητικό σύστηµα στις καθηµερινές συναλλαγές µεταξύ των ανθρώπων είναι το δεκαδικό σύστηµα, που έχει ως βάση το 10. Τα πιο δηµοφιλή αριθµητικά συστήµατα εκτός από το δεκαδικό, είναι το δυαδικό, το οκταδικό και το δεκαεξαδικό, µε βάσεις το 2, το 8 και το 16 αντίστοιχα. Όπως θα δούµε στη συνέχεια, η βάση κάθε συστήµατος αρίθµησης καθορίζει και το πλήθος των ψηφίων που χρησιµοποιούνται στο σύστηµα. Για παράδειγµα, το δεκαδικό σύστηµα έχει δέκα ψηφία (0, 1, 2 έως 9), ενώ το δυαδικό έχει δύο (το 0 και το 1). Σηµειώνουµε εδώ ότι η ύπαρξη και η ουσία των αριθµών δεν εξαρτάται από τα αριθµητικά συστήµατα, τα οποία απλά είναι τρόποι αναπαράστασής τους. Έτσι, είναι δυνατό ο ίδιος αριθµός να εκφράζεται µε διαφορετικό τρόπο σε διαφορετικά αριθµητικά συστήµατα. Π.χ. ο αριθµός 9 στο δεκαδικό σύστηµα είναι ίδιος µε τον αριθµό 1001 στο δυαδικό σύστηµα και µε τον αριθµό 11 στο οκταδικό εκαδικό Σύστηµα Αρίθµησης Το δεκαδικό σύστηµα αρίθµησης είναι αυτό που χρησιµοποιούµε καθηµερινά. Οι αριθµοί του δεκαδικού συστήµατος δηµιουργούνται ως συνδυασµοί ενός συνόλου ψηφίων, καθένα από τα οποία µπορεί να είναι ένα από τα δέκα ψηφία: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 και 9. Έτσι, αριθµοί όπως το 1, το 2003, το 47 και το είναι επιτρεπτοί αριθµοί για το δεκαδικό σύστηµα. Η βάση του αριθµητικού συστήµατος καθορίζει τον τρόπο υπολογισµού της τιµής των αριθµών που εκφράζονται σε αυτό. Στο δεκαδικό σύστηµα το δεξιότερο ψηφίο (θέση 0) πολλαπλασιάζεται µε τη βάση (10) υψωµένη στη µηδενική δύναµη (10 0 =1), το επόµενο (θέση 1) πολλαπλασιάζεται µε τη βάση (10) υψωµένη στη πρώτη δύναµη (10 1 =10), το επόµενο (θέση 2) πολλαπλασιάζεται µε τη βάση (10) υψωµένη στη δεύτερη δύναµη (10 2 =100) κ.ο.κ. Χρησιµοποιούµε δυνάµεις του 10 (10 0, 10 1, 10 2 ), επειδή στο δεκαδικό σύστηµα η βάση είναι το 10. Αυτό φαίνεται σχηµατικά στη συνέχεια για τον αριθµό 743. Γενικά, η τιµή ενός οποιουδήποτε αριθµού στο δεκαδικό σύστηµα υπολογίζεται µε τον παρακάτω τύπο: X n... X 2 X 1 X 0 = X n *10 n X 2 * X 1 * X 0 *10 0 όπου Χ i Є {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9} 8

9 2.2. υαδικό Σύστηµα Αρίθµησης Το δυαδικό σύστηµα αρίθµησης (µε βάση το 2) χρησιµοποιείται στους ηλεκτρονικούς υπολογιστές, σε επίπεδο φυσικής αποθήκευσης και επεξεργασίας των αριθµών. Το δυαδικό σύστηµα αρίθµησης έχει µόνο δύο ψηφία, το 0 και το 1. Αυτός είναι και ο ουσιαστικός λόγος για τον οποίο έχει επικρατήσει αυτό το σύστηµα στους υπολογιστές, αφού είναι ευκολότερη η κατασκευή στοιχείων αποθήκευσης µε δύο καταστάσεις (0 και 1) από ότι µε δέκα ή δεκαέξι καταστάσεις. Ένας αριθµός στο δυαδικό σύστηµα αποτελείται από µια σειρά ψηφίων καθένα από τα οποία είναι 0 ή 1. Για παράδειγµα τα 1, 1101, 10, 1111 είναι αριθµοί του δυαδικού συστήµατος, ενώ το 501 δεν είναι γιατί το 5 δεν είναι ψηφίο του δυαδικού συστήµατος. Είδαµε ότι η βάση του αριθµητικού συστήµατος καθορίζει τον τρόπο υπολογισµού της τιµής των αριθµών που εκφράζονται σε αυτό. Έτσι, στο δυαδικό σύστηµα το δεξιότερο ψηφίο (θέση 0) πολλαπλασιάζεται µε το 2 0 =1, το επόµενο (θέση 1) πολλαπλασιάζεται µε το 2 1 =2, το επόµενο (θέση 2) πολλαπλασιάζεται µε το 2 2 =4 κ.ο.κ. Χρησιµοποιούµε δυνάµεις του 2 (2 0, 2 1, 2 2 ), επειδή στο δυαδικό σύστηµα η βάση είναι το 2. Στη συνέχεια παρουσιάζουµε παραδείγµατα υπολογισµού της τιµής αριθµών που έχουν εκφραστεί στο δυαδικό σύστηµα αρίθµησης. Ο υπολογισµός γίνεται στο δεκαδικό σύστηµα, µε το οποίο είµαστε πιο εξοικειωµένοι. Επειδή χρησιµοποιούνται αριθµοί τόσο στο δυαδικό όσο και στο δεκαδικό σύστηµα αρίθµησης χρησιµοποιούµε τον δείκτη (2) για να διαφοροποιήσουµε τους αριθµούς που αναπαρίστανται στο δυαδικό σύστηµα (π.χ. 11 (2), 1001 (2), 10 (2) είναι αριθµοί µε βάση το 2, ενώ 11 είναι µε βάση το 10). Οι αριθµοί 0 και 1 στο δεκαδικό σύστηµα αναπαρίστανται µε τον ίδιο τρόπο στο δυαδικό (0 (2) =0 και 1 (2) =1). Αν υπολογίσουµε τον αριθµό 10 (2) στο δυαδικό σύστηµα: Άρα ο αριθµός αριθµό 10 (2) είναι ίσος µε το δεκαδικό αριθµό 2. Ο αριθµός (2) στο δυαδικό σύστηµα είναι ίσος µε τον αριθµό 27 στο δεκαδικό: Γενικά, οι τιµές των αριθµών στο δυαδικό σύστηµα υπολογίζονται µε τον παρακάτω τύπο: X n... X 2 X 1 X 0(2) = X n *2 n X 2 *2 2 + X 1 *2 1 + X 0 *2 0, όπου Χ i Є {0, 1} 2.3. Οκταδικό Σύστηµα Αρίθµησης Το οκταδικό (µε βάση το 8) είναι ένα ακόµα διαδεδοµένο σύστηµα αρίθµησης. Το οκταδικό σύστηµα έχει οκτώ ψηφία (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7). Ένας αριθµός στο οκταδικό σύστηµα αποτελείται από µια σειρά ψηφίων καθένα από τα οποία είναι ένα από τα επιτρεπόµενα ψηφία (0,, 7). Για παράδειγµα τα 1, 12, 617 είναι επιτρεπόµενοι αριθµοί του οκταδικού συστήµατος αρίθµησης, ενώ τα 129, 58 όχι, καθώς τα ψηφία 8 και 9 δεν υπάρχουν στο οκταδικό σύστηµα. Η βάση του αριθµητικού συστήµατος καθορίζει τον τρόπο υπολογισµού των τιµών των αριθµών που εκφράζονται σε αυτό. Έτσι, στο οκταδικό σύστηµα το δεξιότερο ψηφίο (θέση 0) πολλαπλασιάζεται µε το 8 0 =1, το επόµενο (θέση 1) πολλαπλασιάζεται µε το 8 1 =8, το επόµενο 9

10 (θέση 2) πολλαπλασιάζεται µε το 8 2 =64 κ.ο.κ. Χρησιµοποιούµε δυνάµεις του 8 (8 0, 8 1, 8 2 ), επειδή στο οκταδικό σύστηµα η βάση είναι το 8. Στη συνέχεια παρουσιάζουµε παραδείγµατα υπολογισµού της τιµής αριθµών που έχουν εκφραστεί στο οκταδικό σύστηµα αρίθµησης. Οι αριθµοί του οκταδικού συστήµατος αρίθµησης σηµειώνονται µε το δείκτη (8) (π.χ. 127 (8), 41 (8), 5010 (8) ). Ο αριθµοί 0 έως 7 στο οκταδικό σύστηµα είναι ίσοι µε τους αντίστοιχους αριθµούς στο δεκαδικό (0 (8) =0, 1 (8) =1, 2 (8) =2, 3 (8) =3, 4 (8) =4, 5 (8) =5, 6 (8) =6, 7 (8) =7). Ο αριθµός 10 στο οκταδικό σύστηµα (10 (8) ) είναι ίσος µε τον αριθµό 8 στο δεκαδικό. Ο αριθµός 453 στο οκταδικό σύστηµα (453 8 ) είναι ίσος µε τον αριθµό 299 στο δεκαδικό. Γενικά, οι τιµές των αριθµών στο οκταδικό σύστηµα υπολογίζονται µε τον παρακάτω τύπο: X n... X 2 X 1 X 0(8) = X n *8 n X 2 *8 2 + X 1 *8 1 + X 0 *8 0, όπου Χ i Є {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7} 2.4. εκαεξαδικό Σύστηµα Αρίθµησης Το δεκαεξαδικό (µε βάση το 16) είναι ένα ακόµα διαδεδοµένο σύστηµα αρίθµησης. Το δεκαεξαδικό σύστηµα έχει δεκαέξι ψηφία (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F). Εδώ χρησιµοποιούνται τα έξι πρώτα κεφαλαία γράµµατα του λατινικού αλφαβήτου για τις τιµές 10 έως και 15. Ένας αριθµός στο δεκαεξαδικό σύστηµα αποτελείται από µια σειρά ψηφίων καθένα από τα οποία είναι ένα από τα δεκαέξι επιτρεπόµενα (0,, F). Για παράδειγµα τα 1, 12, C, 8A2E είναι αριθµοί στο δεκαεξαδικό σύστηµα. Για τον υπολογισµό των τιµών των αριθµών που εκφράζονται στο δεκαεξαδικό σύστηµα, το δεξιότερο ψηφίο (θέση 0) πολλαπλασιάζεται µε το 16 0 =1, το επόµενο (θέση 1) πολλαπλασιάζεται µε το 16 1 =16, το επόµενο (θέση 2) πολλαπλασιάζεται µε το 16 2 =256 κ.ο.κ. Χρησιµοποιούµε δυνάµεις του 16 (16 0, 16 1, 16 2 ), επειδή στο δεκαεξαδικό σύστηµα η βάση είναι το 16. Στη συνέχεια παρουσιάζουµε παραδείγµατα υπολογισµού των τιµών αριθµών που έχουν εκφραστεί στο δεκαεξαδικό σύστηµα αρίθµησης. Και εδώ, επειδή χρησιµοποιούνται αριθµοί τόσο στο δεκαεξαδικό όσο και στο δεκαδικό σύστηµα αρίθµησης χρησιµοποιούµε το δείκτη (16) για τους αριθµούς του δεκαεξαδικού συστήµατος (π.χ. 127 (16), 41 (16), 5CB0 (16) ). Φυσικά οι αριθµοί που περιλαµβάνουν τα ψηφία A, B, C, D, E, F δεν θα µπορούσαν να υπάρχουν στο δεκαδικό σύστηµα αρίθµησης. Ο αριθµοί 0 έως 9 στο δεκαεξαδικό σύστηµα είναι ίσοι µε τους αντίστοιχους αριθµούς στο δεκαδικό (0 (16) =0, 1 (16) =1, 2 (16) =2, 3 (16) =3, 4 (16) =4, 5 (16) =5, 6 (16) =6, 7 (16) =7, 8 (16) =8, 9 (16) =9). Επίσης, για τους αριθµούς A, B, C, D, E και F ισχύει: Α ( =10, Β=11, C=12, D=13, E=14, F=15. Ο αριθµός 10 (16) είναι ίσος µε τον αριθµό 16 στο δεκαδικό: Ο αριθµός 4F (16) είναι ίσος µε τον αριθµό 79 στο δεκαδικό: 10

11 Γενικά, οι τιµές των αριθµών στο δεκαεξαδικό σύστηµα υπολογίζονται στο δεκαδικό µε τον παρακάτω τύπο: X n...x 1 X 0(16) = X n *16 n X 1 * X 0 *16 0, όπου Χ i Є {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F} 2.5. Μετατροπές στα Αριθµητικά Συστήµατα Στα παραδείγµατα των προηγουµένων παραγράφων είδαµε τον τρόπο υπολογισµού της δεκαδικής τιµής αριθµών που ήταν εκφρασµένοι στο δυαδικό, οκταδικό ή δεκαεξαδικό σύστηµα αρίθµησης. Γενικά, η δεκαδική τιµή ενός αριθµού σε ένα σύστηµα αρίθµησης µε βάση το b (b 2) υπολογίζεται µε τον παρακάτω τύπο: X n...x 1 X 0(b) = X n *b n X 1 *b 1 + X 0 *b 0, όπου Χ i Є {d 1, d 2, d b } Στον παραπάνω τύπο τα d 1, d 2, d b είναι τα ψηφία που χρησιµοποιούνται στο αριθµητικό σύστηµα µε βάση το b. Το πλήθος των ψηφίων αυτών είναι ίσο µε τη βάση, δηλαδή b. Για παράδειγµα το πλήθος των ψηφίων του δεκαδικού συστήµατος είναι ίσο µε 10. Με τον παραπάνω τύπο όλοι οι αριθµοί κάθε αριθµητικού συστήµατος µετατρέπονται στους αντίστοιχους δεκαδικούς. Η µετατροπή από το δεκαδικό σύστηµα σε κάποιο άλλο µε βάση το b, βασίζεται στο σχήµα Horner και γίνεται µε διαδοχικές διαιρέσεις του δεκαδικού αριθµού µε το b και κατάλληλη χρήση των παραγόµενων υπολοίπων. Το παρακάτω σχήµα παρουσιάζει τη διαδικασία µετατροπής ενός αριθµού a από το δεκαδικό σε ένα οποιοδήποτε b-αδικό σύστηµα αρίθµησης. Αρχικά διαιρείται ο a µε το b. Το πηλίκο αυτής της διαίρεσης (a 1 ) διαιρείται ξανά µε το b κ.ο.κ. µέχρι το πηλίκο να είναι 0. Τα υπόλοιπα (d 0, d 1, d 2, d n ) που προέκυψαν από τις διαιρέσεις χρησιµοποιούνται για την κατασκευή του αριθµού στο b-αδικό σύστηµα, όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήµα. Στα παρακάτω σχήµατα παρουσιάζεται η διαδικασία µετατροπής του αριθµού 21 από το δεκαδικό στο δυαδικό, στο οκταδικό και στο δεκαεξαδικό σύστηµα αρίθµησης. Για τη µετατροπή στο δυαδικό σύστηµα διαιρούµε µε το 2. 11

12 Για τη µετατροπή στο οκταδικό σύστηµα διαιρούµε µε το 8. Για τη µετατροπή στο δεκαεξαδικό σύστηµα διαιρούµε µε το 16. Κατά τη µετατροπή προς το δεκαεξαδικό σύστηµα όταν το πηλίκο της διαίρεσης µε το 16 είναι µεγαλύτερο του 9 (10, 11, 12, 13, 14, 15), χρησιµοποιούνται τα επιπλέον ψηφία του δεκαεξαδικού συστήµατος (A, B, C, D, E, F). Αυτό φαίνεται για παράδειγµα στη µετατροπή του αριθµού 762 από το δεκαδικό στο δεκαεξαδικό σύστηµα αρίθµησης Βασικές Μονάδες Μέτρησης στην Πληροφορική Στους ηλεκτρονικούς υπολογιστές όλες οι µορφές δεδοµένων (αριθµοί, κείµενο, video κ.λ.π.) εκφράζονται σε αριθµούς µέσω κάποιας αντιστοίχισης (κωδικοποίησης). Όπως είδαµε νωρίτερα, το σύστηµα αρίθµησης που χρησιµοποιείται για την εσωτερική αναπαράσταση και επεξεργασία των αριθµών είναι το δυαδικό. Κύριος λόγος είναι η απλότητα των δύο καταστάσεων (0/1) η οποία εύκολα εφαρµόζεται στη φυσική αποθήκευση µε τη µορφή ON/OFF ή ΝΑΙ/ΟΧΙ. Έτσι, η µικρότερη µονάδα πληροφορίας που µπορούµε να έχουµε είναι ένας αριθµός του δυαδικού συστήµατος µε ένα ψηφίο, δηλαδή το 0 ή το 1. Αυτή η ελάχιστη µονάδα πληροφορίας ονοµάζεται bit (από το binary digit). Επειδή όµως ένα bit περιέχει πολύ µικρή πληροφορία (αριθµός 0 ή 1), χρησιµοποιούνται συνδυασµοί πολλών bits, δηλαδή µονάδες πληροφορίας µε περισσότερα ψηφία. Ένα byte αποτελείται από 8 bits, δηλαδή σε ένα byte µπορούν να γραφούν όλοι οι οκταψήφιοι δυαδικοί αριθµοί. Μεγαλύτερη µονάδα πληροφορίας είναι η λέξη (word), η οποία µπορεί να αποτελείται 16, 32 ή και 64 bits (Σχήµα 2). Υπάρχουν δηλαδή λέξεις µε 16 bits, λέξεις µε 32 bits και λέξεις µε 64 bits. 12

13 Σχήµα 2 Μονάδες πληροφορίας Οι πληροφορίες που αποθηκεύει και διαχειρίζεται ένας υπολογιστής έχουν µεγάλο όγκο, µε συνέπεια να απαιτούνται µεγαλύτερες µονάδες για την καταγραφή του µεγέθους τους. Για τον λόγο αυτό χρησιµοποιούνται τα συνθετικά Kilo, Mega, Giga, Tera και Peta. Για τη µέτρηση φυσικών µεγεθών, καθένα από αυτά εκφράζει µια δύναµη του 10 (π.χ. 10 3, 10 6, 10 9 ). Ωστόσο, για τη µέτρηση του µεγέθους της πληροφορίας, τα συνθετικά αυτά εκφράζουν δυνάµεις του 2, λόγω της δυαδικής φύσης που έχει η πληροφορία στην πληροφορική. Ο παρακάτω πίνακας παρουσιάζει τα σχετικά µεγέθη. Μονάδα Συντοµογραφία Μέγεθος Kilo Κ 2 10 = Mega Μ 2 20 = Giga G 2 30 = Tera T 2 40 = Peta P 2 50 = Εποµένως, ένα Kbyte (ή KB) είναι 1024 bytes και ένα Mbyte (ή ΜΒ) είναι κάτι περισσότερο από ένα εκατοµµύριο bytes. Ο παρακάτω πίνακας δείχνει τις το πλήθος των bytes και των bits που περιέχουν οι πιο µεγάλες µονάδες πληροφορίας. Μονάδα Bytes bits 1 Kbyte bytes bits 1 Mbyte bytes 8 * 10 6 bits 1 Gbyte bytes 8 * 10 9 bits 1 Tbyte bytes 8 * bits 1 Pbyte bytes 8 * bits Αν π.χ. ένας υπολογιστής αποθηκεύει 3 Kbyte, αυτά είναι bytes ή bits. Πρόκειται δηλαδή για δυαδικά ψηφία (0 ή 1). Αν αποθηκεύει 5 Mbyte, τότε είναι bytes ή bits. Σε αυτή την περίπτωση έχουµε δυαδικά ψηφία. Το bit και το byte χρησιµοποιούνται για την µέτρηση του όγκου των δεδοµένων. Ένα άλλο µέγεθος όµως που είναι ιδιαίτερα σηµαντικό στην τεχνολογία της πληροφορικής είναι η 13

14 ταχύτητα µετάδοσης της πληροφορίας. Η ταχύτητα µπορεί να αφορά την µετάδοση πληροφορίας από έναν υπολογιστή σε έναν άλλο (π.χ. µέσα από το Internet) ή από ένα τµήµα του υπολογιστή σε ένα άλλο (π.χ. από το δίσκο στη µνήµη). Η βασική µονάδα µέτρησης της ταχύτητας µετάδοσης της πληροφορίας είναι το bit ανά δευτερόλεπτο (bit per second ή bps). Και σε αυτή την περίπτωση χρησιµοποιούνται τα Kilo, Mega, Giga, Tera και Peta (π.χ. Kbps, Mbps) για να εκφράσουν µεγάλες ταχύτητες. Εδώ όµως τα παραπάνω συνθετικά εκφράζουν δυνάµεις του 10, καθώς αφορούν το φυσικό µέγεθος της ταχύτητα. Ένα άλλο χαρακτηριστικό µε µεγάλη σηµασία στις για την απόδοση (ταχύτητα) των υπολογιστών είναι η υπολογιστική ή επεξεργαστική ισχύς. Οι µονάδες επεξεργασίας των ηλεκτρονικών υπολογιστών επιτελούν επαναληπτικά µια σειρά λειτουργιών στη µονάδα χρόνου. Όσο περισσότερες επαναλήψεις (δηλ. όσους περισσότερους κύκλους) κάνουν σε µία µονάδα χρόνου, τόσο ισχυρότεροι και ταχύτεροι είναι. Για το λόγο αυτό, η ταχύτητα των µονάδων επεξεργασίας µετριέται σε κύκλους ανά δευτερόλεπτο, δηλαδή έχει τη µορφή συχνότητας. Για το σκοπό αυτό χρησιµοποιείται η µονάδα συχνότητας Hertz ή Hz. Επειδή οι ταχύτητες συνήθως είναι της τάξης των χιλιάδων ή εκατοµµυρίων κύκλων το δευτερόλεπτο και εδώ χρησιµοποιούνται τα συνθετικά Kilo, Mega, Giga, Tera και Peta (KHz, MHz, GHz). Καθώς πρόκειται για ένα φυσικό µέγεθος (συχνότητα) και σε αυτή την περίπτωση τα συνθετικά εκφράζουν δυνάµεις του 10. Για παράδειγµα, ένας επεξεργαστής µε ταχύτητα 100 ΜHz κάνει εκατό εκατοµµύρια επαναλήψεις κάθε δευτερόλεπτο, ενώ ένας επεξεργαστής µε ταχύτητα 3 GHz κάνει λίγο τρία δισεκατοµµύρια επαναλήψεις κάθε δευτερόλεπτο. 14

15 3. ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ Ένας υπολογιστής ή υπολογιστικό σύστηµα είναι µια µηχανή που δέχεται ως είσοδο δεδοµένα και ένα πρόγραµµα που περιέχει τον αλγόριθµο επεξεργασίας τους και αφού τα επεξεργασθεί δίδει ως έξοδο άλλα δεδοµένα, όπως φαίνεται στο Σχήµα 3. Σχήµα 3 Βασική λειτουργία του υπολογιστή Οι υπολογιστές χωρίζονται σε τρεις κατηγορίες: τους αναλογικούς, τους ψηφιακούς και τους υβριδικούς υπολογιστές. Οι αναλογικοί υπολογιστές επεξεργάζονται δεδοµένα του φυσικού κόσµου χρησιµοποιώντας συνεχείς µεταβλητές. Οι ψηφιακοί υπολογιστές είναι συστήµατα στα οποία τα δεδοµένα αναπαρίστανται σε ψηφιακή µορφή, δηλαδή ως αριθµοί. Οι υπολογιστές που χρησιµοποιούµε σήµερα είναι ψηφιακοί, ηλεκτρονικοί υπολογιστές, οι οποίοι χρησιµοποιούν τους δυαδικούς αριθµούς για την παράσταση της πληροφορίας, αντιστοιχώντας τις δύο καταστάσεις που µπορούν να εκφράσουν στοιχειωδώς τα ηλεκτρονικά κυκλώµατα (ON και OFF) µε τους δύο αριθµούς του δυαδικού συστήµατος (0 και 1). Οι υβριδικοί υπολογιστές έχουν τη δυνατότητα επεξεργασίας αναλογικών και ψηφιακών δεδοµένων. Κάθε λειτουργία που επιτελεί ένας υπολογιστής, ανεξάρτητα από τον τρόπο µε τον οποίο γίνονται αντιληπτά τα αποτελέσµατα της λειτουργίας του (π.χ. µουσική, video, κείµενο), είναι αποτέλεσµα εφαρµογής ενός αλγορίθµου επεξεργασίας των κατάλληλων δεδοµένων Βασικά Τµήµατα των Υπολογιστών Ο υπολογιστής είναι ένα σύστηµα από συγκεκριµένα κοµµάτια υλικού τα οποία συντίθενται σύµφωνα µε κάποιους αρχιτεκτονικούς κανόνες, µε σκοπό την υλοποίηση της βασικής λειτουργίας του υπολογιστή. Σχήµα 4 Τα βασικά τµήµατα ενός υπολογιστή Σύµφωνα µε την λογική της µηχανής του von Neumann, κάθε υπολογιστής αποτελείται τουλάχιστον από τα τέσσερα τµήµατα (Σχήµα 4): Αριθµητική και λογική µονάδα (Arithmetic Logical Unit ή ALU). Εδώ γίνονται αριθµητικές (πρόσθεση, αφαίρεση, πολλαπλασιασµός, διαίρεση) και λογικές πράξεις (συγκρίσεις, αρνήσεις, συζεύξεις, διαζεύξεις), καθώς και βοηθητικές εργασίες (δεξιά ή αριστερή ολίσθηση κ.α.). Μονάδα ελέγχου (Control Unit). Ελέγχει και συντονίζει την εκτέλεση των εντολών των προγραµµάτων και συνολικά τη λειτουργία του υπολογιστή. 15

16 Μονάδα µνήµης (Memory Unit). Εδώ αποθηκεύονται τόσο οι εντολές των προγραµµάτων, όσο και τα δεδοµένα εισόδου και εξόδου (input and output data). Μονάδες εισόδου εξόδου (Ι/Ο Units). Χρησιµοποιούνται για την εισαγωγή και εξαγωγή δεδοµένων, προς και από τον υπολογιστή. Ανάλογα µε το είδος και την προέλευση/προορισµό των δεδοµένων εισόδου/εξόδου, χρησιµοποιείται και η κατάλληλη µονάδα εισόδου/εξόδου, όπως παρουσιάζει ο παρακάτω πίνακας. Είδος εδοµένων Μονάδα Εισόδου Μονάδα Εξόδου Ήχος Κάρτα ήχου, µικρόφωνο Κάρτα ήχου, ηχεία Εικόνα Κάµερα Κάρτα γραφικών, οθόνη Χαρακτήρες κειµένου Πληκτρολόγιο Έντυπα Scanner Εκτυπωτής Αποθηκευµένα δυαδικά δεδοµένα εδοµένα δικτυακής ζεύξης εδοµένα τηλεφωνικής ζεύξης/fax Οδηγός εύκαµπτου/σκληρού/οπτικού/dvd δίσκου ή µαγνητικής ταινίας Κάρτα δικτύου Modem Οδηγός εύκαµπτου/σκληρού δίσκου ή µαγνητικής ταινίας, οδηγός εγγραφής οπτικού/dvd δίσκου Κάρτα δικτύου Modem Η αριθµητική και λογική µονάδα µαζί µε τη µονάδα ελέγχου αποτελούν την Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (Central Processing Unit ή CPU) ή επεξεργαστή του υπολογιστή. Το Σχήµα 5 παρουσιάζει την εικόνα ενός υπολογιστή, εσωτερικά. Τα επιµέρους τµήµατα του υπολογιστή χρησιµεύουν στη διεκπεραίωση των βηµάτων της βασικής λειτουργίας του υπολογιστή. Η αντιστοίχιση των βηµάτων της λειτουργίας µε τα υλικά τµήµατα του υπολογιστή φαίνεται στον παρακάτω πίνακα. Βήµα Λειτουργίας Υπολογιστή Εισαγωγή δεδοµένων εισόδου Εισαγωγή προγράµµατος Επεξεργασία Επιστροφή δεδοµένων εξόδου Υλικό Τµήµα Υπολογιστή Μονάδες εισόδου-εξόδου Μονάδες εισόδου-εξόδου CPU και µνήµη Μονάδες εισόδου-εξόδου 16

17 Σχήµα 5 Η εικόνα ενός υπολογιστή εσωτερικά. Σηµειώνονται: α) η CPU, β) οι θέσεις τοποθέτησης chips µνήµης (Memory Banks), γ) οι IDE Connectors, για τη σύνδεση δίσκων αποθήκευσης δεδοµένων (σκληρών δίσκων, CD-ROMs), δ) Floppy Disk Drive Connector, για τη σύνδεση µονάδων εύκαµπτων δίσκων, ε) θύρες επέκτασης PCI (PCI Slots), για κάρτες (π.χ. modem, κάρτα ήχου, κάρτα δικτύου), και στ) AGP Slot, για την κάρτα γραφικών Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (CPU) Αν και οι µονάδες εισόδου-εξόδου συµµετέχουν σε περισσότερα βήµατα της λειτουργίας του υπολογιστή, η CPU είναι αυτή που φέρνει σε πέρας το σηµαντικότερο όλων: την επεξεργασία των δεδοµένων σύµφωνα µε κάποιον αλγόριθµο. Είδαµε ότι η CPU ελέγχει την εκτέλεση των εντολών (Μονάδα Ελέγχου) και πραγµατοποιεί πράξεις στα δεδοµένα (Αριθµητική και Λογική Μονάδα). Η Μονάδα Ελέγχου προσδιορίζει ποια εντολή πρέπει να εκτελεστεί κάθε χρονική στιγµή και στέλνει το αντίστοιχο σήµα. Η Αριθµητική και Λογική Μονάδα πραγµατοποιεί την επεξεργασία των δεδοµένων. Πώς όµως γίνεται κάτι τέτοιο όταν η Αριθµητική και Λογική Μονάδα µπορεί να πραγµατοποιήσει µόνο αριθµητικές και λογικές πράξεις, καθώς και κάποιες βοηθητικές λειτουργίες; Η απάντηση βρίσκεται στα ίδια τα δεδοµένα, που, όπως έχουµε πει, ανεξάρτητα από το είδος τους, αναπαρίστανται σε δυαδική µορφή, είναι δηλαδή αριθµοί του δυαδικού συστήµατος. Έτσι, η επεξεργασία των δεδοµένων γίνεται µε τη εφαρµογή των κατάλληλων αριθµητικών και λογικών πράξεων σε αυτά Μνήµη Η CPU επεξεργάζεται και διαχειρίζεται τα δεδοµένα, αλλά δεν διαθέτει αποθηκευτικό χώρο για τη διατήρησή τους. Αυτό το ρόλο παίζει η Μνήµη (ή Κύρια Μνήµη), στην οποία αποθηκεύονται τόσο οι εντολές των προγραµµάτων, όσο και τα δεδοµένα που χρησιµοποιεί η CPU. Η κύρια µνήµη λέγεται και Μνήµη Τυχαίας Προσπέλασης ή Random Access Memory (RAM), λόγω του τρόπου προσπέλασης, ο οποίος δεν είναι σειριακός. Τα περιεχόµενα της µνήµης είναι διευθυνσιοδοτηµένα και είναι διαθέσιµα στη CPU, η οποία µε ειδικές εντολές διαβάζει είτε τα δεδοµένα, είτε τις εντολές του προγράµµατος από ένα συγκεκριµένο 17

18 σηµείο της µνήµης. Για παράδειγµα, η εντολή ADD(a,b) αποθηκεύεται στη µνήµη. Οι τιµές των µεταβλητών a, b αποτελούν δεδοµένα, που επίσης αποθηκεύονται στη µνήµη. Επειδή η µνήµη χρησιµοποιείται απευθείας από τη CPU πρέπει να παρέχει πολύ γρήγορους µηχανισµούς αποθήκευσης και ανάκτησης, ώστε να µην επιβαρύνει την απόδοση του υπολογιστή. Η απαίτηση αυτή έχει σαν αποτέλεσµα τον περιορισµό της χωρητικότητας και την αύξηση του κόστους της µνήµης. Εκτός από την κύρια µνήµη, η οποία αποθηκεύει τα δεδοµένα και τις εντολές των προγραµµάτων που εκτελούνται κάθε στιγµή, υπάρχει και µία περιορισµένου µεγέθους µνήµη στην οποία αποθηκεύονται δεδοµένα που αφορούν βασικές ρυθµίσεις του υλικού του υπολογιστή. Η µνήµη αυτή καλείται Read Only Memory (ROM) και είναι µόνιµη, δηλαδή, διατηρεί τα δεδοµένα ανεξάρτητα από το αν εκτελείται κάποιο πρόγραµµα ή από το αν είναι ανοιχτός ή κλειστός ο υπολογιστής. Αυτού του τύπου η µνήµη είναι ακόµα πιο ακριβή από την κύρια µνήµη, γεγονός που περιορίζει το µέγεθός της. Γενικότερα, η κύρια µνήµη και η µνήµη ROM δεν επαρκούν για την αποθήκευση του συνόλου των δεδοµένων που χρησιµοποιούνται από το σύνολο των εφαρµογών ενός υπολογιστή. Για το λόγο αυτό χρησιµοποιούνται µονάδες δευτερεύουσας µνήµης µε κύριο χαρακτηριστικό το εκτεταµένο µέγεθος και τη δυνατότητα µακροχρόνιας αποθήκευσης Μονάδες Εισόδου-Εξόδου Με τις µονάδες εισόδου (input units), πραγµατοποιείται η είσοδος των δεδοµένων και των προγραµµάτων στον υπολογιστή, ενώ µε τις µονάδες εξόδου (output units) πραγµατοποιείται η εξαγωγή των δεδοµένων εξόδου. Εποµένως, οι µονάδες εισόδου-εξόδου αποτελούν το µέσο επικοινωνίας του υπολογιστή µε τον εξωτερικό του κόσµο. Το µέσο αυτό είναι απαραίτητο για πολλούς λόγους, οι σηµαντικότεροι από τους οποίους είναι οι ακόλουθοι: Μέγεθος και διάρκεια αποθήκευσης δεδοµένων: Λόγω του περιορισµού στο µέγεθος της κύριας µνήµης, εκεί αποθηκεύονται ουσιαστικά µόνο τα δεδοµένα που χρησιµοποιούνται κάθε στιγµή από τον υπολογιστή. Το γεγονός αυτό δίνει ένα παροδικό χαρακτήρα στην αποθήκευση δεδοµένων στη µνήµη, η οποία ούτως ή άλλως χάνει όσα δεδοµένα περιέχει κάθε φορά που κλείνει ο υπολογιστής. Εποµένως, απαιτούνται άλλα µέσα αποθήκευσης για το σύνολο των δεδοµένων και για τη µόνιµη αποθήκευσή τους. Σε αυτή την περίπτωση αναφερόµαστε σε µονάδες εισόδου-εξόδου, που είναι οδηγοί δίσκων (µαγνητικών, οπτικών) ή ταινιών. Αυτές οι µονάδες µπορούν να χρησιµοποιούνται για ανάγνωση και εγγραφή δεδοµένων. Η ταχύτητα ανάκτησης ή εγγραφής όµως είναι πολύ µικρότερη από αυτή της κύριας µνήµης. Αυτές οι µονάδες ονοµάζονται δευτερεύουσα µνήµη. Είδος δεδοµένων: Τα δεδοµένα που χρειάζεται να επεξεργαστεί ένας υπολογιστής δεν είναι πάντα διαθέσιµα ως δυαδική πληροφορία. Για παράδειγµα, µπορεί να απαιτείται η επεξεργασία µιας εκτυπωµένης φωτογραφίας. Για να γίνει αυτό, πρέπει να ψηφιοποιηθεί (να µετατραπεί σε δυαδικά δεδοµένα), µέσω µιας συσκευής που ονοµάζεται σαρωτής (scanner). Επίσης, τα δεδοµένα εξόδου πολλές φορές είναι άχρηστα ως δυαδική πληροφορία και πρέπει να πάρουν κάποια µορφή που να γίνεται αντιληπτή από τις αισθήσεις του ανθρώπου (π.χ. εικόνα, χαρτί, ήχος). Σε αυτή την περίπτωση χρησιµοποιούνται µονάδες εισόδου-εξόδου που κατά την εισαγωγήεξαγωγή των δεδοµένων πραγµατοποιούν και τις κατάλληλες µετατροπές. Παραδείγµατα αυτού του είδους µονάδων εισόδου-εξόδου είναι οι κάρτες ήχου και γραφικών, οι σαρωτές (scanners), οι κάµερες, τα πληκτρολόγια και τα ποντίκια. 18

19 Όπως γνωρίζουµε, η CPU λαµβάνει και καταγράφει δεδοµένα άµεσα µόνο από τη µνήµη, ώστε να εξασφαλίζονται οι απαιτήσεις ταχύτητας προσπέλασης των δεδοµένων. Εποµένως, τα δεδοµένα που εισάγονται από τις µονάδες εισόδου γράφονται στη µνήµη και στη συνέχεια είναι διαθέσιµα στη CPU Ιεραρχία Λογισµικού-Υλικού Ένας υπολογιστής αποτελείται από ένα σύνολο ηλεκτρονικών και µηχανικών εξαρτηµάτων, που αποτελούν το υλικό του µέρος. Ωστόσο, η επιστήµη των υπολογιστών, πέρα από την αρχιτεκτονική του υλικού µέρους του υπολογιστή, ασχολείται µε τον τρόπο µε τον οποίο το υλικό αυτό µπορεί να αξιοποιηθεί για την ανάγνωση, εγγραφή και επεξεργασία δεδοµένων, µε σκοπό την επίλυση προβληµάτων. Αυτό το ρόλο παίζει το λογισµικό, το οποίο ενορχηστρώνει τη λειτουργία των επιµέρους τµηµάτων του υλικού, επιτυγχάνοντας, κατ αυτόν τον τρόπο, την κατάλληλη είσοδο, έξοδο και επεξεργασία δεδοµένων. Το λογισµικό χωρίζεται σε δύο κύριες κατηγορίες, ανάλογα µε τη λειτουργία που επιτελεί, σε λογισµικό συστήµατος και λογισµικό εφαρµογών. Το λογισµικό συστήµατος (system software) ασχολείται µε θεµελιώδεις λειτουργίες του υπολογιστή, που αφορούν τη χαµηλού επιπέδου λειτουργία των επιµέρους τµηµάτων του υλικού, καθώς και τις βασικές ιδιότητες που διαµορφώνουν το περιβάλλον λειτουργίας και εκτέλεσης προγραµµάτων. Το σηµαντικότερο µέρος του λογισµικού συστήµατος είναι το λειτουργικό σύστηµα, η έννοια του οποίου παρουσιάζεται σε ενότητα που ακολουθεί. Το λογισµικό εφαρµογών (application software) περιλαµβάνει προγράµµατα που κατασκευάζονται για την επίλυση συγκεκριµένων προβληµάτων ή τη διευκόλυνση συγκεκριµένων λειτουργιών. Συχνά οι εταιρείες παραγωγής λογισµικού διαθέτουν ένα σύνολο προγραµµάτων που σχετίζονται µε µία ή ένα σύνολο σχετικών λειτουργιών. Όλα αυτά τα προγράµµατα µαζί λέγονται πακέτο εφαρµογών (software package), που έχει ως στόχο την πλήρη κάλυψη των απαιτήσεων των χρηστών σε µία περιοχή εφαρµογών. Το λογισµικό εφαρµογών βρίσκεται σε ένα υψηλότερο επίπεδο από το λογισµικό συστήµατος και χρησιµοποιεί λειτουργίες του τελευταίου. Με τις λειτουργίες που παρέχει το λογισµικό συστήµατος οι εφαρµογές χειρίζονται το υλικό χωρίς να ασχολούνται µε τις λεπτοµέρειες χρήσης του. Επίσης, το λογισµικό εφαρµογών κατασκευάζεται µε γλώσσες προγραµµατισµού υψηλού επιπέδου. Με αυτό τον τρόπο διευκολύνεται η διαδικασία παραγωγής του λογισµικού, αφού επικεντρώνουµε σε θέµατα που σχετίζονται µε την εκάστοτε εφαρµογή και όχι σε θέµατα που άπτονται των συγκεκριµένων χαρακτηριστικών λειτουργίας και χρήσης συγκεκριµένων τµηµάτων του υλικού. Επειδή όµως, τελικά, κάθε εφαρµογή εκτελείται στο υλικό του υπολογιστή, πρέπει το πρόγραµµα υψηλού επιπέδου να αντιστοιχηθεί σε χαµηλού επιπέδου λειτουργίες. Αυτή τη λειτουργία επιτελούν οι µεταγλωττιστές ή µεταφραστές (compilers), που περιλαµβάνονται στο λογισµικό συστήµατος. Σχήµα 6 Η ιεραρχία υλικού λογισµικού Από τα παραπάνω είναι φανερό ότι ένας υπολογιστής µπορεί να θεωρηθεί ως ένα ιεραρχηµένο σύστηµα από τµήµατα λογισµικού και υλικού (Σχήµα 6). Στο υψηλότερο 19

20 επίπεδο είναι το λογισµικό εφαρµογών, µε το λογισµικό συστήµατος από κάτω του. Το λογισµικό συστήµατος µε τη σειρά του, βασίζεται πάνω στη CPU, τη µνήµη και τις µονάδες εισόδου-εξόδου του υπολογιστή (υλικό υπολογιστή). Η ιεραρχία δεν σταµατά στην πραγµατικότητα εδώ, αφού αυτά τα τµήµατα του υλικού είναι κατασκευασµένα από απλούστερα τµήµατα. Θα πρέπει να τονίσουµε ότι η διάκριση ανάµεσα στο ρόλο του υλικού και στο ρόλο του λογισµικού δεν είναι πάντα σαφής. Κάθε µέρος ενός υπολογιστικού συστήµατος επιτελεί συγκεκριµένες λειτουργίες, όπως υπογραµµίστηκε παραπάνω. Μερικές από αυτές τις λειτουργίες (π.χ. η µετάφραση µιας γλώσσας προγραµµατισµού) επιτελούνται κατά παράδοση από το λογισµικό. Άλλες (π.χ. η πρόσθεση δύο αριθµών) επιτελούνται κατά παράδοση από το υλικό. Μερικές λειτουργίες όµως, µπορεί άλλοτε να επιτελούνται από το λογισµικό και άλλοτε από το υλικό. Ένα παράδειγµα είναι ο πολλαπλασιασµός, ο οποίος είναι µια λειτουργία που παρέχεται από όλα τα υπολογιστικά συστήµατα. Ένας τρόπος είναι να σχεδιαστεί ο κατάλληλος αλγόριθµος, να εκφραστεί σαν πρόγραµµα (πιθανώς σαν µέρος του λογισµικού συστήµατος) και µετά να εκτελείται το πρόγραµµα οποτεδήποτε απαιτείται πολλαπλασιασµός. Ένας άλλος τρόπος είναι να ενσωµατωθεί ο ίδιος αλγόριθµος στο υλικό της CPU. Αυτό σηµαίνει ότι CPU πρέπει να είναι σχεδιασµένη έτσι ώστε τα εσωτερικά τµήµατά της να µπορούν να εκτελούν τον αλγόριθµο σαν µια λειτουργία. Η υλοποίηση της πράξης στο υλικό έχει το πλεονέκτηµα της ταχύτητας, καθώς ο πολλαπλασιασµός πραγµατοποιείται πολύ πιο γρήγορα απ' ό,τι όταν πραγµατοποιείται από το λογισµικό. Έχει όµως το µειονέκτηµα της αύξησης της πολυπλοκότητας της CPU, που συνεπάγεται αύξηση και του κόστους κατασκευής της. Θεωρητικά, οποιαδήποτε λειτουργία ενός υπολογιστή µπορεί να παρέχεται είτε από το λογισµικό είτε από το υλικό. Αυτό σηµαίνει ότι ένας αλγόριθµος, ο οποίος περιγράφει πώς θα επιτελεστεί η λειτουργία, µπορεί είτε να εκφραστεί σαν πρόγραµµα είτε να ενσωµατωθεί στο υλικό µέρος. Στην πράξη όµως, η επιλογή µεταξύ υλικού και λογισµικού εξαρτάται από παραµέτρους που αφορούν κυρίως την ταχύτητα και το κόστος. Πολύπλοκες λειτουργίες, όπως η µετάφραση ή ο σχεδιασµός γεφυρών, επιτελούνται γενικά από το λογισµικό, επειδή το κόστος της κατασκευής ειδικού υλικού για αυτές τις λειτουργίες είναι απαγορευτικό. Απλές λειτουργίες ή λειτουργίες που απαιτούνται πολύ συχνά γενικά επιτελούνται από το υλικό, ώστε να γίνονται µε τη µέγιστη δυνατή ταχύτητα. Συνοψίζοντας, παρατηρούµε ότι το όριο µεταξύ υλικού και λογισµικού είναι µεταβλητό και µπορεί να µεταβάλλεται καθώς, µε την πάροδο του χρόνου, αλλάζουν τα τεχνολογικά δεδοµένα. 20

21 4. ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ Το λειτουργικό σύστηµα είναι το σηµαντικότερο κοµµάτι του λογισµικού συστήµατος ενός υπολογιστή. Οι βασικές λειτουργίες του είναι αφ ενός η δηµιουργία ενός περιβάλλοντος που επιτρέπει τη χρήση του υλικού του υπολογιστή (CPUs, µνήµη, δίσκοι κ.λ.π.) και απλοποιεί την πρόσβαση στο υλικό, και αφ εταίρου να επιτρέπει το διαµοιρασµό και τη διάθεση των πόρων του υπολογιστικού συστήµατος στα διάφορα προγράµµατα που εκτελούνται σε αυτό. Οι λειτουργίες που επιτελεί το λειτουργικό σύστηµα είναι ιδιαίτερα σηµαντικές, καθώς διευκολύνουν τη χρήση των υπολογιστών και την ανάπτυξη προγραµµάτων, ενώ εξασφαλίζουν τις βασικές προϋποθέσεις για την οµαλή εκτέλεση των προγραµµάτων. Με άλλα λόγια, η απουσία λειτουργικού συστήµατος θεωρείται αδιανόητη, καθώς θα καθιστούσε εξαιρετικά πολύπλοκη τη χρήση και τον προγραµµατισµό των υπολογιστών και ασταθή την εκτέλεση των προγραµµάτων. Το πιο διαδεδοµένο λειτουργικό σύστηµα στους προσωπικούς υπολογιστές είναι τα Microsoft Windows, ενώ παλιότερο λειτουργικό σύστηµα της ίδιας εταιρείας είναι το MS-DOS. Άλλα λειτουργικά συστήµατα είναι το Unix και το Linux Λειτουργίες του Λειτουργικού Συστήµατος Χρήση του Υλικού του Υπολογιστή Το υλικό του υπολογιστή αποτελείται από ένα σύνολο συσκευών και εξαρτηµάτων, π.χ. επεξεργαστές, µνήµη, δίσκους, κάρτες δικτύου, κάρτες γραφικών κ.λ.π. Καθένα από τα παραπάνω µπορεί να χρησιµοποιηθεί µέσω ενός συνόλου εντολών (π.χ. εγγραφή δεδοµένων σε ένα δίσκο). Ακόµα και διαφορετικές συσκευές που κάνουν την ίδια δουλειά (π.χ. κάρτες γραφικών) χρησιµοποιούνται µε διαφορετικές εντολές. Η χρήση των συσκευών του υπολογιστή καθώς και η δηµιουργία προγραµµάτων γίνονται εξαιρετικά δύσκολες και πολύπλοκες διαδικασίες όταν χρησιµοποιούνται απευθείας αυτές οι εντολές. Απλές εργασίες όπως η τύπωση στην οθόνη των περιεχοµένων ενός καταλόγου, µπορεί να απαιτούν εκατοντάδες γραµµές εντολών. Επίσης, µε αυτό τον τρόπο υπάρχει περιορισµένη επαναχρησιµοποίηση των προγραµµάτων καθώς ένα πρόγραµµα που κατασκευάζεται π.χ. µε τις εντολές ενός επεξεργαστή δεν µπορεί να εκτελεστεί σε κανέναν άλλο. Οι παραπάνω περιορισµοί και δυσκολίες είναι τόσο σηµαντικές, ώστε η µη ικανοποιητική αντιµετώπισή τους δεν θα επέτρεπε την αξιοποίηση της τεχνολογίας των ηλεκτρονικών υπολογιστών και τη διάδοσή τους στο βαθµό που παρατηρείται σήµερα. Στην αντιµετώπιση των παραπάνω προβληµάτων συµβάλει ουσιαστικά το λειτουργικό σύστηµα. Όπως φαίνεται και στο Σχήµα 7, το λειτουργικό σύστηµα βρίσκεται σε ένα επίπεδο µεταξύ του υλικού από τη µία και των προγραµµάτων και των χρηστών από την άλλη, ώστε να είναι απλή και αποδοτική η χρήση του υπολογιστή από τα προγράµµατα χρηστών. Μέσω του λειτουργικού συστήµατος. Τα προγράµµατα δεν εξαρτώνται από συγκεκριµένα χαρακτηριστικά του υλικού, αλλά εκφράζονται σε εντολές υψηλότερου επιπέδου. Έτσι, το ίδιο πρόγραµµα µπορεί να εκτελείται σε ηλεκτρονικούς υπολογιστές µε διαφορετικά χαρακτηριστικά υλικού, αρκεί να έχουν το ίδιο λειτουργικό σύστηµα. Κατ αυτόν τον τρόπο τα προγράµµατα κατασκευάζονται για κάποιο λειτουργικό σύστηµα (και πιθανώς κάποιους περιορισµούς υλικού (minimum hardware requirements)) και µπορούν να εκτελούνται σε όλους τους υπολογιστές που έχουν το συγκεκριµένο λειτουργικό σύστηµα. Τέλος, τα λειτουργικά συστήµατα περιλαµβάνουν και ένα σύνολο από βασικά, βοηθητικά προγράµµατα που διευκολύνουν πολλές εργασίες των χρηστών (π.χ. αναζήτηση αρχείων, προβολή σύνθεσης και ρυθµίσεων του ηλεκτρονικού υπολογιστή κ.α.). 21

22 Σχήµα 7 Η διευκόλυνση της χρήσης του υλικού από το λειτουργικό σύστηµα Το Λειτουργικό Σύστηµα ως ιαχειριστής Πόρων Είδαµε πόσο σηµαντικός είναι ο ρόλος του λειτουργικού συστήµατος όσον αφορά τη διευκόλυνση της πρόσβασης στο υλικό του υπολογιστή. Έτσι διευκολύνονται οι χρήστες και οι προγραµµατιστές. Πώς διατίθενται όµως οι υλικοί πόροι του ηλεκτρονικού υπολογιστή (π.χ. ο επεξεργαστής, η µνήµη, οι συσκευές εισόδου και εξόδου) στα προγράµµατα που εκτελούνται; Πώς διασφαλίζεται η οµαλή εκτέλεση όλων των προγραµµάτων και η αποφυγή συγκρούσεων και συγχύσεων µεταξύ τους; Αυτή είναι η άλλη βασική λειτουργία του λειτουργικού συστήµατος, το οποίο ενεργεί ως ένας διαχειριστής των πόρων του ηλεκτρονικού υπολογιστή. Για παράδειγµα, αν δύο ή περισσότερα προγράµµατα αποπειραθούν αν εκτυπώσουν συγχρόνως κάτι στον ίδιο εκτυπωτή, το λειτουργικό σύστηµα αφήνει την εκτύπωση του ενός προγράµµατος να προχωρήσει στον εκτυπωτή και αποθηκεύει προσωρινά στον δίσκο τις άλλες. Έτσι, το αποτέλεσµα είναι διαδοχικές εκτυπώσεις από τα διαφορετικά προγράµµατα και όχι ένα µπερδεµένο συνονθύλευµα όλων των εκτυπώσεων µαζί. Άλλο παράδειγµα είναι ο επεξεργαστής και η διάθεση του στα διάφορα προγράµµατα που εκτελούνται. Κάθε πρόγραµµα απαιτεί κάποιο χρόνο του επεξεργαστή για να εκτελεστεί. Το λειτουργικό σύστηµα κάνει χρονοπρογραµµατισµό της διάθεσης του επεξεργαστή στα προγράµµατα ώστε να εκτελούνται όλα και µε τις κατάλληλες προτεραιότητες, ανάλογα µε τη σηµασία τους. Ο διαιτητικός αυτός ρόλος του λειτουργικού συστήµατος είναι εξίσου σηµαντικός µε αυτόν που είδαµε στην προηγούµενη παράγραφο. Καθώς ο υπολογιστής είναι ένα σύστηµα αποτελούµενο από δεκάδες πόρους διαφορετικής φύσης και λειτουργικότητας, η σωστή διαχείριση και διάθεσή τους στα προγράµµατα είναι λειτουργία καθοριστικής σηµασίας για την επωφελή λειτουργία του. Η εσφαλµένη ή ελλιπής διαχείριση και διαµοιρασµός των πόρων οδηγεί στην αστάθεια και την απρόβλεπτη συµπεριφορά του υπολογιστή Ιστορία των Λειτουργικών Συστηµάτων Τα λειτουργικά συστήµατα εξελίσσονται παράλληλα µε την αρχιτεκτονική και την τεχνολογία των ηλεκτρονικών υπολογιστών στους οποίους εκτελούνται. Αν και για την πρώτη γενιά ηλεκτρονικών υπολογιστών δεν υπήρχε λειτουργικό σύστηµα, στη συνέχεια τα λειτουργικά συστήµατα έκαναν την εµφάνισή τους και προοδευτικά ανέλαβαν το σηµαντικό ρόλο τους. Η εξέλιξη των λειτουργικών συστηµάτων µπορεί να συνοψιστεί στις αντίστοιχες περιόδους εξέλιξης των ηλεκτρονικών υπολογιστών που ακολουθούν: Πρώτη γενιά Η/Υ (λυχνίες κενού και κάρτες καλωδιακών συνδέσεων): Τα λειτουργικά συστήµατα ήταν ανύπαρκτα αυτή την περίοδο. Όλος ο προγραµµατισµός γινόταν σε απόλυτη γλώσσα µηχανής, συχνά µε καλωδίωση καρτών καλωδιακών 22

23 συνδέσεων (plugboards) για τον έλεγχο των βασικών λειτουργιών της µηχανής. Οι γλώσσες προγραµµατισµού, όπως και τα λειτουργικά συστήµατα ήταν άγνωστα ακόµα. Τα προβλήµατα που λύνονταν αφορούσαν αριθµητικούς υπολογισµούς, όπως η εύρεση πινάκων για ηµίτονα και συνηµίτονα. εύτερη γενιά Η/Υ (transistor και συστήµατα µαζικής επεξεργασίας): Η εισαγωγή των transistors αύξησε την αξιοπιστία και συγχρόνως τη χρησιµότητα των ηλεκτρονικών υπολογιστών. Οι προγραµµατιστές µπορούσαν να χρησιµοποιούν τη γλώσσα προγραµµατισµού FORTRAN ή τη συµβολική γλώσσα (assembly) για τη δηµιουργία προγραµµάτων τα οποία περνούσαν σε διάτρητες κάρτες και τις παρέδιδαν στους χειριστές οι οποίοι τις τοποθετούσαν στον υπολογιστή για εκτέλεση. Επειδή, υπήρχε σπατάλη χρόνου κατά την παραλαβή και τοποθέτηση των καρτών από κάθε προγραµµατιστή, δηµιουργήθηκε η ανάγκη για αποθήκευση πολλών προγραµµάτων σε µαγνητική ταινία. Αφού αποθηκεύονταν πολλά προγράµµατα σε µία ταινία, ο χειριστής την τοποθετούσε σε έναν οδηγό ταινίας και φόρτωνε ένα ειδικό πρόγραµµα, το οποίο διάβαζε διαδοχικά ένα-ένα τα αποθηκευµένα στην ταινία προγράµµατα και τα εκτελούσε. Το ειδικό αυτό πρόγραµµα ήταν ο πρόγονος των σηµερινών λειτουργικών συστηµάτων. Για τον έλεγχο και την εκτέλεση προγραµµάτων και εργασιών χρησιµοποιούνταν διάτρητες κάρτες (π.χ. κάρτα $JOB, κάρτα $LOAD ή κάρτα $RUN). Οι µεγάλοι υπολογιστές αυτής της γενιάς χρησιµοποιούνταν για επιστηµονικούς και τεχνικούς υπολογισµούς (π.χ. επίλυση µερικών διαφορικών εξισώσεων), ενώ τυπικά λειτουργικά συστήµατα ήταν το FMS (Fortran Monitor System) και το IBSYS (λειτουργικό σύστηµα της IBM για τον υπολογιστή 7094). Τρίτη γενιά (ολοκληρωµένα κυκλώµατα (IC) και πολυπρογραµµατισµός): Με την πρώτη σειρά υπολογιστών µικρής κλίµακας µε ολοκληρωµένα κυκλώµατα, τη σειρά System/360, η IBM εισήγαγε την έννοια των συµβατών µηχανών. Αυτές µπορεί να είχαν διαφορετική υπολογιστική ισχύ (π.χ. ταχύτητα επεξεργαστή, µέγεθος µνήµης) και τιµή, διατηρούσαν όµως την ίδια αρχιτεκτονική και το ίδιο σύνολο εντολών. Έτσι, θεωρητικά τουλάχιστον, τα προγράµµατα που θα γράφονταν για τη µία µηχανή θα µπορούσαν να εκτελεστούν και στις υπόλοιπες συµβατές της. Αυτό που έλειπε ήταν ένα λειτουργικό σύστηµα το οποίο να µπορεί να εκτελεστεί από τα «µικρά» µέχρι τα «πολύ µεγάλα» υπολογιστικά συστήµατα και να είναι αποτελεσµατικό για όλα τα περιβάλλοντα εργασίες και για όλους τους χρήστες. Το αποτέλεσµα, το λειτουργικό σύστηµα OS/360, για να καλύψει όλες αυτές τις απαιτήσεις έγινε τεράστιο και εξαιρετικά πολύπλοκο, περιέχοντας πάρα πολλά λάθη. Παρόµοιες προσπάθειες έγιναν και από άλλους κατασκευαστές. Στα λειτουργικά συστήµατα σηµαντικότερη καινοτοµία αυτής της περιόδου ήταν ο πολυπρογραµµατισµός, µε τον οποίο επιχειρήθηκε η καλύτερη εκµετάλλευση του επεξεργαστή (Σχήµα 8). Με τον πολυπρογραµµατισµό φορτώνονται περισσότερες από µία διεργασίες στη µνήµη του υπολογιστή και όταν η µία διακόπτει περιµένοντας να ολοκληρωθεί κάποια λειτουργία εισόδου/εξόδου, αντί ο επεξεργαστής να παραµένει ανενεργός, εκτελεί µία άλλη διεργασία. Αυτή την περίοδο έκανε την εµφάνισή του και ο ετεροχρονισµός (SPOOLing Simultaneous Peripheral Operation On Line) µε τον οποίο πολλές κάρτες µπορούσαν να εισαχθούν στον υπολογιστή και να αποθηκευθούν στο δίσκο. Όταν τελείωνε µία διεργασία το λειτουργικό σύστηµα φόρτωνε αυτόµατα από το δίσκο την επόµενη. Ο ετεροχρονισµός χρησιµοποιήθηκε και για την έξοδο. Μία άλλη τεχνική που εµφανίστηκε αυτή την περίοδο είναι ο καταµερισµός χρόνου (timesharing) µε τον οποίο πολλοί χρήστες είναι συνδεδεµένοι στο υπολογιστικό σύστηµα µε τερµατικά. Χαρακτηριστικά παραδείγµατα τέτοιων λειτουργικών 23

24 συστηµάτων είναι το CTSS (MIT) και MULTICS (MIT, Bell Labs, General Electric). Αυτή την περίοδο εµφανίστηκαν mini υπολογιστές µε κύριο εκπρόσωπο τη σειρά PDP της DEC (PDP-1 έως και PDP-11). Σχήµα 8 Με τον πολυπρογραµµατισµό ο επεξεργαστής εκτελεί διαδοχικά διαφορετικές διεργασίες για συγκεκριµένα χρονικά διαστήµατα. Τέταρτη γενιά (προσωπικοί υπολογιστές): Η ανάπτυξη των chips υψηλής κλίµακας ολοκλήρωσης (Large Scale Integration ή LSI) και η εµφάνιση των φθηνών mini υπολογιστών είχαν σαν συνέπεια την ευρύτερη διάδοση των υπολογιστών. Η χρήση των υπολογιστών από λιγότερο εξοικειωµένους µε την τεχνολογία ανθρώπους δηµιούργησε την ανάγκη για πιο φιλικά προς το χρήστη λειτουργικά συστήµατα. Έτσι, αυτή την περίοδο δύο λειτουργικά συστήµατα κυριάρχησαν το MS-DOS (Microsoft Disk Operating System) και το Unix. Το πρώτο χρησιµοποιούταν σε συστήµατα βασισµένα στον επεξεργαστή 8088 και τους απογόνους του (80286, 80386, 80486), ενώ το δεύτερο σε συστήµατα βασισµένα σε επεξεργαστές τεχνολογίας RISC. Αυτή την περίοδο ιδιαίτερη ανάπτυξη γνώρισαν και τα δίκτυα προσωπικών υπολογιστών που υποστηρίζονταν από λειτουργικά συστήµατα δικτύου και κατανεµηµένα λειτουργικά συστήµατα. Στα λειτουργικά συστήµατα δικτύου οι χρήστες είναι ενήµεροι των υπολογιστών και των πόρων µε τους οποίους µπορούν να συνδεθούν µέσω του δικτύου. Αντίθετα, µε τα κατανεµηµένα λειτουργικά συστήµατα όλοι οι υπολογιστές συµπεριφέρονται ως µία µηχανή µε πολλούς επεξεργαστές και οι χρήστες δεν ασχολούνται µε το πού ακριβώς εκτελούνται τα προγράµµατά τους και αποθηκεύονται τα αρχεία τους. Στα πιο σύγχρονα λειτουργικά συστήµατα έχει δοθεί ακόµα µεγαλύτερη έµφαση στη φιλικότητα προς τους χρήστες, µε την εισαγωγή γραφικών περιβαλλόντων (Windows) Έννοιες των Λειτουργικών Συστηµάτων Οι θεµελιώδεις έννοιες στα λειτουργικά συστήµατα είναι οι ακόλουθες: ιεργασία: Είναι από τις πλέον βασικές έννοιες στα λειτουργικά συστήµατα, αφού κάθε λειτουργία που εκτελείται σε έναν υπολογιστή έχει τη µορφή διεργασίας. Μια διεργασία είναι ένα πρόγραµµα που εκτελείται, µαζί µε όλες τις πληροφορίες που αφορούν τη συγκεκριµένη εκτέλεσή του. Έτσι, εκτός από τις εντολές του προγράµµατος, µία διεργασία περιέχει τα δεδοµένα του προγράµµατος και της στοίβας, το δείκτη εντολών προγράµµατος, το δείκτη στοίβας και άλλους καταχωρητές. Ένα πρόγραµµα µπορεί να εκτελείται περισσότερες από µία φορές την ίδια στιγµή σε έναν ηλεκτρονικό υπολογιστή µε τη µορφή ισάριθµων, διαφορετικών διεργασιών. Εποµένως, τα προγράµµατα µπορούν να θεωρηθούν πρωτότυπα, από τα οποία µπορούν να δηµιουργηθούν διεργασίες, οι οποίες είναι οι εκτελέσιµες µορφές τους. Κλήσεις συστήµατος: Οι κλήσεις συστήµατος (system calls) είναι το µέσο επικοινωνίας των προγραµµάτων µε το λειτουργικό σύστηµα για το χειρισµό τµηµάτων του υπολογιστή. Τα προγράµµατα δεν πραγµατοποιούν απευθείας κλήσεις 24

25 συστήµατος, αλλά χρησιµοποιούν τις αντίστοιχες διαδικασίες βιβλιοθήκης (library procedures), οι οποίες διεκπεραιώνουν τις κλήσεις συστήµατος. Μέσω των κλήσεων συστήµατος ικανοποιούνται οι αιτήσεις των προγραµµάτων για πόρους του υπολογιστή (µνήµη, αποθήκευση δεδοµένων). Αυτό γίνεται σε ένα αφηρηµένο επίπεδο που παρέχεται από το λειτουργικό σύστηµα, χωρίς να απαιτείται γνώση συγκεκριµένων χαρακτηριστικών του υλικού. Αρχεία: Για την αποθήκευση και ανάκτηση δεδοµένων στη δευτερεύουσα µνήµη, τα λειτουργικά συστήµατα παρέχουν ένα σύνολο από κλήσεις συστήµατος που βασίζονται σε ένα µοντέλο αρχείων. Το µοντέλο αυτό αποκρύπτει τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των συσκευών αποθήκευσης παρέχοντας έναν οµοιόµορφο τρόπο πρόσβασης στα δεδοµένα. Τα περισσότερα λειτουργικά συστήµατα έχουν υιοθετήσει την ιεραρχική οµαδοποίηση των αρχείων σε καταλόγους (directories), για την καλύτερη οργάνωσή τους. Για τις εργασίες στα αρχεία και τους καταλόγους, όπως δηµιουργία, διαγραφή, επεξεργασία, αποθήκευση κ.α., υπάρχουν κατάλληλες κλήσεις συστήµατος. 25

26 5. ΑΡΧΕΙΑ 5.1. Απαιτήσεις Αποθήκευσης Όλα τα προγράµµατα σε έναν ηλεκτρονικό υπολογιστή εκτελούνται µε τη µορφή διεργασιών. Σε κάθε διεργασία διατίθεται ένα τµήµα της κύριας µνήµης του υπολογιστή, όπου τοποθετούνται το εκτελέσιµο πρόγραµµα, καθώς και δεδοµένα που χρησιµοποιούνται κατά την εκτέλεση της διεργασίας. Μετά την ολοκλήρωση της εκτέλεσης του προγράµµατος η διεργασία παύει να υπάρχει και το τµήµα της µνήµης που της είχε διατεθεί ελευθερώνεται. Έτσι, χάνονται όλα τα δεδοµένα που διατηρούνταν εκεί. Πολλές εφαρµογές όµως χρησιµοποιούν δεδοµένα που πρέπει να διατηρούνται και µετά τη λήξη της εκτέλεσής τους. Για παράδειγµα µια εφαρµογή τηλεφωνικού καταλόγου πρέπει να διατηρεί τις καταχωρήσεις της και µετά τον τερµατισµό της, ώστε την επόµενη φορά που θα εκτελεστεί να τις έχει διαθέσιµες. Η κύρια µνήµη που διατίθεται στις διεργασίες δεν µπορεί να ικανοποιήσει αυτή την απαίτηση για µακροχρόνια αποθήκευση των δεδοµένων. Πέρα από την απαίτηση για µακροχρόνια αποθήκευση των δεδοµένων, συχνά ο όγκος των δεδοµένων που διαχειρίζεται ένα πρόγραµµα είναι τόσο µεγάλος ώστε η κύρια µνήµη δεν επαρκεί για την αποθήκευσή τους. Για παράδειγµα τα δεδοµένα που χρησιµοποιούν τραπεζικές εφαρµογές ή αεροπορικές εταιρείες είναι πολύ µεγαλύτερα από τη κύρια µνήµη που µπορεί να διατεθεί σε µία διεργασία. Εποµένως, ο όγκος των δεδοµένων δηµιουργεί άλλη µία απαίτηση που δεν µπορεί να καλυφθεί από την κύρια µνήµη. Επίσης, τα δεδοµένα που βρίσκονται στο χώρο διευθύνσεων µιας διεργασίας στην κύρια µνήµη, δεν µπορούν να χρησιµοποιηθούν από άλλες διεργασίες. Σε πολλές περιπτώσεις εφαρµογών όµως κάποια δεδοµένα πρέπει να είναι διαθέσιµα σε πολλές διεργασίες συγχρόνως, όπως π.χ. στις βάσεις δεδοµένων. Εποµένως, η διατήρηση δεδοµένων στην κύρια µνήµη του ηλεκτρονικού υπολογιστή δεν καλύπτει τις αποθηκευτικές απαιτήσεις των προγραµµάτων. Συγκεκριµένα αδυνατεί να ικανοποιήσει την απαίτηση για: µακροχρόνια αποθήκευση δεδοµένων, αποθήκευση δεδοµένων οσοδήποτε µεγάλου όγκου και δυνατότητα πολλαπλής ταυτόχρονης πρόσβασης στα δεδοµένα. Τα παραπάνω προβλήµατα αντιµετωπίζονται µε την αποθήκευση των δεδοµένων σε µονάδες δευτερεύουσας µνήµης. Εκεί, τα δεδοµένα διατηρούνται ανεξάρτητα από το αν οι διεργασίες που τα χρησιµοποιούν εκτελούνται ή έχουν τερµατιστεί. Λόγω του όγκου και την ανεξάρτητης φύσης αυτών των δεδοµένων (δεν εξαρτώνται από κάποια διεργασία), είναι απαραίτητη η ύπαρξη ενός µηχανισµού οργάνωσης και πρόσβασης σε αυτά. Η επικρατέστερη προσέγγιση είναι η οργάνωση των δεδοµένων σε αρχεία, λειτουργία που προσφέρεται από τα λειτουργικά συστήµατα Σύστηµα Αρχείων Η διαχείριση των αρχείων γίνεται από το λειτουργικό σύστηµα και συγκεκριµένα από το σύστηµα αρχείων (file system), που είναι υπεύθυνο για θέµατα όπως ονοµατολογία, προστασία, πρόσβαση κ.α. Έτσι, οι χρήστες και οι προγραµµατιστές δεν ασχολούνται µε θέµατα που αφορούν τη φυσική αποθήκευση των αρχείων, αλλά µε τις λειτουργίες που τους παρέχει το σύστηµα αρχείων του λειτουργικού συστήµατος. Το σύστηµα αρχείων καθορίζει τα χαρακτηριστικά και τον τρόπο χρήσης των αρχείων και συγκεκριµένα: προσδιορίζει την επιτρεπόµενη ονοµατολογία των αρχείων 26

27 καθορίζει τον τρόπο δηµιουργίας και διαγραφής των αρχείων εξασφαλίζει τη δυνατότητα προσπέλασης στα αρχεία διαχειρίζεται τον αποθηκευτικό χώρο και την οργάνωση των αρχείων προφυλάσσει τα αρχεία από µη εξουσιοδοτηµένη πρόσβαση διασφαλίζει την ακεραιότητα των αρχείων (π.χ. απώλεια, φθορά) Με λίγα λόγια, το σύστηµα αρχείων καθορίζει όλες τις παραµέτρους που αφορούν την αποθήκευση και την ανάκτηση δεδοµένων από τα αρχεία και παρέχει στους χρήστες και τους προγραµµατιστές λειτουργίες µε τις οποίες µπορούν να χρησιµοποιούν τα αρχεία Αρχεία Με τα αρχεία, το λειτουργικό σύστηµα παρέχει µηχανισµούς αποθήκευσης και ανάκτησης δεδοµένων. Ένα αρχείο είναι µία οντότητα, η οποία αντιστοιχεί σε ένα σύνολο δεδοµένων που είναι αποθηκευµένα στη δευτερεύουσα µνήµη (σε δίσκο) ενός ηλεκτρονικού υπολογιστή και που µπορούν να χρησιµοποιηθούν από τους χρήστες του υπολογιστή. Το σύστηµα αρχείων του κάθε λειτουργικού συστήµατος καθορίζει τις παραµέτρους διαχείρισης και χρήσης των αρχείων. Στη συνέχεια παρουσιάζουµε τις σηµαντικότερες από αυτές Ονοµατολογία Αρχείων Τα ονόµατα των αρχείων ορίζονται κατά τη δηµιουργία τους. Στις περισσότερες περιπτώσεις είναι δυνατή και η µετονοµασία των αρχείων µε τον προσδιορισµό ενός νέου ονόµατος. Κάθε σύστηµα αρχείων έχει τους δικούς του κανόνες σχετικά µε τα επιτρεπόµενα ονόµατα αρχείων. Τα περισσότερα συστήµατα αρχείων επιτρέπουν τη χρήση συµβολοσειρών που περιλαµβάνουν και αριθµητικά ψηφία, καθώς και κάποιους άλλους βοηθητικούς χαρακτήρες (!, $). Ορισµένα συστήµατα αρχείων διαφοροποιούν τους πεζούς από τους κεφαλαίους χαρακτήρες (π.χ. στο Unix τα myfile και myfile είναι διαφορετικά ονόµατα αρχείων), ενώ άλλα όχι (π.χ. DOS, Windows). Κάποια συστήµατα αρχείων υποστηρίζουν ονόµατα αρχείων που χωρίζονται σε δύο µέρη από µία τελεία (π.χ. Exercise.doc ). Σε αυτή την περίπτωση το δεύτερο µέρος του αρχείου λέγεται επέκταση του αρχείου. Συνήθως οι επεκτάσεις είναι ενδεικτικές του τύπου του αρχείου το οποίο προσδιορίζουν. Εποµένως, η επέκταση από µόνη της δεν προσδιορίζει το είδος του αρχείου, αλλά είναι απλά µία ένδειξη προς διευκόλυνση του χρήστη. Ο παρακάτω πίνακας παρουσιάζει τις πλέον συνήθεις επεκτάσεις ονοµάτων και τον αντίστοιχο τύπο αρχείου. Επέκταση.BAK.BAT.COM.DAT.DTA ή Τύπος Αρχείου Εφεδρικά αντίγραφα αρχείων Αρχεία οµαδικών εντολών Μικρά εκτελέσιµα αρχεία Αρχεία δεδοµένων 27

28 .DOC.DRV.ΕΧΕ.NDX.SYS.TXT.XLS Αρχεία κειµένων σε επεξεργαστές κειµένου MS Word Οδηγοί συσκευών εφαρµογών Εκτελέσιµα προγράµµατα Αρχεία ευρετηρίων Οδηγοί συσκευών του DOS Απλά αρχεία κειµένου ASCII Αρχεία λογιστικών φύλλων MS Excel οµή Αρχείων Τα αρχεία µπορούν να δοµηθούν µε µία πληθώρα από τρόπους. Οι τρεις πιο συνηθισµένοι παρουσιάζονται στο Σχήµα 9. Στην πρώτη περίπτωση (α) τα αρχεία αποθηκεύονται ως ακολουθίες από bytes και το λειτουργικό σύστηµα δεν γνωρίζει τίποτα για τα περιεχόµενά τους. Το νόηµα των δεδοµένων που περιέχονται στα αρχεία δίνεται από τα προγράµµατα που διαβάζουν και γράφουν σε αυτά. Αυτή η προσέγγιση ακολουθείται τόσο από το Unix όσο και από το DOS και τα Windows. Στη δεύτερη περίπτωση (β) κάθε αρχείο είναι µία ακολουθία από εγγραφές συγκεκριµένης δοµής και µήκους. Αυτή η προσέγγιση ήταν παλαιότερα δηµοφιλής, λόγω των διάτρητων καρτών 80 στηλών που χρησιµοποιούνταν. Το πιο πρόσφατο λειτουργικό σύστηµα που βλέπει τα αρχεία ως ακολουθίες εγγραφών είναι το CP/M (µε εγγραφές 128 χαρακτήρων). Στην τρίτη περίπτωση (γ) το αρχείο έχει τη µορφή δέντρου εγγραφών. Το δέντρο είναι ταξινοµηµένο µε βάση ένα πεδίο-κλειδί των εγγραφών, επιτρέποντας την γρήγορη αναζήτησή τους σε αυτό. Σχήµα 9 Η φυσική αποθήκευση των αρχείων σε διαδοχικά bytes (α), διαδοχικές εγγραφές(β) και σε µορφή δέντρου εγγραφών Τύποι Αρχείων Μιλήσαµε νωρίτερα για τις επεκτάσεις στα ονόµατα των αρχείων, οι οποίες είναι ενδεικτικές του τύπου τους. Ο τύπος ενός αρχείου προσδιορίζεται στην πραγµατικότητα από τα ίδια του τα περιεχόµενα και τον τρόπο µε τον οποίο αυτά χρησιµοποιούνται στον ηλεκτρονικό 28

29 υπολογιστή. Γενικά τα αρχεία µπορούν να χωριστούν σε αρχεία χαρακτήρων και σε αρχεία δυαδικής (binary) πληροφορίας. Τα αρχεία χαρακτήρων περιέχουν bytes καθένα από τα οποία αντιστοιχεί σε κάποιο γράµµα ή ψηφίο σύµφωνα µε την κωδικοποίηση ASCII. Τα αρχεία αυτού του τύπου µπορούν να διαβαστούν από όλους τους υπολογιστές και όλα τα λειτουργικά συστήµατα, αφού η ερµηνεία των bytes που περιέχουν κοινό συγκεκριµένο πρότυπο, το ASCII, και όχι από κάποιο πρόγραµµα ή ένα λειτουργικό σύστηµα. Αντίθετα, τα αρχεία δυαδικής πληροφορίας περιέχουν πληροφορία η οποία γράφεται και µπορεί να διαβαστεί από συγκεκριµένα προγράµµατα και συγκεκριµένα λειτουργικά συστήµατα. Για παράδειγµα τα αρχεία που περιέχουν εκτελέσιµα προγράµµατα έχουν συγκεκριµένη δοµή την οποία αναγνωρίζει το λειτουργικό σύστηµα. Η δοµή των αρχείων εκτελέσιµων προγραµµάτων µπορεί να είναι διαφορετική για κάθε λειτουργικό σύστηµα. Έτσι, ένα αρχείο εκτελέσιµου προγράµµατος για το MS-DOS δεν µπορεί να εκτελεστεί στο λειτουργικό σύστηµα Solaris. Τα αρχεία εκτελέσιµων προγραµµάτων είναι µόνο µία κατηγορία αρχείων δυαδικής πληροφορίας. Εκτός από αυτά υπάρχουν και πολλοί άλλοι τύποι αρχείων δυαδικής πληροφορίας. Τα αρχεία δεδοµένων που χρησιµοποιούν τα διάφορα προγράµµατα (π.χ. MS- Word, MS-Outlook) είναι αρχεία δυαδικής πληροφορίας και µπορούν να δηµιουργηθούν και να χρησιµοποιηθούν µόνο από τα αντίστοιχα προγράµµατα. Επίσης, τα αρχεία που περιέχουν εικόνες (π.χ. JPEG, GIF, Bitmap), ήχο (π.χ. MP3, Wave) ή video (π.χ. MPEG, DIV-X) είναι αρχεία δυαδικής πληροφορίας. Το περιεχόµενο τους µπορεί να χρησιµοποιηθεί µόνο από προγράµµατα επεξεργασίας ή αναπαραγωγής εικόνων, ήχου ή video αντίστοιχα Προσπέλαση Αρχείων Η προσπέλαση σε ένα αρχείο είναι η πράξη της πρόσβασης σε ένα σηµείο του αρχείου για την ανάγνωση ή την εγγραφή δεδοµένων. Οι τρόποι προσπέλασης σε ένα αρχείο είναι δύο: σειριακή και τυχαία. Με τη σειριακή προσπέλαση σε ένα αρχείο, µια διεργασία ξεκινάει πάντα να διαβάζει από την αρχή του αρχείου και περνάει µία-µία όλες τις εγγραφές µέχρι να φτάσει στη θέση που θέλει να διαβάσει ή να γράψει. Αντίθετα, µε την τυχαία προσπέλαση η διεργασία πηγαίνει κατευθείαν στο σηµείο του αρχείου που θέλει να διαβάσει ή να γράψει. Το Σχήµα 10 δείχνει ένα παράδειγµα εγγραφής µε σειριακή και τυχαία προσπέλαση των αρχείων. Σχήµα 10 Στη σειριακή προσπέλαση (αριστερά) για να τοποθετηθεί µία νέα εγγραφή στην πέµπτη θέση του αρχείου πρέπει η διεργασία πρώτα να διαβάσει όλες τις εγγραφές από την πρώτη µέχρι την τέταρτη. Στην τυχαία προσπέλαση η διεργασία προσδιορίζει τη θέση στην οποία θέλει να γράψει και στη συνέχεια πραγµατοποιεί την εγγραφή. 29

30 Ιδιοχαρακτηριστικά των Αρχείων Τα λειτουργικά συστήµατα προσδίδουν ένα σύνολο από ιδιότητες στα αρχεία εκτός από το όνοµα και τα δεδοµένα που περιέχουν. Οι ιδιότητες αυτές άλλοτε είναι πληροφοριακές (π.χ. ηµεροµηνία τελευταίας τροποποίησης) και άλλοτε καθορίζουν τον τρόπο χρήσης των αρχείων (π.χ. δικαιώµατα πρόσβασης). Οι ιδιότητες αυτές λέγονται ιδιοχαρακτηριστικά (attributes) των αρχείων. Τα ιδιοχαρακτηριστικά αρχείων που χρησιµοποιούνται από τα περισσότερα λειτουργικά συστήµατα αφορούν: τα δικαιώµατα το χρήστη o ανάγνωσης o τροποποίησης o διαγραφής o που δηµιούργησε το αρχείο o που είναι ο τρέχων ιδιοκτήτης του αρχείου την ένδειξη o µόνο ανάγνωσης o κρυφού αρχείου το χρόνο (ηµεροµηνία και ώρα) o δηµιουργίας o τελευταίας προσπέλασης o τελευταίας τροποποίησης Λειτουργίες επί των Αρχείων Για τη δηµιουργία, τη διαχείριση και τη χρήση των αρχείων τα συστήµατα αρχείων παρέχουν ένα σύνολο από λειτουργίες. Τις λειτουργίες αυτές µπορούν να πραγµατοποιούν οι διεργασίες µε τις κατάλληλες κλήσεις συστήµατος. Στη συνέχεια αναφέρουµε τις πιο συνηθισµένες κλήσεις συστήµατος για αρχεία: Create: ηµιουργεί ένα άδειο αρχείο, προσδιορίζοντας το όνοµα και κάποια από τα ιδιοχαρακτηριστικά του. Delete: ιαγράφει το προσδιοριζόµενο αρχείο. Open: Ανοίγει ένα αρχείο για να χρησιµοποιηθεί (ανάγνωση/εγγραφή). Αν δεν γίνει αυτή η λειτουργία, δεν µπορεί να χρησιµοποιηθεί το αρχείο. Close: Κλείνει το αρχείο απελευθερώνοντας όσους πόρους είχαν δεσµευτεί για τη χρήση του. Read: Ανάγνωση των δεδοµένων από την τρέχουσα θέση του αρχείου. Write: Εγγραφή δεδοµένων στην τρέχουσα θέση του αρχείου. Append: Προσθήκη δεδοµένων στο τέλος του αρχείου. Seek: Τοποθέτηση στην επιθυµητή θέση του αρχείου (για αρχεία τυχαίας προσπέλασης). 30

31 GetAttributes: Επιστρέφει τα ιδιοχαρακτηριστικά των αρχείων. SetAttributes: Επανορίζει κάποια από τα ιδιοχαρακτηριστικά των αρχείων. Rename: Μετονοµάζει ένα αρχείο Κατάλογοι Τα αρχεία που αποθηκεύονται στους δίσκους ενός ηλεκτρονικού υπολογιστή µπορεί να είναι: Αρχεία του λειτουργικού συστήµατος (εκτελέσιµα, αρχεία configuration, drivers κ.α.) Αρχεία προγραµµάτων εφαρµογών και βιβλιοθήκες Αρχεία δεδοµένων χρηστών Αρχεία προσωπικών ρυθµίσεων χρηστών Εποµένως, σε έναν ηλεκτρονικό υπολογιστή αποθηκεύονται πάρα πολλά αρχεία που χρησιµοποιούνται σε διαφορετικές περιπτώσεις και από διαφορετικές διεργασίες ή διαφορετικούς χρήστες. Στην πράξη τα αρχεία που διατηρούνται στους δίσκους ενός υπολογιστή είναι τουλάχιστον κάποιες εκατοντάδες χιλιάδες, γεγονός που σε συνδυασµό µε τη διαφορετική χρήση του καθενός καθιστά απαραίτητη την ύπαρξη ενός τρόπου οργάνωσής τους. Η µέθοδος οργάνωσης που έχει επικρατήσει είναι οι κατάλογοι (directories) αρχείων. Ένας κατάλογος αρχείων περιλαµβάνει ένα σύνολο αρχείων και καταλόγων. Η αναδροµή αυτή (κατάλογοι µπορούν να περιέχονται σε κατάλογο) καθιστά τη δοµή οργάνωσης των καταλόγων ιεραρχική, όπου κατάλογοι-γονείς µπορούν να περιλαµβάνουν καταλόγους-παιδιά (Σχήµα 11). Σχήµα 11 Ιεραρχική οργάνωση καταλόγων. Ουσιαστικά αυτό που επιτυγχάνεται µε τους καταλόγους είναι αντί να έχουµε ένα αποθηκευτικό µέσο µε εκατοντάδες χιλιάδες αρχείων σε ένα επίπεδο (όλα µαζί), έχουµε ουσιαστικά λίγα αρχεία και ένα µικρό αριθµό καταλόγων στο πρώτο επίπεδο (ρίζα του δέντρου των καταλόγων). Καθένας από τους καταλόγους που περιλαµβάνονται στο πρώτο επίπεδο µπορεί να περιλαµβάνει µε τη σειρά του ένα σύνολο αρχείων και καταλόγων (δεύτερο επίπεδο) κ.ο.κ. Κατ αυτό τον τρόπο βελτιώνεται η οργάνωση των αρχείων και γίνεται εφικτή η εφαρµογή πολιτικών προστασίας των δεδοµένων σε επίπεδο καταλόγων και όχι στο ατοµικό επίπεδο των αρχείων. Για παράδειγµα τα αρχεία που χρησιµοποιούνται από το λειτουργικό σύστηµα δεν πρέπει να τροποποιούνται από τους απλούς χρήστες. Η εφαρµογή της κατάλληλης προστασίας στον κατάλογο που τα περιέχει εξασφαλίζει όλα τα αρχεία. 31

32 ύο αρχεία που βρίσκονται στον ίδιο κατάλογο δεν επιτρέπεται να έχουν το ίδιο όνοµα, ώστε να ξεχωρίζουν. Αντίθετα δύο αρχεία που βρίσκονται σε διαφορετικούς καταλόγους µπορεί να έχουν το ίδιο όνοµα. Αυτό είναι εφικτό καθώς ένα αρχείο αναγνωρίζεται από το πλήρες όνοµά του, το οποίο είναι η διαδροµή στο δέντρο των καταλόγων από τη ρίζα µέχρι τον κατάλογο που περιέχει το αρχείο και το όνοµα του αρχείου. Ως διαχωριστικό ανάµεσα στα ονόµατα των καταλόγων στα περισσότερα λειτουργικά συστήµατα χρησιµοποιείται ο χαρακτήρας / ή \. Έτσι, για παράδειγµα το πλήρες όνοµα του αρχείου w του παραπάνω σχήµατος είναι /C/F/w. Όπως και στα αρχεία, για τη χρήση και διαχείριση των καταλόγων το λειτουργικό σύστηµα παρέχει µια σειρά από κλήσης συστήµατος. Έτσι, υπάρχουν κλήσεις συστήµατος για τη δηµιουργία (CREATE), διαγραφή (DELETE), µετονοµασία καταλόγων (RENAME) κ.α Πρόσθετα Χαρακτηριστικά Τα αρχεία χρησιµεύουν στην διατήρηση σηµαντικών δεδοµένων τόσο για το λειτουργικό σύστηµα όσο και για τις εφαρµογές και τα προγράµµατα των χρηστών. Σε ορισµένες περιπτώσεις µάλιστα η οικονοµική ή ηθική σηµασία των δεδοµένων και της χρήσης τους έχει ιδιαίτερη βαρύτητα, όπως π.χ. σε ιατρικές ή τραπεζικές εφαρµογές. Για αυτό το λόγο υπάρχουν κάποια πρόσθετα χαρακτηριστικά που πρέπει να έχει ένα σύστηµα αρχείων. Τα σηµαντικότερα από αυτά τα χαρακτηριστικά είναι: Αξιοπιστία: Οι χρήστες και οι εφαρµογές πρέπει να είναι σίγουροι ότι τα δεδοµένα που αποθηκεύουν δεν πρόκειται να χαθούν ή να αλλοιωθούν σε καµία περίπτωση. Ασφάλεια: Τα δεδοµένα των αρχείων πρέπει να είναι προσβάσιµα µόνο από εξουσιοδοτηµένους χρήστες και διεργασίες. Κανένα αρχείο ή τµήµα αρχείου δεν θα πρέπει να µπορεί να διαβαστεί ή αλλοιωθεί από άλλον. Απόδοση: Τα αρχεία συχνά έχουν τεράστιο µέγεθος, γεγονός που επιβαρύνει την απόδοση του συστήµατος αρχείων. Το τελευταίο θα πρέπει να είναι κατασκευασµένο έτσι ώστε να ανταποκρίνεται ικανοποιητικά ανεξάρτητα από µέγεθος των αρχείων. Αξιοποίηση χώρου: Το µεγάλο µέγεθος των αρχείων δεν επηρεάζει µόνο την απόδοση, αλλά περιορίζει και την αποθηκευτική ικανότητα ενός υπολογιστή. Η οργάνωση των περιεχοµένων των αρχείων θα πρέπει να είναι τέτοια ώστε να αξιοποιεί κατά το δυνατό περισσότερο το διαθέσιµο αποθηκευτικό χώρο. 32

33 6. ΤΟ ΙΚΤΥΟ INTERNET ΚΑΙ ΟΙ ΠΡΟΣΦΕΡΟΜΕΝΕΣ ΥΠΗΡΕΣΙΕΣ 6.1. Ιστορικά Στοιχεία Την περίοδο του Ψυχρού Πολέµου η κυβέρνηση των HΠΑ ήθελε να αναπτύξει ένα δίκτυο επικοινωνιών το οποίο δεν θα κατέρρεε σε περίπτωση πυρηνικού πολέµου. Ένας κυβερνητικός οργανισµός η ARPΑ (Advanced Research Projects Agency) ανέπτυξε ένα νέο είδος δικτύου υπολογιστών γύρω στα τέλη της δεκαετίας του '60. Γνωστό σαν ARPAnet αρχικά συνέδεε 4 υπολογιστές (τρεις στην California και έναν στην Utah) κάνοντας χρήση του πρωτοκόλλου NCP (Network Control Protocol). Στα τέλη της δεκαετίας του ' 60 και στις αρχές του ' 70 άρχισαν να χρησιµοποιούν την τεχνολογία µεταγωγής πακέτων (packet switching) του ARPAnet και διάφορα ερευνητικά κέντρα µε σκοπό την σύνδεση των διάφορων σταθµών τους. Έτσι άρχισαν να συνδέονται µεταξύ τους, έχοντας σαν κέντρο το ARPAnet. Το 1971 ήταν συνδεµένοι 23 σταθµοί (hosts) ενώ το 1980 ήταν 200 µε παράλληλη δηµιουργία των πρώτων διεθνών συνδέσεων. Η διασύνδεση των υπολογιστών άρχισε να γίνεται πολύ δηµοφιλής κατά την δεκαετία του '80 όπου και έχουµε την δηµιουργία 3 µεγάλων δικτύων: του ΒΙTNΕΤ (Because It' s Time Network), του CSNET (Computer Science Network) και του NSFnet (National Science Foundation Network). Το τελευταίο εγκαθιστώντας µία γραµµή των 56 Kbps έγινε ο κυριότερος κορµός (backbone) του Internet. Στα µέσα της δεκαετίας του '80 επιλέχθηκε το πρωτόκολλο TCP/IP σαν προτιµότερο για την λειτουργία του Internet. Παράλληλα το ARPAnet διασπάστηκε σε ARPAnet και MILnet (Military Network). Το 1986 τα συνδεδεµένα host στο Internet ήταν 5,000. Το 1989 ο κεντρικός κορµός του NSFnet αναβαθµίστηκε σε γραµµή ΤΙ = l.544mbps, ενώ τα συνδεδεµένα host ήταν 100,000. Στις αρχές της δεκαετίας του '90 τα host στο δίκτυο είχαν φτάσει τις 700,000 ενώ παράλληλα έγιναν κάποιες κινήσεις οι οποίες ουσιαστικά άνοιξαν τις πόρτες του Internet στο ευρύ κοινό. Το δίκτυο NSFnet και η χρήση του, απαγόρευε οποιαδήποτε µεταφορά πληροφοριών οι οποίες είχαν σαν στόχο το κέρδος. Έτσι το ARPAnet καταργήθηκε και ιδρύθηκε το Commercial Internet Exchange (CIX) µε σκοπό την παράκαµψη του NSFnet. Σύντοµο Βιογραφικό του Internet '60 Εφεύρεση της µεταγωγής δεδοµένων 1967 Σχέδια υλοποίησης της θεωρίας µεταγωγής πακέτων 1969 Ορίζεται η ARPAnet από το Υ.ΕΘ.Α των Η.Π.Α., να ερευνήσει την δυνατότητα διαδικτύωσης των υπολογιστών. Σύνδεση των πρώτων 4 κέντρων Χρήση του Network Control Protocol (NCP) των κόµβων (=nodes) του ARPAnet. 33

34 1972 Ίδρυση του InterNetworking Working Group (INWG) µε σκοπό τον ορισµό των standards Πρώτες διεθνές συνδέσεις του ARPAnet. Σύνδεση µε Νορβηγία και Βρετανία 1976 Αναπτύχθηκε το UUCP (Unix to Unix Copy Protocol) από την ΑΤ&Τ Bell Labs Γέννηση του USEnet που κάνει χρήση του UUCP Ίδρυση των ΒΙTNEΤ και CSNET Το INWG ορίζει το TCP/IP σαν το πρωτόκολλο του ARPAnet. Το Υπουργείο Άµυνας των Η.Π.Α. το υιοθετεί. ηµιουργία του Name Server από το Πανεπιστήµιο του Wisconsin. Οι χρήστες του 1983 δεν χρειάζεται να ξέρουν την διαδροµή για να βρουν τα άλλα συστήµατα. ιάσπαση του ARPAnet σε ARPAnet και MILnet. Εγκατάσταση του DNS (Domain Name Server). 1,000 hosts Ίδρυση του NSFnet µε κορµό στα 56Kbps Αναβάθµιση του κορµού του NSFnet σε ΤΙ, Mbps. 100,000 hosts 1990 Κατάργηση του ARPAnet. Ίδρυση της Electronic Frontier Foundation (EFF). Ανακοινώνεται η υπηρεσία Archie Ίδρυση του Commercial Internet Exchange (CIX). ηµιουργία των υπηρεσιών WAIS και Gopher Ίδρυση της Internet Society Το CERN δηµιουργεί το World Wide Web. Ο κορµός του NSFnet αναβαθµίζεται σε Τ3 δηλ Mbps. Πάνω από 1,000,000 hosts στο Internet. Ιδρύεται το InterNIC από την NSF µε σκοπό την παροχή πληροφοριών στους χρήστες. Τα ΜΜΕ δίνουν σηµασία στο Internet. 34

35 1994 Αλλαγή πολιτικής του NSF. Ο έλεγχος του κορµού περνάει σε ιδιώτες ενώ αίρονται οι περιορισµοί που αφορούσαν τις διεθνείς συνδέσεις Πρωτόκολλα και Υπηρεσίες στο Internet Το τελευταίο καιρό όλος ο κόσµος µιλάει για το INTERNET, για τον πλούτο πληροφοριών που παρέχει, για την επίδραση στη ζωή των ανθρώπων. Το INTERNET, που στα ελληνικά ονοµάζεται ιαδίκτυο, είναι ένα δίκτυο αποτελούµενο από άλλα µικρότερα δίκτυα υπολογιστών. Ξεκίνησε αρχικά, όπως και τόσες άλλες καινοτοµίες, για στρατιωτικούς σκοπούς. Ο αρχικός του στόχος ήταν να υπάρχει ένα δίκτυο υπολογιστών κατανεµηµένων σε µεγάλες αποστάσεις, στο οποίο κανείς από τους υπολογιστές να µην έχει κάποιο ειδικό ρόλο ώστε το δίκτυο να µπορεί να συνεχίσει να λειτουργεί ακόµα και αν κάποιος από τους υπολογιστές τεθεί εκτός λειτουργίας (το µυαλό τους ήταν στην περίπτωση του πυρηνικού πολέµου). Αυτή η αρχική σύλληψη οδήγησε στην καθιέρωση ενός πρωτοκόλλου, δηλαδή ενός τυποποιηµένου τρόπου, που επιτρέπει την επικοινωνία και την ανταλλαγή πληροφοριών µεταξύ υπολογιστών οι οποίοι χρησιµοποιούν διαφορετικά λειτουργικά συστήµατα. Το πρωτόκολλο αυτό ονοµάστηκε TCP/IP (Transfer Control Protocol/ Internet Protocol, δηλαδή Πρωτόκολλο Ελέγχου Μετάδοσης/ Πρωτόκολλο Internet), και το χρησιµοποιούµε σήµερα για την σύνδεση µε το Internet. Η βασική ιδέα του Internet είναι πολύ απλή: έχουµε µερικούς κεντρικούς υπολογιστές, οι οποίοι ονοµάζονται διακοµιστές (servers) και όλοι συνδεδεµένοι µεταξύ τους. Ο καθένας από τους υπολογιστές αυτούς µπορεί να µεταφέρει πληροφορίες από και προς οποιονδήποτε άλλο server. Σε καθέναν από αυτούς τους servers είναι συνδεδεµένοι άλλοι υπολογιστές ή ακόµα και δίκτυα υπολογιστών. Ο server αναλαµβάνει την οποιαδήποτε «αίτηση» από τους συνδεδεµένους υπολογιστές και τους µεταφέρει την απάντηση. 'Έτσι λοιπόν, για να συνδεθούµε στο Internet ουσιαστικά χρειάζεται να συνδεθούµε στο Internet χρειάζεται να συνδεθούµε σε κάποιο διακοµιστή. Αυτοί οι διακοµιστές ανήκουν συνήθως ανήκουν σε κάποιες εξειδικευµένες υπηρεσίες που ονοµάζονται Φορείς Παροχής Υπηρεσιών (Internet Service Providers). Η σύνδεση µε το διακοµιστή γίνεται µε συνήθως µε ένα απλό αστικό τηλεφώνηµα, και αυτό είναι η µόνη έξοδο για να συνδεθεί κάποιος µε το Internet. Τι είναι µια URL (Uniform Resource Locator) και ποια είδη URL υπάρχουν; Μία URL είναι η διεύθυνση ενός αρχείου µέσα στο Internet και απoτελείται από 3 τµήµατα: Το πρωτόκολλο που πρέπει να χρησιµοποιήσουµε για να αποκτήσουµε αυτό το αρχείο. Ο κόµβος στον οποίο είναι τοποθετηµένο το αρχείο. 35

36 To directory (µε το πλήρες path ή τµήµα αυτού κατά περίπτωση) που βρίσκεται το αρχείο και φυσικά το όνοµα του αρχείου. π.χ. Στην URL το είναι το πρωτόκολλο (HyperText Transfer Protocol), το είναι ο κόµβος και το index.html είναι το directory και το όνοµα του αρχείου. Το πρωτόκολλο του WWW είναι το http. 'Όµως σε ένα Web Browser µπορούµε να χρησιµοποιήσουµε και άλλα πρωτόκολλα. Τέτοια είναι: FTP Μπορούµε να καλέσουµε ένα αρχείο που βρίσκεται σε ένα anonymous ftp site και να το δούµε στην οθόνη µας ( αν είναι text αρχείο ) ή να το αποθηκεύσουµε στον σκληρό µας δίσκο αν δεν είναι. π.χ. ftp://ftp.hua.gr/systems/windows/index.txt Με το URL αυτό µπορούµε να αποκτήσουµε ( ή και να δούµε στην οθόνη µας) το αρχείο index.txt που βρίσκεται στο /systems/windows/index.txt του κόµβου ftp.hua.gr NON-ANONYMOUS FTP Το ίδιο µε το προηγούµενο µε την διαφορά πως η σύνταξή του είναι: ftp://usemame:password@ftp.hua.gr/systems/windows/index.txt FILE Παρόµοιο µε το anonymous ftp χρησιµοποιείται για ανάγνωση αρχείων κειµένου και η σύνταξή του είναι π.χ. file://hua.gr/systems/windows/index.txt MAΙLTO Χρησιµοποιείται για να στέλνουµε . 'Όταν ζητηθεί αυτό URL ο browser ανοίγει ένα παράθυρο mail µε διεύθυνση παραλήπτη αυτή που περιέχει το URL. Η σύνταξή του είναι: mailtο: διεύθυνση παραλήπτη π.χ. info@hua.gr 6.3. Το World Wide Web (www ή W3) 'Ένα σύστηµα αναζήτησης πληροφοριών βασισµένο στο υπερκείµενο (hypertext). Ο αναγνώστης, διαβάζει οn line κάποιο κείµενο για ένα θέµα που τον ενδιαφέρει και από τα σηµεία που ο συγγραφέας έχει ορίσει παραποµπές για περισσότερη ανάλυση ή παρουσίαση, έχει την δυνατότητα να µεταφερθεί άµεσα σε αντίστοιχα κείµενα που υπάρχουν οπουδήποτε στον κόσµο για µεγαλύτερη µελέτη. Η ραγδαία ανάπτυξη του World Wide Web, του περιβάλλοντος γραφικής απεικόνισης του Internet, δηµιούργησε νέους τρόπους επικοινωνίας µεταξύ των ανθρώπων, ανταλλαγής δεδοµένων και εµπορικών συναλλαγών σε παγκόσµιο επίπεδο. Με µία απλή σύνδεση στο Internet κι έναν Web browser, σας δίνεται η δυνατότητα να εξερευνήσετε έναν καινούργιο κόσµο. Το World Wide Web και το Internet παρέχουν στους χρήστες µία µεγάλη ποικιλία µεθόδων για να µοιράζονται τις πληροφορίες που βρίσκόνται στις σελίδες Web, να στέλνουν µηνύµατα , να συµµετέχουν σε οµάδες νέων, να κατεβάζουν αρχεία προγραµµάτων, αρχεία εγγράφων, και να χρησιµοποιούν πολυµέσα. Οι πηγές αυτές αναφέρονται σε ποικίλα θέµατα, από απλές καθηµερινές ασχολίες, ως σύνθετα επιστηµονικά ζητήµατα. Οι πηγές πληροφοριών και οι δυνατότητες που σας προσφέρει το Web, εξελίσσονται συνεχώς. Οι νέες λειτουργίες που αναπτύσσονται καθηµερινά στην παγκοσµία ανταλλαγή πληροφοριών, 36

37 βρίσκονται διαθέσιµες στο Web. Οι λειτουργίες αυτές σας βοηθούν να γνωρίσετε καλύτερα το παγκόσµιο δίκτυο του σήµερα και του αύριο. Πώς λειτουργεί το World Wide Web; Το Web λειτουργεί µε το πρότυπο client server. Ο χρήστης τρέχει στον Η/Υ του ένα client λογισµικό που έχει καθιερωθεί να ονοµάζεται browser ή φυλλοµετρητής). Αν ο Η/Υ έχει σύνδεση µε το Internet (αυτό είναι έργο άλλων προγραµµάτων π.χ. του dial-up networking ή του trumpet winsock στην περίπτωση dial-up σύνδεσης), τότε κάθε φορά που ζητούµε µια διεύθυνση Web, ο browser συνδέεται µε τον Web Server που την έχει αποθηκευµένη. Ο Web Server είναι ένας κόµβος Internet που τρέχει λογισµικό εξυπηρέτησης σελίδων (Server Software) και έργο του είναι όταν ο browser, του ζητά µια σελίδα, να του την παρέχει (αφήνει τον browser να την αντιγράψει από τον σκληρό δίσκο του web server σε εκείνον του χρήστη). Με τον τρόπο αυτό η σελίδα εµφανίζεται στην οθόνη του χρήστη. Μετά το φόρτωµα της σελίδας η σύνδεση µεταξύ web server και web client (δηλαδή του browser) διακόπτεται µέχρι να ζητηθεί άλλη σελίδα. Το World Wide Web είναι ένα σύνολο ειδικά µορφοποιηµένων αρχείων τα οποία συνδέονται µεταξύ τους (σελίδες Web) µέσα στο Internet. Για να δείτε το περιεχόµενο των αρχείων αυτών ενώ βρίσκεστε συνδεδεµένοι στο Internet, χρειάζεστε έναν Web browser. Οι Web browsers είναι εξειδικευµένες εφαρµογές που µεταφράζουν κι εµφανίζουν τα περιεχόµενα των σελίδων Web. Οι σελίδες Web περιλαµβάνουν κείµενο, χρώµατα, σχέδια και πολλές φορές εικόνες και ήχο. Οι δύο πιο σηµαντικοί browsers (ο Internet Explorer της Microsoft και ο Netscape Navigator της Netscape) έχουν τη δυνατότητα να εµφανίζουν και να επικοινωνούν µε την πλειονότητα των σελίδων Web που βρίσκονται στο World Wide Web. Από τη στιγµή που τα προγράµµατα αυτά ανταγωνίζονται το ένα το άλλο, ο τρόπος που εµφανίζονται οι σελίδες είναι λίγο διαφορετικός. Επίσης, η λειτουργικότητα κάποιων σελίδων Web µπορεί να ποικίλει ανάλογα µε τον browser που χρησιµοποιείτε. Οι browsers περιλαµβάνουν πολλές βασικές λειτουργίες. Για παράδειγµα, µπορείτε να εισάγετε σελιδοδείκτες για να θυµόµαστε τις διευθύνσεις των σελίδων Web που επισκέπτεστε συχνά, και να κρατάτε το ιστορικό των περιοχών που επισκεφτήκατε. Κάποιες πηγές του Web δεν είναι δυνατόν να εµφανιστούν απ' ευθείας από τον browser. Τα αρχεία αυτά µπορείτε να τα κατεβάσετε, ή να τα µεταφέρετε, από το Internet στον υπολογιστή σας. Ο Internet Explorer όπως και ο Netscape Navigator σας επιτρέπουν να κατεβάζετε αλλά και να στέλνετε αρχεία στο Web. Τι είναι µια Web Σελίδα (Web Page); Μία Web Σελίδα είναι ένα text αρχείο Η/Υ κατασκευασµένο µε τέτοιο τρόπο που να µπορεί να παρουσιάζεται ολοκληρωµένο και στην επιθυµητή για τον δηµιουργό του µορφή, µε µία µόνο κλήση από τον χειριστή του κατάλληλου λογισµικού (δηλ. ενός web client). Κάθε Web σελίδα έχει την δική της διεύθυνση µέσα στο Internet. Αυτή η διεύθυνση είναι η διεύθυνση του κόµβου στον οποίο είναι αποθηκευµένη directories, πέρα από το αρχικό directory που έχει οριστεί ως Web Server. Για παράδειγµα, κάποια σελίδα βρίσκεται στο URL Το όνοµα του αρχείου δεν είναι απαραίτητο να συµπεριληφθεί στη URL αν είναι index.htm ή index.html (κάθε αρχείο που περιέχει µια Web σελίδα πρέπει να έχει όνοµα µε επέκταση htm τα 37

38 ή html) διότι αν δεν βάλουµε το όνοµα του αρχείου, τότε ο browser θα ψάξει από µόνος του (by default) για ένα αρχείο µε το όνοµα index στο URL και path που του έχουµε δώσει. USENET Η πιο συνηθισµένη µορφή του είναι news:όνοµα-newsgroup και µας επιτρέπει να δούµε τα µηνύµατα που υπάρχουν σε ένα usenet group. Υπάρχει και η µορφή news: message_id µε την οποία µπορούµε να καλέσουµε ένα συγκεκριµένο µήνυµα από ένα usenet group αλλά σπάνια χρησιµοποιείται διότι τα µηνύµατα αυτά αλλάζουν πολύ σύντοµα (συνήθως µέσα σε µια εβδοµάδα διαγράφονται τα παλιά και την θέση τους παίρνουν νέα). ΙΡ αριθµός (ΙΡ Number) Κάθε υπολογιστής (host-site) όταν συνδέεται µε το Internet έχει (και πρέπει να έχει) την δική του, µοναδική παγκόσµια διεύθυνση, η οποία ονοµάζεται ΙΡ αριθµός (ΙΡ number). Όπως κάθε τηλεφωνική συσκευή στον κόσµο έχει µία µοναδική «διεύθυνση», τον τηλεφωνικό αριθµό του χρήστη (π.χ ), έτσι και κάθε Η/Υ που συνδέεται στο Internet πρέπει να έχει µια µοναδική διεύθυνση, έναν αριθµό, ώστε να προσδιορίζεται µοναδικά. Ο αριθµός αυτός (ή η οµάδα αριθµών) είναι συγκεκριµένος και δεν µπορεί να είναι τυχαίος. Για να αποφευχθεί το φαινόµενο του ορισµού. Για τον άνθρωπο όµως, που δεν έχει και µεγάλη σηµασία αν ένας υπολογιστής έχει διεύθυνση ή , έχει βρεθεί ένας τρόπος διευθυνσιοδότησης που σαν χαρακτηριστικό έχει κοινές λέξεις ή ακρώνυµα λέξεων µε σκοπό από το ανάγνωσµα και µόνο των λέξεων αυτών να είναι κατανοητή η λειτουργία ή η προέλευση του υπολογιστή που φέρει την διεύθυνση αυτή. ιευθύνσεις αυτής της µορφής λέγονται ΙΡ Ονόµατα (ΙΡ Names) και αποτελούνται από λέξεις χωρισµένες από τελείες. εν υπάρχει περιορισµός στον αριθµό των λέξεων συνήθως όµως είναι 3 ή 4 π.χ. ή Το τελευταίο ακρωνύµιο προσδιορίζει τον φυσικό τοµέα όπου ανήκει ο υπολογιστής. Οι γνωστοί (και αποδεκτοί από το INTERNET), τοµείς (domains), είναι οι εξής:.edu = educational (εκπαιδευτικό ίδρυµα Η.Π.Α.).gov = government (κυβέρνηση Η.Π.Α.).mil = military (Υ.ΕΘ.Α. Η.Π.Α.).com = commercial (εµπορικό Η.Π.Α.).us = άλλα των Η.Π.Α..net = network (δίκτυο ).gr = Greece ( domain Ελλάδας).it = Ita1y ( domain Ιταλίας).uk = United Kingdom ( domain Βρετανίας) Oι υπόλοιπες λέξεις µας προσδιορίζουν συνήθως έναν µικρότερο τοµέα καθώς και τι είδους υπηρεσίες εξυπηρετεί ο συγκεκριµένος υπολογιστής. Επιλέγονται από τους ιδιοκτήτες των µηχανηµάτων ή των τοµέων όπου ανήκουν οι υπολογιστές αυτοί. Έτσι η λέξη που βρίσκεται ακριβώς πριν από το ακρωνύµιο των τοµέων που αναφέρθηκαν παραπάνω, συνήθως αναφέρει σε ποιον ανήκει ο υπολογιστής. Οι επόµενες λέξεις αναφέρονται στις υπηρεσίες του 38

39 κάθε υπολογιστή. Παρακάτω αναγράφονται µερικές γνωστές διευθύνσεις Internet για να γίνει κατανοητό τι σηµαίνουν µε µία µατιά: ανήκει στην Ελλάδα hua ανήκει στο Χαροκόπειο Πανεπιστήµιο www. εξυπηρετεί το World Wide Web sony - ανήκει σε εµπορική εταιρεία SONY www. εξυπηρετεί το World Wide Web 6.4. Ηλεκτρονικό Ταχυδροµείο ( ) Το ηλεκτρονικό ταχυδροµείο ή ή απλώς mail, είναι, όπως άλλωστε υποδηλώνει και το όνοµά του, ένα σύστηµα διακίνησης µηνυµάτων µέσω Internet που λειτουργεί µε τρόπο που µοιάζει µε αυτόν του παραδοσιακού ταχυδροµείου. Ο χρήστης γράφει ένα µήνυµα µε τον Η/Υ του και στην συνέχεια το αποστέλλει σε ηλεκτρονική µορφή (χωρίς ποτέ να τυπωθεί τίποτε) στον παραλήπτη που φυσικά και αυτός έχει πρόσβαση στο Internet. Το ηλεκτρονικό ταχυδροµείο λειτουργεί µε το πρότυπο client-server. Ο χρήστης έχει στον Η/Υ του εγκατεστηµένο ένα client πρόγραµµα (π.χ. Messenger, Eudora, Outlook, Pegasus κ.λ.π.) το οποίο «µιλάει» µε έναν mail server. Ο mail server είναι πρόγραµµα που βρίσκεται εγκατεστηµένο σε ένα κόµβο Internet. 'Όταν ο χρήστης θέλει να στείλει ένα mail, το γράφει στον Η/Υ του µε το client πρόγραµµα που χρησιµοποιεί και στην συνέχεια, αν συνδέεται µε dial-up, κάνει µια σύνδεση µε το Internet και στο στέλνει. Στην πραγµατικότητα το client πρόγραµµα δεν κάνει τίποτε άλλο παρά να στείλει το µήνυµα (το mail όπως έχει επικρατήσει να ονοµάζεται) στον mail server. Αυτός είναι εκείνος που φροντίζει για την αποστολή του στον κανονικό παραλήπτη του. Αν το µήνυµα για κάποιο λόγο δεν µπορέσει να επιδοθεί (π.χ. είναι λάθος η διεύθυνση που γράψαµε), τότε το µήνυµα θα επιστραφεί στον αποστολέα. Για να λάβει κανείς mail ακολουθείται η αντίστροφη διαδικασία. Ζητώ από το c1ient πρόγραµµα µε το οποίο διαβάζω mail το ταχυδροµείο µου και αυτό συνδέεται µε τον mail Server και το παίρνει από αυτόν. Ο mail server είναι εκείνος που δέχεται τα µηνύµατα που απευθύνονται σε εµένα και τα φυλάει σε ένα folder ( directory) που έχει δηµιουργηθεί αποκλειστικά για µένα µέχρι να τα ζητήσω. Αυτό σηµαίνει πως το γεγονός ότι έστειλα ένα mail και δεν µου γύρισε πίσω δεν σηµαίνει και πως το διάβασε ο παραλήπτης του. Απλώς ότι έφτασε στον χώρο που έχει ο παραλήπτης για µηνύµατα και αναµένει την ανάγνωσή του. Για να χρησιµοποιήσουµε οποιοδήποτε πρόγραµµα πρέπει πρώτα να του δώσουµε τις κατάλληλες ρυθµίσεις. ηλαδή να του πούµε ποιος είναι ο mail server και ποιοι είµαστε εµείς. (βλέπε ) ιεύθυνση χρήστη (User address) ( ιεύθυνση ηλεκτρονικού ταχυδροµείου, address) 39

40 Όπως και κάθε υπολογιστής έτσι και κάθε χρήστης έχει και αυτός µία µοναδική διεύθυνση στο Internet. Για να αποκτήσει κάποιος διεύθυνση στο Internet θα πρέπει να έχει πρόσβαση σε ένα µηχάνηµα το οποίο είναι συνδεδεµένο µε αυτό. Θα πρέπει όπως λέγεται, να του ανοιχτεί ένας λογαριασµός (account) στο µηχάνηµα αυτό. Όταν ανοίγει κάποιος λογαριασµό αποκτάει ένα όνοµα χρήστη (user name ή login name) το οποίο συντάσσεται µε λατινικούς χαρακτήρες. Το όνοµα χρήστη είναι απαραίτητο καταρχήν για να «καταλαβαίνει», ο υπολογιστής ότι ο τάδε κάνει χρήση του µηχανήµατος (ώστε να µπορεί να του παρέχει υπηρεσίες, δικαιώµατα, πόρους κλπ). Το όνοµα το επιλέγει ο χρήστης και µπορεί να είναι είτε τυχαίο (π.χ. παρατσούκλι) είτε να προσδιορίζεται από το πραγµατικό του όνοµα και επώνυµο. Η διεύθυνση τώρα του χρήστη στο Internet είναι ο συνδυασµός του username του και της ΙΡ διεύθυνσης του µηχανήµατος ή του τοµέα του µηχανήµατος, στον οποίο αυτός έχει πρόσβαση. Είναι προφανές ότι το να έχει κανείς πρόσβαση σε ένα µηχάνηµα δικτύου δηλ. να έχει ένα username δεν αρκεί για να έχει πρόσβαση και στο Internet. Θα πρέπει και το µηχάνηµα αυτό να είναι συνδεδεµένο στο Internet ώστε µε την σειρά του να έχει και αυτό µια µοναδική διεύθυνση. Έτσι εξασφαλίζεται η µοναδικότητα της διεύθυνσης του χρήστη ( αποκλείεταιαπαγορεύεται να δοθεί σε άλλον χρήστη του ίδιου µηχανήµατος το ίδιο username) η οποία λέγεται διεύθυνση χρήστη (user address) ή διεύθυνση ηλεκτρονικού ταχυδροµείου ( address). Έτσι στο παράδειγµα µας: ο χρήστης λέγεται gs20100 έχει πρόσβαση σε µηχάνηµα το µηχάνηµα είναι συνδεδεµένο στο Internet άρα ο Η/Υ αυτός έχει ΙΡ όνοµα που είναι το: hua.gr Άρα η διεύθυνση του χρήστη αυτού θα είναι: gs20100@hua.gr Το σύµβολο '@' τοποθετείται ανάµεσα στο username και την διεύθυνση του υπολογιστή και προφέρεται 'at' στα Αγγλικά ή 'παπάκι' στα ελληνικά. Μέσα στη διεύθυνση δεν πρέπει να υπάρχει κανένα κενό διάστηµα (space). Login ή Username Το ηλεκτρονικό µας όνοµα (π.χ. gs20100) Outgoing Mail Server (SMTP) Ο mail server που διαχειρίζεται τα εξερχόµενα µηνύµατα (αυτά που στέλνουµε εµείς). Incoming Μail Server (ΡΟΡ3) Ο mail server που διαχειρίζεται τα εισερχόµενα µηνύµατα (αυτά που µας στέλνουν οι άλλοι). Συνήθως οι παροχείς Internet έχουν τον ίδιο mail server και για τα εξερχόµενα και για τα εισερχόµενα µηνύµατα. Σε αυτή την περίπτωση γράφουµε και στα δύο πεδία τον ίδιο server. 40

41 7. ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΩΝ 7.1. ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ Ο υπολογιστής είναι µια µηχανή µε σκοπό τη διεκπεραίωση διαδικασιών που ορίζονται από συγκεκριµένους αλγορίθµους, επιτελώντας απλές λειτουργίες µε πολύ µεγάλη ταχύτητα. Η απλότητα των λειτουργιών αυτών αντισταθµίζεται από την ταχύτητα µε την οποία εκτελούνται (µερικά εκατοµµύρια το δευτερόλεπτο). Το αποτέλεσµα είναι ότι µπορεί να εκτελεστεί µεγάλος αριθµός λειτουργιών και να διεκπεραιωθούν σηµαντικές εργασίες. Φυσικά, ένας υπολογιστής µπορεί να διεκπεραιώσει µόνο εκείνες τις εργασίες που µπορούν να προσδιοριστούν σύµφωνα µε τις λειτουργίες που µπορεί να εκτελέσει. Για να διεκπεραιώσει µια εργασία ο υπολογιστής, κάποιος πρέπει να αποτυπώσει µε σαφήνεια ποιες λειτουργίες θα επιτελέσει µε άλλα λόγια, κάποιος πρέπει να περιγράψει πώς η εργασία θα µπορέσει να διεκπεραιωθεί. Μια τέτοια περιγραφή λέγεται αλγόριθµος (algorithm). Ένας αλγόριθµος περιγράφει τη µέθοδο µε την οποία µπορεί να διεκπεραιωθεί µια εργασία (ή να επιλυθεί ένα πρόβληµα). Ο αλγόριθµος αποτελείται από µια ακολουθία βηµάτων η οποία, εάν εκτελεστεί σωστά, θα έχει ως αποτέλεσµα η εργασία ή διεργασία (process) να διεκπεραιωθεί. Η έννοια του αλγόριθµου δεν είναι ιδιαίτερο χαρακτηριστικό της Πληροφορικής. Υπάρχουν αλγόριθµοι που περιγράφουν κάθε είδος καθηµερινής διεργασίας. Η εκτέλεση ενός αλγόριθµου περιλαµβάνει την εκτέλεση των επιµέρους βηµάτων του Η Σηµασία των Αλγορίθµων Για να διεκπεραιωθεί µια εργασία ή να επιλυθεί ένα πρόβληµα χρησιµοποιώντας τον υπολογιστή, θα πρέπει: να σχεδιαστεί ένας αλγόριθµος που περιγράφει πως θα επιτελεστεί η διεργασία, να εκφραστεί ο αλγόριθµος ως πρόγραµµα, χρησιµοποιώντας µια κατάλληλη γλώσσα προγραµµατισµού, να εκτελεστεί αυτό το πρόγραµµα από τον υπολογιστή, όπως φαίνεται στο Σχήµα 12. Σχήµα 12 Τα βήµατα για την εκτέλεση ενός προγράµµατος για την επίλυση ενός προβλήµατος. Ο ρόλος του αλγόριθµου είναι θεµελιώδης. Χωρίς αλγόριθµο δεν µπορεί να υπάρξει πρόγραµµα και χωρίς πρόγραµµα δεν υπάρχει τίποτα για να εκτελεστεί. Οι αλγόριθµοι είναι θεµελιώδεις και υπό µια άλλη έννοια: είναι ανεξάρτητοι και από τη γλώσσα στην οποία εκφράζονται και από τον υπολογιστή που τους εκτελεί. Για παράδειγµα, όλα τα συστήµατα κρατήσεων αεροπορικών θέσεων διαθέτουν έναν αλγόριθµο για το κλείσιµο µιας θέσης. Σε κάθε σύστηµα ο αλγόριθµος µπορεί να είναι εκφρασµένος σε διαφορετική γλώσσα προγραµµατισµού και να εκτελείται σε διαφορετικό υπολογιστή. Όµως σε όλες τις 41

42 περιπτώσεις, ο αλγόριθµος είναι βασικά ο ίδιος. Οποιαδήποτε γλώσσα κι αν χρησιµοποιείται, ο αλγόριθµος µπορεί να παραµένει ο ίδιος. Όλοι οι υπολογιστές (όπως όλοι οι άνθρωποι) µπορούν να επιτελέσουν µε παραπλήσιο τρόπο τις ίδιες βασικές λειτουργίες. Υπάρχουν διαφορές στη λεπτοµέρεια και στην ταχύτητα, αλλά γενικά οι δυνατότητες όλων των σύγχρονων υπολογιστών είναι παρόµοιες. Επίσης, αυτές οι ικανότητες δεν τροποποιούνται ουσιαστικά ούτε από τις τεχνολογικές καινοτοµίες, οι οποίες δεν επηρεάζουν το τι µπορούν να κάνουν οι υπολογιστές, αλλά συνήθως την ταχύτητα, το κόστος και την αξιοπιστία µε την οποία το κάνουν. Έτσι, οι αλγόριθµοι µπορούν να καταστρωθούν και να µελετηθούν ανεξάρτητα από την τεχνολογία της εποχής και τα αποτελέσµατα θα παραµένουν έγκυρα ανεξάρτητα από την έλευση νέων υπολογιστών και νέων γλωσσών προγραµµατισµού. Για τους επιστήµονες των υπολογιστών λοιπόν, οι αλγόριθµοι είναι περισσότερο θεµελιώδεις από ότι οι γλώσσες προγραµµατισµού ή οι υπολογιστές. Μια γλώσσα προγραµµατισµού, είναι απλά ένα βολικό µέσο για την έκφραση του αλγόριθµου και ο υπολογιστής είναι απλά ο επεξεργαστής που τον εκτελεί. Τόσο η γλώσσα προγραµµατισµού, όσο και ο υπολογιστής, είναι τα µέσα για να εκτελεστεί ο αλγόριθµος και να έρθει σε πέρας η αντίστοιχη διεργασία. εν υπονοείται ότι οι υπολογιστές και οι γλώσσες προγραµµατισµού είναι άνευ σηµασίας. Οι εξελίξεις στην τεχνολογία των υπολογιστών µπορούν να κάνουν τους αλγόριθµους να εκτελούνται γρηγορότερα, φθηνότερα και πιο αξιόπιστα. Αυτό, στη συνέχεια, µπορεί να ανοίξει περιοχές εφαρµογών που ήταν προηγούµενα ανέφικτες. Οι γλώσσες προγραµµατισµού είναι επίσης σηµαντικές, διότι καθορίζουν την ευκολία µε την οποία µπορούν να εκφραστούν οι αλγόριθµοι και κατά συνέπεια, επηρεάζουν τον ανθρώπινο µόχθο που καταβάλλεται στον προγραµµατισµό. Έτσι, η ανάπτυξη νέων γλωσσών προγραµµατισµού και νέων υπολογιστών είναι ένας πολύ σηµαντικός στόχος της επιστήµης των υπολογιστών αλλά µόνο σαν τρόπος για αποτελεσµατικότερη έκφραση και εκτέλεση των αλγορίθµων. Με δεδοµένο λοιπόν το ότι οι αλγόριθµοι είναι βασικοί στην επιστήµη των υπολογιστών, ποια είναι τα επί µέρους θέµατα ή χαρακτηριστικά των αλγορίθµων που µελετούν οι επιστήµονες των υπολογιστών; Ένα εξαιρετικά σηµαντικό θέµα είναι η σχεδίαση (design) των αλγορίθµων. ηλαδή, αντιµετωπίζοντας ένα δεδοµένο πρόβληµα, πώς σχεδιάζει κανείς έναν αλγόριθµο για την επίλυσή του; Η σχεδίαση ενός αλγόριθµου είναι µια δύσκολη διανοητική δραστηριότητα πολύ πιο δύσκολη από το να εκφράσεις έναν αλγόριθµο ως πρόγραµµα. Οι επιστήµονες των υπολογιστών προσπαθούν να αντιµετωπίσουν αυτή τη δυσκολία επινοώντας πλαίσια µέσω των οποίων µπορεί να προχωρήσει η διαδικασία σχεδίασης. Παρά ταύτα, η σχεδίαση των περισσότερων αλγορίθµων απαιτεί δηµιουργικότητα και διορατικότητα και δεν µπορούν να διατυπωθούν γενικοί κανόνες. Με άλλα λόγια, δεν υπάρχει αλγόριθµος για τη σχεδίαση αλγορίθµων. Αυτή η παρατήρηση εγείρει µερικές ενδιαφέρουσες ερωτήσεις: Υπάρχουν προβλήµατα, για τα οποία δεν υπάρχει κανένας αλγόριθµος επίλυσης; Τέτοια προβλήµατα αντιστοιχούν σε εκείνα που διαισθητικά θεωρούµε δηµιουργικά; Για ένα δεδοµένο πρόβληµα, πώς µπορεί κάποιος να πει αν υπάρχει ή όχι αλγόριθµος που να το επιλύει; Η τελευταία ερώτηση είναι σηµαντική, επειδή αν ένα πρόβληµα δεν µπορεί να επιλυθεί από κάποιον αλγόριθµο, δεν υπάρχει περίπτωση να εκτελεστεί ποτέ από υπολογιστή άσχετα από το πόσο µεγάλος, γρήγορος ή ακριβής είναι. Αυτά τα θέµατα εντάσσονται στην επιστηµονική περιοχή που ονοµάζουµε υπολογισιµότητα (computability), που είναι η µελέτη του τι είναι υπολογίσιµο και τι όχι (δηλαδή, δυνατό να επιλυθεί µέσω ενός αλγορίθµου και να εκτελείται σε ένα υπολογιστή). Με δεδοµένο ότι ένα πρόβληµα µπορεί να περιγραφεί από αλγόριθµο, είναι σχετικό το ερώτηµα πόσοι υπολογιστικοί πόροι απαιτούνται για να τον εκτελέσουµε. Συγκεκριµένα, 42

43 πόσο χρόνο θα πάρει για να εκτελέσουµε τον αλγόριθµο και πόση µνήµη θα χρειαστεί; Αν υπάρχουν διάφοροι αλγόριθµοι που επιλύουν το ίδιο πρόβληµα, ποιος από αυτούς είναι ο καλύτερος, µε την έννοια της κατανάλωσης των ελάχιστων πόρων; Ποιοι είναι οι ελάχιστοι πόροι που απαιτούνται για να διεκπεραιώσουµε ένα δεδοµένο πρόβληµα, δηλαδή, τι πόροι χρησιµοποιούνται από τον καλύτερο δυνατό αλγόριθµο; Μπορεί κάποιος να ανακαλύψει ποιος είναι ο καλύτερος αλγόριθµος; Υπάρχουν προβλήµατα για τα οποία ο καλύτερος αλγόριθµος καταναλώνει τόσο πολλούς πόρους, ώστε η εκτέλεση να είναι ανέφικτη, ακόµα και στους µεγαλύτερους και ταχύτερους υπολογιστές που µπορούµε να επινοήσουµε; Ένα άλλο ενδιαφέρον θέµα για τους επιστήµονες των υπολογιστών είναι η ορθότητα (correctness) των αλγορίθµων. Από τη στιγµή που ο σχεδιασµός των αλγορίθµων είναι τόσο δύσκολος, πώς µπορεί κανείς να είναι σίγουρος ότι ένας συγκεκριµένος αλγόριθµος όντως περιγράφει την απαιτούµενη διεργασία; 7.2. Αλγόριθµοι και Προγραµµατισµός Είδαµε ότι για να διεκπεραιώσει ένας επεξεργαστής µια εργασία πρέπει να υλοποιήσει τον κατάλληλο αλγόριθµο. Ο αλγόριθµος πρέπει να εκφραστεί µε τέτοιο τρόπο ώστε ο επεξεργαστής να µπορεί να τον καταλάβει και να τον εκτελέσει. Είδαµε ότι ο επεξεργαστής πρέπει να είναι ικανός να διερµηνεύσει (interpret) τον αλγόριθµο, πράγµα που σηµαίνει ότι θα πρέπει να µπορεί: να καταλαβαίνει τι σηµαίνει κάθε βήµα να φέρει σε πέρας την αντίστοιχη λειτουργία Για να εκτελεστεί ένας αλγόριθµος σωστά, καθένα από τα βήµατά του πρέπει να είναι εκφρασµένο σε µορφή που να µπορεί να καταλάβει και να εκτελέσει ο αντίστοιχος επεξεργαστής. Ο αλγόριθµος πρέπει να είναι, συνεπώς, εκφρασµένος σε µια µορφή που λέγεται πρόγραµµα (program). Ένα πρόγραµµα είναι γραµµένο σε µια γλώσσα προγραµµατισµού (programming language) και η δραστηριότητα του να εκφράσεις έναν αλγόριθµο σε πρόγραµµα λέγεται προγραµµατισµός (programming). Μια γλώσσα προγραµµατισµού είναι ένα σύνολο λέξεων, που µπορούν να συνδυαστούν για το σχηµατισµό συντακτικά σωστών εντολών, ώστε αυτές να µπορούν να εκτελεστούν από τον υπολογιστή. Κάθε βήµα του αλγόριθµου εκφράζεται από µια ή περισσότερες εντολές (instructions) στο πρόγραµµα. Έτσι, ένα πρόγραµµα αποτελείται από µια ακολουθία προτάσεων, καθεµιά από τις οποίες προσδιορίζει συγκεκριµένες λειτουργίες που πρόκειται να εκτελέσει ο υπολογιστής. Το είδος των εντολών σε ένα πρόγραµµα συναρτάται από τη γλώσσα προγραµµατισµού που χρησιµοποιείται. Υπάρχει µεγάλος αριθµός γλωσσών προγραµµατισµού και κάθε γλώσσα έχει το δικό της ρεπερτόριο εντολών. Οι γλώσσες µε τις πιο απλές δοµές, που λέγονται γλώσσες µηχανής (machine languages), είναι σχεδιασµένες έτσι ώστε κάθε εντολή να µπορεί να διερµηνευθεί απευθείας από τον υπολογιστή: αυτό σηµαίνει ότι η CPU είναι ικανή να καταλάβει κάθε εντολή ενός προγράµµατος σε γλώσσα µηχανής και να επιτελέσει τις αντίστοιχες λειτουργίες. Επειδή η CPU λειτουργεί µε εντολές και δεδοµένα εκφρασµένα σαν δυαδικούς αριθµούς, ένα πρόγραµµα µηχανής είναι µία ακολουθία από τα ψηφία 0 και 1. Για αυτό το λόγο, ο προγραµµατισµός σε γλώσσα µηχανής είναι εξαιρετικά δύσκολος, αν όχι ανέφικτος για τον άνθρωπο. Έτσι, δηµιουργήθηκε η συµβολική γλώσσα (assembly language), η οποία έχει την ίδια δοµή και λειτουργίες µε τη γλώσσα µηχανής, αλλά επιτρέπει το συµβολισµό µε ονόµατα αντί για αριθµούς. Από τη στιγµή που, στην assembly και στη γλώσσα µηχανής, οι προτάσεις είναι τόσο απλές (π.χ. πρόσθεσε δύο αριθµούς), κάθε µια µπορεί να εκφράσει µόνο ένα πολύ µικρό µέρος του 43

44 αλγόριθµου. Αυτό σηµαίνει ότι απαιτείται πολύ µεγάλος αριθµός προτάσεων για να εκφράσει τους περισσότερους αλγορίθµους, µε αποτέλεσµα ο προγραµµατισµός σε assembly και γλώσσα µηχανής να είναι µία πολύ επίπονη διαδικασία. Παλαιότερα το µεγαλύτερο µέρος του προγραµµατισµού γινόταν σε assembly, αλλά στη συνέχεια αναπτύχθηκαν οι γλώσσες προγραµµατισµού υψηλού επιπέδου (high level programming languages), που είναι πιο εύχρηστες από τις γλώσσες µηχανής, γιατί κάθε εντολή µπορεί να εκφράσει ένα µεγαλύτερο βήµα του αλγόριθµου και επιπλέον ένα πρόγραµµα υψηλού επιπέδου µπορεί να χρησιµοποιηθεί σε διαφορετικούς υπολογιστές. Φυσικά, κάθε εντολή πρέπει πάλι να διερµηνευθεί από τον υπολογιστή. Για να κάνουµε τη διερµηνεία των προγραµµάτων υψηλού επιπέδου εφικτή, µεταφράζουµε (translate) τα προγράµµατα υψηλού επιπέδου σε γλώσσα µηχανής πριν εκτελεστούν. Η µεταγλώττιση (compilation) συνίσταται στη µετατροπή κάθε εντολής του προγράµµατος υψηλού επιπέδου σε µια ισοδύναµη ακολουθία από προτάσεις γλώσσας µηχανής. Αυτές οι προτάσεις της γλώσσας µηχανής µπορούν τότε να διερµηνευθούν από τη CPU. Έτσι, οι προγραµµατιστές εκφράζουν τον αλγόριθµο επίλυσης του προβλήµατος ως πρόγραµµα µε µια γλώσσα προγραµµατισµού υψηλού επιπέδου την οποία γνωρίζουν και που είναι κατάλληλη για το συγκεκριµένο πρόβληµα. Το πρόγραµµα αυτό µεταγλωττίζεται σε πρόγραµµα γλώσσας µηχανής, που είναι και το µόνο που µπορεί να εκτελέσει ο υπολογιστής. Η µετάφραση από γλώσσα υψηλού επιπέδου σε γλώσσα µηχανής είναι µια εργασία που µπορεί να επιτελεστεί από τον υπολογιστή. Το ειδικό λογισµικό που πραγµατοποιεί αυτή την εργασία λέγεται µεταγλωττιστής (compiler). Οι κατασκευαστές των υπολογιστών συνήθως παρέχουν µεταφραστές για τις πλέον διαδεδοµένες γλώσσες προγραµµατισµού. Για παράδειγµα, διαδεδοµένοι µεταγλωττιστές για τη γλώσσα προγραµµατισµού Pascal είναι οι Turbo Pascal και GNU Pascal, για τις γλώσσες C και C++ είναι τα gcc, Visual C++ και Borland C++ builder. Το Σχήµα 13 αναπαριστά προγράµµατα στα τρία επίπεδα που αναφέραµε νωρίτερα και τον τρόπο µετάβασης από το ένα επίπεδο στο άλλο Πρακτικές Παρατηρήσεις Σχήµα 13 Τα τρία επίπεδα γλωσσών προγραµµατισµού. Τα τρία πρωταρχικά και ιδιαίτερα σηµαντικά βήµατα για την επίλυση ενός προβλήµατος είναι: 1. Ανάλυση: Στον πραγµατικό κόσµο, τα προβλήµατα και οι αλγόριθµοι επίλυσής τους δεν είναι εύκολο να προδιαγραφούν σωστά και µε ακρίβεια. Συχνά το πρόβληµα σχετίζεται µε ανθρώπους οι καταστάσεις από τους οποίους δεν είναι εύκολη η εξαγωγή συγκεκριµένων πληροφοριών. Πριν από οποιαδήποτε απόπειρα δηµιουργίας αλγορίθµου για την επίλυση ενός προβλήµατος, θα πρέπει να έχουν εξεταστεί 44