Αρχιτεκτονική υπολογιστών

Transcript

1 Αρχιτεκτονική υπολογιστών Ένα τυπικό μοντέλο υπολογιστή προτάθηκε περίπου τη δεκαετία του 1940 από τον von Neumann. Σύμφωνα με αυτό ένας υπολογιστής ουσιαστικά αποτελείται από Μονάδα Κεντρικής Επεξεργασίας (CPU Central Processing Unit) Μνήμη (Memory) Συσκευές Εισόδου/Εξόδου (Input/Output) Η CPU μπορεί να εκτελεί αριθμητικές και λογικές πράξεις, να διαβάζει και να γράφει στη μνήμη, να διαβάζει από τις συσκευές εισόδου και να γράφει στις συσκευές εξόδου. Το μοντέλο λειτουργίας υπέθετε ότι κάποιο πρόγραμμα δηλαδή κάποιες εντολές για τη CPU θα ήταν αποθηκευμένες στη μνήμη. Οι εντολές αυτές θα μπορούσαν, ας πούμε, να λύνουν ένα συγκεκριμένο πρόβλημα όπως η επίλυση μιας δευτεροβάθμιας εξίσωσης. Όποτε ο χρήστης του υπολογιστή επιθυμούσε να λύσει ένα τέτοιο πρόβλημα, θα χρησιμοποιούσε τη συσκευή εισόδου για να εισάγει τα δεδομένα του προβλήματος, π.χ. τους συντελεστές της δευτεροβάθμιας εξίσωσης. Η CPU θα χρησιμοποιούσε τις εντολές (πρόγραμμα) της μνήμης για να λύσει το πρόβλημα με τους συγκεκριμένους συντελεστές και όταν τελείωνε θα έγραφε τη λύση στην έξοδο. Το μοντέλο αυτό αν και εντελώς αφαιρετικό μπορεί να περιγράψει χονδρικά τη δομή ενός σύγχρονου υπολογιστή. Είναι σημαντικό όμως να γνωρίζουμε ότι το μοντέλο διαφοροποιείται και εξειδικεύεται σημαντικά. Τυπικά ένας σύγχρονος υπολογιστής έχει την παρακάτω δομή: Όλα τα επιμέρους στοιχεία του υπολογιστή είναι συνδεδεμένα με ένα δίαυλο (Bus). Στο δίαυλο κυκλοφορούν τα δεδομένα από/προς τη CPU και τα επιμέρους στοιχεία του υπολογιστή. Ο δίαυλος έχει τη δυνατότητα να μεταφέρει δεδομένα με πολύ μεγάλη ταχύτητα. Τυπικά, η CPU διαβάζει εντολές από τη μνήμη και τις εκτελεί. Κάποιες από αυτές τις εντολές έχουν ως αποτέλεσμα την ανάγνωση κάποιων τιμών από τη μνήμη ή/και την αποθήκευση κάποιων από αυτών στη μνήμη. Πολλές εντολές κατάλληλα συνδυασμένες, συνιστούν ένα πρόγραμμα. Προφανώς είναι πολύ σημαντικό η μνήμη να είναι όσο το δυνατόν γρηγορότερη. Η σημερινή τεχνολογία δίνει τη δυνατότητα κατασκευής πολύ γρήγορων μνημών, με την έννοια ότι η ταχύτητά τους είναι ανάλογη της ταχύτητας του επεξεργαστή. Τυπικά, μπορεί κανείς να αγοράσει σε λογικές τιμές μνήμες SDRAM υψηλής ταχύτητας και μεγέθους της ταξης του GB (Gigabyte). Το μειονέκτημα με αυτές είναι αφενός ότι η τεχνολογία τους απαιτεί τη συνεχή τροφοδοσία με ρεύμα (όταν κλείσει ο υπολογιστής χάνονται τα περιεχόμενά τους) και αφετέρου ότι το Gigabyte (περίπου ένα δισεκατομμύριο bytes) είναι πρακτικά πολύ μικρό μέγεθος σε σχέση με τα δεδομένα που συνήθως θέλει κανείς να επεξεργαστεί. Για να αντιμετωπιστούν τα παραπάνω δύο προβλήματα χρησιμοποιούνται δευτερεύουσες μνήμες, κατα κύριο λόγο σκληροί δίσκοι, οι οποίοι αν και πιο αργοί από τις πρωτεούσες μνήμες προσφέρουν χώρους αποθήκευσης της τάξης του TB (Terabyte, 1 τρις bytes) σε λογικό κόστος. Οι σκληροί δίσκοι είναι συσκευές εγγραφής και ανάγνωσης. Συνήθως οι υπολογιστές διαθέτουν και μονάδες ανάγνωσης οπτικών δίσκων οι οποίες είναι πάρα πολύ αργες ακόμα και σε σχέση με τους σκληρούς δίσκους αλλά έχουν το πλεονέκτημα της εύκολης μεταφοράς των δίσκων.

2 Επίσης δίνεται η δυνατότητα σύνδεσης ειδικών ηλεκτρονικών κυκλωμάτων (κάρτες) στον υπολογιστή για την επίτευξη ειδικών σκοπών, π.χ. τη μετατροπή της πληροφορίας σε ηχητικό/οπτικό σήμα, σε δικτυακό πακέτο ή/και μετατροπή σήματος video σε ψηφιακή μορφή κτλ. Στην πραγματικότητα, επειδή τα επιμέρους στοιχεία του υπολογιστή δεν είναι της ίδιας ταχύτητας και συχνά είναι εντελώς διαφορετικής τεχνολογίας, δεν επικοινωνούν απ' ευθείας με το δίαυλο αλλά μέσω ειδικών κυκλωμάτων ελέγχου οικογενειών συσκευών. Π.χ. ανάμεσα στους δίσκους και το δίαυλο παρεμβάλλεται ένα κύκλωμα που λειτουργεί ως ελεγκτής των δίσκων. Το ίδιο ισχύει και για τις περιφερειακές συσκευές όπως το πληκτρολόγιο, το ποντίκι και οι συσκευές USB. Επίσης, κάποια στοιχεία όπως τα παραπάνω κυκλώματα ελέγχου, ο δίαυλος ο ίδιος, η υποδοχή εφαρμογής του επεξεργαστή βρίσκονται πάνω σε μία μητρική κάρτα (motherboard). Τυπική σύνθεση σύγχρονου υπολογιστή Πηγαίνοντας κανείς σε ένα μαγαζί για να φτιάξει ένα δικό του υπολογιστή θα έπρεπε να διαλέξει τα παρακάτω τα οποία θα είχαν περίπου τις παρακάτω προδιαγραφές Επεξεργαστή (CPU), π.χ. Intel Pentium ή AMD Fenom Μητρική κάρτα συμβατή με τον επεξεργαστή. Πρωτεύουσα μνήμη (RAM, Random Access Memory) συνήθως από 1 έως 4 GB Σκληρό δίσκο (HDD, Hard Disk Drive) (επίσης αποκαλείται δευτερεύουσα μνήμη) τεχνολογίας SATA ή ATA μεγέθους από μερικές εκατοντάδες GB μέχρι 1 ΤΒ. CD/DVD είτε μόνο ανάγνωσης είτε ανάγνωσης/εγγραφής. Κάρτα οθόνης Ίσως κάρτα ήχου, δικτύου, τηλεοπτικής λήψης, επεξεργασίας video κτλ. Κάποιες από αυτές μπορεί να είναι ενσωματωμένες στη μητρική. Οθόνη, πληκτρολόγιο, ποντίκι και άλλες περιφερειακές συσκευές. Τι πρέπει να θυμάστε Η Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (CPU, Central Processing Unit) μπορεί να εκτελεί αριθμητικές και λογικές εντολές. Τις εντολές και τα δεδομένα μπορεί να τα διαβάζει (και να τα γράφει) από την πρωτεύουσα μνήμη RAM (Random Access Memory). Η RAM είναι πολύ γρήγορη αλλά μικρή σε μέγεθος και τα περιεχόμενά της σβήνονται όταν σβήσει ο υπολογιστής. Η δευτερεύουσα μνήμη ενός υπολογιστή αποτελείται από τους δίσκους (σκληρούς, οπτικούς κτλ). Είναι πιο αργή αλλά μεγαλύτερη σε μέγεθος και τα περιεχόμενά της διατηρούνται και μετά το σβήσιμο του υπολογιστή. Κυκλώματα ειδικού σκοπού (κάρτες) μπορουν να συνδεθούν με τον υπολογιστή παρέχοντας δυνατότητες όπως η λήψη τηλεοπτικού σήματος, η προβολή εικόνας σε μια οθόνη κτλ. Όλα τα παραπάνω επικοινωνούν με την CPU μέσω ενός κοινού καναλιού επικοινωνίας, του διαύλου (bus). Μέσω του διαύλου η CPU μπορεί να διαβάζει την κατάσταση των συσκευών ή να γράφει σε αυτές. Πολλά από τα παραπάνω (CPU, μνήμες, κάρτες, δίσκοι) προσαρμόζονται είτε άμεσα είτε έμμεσα μέσω καλωδίων σε μια μεγάλη μητρική πλακέτα (motherboard).

3 Διαδικασία εκκίνησης υπολογιστή (boot) Όπως είπαμε για να εκτελεστούν κάποιες εντολές από τον επεξεργαστή ή/και αυτός να επεξεργαστεί κάποια δεδομένα θα πρέπει αυτά να βρίσκονται στην πρωτεύουσα μνήμη RAM. Κλείνοντας όμως τον υπολογιστή η μνήμη RAM σβήνεται. Πρέπει λοιπόν με κάποια διαδικασία να μεταφερθούν τα προγράμματα που θέλουμε να εκτελεστούν από κάποιο άλλο μέσο όπως π.χ. ο σκληρός δίσκος, ένα USB stick, το δίκτο ή ένα CD. Αυτό πραγματοποιείται μέσω ενός ειδικού για αυτό και μόνο το σκοπό προγράμματος το οποίο είναι αποθηκευμένο σε ένα chip μνήμης της οποίας τα περιεχόμενα δε σβήνονται όταν κλείνει ο υπολογιστής. Το πρόγραμμα αυτό είναι μέρος του συστήματος BIOS (Basic Input/Output System). Σκοπός του BIOS είναι να ξεκινάει τον υπολογιστή και να δίνει κάποιες δυνατότητες επικοινωνίας του επεξεργαστή με τους δίσκους και τις άλλες περιφερειακές μονάδες. Συνήθως το BIOS φέρνει τα περιεχόμενα του πρώτου τομέα του πρώτου σκληρού δίσκου σε μια συγκεκριμένη θέση στην πρωτεύουσα μνήμη RAM και δίνει την εντολή στον επεξεργαστή να ξεκινήσει να το εκτελεί. Τυπικά το πρόγραμμα αυτό ξεκινάει να φορτώνει και άλλα προγράμματα από το σκληρό δίσκο τα οποία συνιστούν το λεγόμενο λειτουργικό σύστημα. Συνοψίζοντας, η διαδικασία εκκίνησης είναι η εξής: Το BIOS ελέγχει ποιες συσκευές είναι συνδεδεμένες στο σύστημα, συμπεριλαμβανομένου του επεξεργαστή, της μνήμης κτλ. Πραγματοποιεί ένα βασικό έλεγχο ορθής λειτουργίας τους. Διαλέγει μια από αυτές τις συσκευές, ανάλογα με τις προτιμήσεις του χρήστη και από αυτήν φορτώνει ένα μικροπρόγραμμα σε μια συγκεκριμένη θέση της μνήμης. Δίνει εντολή στον επεξεργαστή να ξεκινήσει την εκτέλεση του μικροπρογράμματος από εκείνη ακριβώς τη θέση. Τυπικά, το μικροπρόγραμμα αναλαμβάνει να φορτώσει και άλλα ειδικού σκοπού προγράμματα από το δίσκο τα οποία συνιστούν το λειτουργικό σύστημα. Λειτουργικό Σύστημα (Operating System) Το BIOS δεν μπορεί να ξέρει τι είδους εφαρμογές θέλει να χρησιμοποιήσει ο χρήστης. Τα προγράμματα που φορτώνονται στο boot δεν έχουν κάποιον συγκεκριμένο σκοπό άμεσα χρήσιμο για το χρήστη αλλά τη δημιουργία ενός περιβάλλοντος μέσα στο οποίο ο χρήστης θα μπορεί να χρησιμοποιήσει τον υπολογιστή του και τα προγράμματα που είναι εγκατεστημένα σε αυτόν με όποιον τρόπο επιθυμεί. Το πιο διαδεδομένο λειτουργικό σύστημα είναι τα Windows. Όταν π.χ. φορτωθούν τα Windows δεν ξεκινούν το Word ή το Excel αλλά εμφανίζουν μια επιφάνεια εργασίας στην οποία ο χρήστης μπορεί χρησιμοποιώντας π.χ. ένα ποντίκι να επιλέξει ένα από τα εικονίδια σε αυτήν. Κάθε κίνηση του ποντικιού αντικατοπτρίζεται με την κίνηση ενός κέρσορα στην οθόνη. Αν ο χρήστης επιλέξει κάποιο από τα εικονίδια και κάνει διπλό κλικ τότε το λειτουργικό σύστημα αναλαμβάνει να βρει σε ποιο σημείο του σκληρού δίσκου είναι αποθηκευμένο το πρόγραμμα που αντιστοιχεί στο εικονίδιο, να το φορτώσει στην πρωτεύουσα μνήμη και να δώσει την εντολή στον επεξεργαστή να αρχίζει να το εκτελεί. Ένα άλλο παράδειγμα σχετικά με το σκοπό του λειτουργικού συστήματος είναι ότι ανιχνεύει διαρκώς τις συσκευές του υπολογιστή για αλλαγές στην κατάστασή τους και ανταποκρίνεται ανάλογα. Π.χ. Αν ο χρήστης πατήσει ένα κουμπί στο πληκτρολόγιο, το λειτουργικό σύστημα αναλαμβάνει να αποθηκεύσει τον κωδικό του πλήκτρου που πατήθηκε και να ενημερώσει το πρόγραμμα που τρέχει σχετικά με αυτό το γεγονός. Το πρόγραμμα είναι αυτό που ερμηνεύει το συμβάν αυτό και αντιδρά ανάλογα. Άλλο παράδειγμα, είναι η εισαγωγή μιας συσκευής αποθήκευσης USB. Το λειτουργικό σύστημα αντιλαμβάνεται το συμβάν, μιλάει με τη συσκευή για να ανακαλύψει τι είδους είναι, και στην περίπτωση που είπαμε ανοίγει ένα πρόγραμμα εξερεύνησης αρχείων. Μέσα από το λειτουργικό σύστημα μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε προγράμματα ειδικού σκοπού, τις λεγόμενες εφαρμογές, όπως π.χ. επεξεργασίας κειμένου, ηλεκτρονικού ταχυδρομείου κτλ.

4 Τι πρέπει να θυμάστε Στα PC, ένα chip με μνήμη μόνο ανάγνωσης (ROM, Read-Only Memory) περιέχει ένα πρόγραμμα το οποίο υλοποιεί το BIOS (Basic Input Output System) Το BIOS όταν ανοίγει ο υπολογιστής φορτώνει το πρώτο τμήμα του πρώτου σκληρού δίσκου στη μνήμη και δίνει την εντολή στον επεξεργαστή να εκτελέσει το πρόγραμμα που βρίσκεται εκεί. Τυπικά αυτό το πρόγραμμα φορτώνει το λειτουργικό σύστημα (OS, Operating System) (το οποίο είναι και αυτό ένα πρόγραμμα). Το λειτουργικό σύστημα αναλαμβάνει να παρουσιάσει μέσα από ένα εύχρηστο περιβάλλον τους πόρους (συσκευές) του υπολογιστή στο χρήστη και να εξασφαλίσει την αποτελεσματικότερη δυνατή χρήση τους. Μέσα από διαδικασίες του λειτουργικού συστήματος μπορούν να εκτελεστούν άλλα προγράμματα ειδικού σκοπού (εφαρμογές). Δίκτυα Το μότο μιας από τις μεγαλύτερες εταιρείες στο χώρο των υπολογιστών ήταν The network is the computer. Πράγματι, η δυνατότητα πρόσβασης σε πληροφορίες οποιουδήποτε υπολογιστή ανοίγει νέες δυνατότητες στους χρήστες. Η πρόσβαση σε οπτικοακουστικά δεδομένα πραγματικού χρόνου, η πρόσβαση σε μεγάλες τράπεζες πληροφοριών, η επικοινωνία με οποιονδήποτε οπουδήποτε είναι μερικές από τις δυνατότητες που δίνονται. Σε τοπικό επίπεδο οι διασυνδεδεμένοι υπολογιστές λέμε ότι συνιστούν ένα LAN (Local Area Network). Χαρακτηριστικό τέτοιων δικτύων είναι ότι οποιοσδήποτε υπολογιστής μπορεί να επικοινωνήσει άμεσα με οποιονδήποτε άλλον. Το πιο συνηθισμένο πρωτόκολλο δικτυακής σύνδεσης είναι το Ethernet σύμφωνα με το οποίο όλοι οι υπολογιστές του LAN συνδέονται με ένα κοινό δικτυακό καλώδιο. Στην πράξη, επειδή η ύπαρξη ενός κοινού καλωδίου δημιουργεί τεχνικά προβλήματα σχετικά με την επεκτασιμότητα και τη συντήρηση του δικτύου, το ρόλο του κοινού καλωδίου παίζει μία δικτυακή συσκευή switch πάνω στην οποία συνδέονται οι υπολογιστές και η οποία παίζει το ρόλο του κοινού καλωδίου λειτουργώντας περίπου σαν ένα δικτυακό πολύπριζο. Τα LANs έχουν συνήθως μέγεθος που καλύπτει ένα γραφείο ή ένα κτήριο. Στην περίπτωση που θέλουμε να διασυνδέσουμε πολλά LANs τα οποία βρίσκονται σε μια σχετικά ευρεία περιοχή όπως π.χ. μια πόλη μπορούμε να τα διασυνδέσουμε χρησιμοποιώντας οπτικές ίνες ή άλλα παρόμοια μέσα προκειμένου να δημιουργηθεί ένα MAN (Metropolitan Area Network). Η διασύνδεση πολλών απομακρυσμένων και ετερογενών MAN και LAN συνιστά ένα WAN (Wide Area Network). Παραδείγματα των παραπάνω είναι το LAN στο εργαστήριο υπολογιστών του ΙΕΚ, που είναι συνδεδεμένο με το ΜΑΝ της Ερμούπολης στο οποίο βρίσκονται και τα LANs των υπόλοιπων δημόσιων υπηρεσιών της πόλης. Μέσω του MAN, τα διασυνδεδεμένα LANs έχουν πρόσβαση στο Internet το οποίο είναι ένα WAN που συνδέει τα ετερογενή δίκτυα όλου του κόσμου. Να σημειώσουμε ότι η ύπαρξη των MAN δεν είναι απαραίτητο ενδιάμεσο στάδιο. Ένα LAN μπορεί να συνδεθεί απ' ευθείας σε ένα WAN. Ενώ τα switches λειτουργούν ως απλά δικτυακά πολύπριζα, στην περίπτωση της διασύνδεσης με ένα WAN απαιτείται πιο σύνθετος εξοπλισμός ο οποίος θα πρέπει να έχει τη δυνατότητα να βρει το δρόμο από ένα σημείο του δικτύου σε ένα άλλο. Π.χ. άλλη είναι η διαδρομή που πρέπει να ακολουθήσει ένα πακέτο δεδομένων από τη Σύρο στη Νέα Υόρκη και άλλη από τη Σύρο στο Πεκίνο.

5 Οι δικτυακές συσκευές που διασυνδέουν τοπικά LANs ή MANs με ένα WAN και μπορούν να πάρουν αποφάσεις σχετικά με τη διαδρομή που πρέπει να ακολουθήσει ένα πακέτο δεδομένων για να φτάσει στον προορισμό του λέγονται δρομολογητές (routers) (καθώς δρομολογούν τα πακέτα). Internet To Internet είναι μία περίπτωση WAN. Από φυσικής άποψης αποτελείται από όλα τα φυσικά μέσα (καλώδια χαλκού, οπτικές ίνες, συσκευές laser κτλ) τα οποία συνδέουν δυνητικά οποιουσδήποτε δύο υπολογιστές του δικτύου. Αυτό όμως δεν αρκεί καθώς για να επικοινωνήσουν πρέπει να λυθούν σύνθετα προβλήματα όπως πώς μπορεί ο ένας να ανακαλύψει τη διαδρομή που πρέπει να ακολουθήσει για να φτάσει στον άλλο, πώς συνδέονται ανόμοια δίκτυα, τι γίνεται σε περίπτωση βλάβης μίας σύνδεσης και πολλά άλλα. Όλα αυτά ρυθμίζονται από πολύ συγκεκριμένους κανόνες οι οποίοι συνιστούν ένα πρωτόκολλο το TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol). Ένα από τα χαρακτηριστικά του πρωτοκόλλου λειτουργίας του Internet (συγκεκριμένα της έκδοσης 4) είναι ότι κάθε υπολογιστής συνδεδεμένος στο Internet έχει μία μοναδική διεύθυνση αποτελούμενη από 4 διαδοχικούς αριθμούς κάθε ένας από τους οποίους παίρνει τιμές από 0 έως 255. Π.χ Κάθε υπολογιστής μπορεί να επικοινωνεί με οποιονδήποτε άλλο αρκεί να ξέρει την internet διεύθυνσή του, περίπου όπως σε μία τηλεφωνική κλήση. Πάνω σε αυτήν την υποδομή λειτουργούν διάφορες χρήσιμες υπηρεσίες όπως π.χ. το DNS που αντιστοιχίζει τις δυσκολομνημόνευτες αυτές διευθύνσεις σε πιο μνημονικά ονόματα όπως το SMTP για την παράδοση ηλεκτρονικού ταχυδρομείου ή το XMMP για chat και φωνητική σύνδεση. Ένα από τα πιο διαδεομένα και δημοφιλή πρωτόκολλα είναι και το HTTP σύμφωνα με το οποίο ένα πρόγραμμα περιήγησης στο δίκτυο όπως ο Internet Explorer ή το Mozilla Firefox μπορεί να ζητήσει από έναν απομακρυσμένο υπολογιστή μία HTML σελίδα και να την εμφανίσει στην οθόνη του χρήστη. Ένα από τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά της γλώσσας HTML είναι ότι το κείμενο μπορεί να περιέχει συνδέσεις προς άλλες σελίδες δημιουργώντας ένα πλέγμα αλληλοαναφορών ανάμεσα σε κείμενα. Το πλέγμα αυτό λέγεται παγκόσμιος ιστός (WWW, World Wide Web). Τι πρέπει να θυμάστε Τα LAN (Local Area Networks) είναι μικρά δίκτυα που καλύπτουν ένα γραφείο ή ένα κτήριο. Για την υλοποίησή τους χρησιμοποιείται συνήθως ένα switch το οποίο λειτουργεί ως ένα δικτυακό πολύπριζο. Μερικά LAN που βρίσκονται μέσα στα όρια μιας μικρής περιοχής όπως π.χ. μιας πόλης μπορούν να συνδεθούν με ένα MAN (Metropolitan Area Network). Πολλά ΜΑΝ και LAN συνδεδεμένα συνιστούν ένα WAN (Wide Area Network). To Internet είναι WAN. Σύμφωνα με την έκδοση 4 του πρωτοκόλλου λειτουργίας του internet κάθε υπολογιστής έχει μια μοναδική διεύθυνση αποτελούμενη από 4 αριθμούς. Κάθε ένας μπορεί να είναι από το 0 μέχρι το 255. Στο Internet δίνεται η δυνατότητα επικοινωνίας δύο οποιωνδήποτε υπολογιστών βάση της διεύθυνσής τους. Για να βρεθεί ο δρόμος ανάμεσα σε δύο υπολογιστές χρησιμοποιούνται ειδικές συσκευές δρομολόγησης (routers). Ο παγκόσμιος ιστός (WWW) χρησιμοποιεί την υποδομή του internet για να στήσει ένα πλέγμα ιστοσελίδων.