Τυπικό παράδειγµα στο οποίο ισχύει ο νόµος Moore είναι οι µικροεπεξεργαστές της Intel, όπως αποδεικνύεται

Transcript

1 Ενότητα 6 Στοιχεία οµής, Λειτουργίας και ιασύνδεσης Μικροϋπολογιστών 6.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η ταχύτατη εξέλιξη της τεχνολογίας των µικροηλεκτρονικών, ιδιαίτερα κατά τα τελευταία χρόνια είχε ως αποτέλεσµα τη δραµατική µείωση του κόστους των ψηφιακών υπολογιστών. Σήµερα, κάθε µέτρια εξοπλισµένο εργαστήριο διαθέτει υπολογιστική ισχύ ίση ή και µεγαλύτερη από εκείνη που παλαιότερα διέθεταν µόνο µεγάλα ερευνητικά ιδρύµατα, βιοµηχανίες και δηµόσιοι οργανισµοί. Οι εξελίξεις στη µικροηλεκτρονική τεχνολογία κατά κύριο λόγο οφείλονται στη δυνατότητα συγκέντρωσης εκατοµµυρίων ηλεκτρονικών εξαρτηµάτων σε µια µικρή επιφάνεια ηµιαγωγού υλικού, τα γνωστά ολοκληρωµένα κυκλώµατα πολύ µεγάλης κλίµακας ολοκλήρωσης (very large scale integration, VLSI) και έχουν εκθετικό χαρακτήρα. O Gordon Moore από πολύ νωρίς (1965), εξετάζοντας την πυκνότητα εξαρτηµάτων στα ολοκληρωµένα κυκλώµατα µνήµης, τα οποία είχαν παραχθεί µέχρι εκείνη την εποχή, διετύπωσε τον ακόλουθο προφητικό νόµο, που αποδείχθηκε ότι ισχύει τουλάχιστον µέχρι σήµερα για τις περισσότερες κατηγορίες ολοκληρωµένων κυκλωµάτων: Νόµος του Moore: Κάθε 18 έως 24 µήνες παράγεται ένα ολοκληρωµένο κύκλωµα µε διπλάσιο αριθµό εξαρτηµάτων σε σχέση µε το προηγούµενο ολοκληρωµένο κύκλωµα της ίδιας οικογένειας. Τυπικό παράδειγµα στο οποίο ισχύει ο νόµος Moore είναι οι µικροεπεξεργαστές της Intel, όπως αποδεικνύεται και από το διάγραµµα του Σχήµατος Σχήµα Γραφική απεικόνιση που αποδεικνύει την ισχύ του νόµου του Moore στην περίπτωση των µικροεπεξεργαστών της εταιρίας Intel, που παρήχθησαν κατά το χρονικό διάστηµα

2 Εφαρµογές των µικροϋπολογιστών στο χηµικό εργαστήριο. Οι εφαρµογές των µικροϋπολογιστών (µ/υ) (1) στο χηµικό εργαστήριο αρχικά ξεκίνησαν µε τον έλεγχο σχετικά πολύπλοκων ερευνητικών διατάξεων (π.χ. φασµατογράφων µαζών, σύνθετων συστηµάτων κλινικών αναλυτών). Στη συνέχεια η χρήση των υπολογιστών επεκτάθηκε στον χειρισµό των δεδοµένων (π.χ. αναζήτηση και ταίριασµα φασµάτων από συλλογές φασµάτων). Επιπλέον, αναπτύχθηκαν πολλές τεχνικές, όπως οι φασµατοσκοπίες µέσω µετασχηµατισµών Fourier, που θα ήταν αδύνατη η εφαρµογή τους χωρίς την παρουσία υπολογιστή. Όσο το κόστος των µ/υ µειωνόταν, τόσο οι εφαρµογές τους άρχισαν να επεκτείνονται και σε σχετικώς απλούστερα συστήµατα (π.χ. φασµατοφωτόµετρα, χρωµατογράφοι, συσκευές τιτλοδοτήσεων). Πολύ σύντοµα, η εφαρµογή των µ/υ επεκτάθηκε και σε απλές εργαστηριακές συσκευές (ελεγκτές χρονισµού, πεχάµετρα, διανοµείς διαλυµάτων, µικροσύριγγες), που διατίθενται στο εµπόριο ως ελεγχόµενες από µικροεπεξεργαστές. Οι µ/υ µπορούν να αξιοποιηθούν σχεδόν σε κάθε πειραµατική διάταξη, είτε για µείωση του κόστους αυτοµατισµού, είτε για διευκόλυνση του ελέγχου και των υπολογισµών, ή για συνδυασµό των προηγούµενων. Παλαιότερης τεχνολογίας συσκευές µπορούν σχετικά εύκολα να διασυνδεθούν µε µικροϋπολογιστές µε σκοπό την επαύξηση των δυνατοτήτων τους. Είναι χαρακτηριστικό το ότι ένας απλός καταγραφέας µπορεί να αντικατασταθεί πλήρως από ένα µ/υ µε µια κάρτα διασύνδεσης, ο συνδυασµός των οποίων είναι φθηνότερος και µε πολύ περισσότερες δυνατότητες. Σήµερα, οι µ/υ αποτελούν αναπόσπαστη µονάδα διατάξεων µετρήσεων και ελέγχου. Ο τρόπος λειτουργίας (operation mode) δηλαδή ο γενικός τρόπος επικοινωνίας τους µε το χρήστη και την πειραµατική διάταξη εξαρτάται από το είδος, τη συχνότητα και την κατεύθυνση της ροής δεδοµένων, αλλά και το είδος του επιδιωκόµενου ελέγχου και αποτελέσµατος. Στη συνέχεια παρουσιάζονται οι γενικοί τρόποι σύνδεσης µ/υ-πειραµατικής διάταξης. Λειτουργία εκτός γραµµής (off-line). Απεικονίζεται στο Σχήµα 6.1.2α και αποτελεί τον απλούστερο δυνατό τρόπο λειτουργίας. Τα πειραµατικά δεδοµένα συλλέγονται από τον χρήστη και µετά το πέρας της συλλογής τους (ή και κατά τη συλλογή τους, εφόσον η συχνότητα λήψης το επιτρέπει) µεταφέρονται στο µ/υ για επεξεργασία. Ο µ/υ χρησιµοποιείται µόνο για επεξεργασία δεδοµένων και όχι για τον έλεγχο του πειράµατος. Οι δυνατότητες χειρισµού και µεταφοράς µεγάλου αριθµού µετρήσεων είναι περιορισµένες και η πιθανότητα ανθρώπινου λάθους είναι µεγάλη. Ο χειρισµός και η επεξεργασία των δεδοµένων µπορεί να γίνει απ'ευθείας σε οποιαδήποτε γλώσσα προγραµµατισµού ανώτερου επιπέδου. Λάθη στο πρόγραµµα θα οδηγούν µόνο σε λανθασµένα συµπεράσµατα και έµµεσα µόνο µπορούν να επηρεάσουν την πειραµατική διάταξη. Λειτουργία σε γραµµή (on-line). Παραστατικά δείχνεται στο Σχήµα 6.1.2β και αποτελεί τον πλέον ευέλικτο τρόπο λειτουργίας και κατ'εξοχήν καταλληλότερο για έρευνα οργανολογικού χαρακτήρα. Με τη µονάδα διασύνδεσης, τα πειραµατικά δεδοµένα συλλέγονται απ' ευθείας από το µ/υ. Ανάλογα µε τη συχνότητα εισαγωγής τους και το είδος επεξεργασίας τους, αυτή γίνεται σε πραγµατικό χρόνο ή µετά τη συλλογή τους. (1) Ο όρος µικροϋπολογιστής αρχικά αφορούσε τους ψηφιακούς υπολογιστές, στους οποίους ως κεντρική µονάδα επεξεργασίας (σελ. 229) χρησιµοποιούνταν ολοκληρωµένα κυκλώµατα µικροεπεξεργαστών, αντί κυκλωµάτων µε διακριτά εξαρτήµατα. Οι διαφορές µεταξύ των µ/υ και των µεγαλύτερων συστηµάτων δεν είναι δοµικές, αλλά κυρίως ποσοτικές και αφορούν χαρακτηριστικά όπως το µέγεθος λέξης και µνήµης, την ταχύτητα των υπολογισµών, τη χρήση παράλληλων συνεπεξεργαστών και τον αριθµό των συγχρόνως εξυπηρετούµενων χρηστών. Πρέπει να τονισθεί ότι οι σύγχρονοι µ/υ είναι ως προς την υπολογιστική τους ταχύτητα κατα πολύ ανώτεροι από κεντρικά συστήµατα υπολογιστών της προηγούµενης δεκαετίας

3 Σχήµα Τρόποι λειτουργίας ενός υπολογιστή σε µια πειραµατική διάταξη: (α) λειτουργία off-line, (β) λειτουργία on-line και (γ) λειτουργία in-line. Ο µ/υ µπορεί να χρησιµοποιηθεί όχι µόνο για επεξεργασία δεδοµένων, αλλά και για τον έλεγχο του πειράµατος. Η επέµβαση του χρήστη κατ' αρχήν είναι απαραίτητη µόνο για εκτέλεση µη αυτοµατοποιηµένων διεργασιών ή για λήψη αποφάσεων που δεν έχουν προβλεφθεί στο πρόγραµµα ελέγχου. Το πρόγραµµα ελέγχου µπορεί να γραφεί σε διάφορες γλώσσες και µπορεί να τροποποιηθεί ή να αντικατασταθεί εύκολα από τον χρήστη, ανάλογα µε τον επιζητούµενο στόχο του πειράµατος. Λάθη στο πρόγραµµα ελέγχου µπορεί να έχουν καταστρεπτικά αποτελέσµατα στην πειραµατική διάταξη. Λειτουργία εντός γραµµής (in-line). είχνεται στο Σχήµα 6.1.2γ και αποτελεί το συνηθέστερο τρόπο λειτουργίας των µ/υ στις εµπορικώς διαθέσιµες διατάξεις µετρήσεων και ελέγχου. Ο µ/υ είναι πλέον ενσωµατωµένος στη διάταξη και είναι αποκλειστικής χρήσης. Τα προγράµµατα ελέγχου δεν είναι δυνατόν να τροποποιηθούν από τον χρήστη. Ο τρόπος λειτουργίας είναι ο περισσότερο φιλικός για τον χρήστη και δεν απαιτούνται γνώσεις προγραµµατισµού. Συχνά, η αλληλοεπίδραση του µ/υ µε την όλη διάταξη πραγµατοποιείται µε απλές εντολές, που παρέχονται µέσω ενός συνήθως στοιχειώδους πληκτρολόγιου. Η λειτουργία in-line είναι κατάλληλη για µετρήσεις ρουτίνας, όµως είναι τελείως ακατάλληλη για έρευνα οργανολογικού χαρακτήρα, αφού οι διατάξεις δεν υπόκεινται σε τροποποιήσεις τόσο στο υλισµικό (hardware) τους, όσο και στο λογισµικό (software) τους. Ο ενσωµατωµένος µ/υ είναι πρακτικά αδύνατον να χρησιµοποιηθεί για άλλους σκοπούς και συνήθως περιλαµβάνει ό,τι ακριβώς χρειάζεται για τη δεδοµένη εφαρµογή, µε σκοπό τη µείωση του κόστους της όλης διάταξης. Στον Πίνακα συγκρίνονται από διάφορες απόψεις οι τρόποι λειτουργίας των µ/υ σε πειραµατικές διατάξεις µετρήσεων και ελέγχου

4 Πίνακας Σύγκριση των διαφόρων τρόπων λειτουργίας των µ/υ σε πειραµατικές διατάξεις Ιδιότητα off-line on-line in-line Ταχύτητα διακίνησης δεδοµένων µικρή µεγάλη µεγάλη Ταχύτητα ελέγχου - µεγάλη µεγάλη Υπολογιστική ισχύς µεγάλη µέτρια/µεγάλη ποικίλει Ευελιξία προγραµµατισµού µεγάλη µέτρια/µεγάλη µηδενική/µικρή Επεκτασιµότητα - µεγάλη µηδενική/µικρή Αξιοπιστία µικρή µέτρια µεγάλη 6.2 ΧΡΗΣΙΜΕΣ ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ Στη συνέχεια γίνεται αναφορά σε ορισµένα γενικά θέµατα που θα είναι χρήσιµα αργότερα κατά την περιγραφή της δοµής και λειτουργίας των µ/υ Πύλες τριών καταστάσεων Στα ψηφιακά κυκλώµατα και ιδιαίτερα εκείνα των υπολογιστών, συχνά οι έξοδοι πολλών πυλών καταλήγουν στην ίδια γραµµή (αγωγό). Αυτή η αντικανονική σύνδεση είναι αναγκαία σε περίπτωση, που µια γραµµή πρέπει να καταλαµβάνεται πότε από την έξοδο της µιας πύλης, πότε της άλλης κ.ο.κ. Ωστόσο, µια γραµµή δεν µπορεί να καταλαµβάνεται συγχρόνως από τις εξόδους δύο ή περισσότερων πυλών. Μια τέτοια σύνδεση καθιστά απρόβλεπτη και ασαφή τη λογική κατάσταση της γραµµής και ενδέχεται να καταστρέψει κάποιες από τις πύλες. Για να καταληφθεί η γραµµή από µία µόνο πύλη, πρέπει οι έξοδοι των άλλων πυλών να αποκοπούν από τη γραµµή. Τούτο επιτυγχάνεται µε τις πύλες τριών καταστάσεων. Σχήµα (α) Συµβολισµός δύο οδηγών, ενός αντιστροφέα και µίας πύλης AND τριών καταστάσεων και οι αντίστοιχοι πίνακες αλήθειας (EN: είσοδος ENABLE, ΗΙ-Ζ: κατάσταση υψηλής εµπέδησης εξόδου). (β) Σύνδεση των εξόδων οδηγών τριών καταστάσεων µε κοινή γραµµή. Στο κύκλωµα του σχήµατος η κοινή γραµµή καταλαµβάνεται από την έξοδο του οδηγού Β

5 Οι πύλες τριών καταστάσεων (tristate gates, tristates ) είναι πύλες κάθε τύπου (όπως επίσης και απλοί οδηγοί ή και αντιστροφείς) µε µία επιπλέον είσοδο, η οποία συµβολικά τοποθετείται στην πλευρά του κανονικού συµβόλου της πύλης. Η λογική κατάσταση που εφαρµόζεται στην είσοδο αυτή καθορίζει το εάν η έξοδος της πύλης βρίσκεται σε κατάσταση υψηλής ( ΗΙ-Ζ ) ή χαµηλής εµπέδησης. Στην πρώτη περίπτωση η πύλη είναι αποκοµµένη, ενώ στη δεύτερη λειτουργεί κανονικά. Η είσοδος αυτή ονοµάζεται ENABLE (to enable: καθιστώ ικανό). Μερικά παραδείγµατα πυλών τριών καταστάσεων και οι αντίστοιχοι πίνακες αλήθειας δείχνονται στο Σχήµα 6.2.1α. Στο Σχήµα 6.2.1β δείχνεται η σύνδεση εξόδων πολλών πυλών τριών καταστάσεων σε µια κοινή γραµµή. Στο παράδειγµα αυτό η γραµµή καταλαµβάνεται από τον οδηγό Β και η λογική κατάστασή της είναι αυτή που εφαρµόζεται στην είσοδο του οδηγού αυτού. Είναι αυτονόητο ότι όλες οι άλλες έξοδοι θα πρέπει να βρίσκονται σε κατάσταση ΗΙ-Ζ και για τον λόγο αυτό οι είσοδοι ENABLE των άλλων οδηγών βρίσκονται σε κατάσταση ιάδροµοι Μια οµάδα γραµµών µέσω των οποίων µεταφέρεται παράλληλα ψηφιακή πληροφορία ή σήµατα ελέγχου ονοµάζεται διάδροµος (bus). Η σύνδεση, η επικοινωνία των βασικών µονάδων των ψηφιακών υπολογιστών και η διακίνηση ψηφιακών δεδοµένων πραγµατοποιείται µέσω διαδρόµων. Ο διάδροµος απλής κατεύθυνσης (monodirectional bus) συνδέει µονάδες από τις οποίες η µία είναι πάντοτε η πηγή της πληροφορίας και η άλλη (ή άλλες) είναι ο δέκτης (ή δέκτες) της πληροφορίας αυτής. Τυπικό παράδειγµα διαδρόµου απλής κατεύθυνσης σε ένα µ/υ είναι ο διάδροµος διευθύνσεων. Ο διάδροµος διπλής κατεύθυνσης (bidirectional bus) συνδέει µονάδες οι οποίες εναλλάσσονται στους ρόλους της πηγής και του δέκτη, ανάλογα µε την τρέχουσα λειτουργία του µ/υ. Πάντοτε, µία µονάδα µόνο µπορεί να είναι η πηγή, ενώ δέκτες µπορεί να είναι πολλοί, ενώ άλλες µονάδες συνδεδεµένες µε τον διάδροµο, µπορεί να είναι αποκοµµένες. Η σύνδεση των µονάδων, που µπορούν να δράσουν ως πηγές σε διάδροµο διπλής κατεύθυνσης πρέπει να πραγµατοποιείται µε πύλες τριών καταστάσεων. Τυπικός διάδροµος διπλής κατεύθυνσης σε ένα µ/υ είναι ο διάδροµος δεδοµένων. Ο µικτός διάδροµος (mixed bus) είναι ο διάδροµος που αποτελείται από µονοκατευθυνόµενες γραµµές διαφόρων κατευθύνσεων και από γραµµές διπλής κατευθύνσης. Με µικτούς διαδρόµους γίνεται διακίνηση σηµάτων ελέγχου και τυπικός µικτός διάδροµος σε ένα µ/υ είναι ο διάδροµος ελέγχου. Ηλεκτρικές ισοδυναµίες και οι συνοπτικοί συµβολισµοί των διαφόρων τύπων διαδρόµων και των διακλαδώσεών τους παρουσιάζονται στο Σχήµα 6.2.2, ενώ ένας ενδεικτικός τρόπος υλοποίησης διαδρό- µου διπλής κατεύθυνσης 4 γραµµών µε οδηγούς τριών καταστάσεων δείχνεται στο Σχήµα Σχήµα Ηλεκτρικές ισοδυναµίες και συµβολισµοί διαφόρων τύπων διαδρόµων και διακλαδώσεών τους

6 Σχήµα Υλοποίηση παράλληλης σύνδεσης των µονάδων Α και Β µέσω διαδρόµου διπλής κατεύθυνσης τεσσάρων γραµµών µε τη βοήθεια οδηγών τριών καταστάσεων. Αναλυτική και συµβολική παρουσίαση. Έαν στη γραµµή ελέγχου εφαρµοσθεί λογική κατάσταση 0, η πηγή Α στέλνει ψηφιακή πληροφορία στον δέκτη Β και εάν εφαρ- µοσθεί λογική κατάσταση 1, η πηγή Β στέλνει ψηφιακή πληροφορία στον δέκτη Α εκαεξαδικό σύστηµα αρίθµησης Οι µ/υ χειρίζονται δεδοµένα και εντολές δυαδικού χαρακτήρα. Επειδή η αναγραφή και η εκτίµηση του σχετικού µεγέθους µεγάλων αριθµών στο δυαδικό σύστηµα είναι δύσκολη, προτιµάται η αναγραφή τους στο δεκαεξαδικό σύστηµα (hexadecimal system) αρίθµησης, που αποτελεί ένα είδος στενογραφικής παρουσίασης του δυαδικού συστήµατος. Όπως στο δυαδικό σύστηµα υπάρχουν δύο αριθµητικά σύµβολα (0, 1), στο δεκαδικό δέκα (0, 1,, 9), έτσι και στο δεκαεξαδικό υπάρχουν δεκαέξι σύµβολα, που είναι τα: 0, 1,, 9, Α, Β, C, D, E και F. Η αριθµητική αντιστοιχία των συµβόλων των τριών συστηµάτων δείχνεται στον Πίνακα Πίνακας Αριθµητική αντιστοιχία συµβόλων δεκαδικού, δυαδικού και δεκαεξαδικού συστήµατος εκαδικό υαδικό εκαεξαδικό εκαδικό υαδικό εκαεξαδικό A B C D E F -219-

7 Η µετατροπή δεκαδικών αριθµών σε δεκαεξαδικούς πραγµατοποιείται µε τρόπο αντίστοιχο µε εκείνο της µετατροπής των δεκαδικών αριθµών στο δυαδικό σύστηµα (σελ. 129), δηλαδή µε διαδοχικές ακέραιες διαιρέσεις µε τη βάση του συστήµατος (16) και αναγραφή των υπολοίπων των διαιρέσεων µε την αντίστροφη σειρά. Π.χ. για τη µετατροπή του δεκαδικού αριθµού στο δεκαεξαδικό ακολουθείται η ακόλουθη σειρά διαιρέσεων: ιαίρεση Ακέραιο πηλίκο Υπόλοιπο Υπόλοιπο (δεκαεξαδικό σύµβολο) : F 3416 : : : D εποµένως είναι: (στο δεκαδικό) = D58F (στο δεκαεξαδικό). Η µετατροπή δεκαεξαδικών αριθµών σε δεκαδικούς πραγµατοποιείται µε τον αντίστοιχο τρόπο µετατροπής των δυαδικών αριθµών σε δεκαδικούς (σελ. 129). Έτσι π.χ., είναι D58F H = D F 16 0 = = Η µετατροπή δυαδικών αριθµών σε δεκαεξαδικούς όπως και η αντίστροφη είναι απλή και άµεση. Ο δυαδικός αριθµός χωρίζεται από δεξιά προς τα αριστερά σε τετραψήφια τµήµατα και χρησιµοποιείται άµεσα η αντιστοιχία των τµηµάτων και ψηφίων του Πίνακα Έτσι π.χ., είναι = = 26BD Η µετατροπή δεκαεξαδικών αριθµών σε δυαδικούς γίνεται άµεσα, όπως και η προηγούµενη µετατροπή. Έτσι π.χ., είναι BF91 = = Από τα δύο τελευταία παραδείγµατα γίνεται φανερό ότι η αναγραφή και ανάγνωση των αριθµών στο δεκαεξαδικό σύστηµα είναι προτιµότερη, απ' ό,τι στο δυαδικό, αφού µπορούν να αποµνηµονευθούν ευκολότερα ή να µεταφερθούν γραπτώς ή προφορικώς µε πολύ µικρότερη πιθανότητα λάθους. Παρατήρηση. Στη συνέχεια της ενότητας αυτής, για να αποφευχθεί η σύγχυση µεταξύ των αριθµών διαφόρων συστηµάτων αρίθµησης θα χρησιµοποιούνται το 2 και το Η ως κάτω δεξιά δείκτες, για να υποδηλώνουν δυαδικούς και δεκαεξαδικούς αριθµούς, π.χ. οι αριθµοί και 110 Η αντιστοιχούν στους αριθµούς 6 και 272 του δεκαδικού συστήµατος Bit, byte και λέξεις υπολογιστών Το κατανοητό αλφάβητο επικοινωνίας των επιµέρους µονάδων των υπολογιστών περιλαµβάνει δύο µόνο χαρακτήρες, που αντιστοιχούν στις καταστάσεις 0 και 1 της λογικής οικογένειας των χρησιµοποιούµενων ψηφιακών κυκλωµάτων. Κάθε γραµµή ενός διαδρόµου διαβιβάζει πληροφορία ενός ψηφίου (0 ή 1), που ονοµάζεται bit (binary digit: δυαδικό ψηφίο). Το bit αποτελεί την ελάχιστη δυνατή ποσότητα (quantum) πληροφορίας. Τα bit κατά οµάδες, συνήθως των 8, 16, 32 ή ακόµη µεγαλύτερων σχηµατίζουν τις λέξεις (words). Οι εντολές µηχανής, τα αριθµητικά και οποιασδήποτε φύσης δεδοµένα διακινούνται από µονάδα σε µονάδα και καταχωρίζονται παράλληλα στη µνήµη των υπολογιστών µέσω των διαδρόµων δεδοµένων µε τη µορφή λέξεων. Τα πρώτα συστήµατα µ/υ διέθεταν µέγεθος λέξης 8 bit

8 Σχήµα Παραδείγµατα bit, byte και λέξεων ενός υπολογιστή. H λέξη των 8 bit ονοµάζεται byte και αποτελεί την de facto µονάδα µεγέθους (ή χωρητικότητας) µνή- µης των υπολογιστών. Συνήθως µετρείται σε πολλαπλάσιά του. (2) Οι λέξεις των υπολογιστών έχουν µέγεθος ακέραιο πολλαπλάσιο του byte (8, 16, 32, 64 bit). Είναι προφανές ότι όσο µεγαλύτερη είναι η λέξη ενός υπολογιστή, τόσο περισσότερη πληροφορία µπορεί να διαβιβασθεί σε ένα κύκλο µεταφοράς, αφού µπορούν να µεταφερθούν παράλληλα περισσότεροι χαρακτήρες, αριθµοί και εντολές µηχανής και εποµένως τόσο ταχύτερη είναι η λειτουργία του υπολογιστή. Στο Σχήµα δείχνεται παραστατικά η έννοια του bit, του byte και της λέξης των ψηφιακών υπολογιστών Καταχωρητές Οι καταχωρητές (registers) (από το ρήµα καταχωρίζω : ταξινοµώ, αποθηκεύω) είναι θεµελιώδες δοµικές µονάδες των ψηφιακών υπολογιστών, στις οποίες καταχωρίζονται ψηφιακά δεδοµένα για προσωρινή φύλαξη. Οι καταχωρητές αυτοί είναι σχεδόν πάντοτε τύπου PIPO (σελ. 149). Το περιεχόµενο ενός καταχωρητή Α µεταφέρεται σε έναν άλλο καταχωρητή Β, αντικαθιστώντας το προηγούµενο περιεχόµενο του Β χωρίς να διαγραφεί από τον καταχωρητή Α (στην ουσία το περιεχό- µενο του Α αντιγράφεται στον Β). Το περιεχόµενο ενός καταχωρητή Χ συµβολίζεται ως (Χ) και ο συµβολισµός (Α) Β δηλώνει ότι το περιεχόµενο του Α µεταφέρεται στον καταχωρητή Β. Ο αριθµός των καταχωρητών στους σύγχρονους µ/υ µετρείται σε εκατοµµύρια µε τη συντριπτική πλειονότητά τους να βρίσκεται στη µνήµη του. Ένας συγκριτικά περιορισµένος αριθµός καταχωρητών ταχείας προσπέλασης και άµεσης χρήσης βρίσκεται στην κεντρική µονάδα επεξεργασίας. Οι καταχωρητές πρέπει να επικοινωνούν µεταξύ τους ή µε άλλες µονάδες του υπολογιστή. Η επικοινωνία αυτή πραγµατοποιείται µε ένα διάδροµο διπλής κατεύθυνσης, τον διάδροµο δεδοµένων (data bus). Κάθε γραµµή του διαδρόµου δεδοµένων χρησιµοποιείται αποκλειστικά για τη µεταφορά της λογικής κατάστασης ενός bit δεδοµένης τάξης (σειράς εµφάνισης στη δυαδική λέξη) για όλους τους καταχωρητές. Κάθε καταχωρητής διαθέτει µία είσοδο ελέγχου, την είσοδο γραφής-ανάγνωσης (read-write input) ή είσοδο R/W. Η λογική κατάσταση που εφαρµόζεται στην είσοδο R/W καθορίζει το εάν το περιεχόµενο του καταχωρητή πρόκειται να διαβασθεί (read, R) από έναν άλλο καταχωρητή ή το εάν ο καταχωρητής πρόκειται να γράψει (write, W) το περιεχόµενο ενός άλλου καταχωρητή. Ο καταχωρητής που πρόκει- (2) Συνήθως εκφράζεται σε Κbyte (ΚΒ), Mbyte (ΜΒ) και Gbyte (GB). Θα πρέπει να σηµειωθεί ότι τα προθέµατα Κ (ή k), M και G, ειδικά στην περίπτωση έκφρασης της µνήµης υπολογιστή ή µέσου µαζικής αποθήκευσης δεδοµένων δεν υποδηλώνουν τους συνηθισµένους πολλαπλασιαστές 10 3, 10 6 και 10 9, αλλά τις πλησιέστερες δυνά- µεις του 2. Έτσι είναι: 1 KΒ = 2 10 byte = 1024 byte, 1 MΒ = 2 10 KΒ = 2 20 byte = byte, 1 GΒ = 2 10, MΒ = 2 20 KΒ = 2 30 byte = byte

9 ται να διαβασθεί καταλαµβάνει και τον διάδροµο δεδοµένων. Μία ακόµη είσοδος, η είσοδος επιλογής (select input, S), καθορίζει το εάν ο δεδοµένος καταχωρητής είναι εκείνος ο οποίος επιλέγεται για τη διαδικασία γραφής ή ανάγνωσης. Στο Σχήµα παρουσιάζεται η υλοποίηση ενός καταχωρητή 8-bit µε απλά φλιπ-φλοπ D, πύλες και οδηγούς τριών καταστάσεων Σχήµα Υλοποίηση απλού κυκλώµατος καταχωρητή 8-bit µε 8 φλιπ-φλοπ D και συνοπτική παράστασή του. Ο καταχωρητής επιλέγεται εάν στην είσοδο S εφαρµοσθεί λογική κατάταση 1 και η λογική κατάσταση που εφαρµόζεται στην είσοδο R/W καθορίζει το εάν ο καταχωρητής στέλνει τα δεδοµένα του στον διάδροµο D 0 -D 7 ή δέχεται τα δεδοµένα, που βρίσκονται στον διάδροµο D 0 -D Κωδικοποίηση δεδοµένων Κάθε είδους πληροφορία (αριθµός, κείµενο, εικόνα) ο υπολογιστής τη χειρίζεται ως µία αλληλουχία των δυαδικών ψηφίων 0 και 1. Για τον λόγο αυτό κρίνεται σκόπιµη η σύντοµη περιγραφή των συνηθέστερων τρόπων κωδικοποίησης των τριών αυτών τύπων πληροφορίας. Αριθµητικά δεδοµένα. Οι ακέραιοι θετικοί αριθµοί κωδικοποιούνται απλά και άµεσα στο δυαδικό σύστηµα. Σε 1 byte κωδικοποιούνται ακέραιοι θετικοί αριθµοί από 0 (= ) έως 255 (2 8 1 = ). Για µεγαλύτερους ακέραιους απαιτούνται περισσότερα byte, π.χ. σε 2 διαδοχικά byte κωδικοποιούνται αριθµοί θετικοί ακέραιοι από 0 έως (= ), σε 4 διαδοχικά byte από 0 έως (= ) κ.ο.κ. Για ακέραιους θετικούς ή αρνητικούς αριθµούς, ο συνηθέστερος τρόπος κωδικοποίησης είναι ο ονο- µαζόµενος συµπλήρωµα ως προς δύο (two's complement), όπου το 1ο bit της αλληλουχίας παρέχει το πρόσηµο και είναι 0 για το + και 1 για το. Το υπόλοιπο τµήµα στους θετικούς ακέραιους είναι ο αντίστοιχος δυαδικός αριθµός, ενώ στους αρνητικούς λαµβάνεται το συµπλήρωµά του (αντιστρέφεται η λογική όλων των ψηφίων), προστίθεται 1 και απορρίπτεται τυχόν κρατούµενο. (3) Ορισµένα παραδείγ- µατα κωδικοποίησης σε ένα 1 byte είναι τα ακόλουθα: (3) Η περίπτωση είναι ανάλογη µε ό,τι συµβαίνει µε τον χιλιοµετρικό δείκτη ενός αυτοκινήτου (π.χ. µε 4 ψηφία) όταν γυρίζει ανάποδα:, 0002, 0001, 0000, 9999, 9998, κ.ο.κ

10 Θετικοί αριθµοί: Αρνητικοί αριθµοί (= +127) (= 1) (= +2) (= 2) (= +1) (= 127) (= 0) (= 128) και εποµένως σε 1 byte κωδικοποιούνται ακέραιοι από 128 έως +127, σε 2 byte από έως , κ.ο.κ. Η κωδικοποίηση αυτή προσφέρει το πλεονέκτηµα της µετατροπής της πράξης της αφαίρεσης δύο αριθµών, σε πρόσθεση του πρώτου µε το συµπλήρωµα ως προς δύο του δεύτερου, π.χ. 5 2 = = = = 3. Το κρατούµενο που παράγεται δεν λαµβάνεται υπόψη (βλέπε Παρατήρηση 2, σελ. 139). Η κωδικοποίηση των πραγµατικών αριθµών (π.χ. µε δεκαδικά ψηφία ή ηµιεκθετικής παρουσίασης) αναφέρεται ως µορφοποίηση κινητής υποδιαστολής (floating point format), δεν είναι τυποποιηµένη σε ικανοποιητικό βαθµό και είναι αρκετά πιο σύνθετη. Οι πραγµατικοί αριθµοί κωδικοποιούνται σε έναν αριθµό διαδοχικών byte. Συνήθως, για πραγµατικούς αριθµούς απλής ακρίβειας (single precision) χρησιµοποιούνται 4 byte, ενώ για πραγµατικούς αριθµούς διπλής ακρίβειας (double precision) χρησιµοποιούνται 8 byte. Τα bit όλων των byte θεωρούνται ως συνεχό- µενα (π.χ. από b0 έως b31 για τα 32 bit των 4 byte). Γενικά, κάθε πραγµατικός αριθµός κωδικοποιείται στη µορφή: ( 1) Π M 2 Ε Σχήµα Τυπική διευθέτηση των bit κατά τη µορφοποίηση κινητής υποδιαστολής ενός πραγµατικού αριθµού σε 4 byte. όπου Π είναι η λογική κατάσταση του bit που αντιπροσωπεύει το πρόσηµο του πραγµατικού αριθµού, Μ είναι ο προεκθετικός όρος (mantissa) που καθορίζει τα σηµαντικά ψηφία του αριθµού και Ε ο ακέραιος εκθέτης (exponent). Η συνηθέστερη διευθέτηση των bit στην κωδικοποίηση ενός πραγµατικού αριθµού που καταλαµβάνει 4 byte δείχνεται στο Σχήµα Αυτό που δεν έχει τυποποιηθεί είναι ο τρόπος δυαδικής έκφρασης του ακέραιου εκθέτη, του προεκθετικού όρου και η ύπαρξη ή όχι τυχόν υπονοούµενων (implied) bit. Ένα πρότυπο, που έχει αναπτυχθεί από το ΙΕΕΕ (Institute of Electrical and Electronics Engineers των ΗΠΑ) και χρησιµοποιείται από πολλούς κατασκευαστές λογισµικού, παρουσιάζεται στο Παράδειγµα 6-1. Με βάση το πρότυπο ΙΕΕΕ σε 4 byte κωδικοποιούνται πραγµατικοί αριθµοί, που καλύπτουν τη δυνα- µική περιοχή τιµών ±1, έως ±3, µε ακρίβεια περίπου 7 σηµαντικών ψηφίων. Αντίστοιχα, σε 8 byte κωδικοποιούνται πραγµατικοί αριθµοί διπλής ακρίβειας, που καλύπτουν τη δυναµική περιοχή τιµών ±2, έως ±1, µε ακρίβεια περίπου 16 σηµαντικών ψηφίων. (4) (4) Ο αριθµός των 16 σηµαντικών ψηφίων σε πολλές περιπτώσεις υπολογισµών είναι ανεπαρκέστατος, λόγω συσσώρευσης των σφαλµάτων αποκοπής (σελ. 130) και πολλά προγραµµατιστικά περιβάλλοντα διαθέτουν ακόµη µεγαλύτερης ακρίβειας πραγµατικούς αριθµούς, όπου ο καθένας κωδικοποιείται σε περισσότερα από 8 byte

11 Παράδειγµα 6-1. Το πρότυπο ΙΕΕΕ κωδικοποίησης πραγµατικών αριθµών σε 4 byte προβλέπει ότι ο προεκθετικός όρος αποδίδεται από 24 συνεχόµενα bit από τα οποία το πρώτο είναι υπονοούµενο (implied) και ίσο πάντοτε προς 1 και τα υπόλοιπα είναι τα bit b22 έως b0. Υπονοείται επίσης η παρουσία δυαδικής υποδιαστολής µεταξύ του πρώτου (του υπονοούµενου 1) και των υπόλοιπων bit. Το πρόσηµο αποδίδεται από το b31. O εκθέτης Ε αντιστοιχεί στον ακέραιο θετικό αριθµό που αποδίδεται από τα bit b30 µέχρι b23 µειωµένο κατά 127. Με βάση το πρότυπο αυτό να υπολογισθεί ποιος πραγµατικός αριθµός κωδικοποιείται στην ακόλουθη αλληλουχία των τεσσάρων byte: (= b31 b30,, b0). Λύση. Τo πρώτο bit (b31) είναι 1 και εποµένως ο ζητούµενος αριθµός είναι αρνητικός. Ο εκθέτης (τα επόµενα 8 bit) είναι = = 60. Το υπονοούµενο bit 1 µαζί µε τα υπόλοιπα 23 bit (b22-b0) αποτελούν τον προεκθετικό όρο (βλέπε σελ. 129): 1, = = 1, Συνεπώς, ο ζητούµενος αριθµός είναι: 1, = 2, Πίνακας Κωδικοποίηση ASCII αλφαριθµητικών χαρακτήρων ΗΕΧ MSB* LSB* υαδικό NUL DLE Space P p SOH DC1! 1 A Q a STX DC2 " 2 B R b r ETX DC3 # 3 C S c s EOT DC4 $ 4 D T d t ENQ NAK % 5 E U e u ACK SYN & 6 F V f v BEL ETB ' 7 G W g w BS CAN ( 8 H X h x HT EM ) 9 I Y i y A 1010 LF SUB * : J Z j x B 1011 VT ESC + ; K [ k { C 1100 FF FS, < L \ l -- D 1101 CR GS - = M ] m } E 1110 SO RS. > N ^ n ~ F 1111 SI US /? O o DEL * MSB: most significant bits (τα πλέον σηµαντικά ψηφία), LSB: least significant bits (τα λιγότερο σηµαντικά ψηφία). Αλφαριθµητικά δεδοµένα. Ως αλφαριθµητικά (alphanumerics) χαρακτηρίζονται δεδοµένα όπως οι χαρακτήρες του αλφαβήτου, τα σηµεία στίξης, τα αριθµητικά ψηφία (ως χαρακτήρες κειµένου) και άλλα σύµβολα (παρενθέσεις, αγκύλες κ.λπ.). Ο παλαιότερος και απλούστερος κώδικας που χρησιµοποιείται στις περιπτώσεις αυτές είναι γνωστός ως κώδικας ASCII (American Standard Code for Information Interchange) και παρουσιάζεται στον Πίνακα

12 Για παράδειγµα, η λέξη COMPUTER σε κώδικα ASCII αποδίδεται από την αλληλουχία byte: , , , , , , , (στο δεκαεξαδικό σύστηµα: 43, 4F, 4D, 50, 55, 54, 45, 52). Παρατήρηση 1. Οι κώδικες έως αποδίδουν µη εκτυπώσιµους χαρακτήρες ελέγχου, που σχετίζονται µε τη λειτουργία των εκτυπωτών. Παρατήρηση 2. Από τον πίνακα διαπιστώνεται ότι το πρώτο bit είναι πάντοτε 0 (κωδικοί: 0 έως 127). Με το πρώτο bit 1(κωδικοί: 128 έως 255), δηµιουργείται ένας αντίστοιχος πίνακας (2η οµάδα χαρακτήρων) για παρουσίαση επιπλέον χαρακτήρων, όπως σχεδιαστικά σύµβολα, ελληνικοί χαρακτήρες κ.α.. Σήµερα έχουν αναπτυχθεί νέοι κώδικες (όπως ο UNICODE), όπου κάθε αλφαριθµητικό σύµβολο κωδικοποιείται σε 2 ή περισσότερα byte έτσι, ώστε να αυξηθεί ο αριθµός τους και να περιλαµβάνονται γραµ- µατοσειρές άλλων αλφαβήτων (ελληνικά, κυριλλικά, αραβικά, σειρές συµβόλων κ.α.). εδοµένα εικόνας. Κοινός τρόπος κωδικοποίησης χρώµατος είναι ο αναφερόµενος ως κώδικας RGB (red, green, blue). Η οθόνη ενός µ/υ αποτελείται από µια δισδιάστατη συστοιχία εικονοστοιχείων ή pixel (picture element). Η τυπική οθόνη των απλών µ/υ διαθέτει µια ανάλυση pixel. Κάθε pixel αποτελείται από τρεις κοκκίδες σε διάταξη ισόπλευρου τριγώνου και πολύ κοντά η µία στην άλλη. Η µια κοκκίδα είναι φορέας του ερυθρού (R, red) χρώµατος, η δεύτερη του πράσινου (G, green) και η τρίτη του κυανού (B, blue), όπως περίπου δείχνεται στο Σχήµα Σχήµα Χρωµατική σύνθεση RGB ενός εικονοστοιχείου (pixel). Η φωτεινότητα κάθε κοκκίδας στις οθόνες των µ/υ, κλιµακώνεται σε 256 βαθµίδες. Φωτεινότητα 0 ισοδυναµεί σε τελείως σβηστή κοκκίδα (µαύρη) και 255 ισοδυναµεί στην πλέον έντονη φωτεινότητα του χρώµατος. Στον επόµενο πίνακα δίνονται ενδεικτικά οι συνδυασµοί RGB που συνθέτουν µερικά συνηθισµένα χρώµατα. Χρώµα R G B Χρώµα R G B Λευκό Λαµπρό πράσινο Ελαφρό γκρι Βαθύ πράσινο Βαθύ γκρι Γαλάζιο Μαύρο Λαµπρό κυανό Λαµπρό ερυθρό Βαθύ κυανό Βαθύ ερυθρό Λαµπρό ιώδες Κίτρινο Βαθύ ιώδες Έτσι µπορούν να επιτευχθούν = 2 24 = χρωµατικές αποχρώσεις για κάθε pixel, που είναι υπεραρκετές για την τέλεια χρωµατική απόδοση κάθε εικόνας. Για να επιτευχθεί αυτή η τόσο µεγάλη χρωµατική ποικιλία η πληροφορία κάθε εικονοστοιχείου αποθηκεύεται σε 3 byte (ή 24 bit)

13 Για διευκόλυνση της παρουσίασης ορίζεται µια χρωµατική ποικιλία ή παλέτα. Το χρώµα κάθε εικονοστοιχείου καθορίζεται έµµεσα µε αναφορά σε έναν πίνακα του τύπου α/α (αύξοντας αριθµός) χρώµατος στην παλέτα - τιµή R / τιµή G / τιµή Β. Έτσι, αντί να δίνονται οι 3 τιµές R, G, B, δίνεται µόνο η τιµή του α/α. Ο πίνακας αυτός καθορίζεται από το πρόγραµµα και συχνά παρέχεται η δυνατότητα στον χρήστη να τον τροποποιήσει, δηλαδή να αντιστοιχίσει διαφορετικό συνδυασµό RGB σε κάθε α/α χρώµατος. Εάν χρησιµοποιείται η µεγάλη παλέτα των χρωµάτων αναπόφευκτα ο κάθε α/α χρώµατος απαιτεί για αποθήκευση 24 bit µνήµης και εποµένως η χρωµατική πληροφορία κάθε pixel απαιτεί 3 byte µνήµης. Ωστόσο, δεν είναι πάντοτε απαραίτητη τόσο µεγάλη χρωµατική ποικιλία. Μια παλέτα 256 (= 2 8 ) χρωµάτων είναι υπεραρκετή για σχεδιασµούς π.χ. εικόνων και διαγραµµάτων µε ικανοποιητικές φωτοσκιάσεις και απαιτεί 8 bit/pixel, µια παλέτα 16 (= 2 4 ) χρωµάτων απαιτεί 4 bit/pixel, ενώ η απλούστερη δυνατή παλέτα 2 χρωµάτων απαιτεί µόλις 1 bit/pixel. Ενδεικτικά, η αποθήκευση του περιεχόµενου, που καλύπτει πλήρως την επιφάνεια µιας οθόνης υπολογιστή της οποίας η ανάλυση είναι = pixel, απαιτεί την ακόλουθη ποσότητα µνήµης: Αριθµός χρωµάτων: Απαιτούµενα byte: Οι σύγχρονοι µ/υ διαθέτουν ξεχωριστή CPU και µνήµη (µνήµη οθόνης) στην ονοµαζόµενη κάρτα οθόνης, η οποία απασχολείται αποκλειστικά µε τη διαχείριση των δεδοµένων που συνθέτουν το τι εµφανίζεται στην οθόνη. Με τον τρόπο αυτό επιταχύνεται σηµαντικά η λειτουργία του µ/υ, επιταχύνεται η σχεδίαση και ανανέωση των εικόνων και περιορίζεται η οπτική κόπωση του χρήστη, ενώ ελαχιστοποιείται η απασχόληση της CPU και της κύριας µνήµης του µ/υ. 6.3 ΒΑΣΙΚΗ ΟΜΗ ΜΙΚΡΟΫΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ Η βασική δοµή κάθε ψηφιακού υπολογιστή απεικονίζεται στο Σχήµα Η κύρια µονάδα του υπολογιστή είναι η κεντρική µονάδα επεξεργασίας (central processing unit, CPU). Η CPU έχει εξαιρετικά σύνθετη δοµή και αποτελεί τη µονάδα όπου πραγµατοποιείται µια ποικιλία διεργασιών, όπως η αποκωδικοποίηση και η εκτέλεση εντολών µηχανής (σελ. 238), η εκτέλεση απλών αριθµητικών και λογικών πράξεων, ο έλεγχος της διακίνησης δεδοµένων από καταχωρητή σε καταχωρητή και η έκδοση σηµάτων ελέγχου προς άλλες εσωτερικές ή εξωτερικές µονάδες του υπολογιστή. Στους µ/υ η CPU αποτελείται από ένα και µόνο ολοκληρωµένο κύκλωµα υψηλής κλίµακας ολοκλήρωσης, τον µικροεπεξεργαστή (microprocessor, µp). Η µνήµη (memory) περιλαµβάνει ένα µεγάλο αριθµό καταχωρητών. Σε διάφορα τµήµατα της µνήµης καταχωρίζονται εντολές και εντολές µηχανής προγραµµάτων, δεδοµένα για επεξεργασία ή αποτελέσµατα υπολογισµών, κείµενα κ.α. Μέρος της µνήµης µπορεί να χρησιµοποιηθεί σαν πρόχειρο χαρτί για εκτέλεση σύνθετων µαθηµατικών υπολογισµών και λογικών διεργασιών, όπου γράφονται και σβήνονται διαδοχικά επιµέρους αποτελέσµατα. Ο µ/υ πρέπει να επικοινωνεί µε τον έξω κόσµο, να δέχεται δεδοµένα και να παρουσιάζει τα αποτελέσµατά του. Οι διαδικασίες αυτές πραγµατοποιούνται µε τη βοήθεια περιφερειακών συσκευών (peripheral devices) και το έργο αυτό αναλαµβάνεται από το τµήµα εισόδου/εξόδου (input/output, Ι/Ο). Μέσω του τµήµατος Ι/Ο ο υπολογιστής δέχεται δεδοµένα και εντολές από µονάδες που διευκολύνουν την επικοινωνία µε τον άνθρωπο (πληκτρολόγιο, ποντίκι), τιµές αναλογικών σηµάτων µέσω µετατροπέων Α/Ψ και παρουσιάζει τα αποτελέσµατα σε οθόνες, εκτυπωτές ή δηµιουργεί αναλογικά σήµατα µέσω µετατροπέων Ψ/Α, ως και ψηφιακά σήµατα για ελέγχους τύπου ON/OFF. Επιπλέον, µέσω του τµήµατος Ι/Ο ο υπολογιστής επικοινωνεί µε συσκευές µαζικής αποθήκευσης (mass storage) δεδοµένων και προγραµµάτων, όπως είναι οι µαγνητικοί δίσκοι και ταινίες και δικτυώνεται µε άλλους µ/υ. Οι προηγούµενες τρεις βασικές µονάδες του υπολογιστή επικοινωνούν µεταξύ τους µε τους διάδροµους δεδοµένων, διευθύνσεων και ελέγχου

14 Σχήµα Βασικό τµηµατικό διάγραµµα ψηφιακού υπολογιστή. ιάδροµος δεδοµένων (data bus). Μέσω του διαδρόµου δεδοµένων η CPU διαβάζει τους κώδικες των εντολών µηχανής του προγράµµατος, δεδοµένα και άλλες πληροφορίες που βρίσκονται στη µνήµη, ή δεδοµένα προερχόµενα από µονάδες εισόδου του τµήµατος Ι/Ο. Μέσω του ίδιου διαδρόµου η CPU διαβιβάζει δεδοµένα στη µνήµη ή σε µονάδες εξόδου του τµήµατος Ι/Ο. Είναι προφανές ότι ο διάδροµος δεδοµένων πρέπει να είναι διπλής κατεύθυνσης. Οι πρώτοι µ/υ είχαν διαδρόµους δεδοµένων 8 γραµµών. Λέξεις µε περισσότερα bit έπρεπε να διακινηθούν τµηµατικά, έτσι π.χ. λέξη των 32 bit έπρεπε να διακινηθεί σε 4 φάσεις µέσω διαδρόµου 8 γραµµών. Είναι αυτονόητο ότι η τµηµατική διακίνηση επιβραδύνει την όλη διεργασία και για τον λόγο αυτό, όσο περισσότερες γραµµές περιέχει ο διάδροµος δεδοµένων, τόσο ταχύτερη αναµένεται να είναι η λειτουργία του µ/υ. Οι σύγχρονοι µ/υ διαθέτουν διαδρόµους δεδοµένων 64 γραµµών, αλλά διαχειρίζονται λέξεις των 32 bit. ιάδροµος διευθύνσεων (address bus). Μέσω του διαδρόµου διευθύνσεων η CPU ορίζει τον καταχωρητή (από τα εκατοµµύρια καταχωρητών της µνήµης) µε τον οποίο βρίσκεται σε επικοινωνία. Ο δυαδικός αριθµός που η CPU στέλνει στις γραµµές του διαδρόµου διευθύνσεων, αποτελεί τη διεύθυνση (address) του καταχωρητή στη µνήµη του µ/υ. Ο ψηφιακός κώδικας της διεύθυνσης αποτελεί το σήµα εισόδου σύνθετου συστήµατος αποκωδικοποιητή, µέσω του οποίου επιλέγεται συγκεκριµένος καταχωρητής. Η αρχή λειτουργίας του συστήµατος επιλογής καταχωρητή µνήµης δείχνεται στο Σχήµα Ο διάδροµος διευθύνσεων είναι απλής κατεύθυνσης και ο αριθµός των γραµµών του καθορίζει το µέγιστο αριθµό καταχωρητών της µνήµης µε τον οποίο µπορεί να επικοινωνήσει άµεσα η CPU. Η πρώτη γενεά µ/υ διέθετε διάδροµο διευθύνσεων 16 γραµµών και εποµένως οι CPU τους µπορούσαν να -227-

15 επικοινωνήσουν άµεσα µε διευθύνσεις από (= 0) έως (= 65535), δηλαδή συνολικά µε 2 16 = καταχωρητές. Οι σύγχρονοι µ/υ διαθέτουν διαδρόµους διευθύνσεων τουλάχιστον 32 γραµµών και εποµένως η CPU τους µπορεί να προσπελάσει άµεσα 2 32 = καταχωρητές (ή 4 GB µνήµης), ωστόσο σπάνια απαιτείται (προς το παρόν τουλάχιστον) µνήµη µεγαλύτερη από ΜΒ. Ο αριθµός των γραµµών των διαδρόµων δεδοµένων και διευθύνσεων καθορίζεται από τον τύπο της CPU και αποτελεί κύριο χαρακτηριστικό ποιότητας του µ/υ, ενδεικτικό της υπολογιστικής δυναµικότητάς του, τόσο από άποψη ταχύτητας λειτουργίας, όσο και από άποψη µεγέθους της µνήµης που µπορεί να χρησιµοποιηθεί (βλέπε Πίνακα 6.3.1, σελ. 233). Σχήµα Επιλογή θέσης µνήµης (αρχή). Οι γραµµές διαδρόµου διευθύνσεων 8 γραµµών δρουν ως σήµατα εισόδου σε δύο αποκωδικοποιητές 3-προς-8 και σε έναν 2-προς-4. Οι έξοδοι των αποκωδικοποιητών ορίζουν την ενεργή στήλη, τον ενεργό στοίχο και την ενεργή συστοιχία στο εικονιζόµενο τρισδιάστατο πλέγµα διευθέτησης/επιλογής µνήµης, ορίζοντας έτσι επακριβώς ποια θέση από τις συνολικά 256 είναι ενεργή. Στα µεγαλύτερα συστήµατα µνήµης η αρχή είναι η ίδια, αλλά οι πολύ περισσότερες γραµµές (π.χ. 32) του διαδρόµου διευθύνσεων εισάγονται σε περισσότερους και µεγαλύτερους αποκωδικοποιητές, ορίζοντας ένα πολυδιάστατο πλέγµα διευθέτησης/επιλογής και επιλογής µνήµης. ιάδροµος (σηµάτων) ελέγχου (control bus). Μέσω του διαδρόµου ελέγχου διακινούνται σήµατα από ή προς τη CPU του µ/υ ή άλλα ολοκληρωµένα κυκλωµάτων υποστήριξης, που ελέγχουν µια µεγάλη ποικιλία λειτουργιών του µ/υ. Τυπικά σήµατα γραµµών ελέγχου είναι εκείνα που δείχνουν αν πραγ- µατοποιείται ανάγνωση ή εγγραφή στη µνήµη, ανάγνωση ή εγγραφή µε συσκευή I/O εισόδου/εξόδου, εάν πρέπει η CPU να διακόψει προσωρινά την κανονική ροή του προγράµµατος για να εκτελέσει ένα πρόγραµµα εξυπηρέτησης µιας έκτακτης κατάστασης (βλέπε διακοπές, σελ 251), όπως επίσης και άλλα σήµατα συγχρονισµού και επιβεβαίωσης λειτουργιών άλλων τµηµάτων. Άµεση προσπέλαση µνήµης (DMA). Οι γραµµές του διαδρόµου διευθύνσεων συνδέονται µε τη CPU µέσω πυλών τριών καταστάσεων. Έτσι επιτρέπεται η προσωρινή κατάληψη του διαδρόµου διευθύνσεων από άλλες µονάδες, για να επιτευχθεί άµεση προσπέλαση µνήµης (direct memory access, DMA) από τις µονάδες αυτές. Η διαδικασία DΜΑ αυξάνει σε µεγάλο βαθµό την ταχύτητα ροής δεδοµένων από τη µνήµη προς εξωτερικές µονάδες και αντίστροφα, αφού κατά την πορεία της δεν απαιτείται η διαµεσολάβηση της CPU και η εκτέλεση σχετικού προγράµµατος. Ειδικά κυκλώµατα γνωστά ως ελεγκτές DMA (DMA control

16 lers), πριν από την έναρξη της µεταφοράς δεδοµένων προγραµµατίζονται κατάλληλα (π.χ. ως προς το πόσα δεδοµένα θα µεταφέρουν, µε ποια συχνότητα και από ποια διεύθυνση της µνήµης και πέρα θα αρχίσει η αποθήκευση ή η παραλαβή τους) και στη συνέχεια εργάζονται αυτόνοµα. Κατά τη διαδικασία αυτή η CPU µπορεί να απασχολείται µε κάτι διαφορετικό, εφόσον η κατοχή των διαδρόµων εναλλάσσεται µεταξύ CPU και DMA. Ωστόσο, για να επιτευχθεί η µέγιστη δυνατή συχνότητα µεταφοράς δεδοµένων, η λειτουργία της CPU θα πρέπει προσωρινά να διακοπεί. Η διαδικασία DMA εξυπηρετεί κυρίως στην ταχύτερη διακίνηση δεδοµένων µεταξύ µαγνητικών δίσκων και µνήµης. Ωστόσο, ιδιαίτερη σηµασία έχει και σε οργανολογικές εφαρµογές ταχύτατης µεταφοράς πειραµατικών δεδοµένων από Α/Ψ µετατροπείς προς τον µ/υ, που τυπικά µπορεί να φθάσουν σε ρυθ- µούς της τάξης των ενδείξεων/s και πλέον. Επιπλέον, δεδοµένα που συνθέτουν π.χ. µια κυµατοµορφή και φυλάσσονται στη µνήµη του µ/υ, µπορούν να διαβιβάζονται ταχύτατα σε Ψ/Α µετατροπείς έτσι, ώστε να αναπαράγονται στην αναλογική τους µορφή (ήχος, κυµατοµορφές σάρωσης κ.λπ.) Κεντρική µονάδα επεξεργασίας-μικροεπεξεργαστές Η κεντρική µονάδα επεξεργασίας (CPU) ενός µ/υ, στη µορφή ενός ολοκληρωµένου κυκλώµατος (µικροεπεξεργαστής, µp) αναλαµβάνει τη µεταφορά, την αποκωδικοποίηση και την εκτέλεση των εντολών ενός προγράµµατος σε στοιχειώδη βήµατα εντολών µηχανής. Επιπλέον, ελέγχει τη διακίνηση των δεδοµένων µεταξύ των µονάδων του µ/υ (π.χ. µεταξύ µνήµης και µονάδων Ι/Ο). Σχήµα Τυπική εσωτερική οργάνωση µικροεπεξεργαστή

17 Η δυναµικότητα ενός µp καθορίζεται από τον αριθµό των γραµµών των διαδρόµων δεδοµένων και διευθύνσεων, το ρεπερτόριο των εντολών µηχανής και την ταχύτητα εκτέλεσής τους, στην οποία καθοριστικό ρόλο παίζει η συχνότητα του κρυσταλλικού ταλαντωτή (clock) που βηµατοδοτεί τον µp. Στο Σχήµα δείχνεται µια γενική µορφή εσωτερικής οργάνωσης των µp. Η οργάνωση αυτή είναι σχεδόν τυπική για κάθε κεντρική µονάδα επεξεργασίας, οποιουδήποτε ψηφιακού υπολογιστή. Οι διαφορές µεταξύ των διαφορετικών τύπων µp είναι κυρίως ποσοτικού χαρακτήρα (π.χ. αριθµός γραµµών των διαδρόµων, εσωτερικών καταχωρητών, συχνότητα ταλαντωτή), αλλά εντοπίζονται επίσης και σε ορισµένες κρίσιµες λεπτοµέρειες, όπως π.χ. τον τρόπο µε τον οποίο διαβάζουν και εκτελούν τις εντολές µηχανής µε σκοπό πάντοτε την επιτάχυνση της όλης λειτουργίας. Σε κάθε µp εντοπίζουµε τα ακόλουθα: 1. Εσωτερικός διάδροµος δεδοµένων (internal data bus). Συνδέει τους εσωτερικούς καταχωρητές µεταξύ τους και µε τον (εξωτερικό) διάδροµο δεδοµένων του µ/υ. Μεταξύ των δύο διαδρόµων µεσολαβεί ένα στάδιο αποµονωτή (buffer) τριών καταστάσεων. 2. Συσσωρευτής (accumulator). Είναι ο σπουδαιότερος εσωτερικός καταχωρητής του µp. Κατά κανόνα κάθε αριθµητική ή λογική πράξη πραγµατοποιείται στον αριθµό, που έχει καταχωρισθεί προηγουµένως στον συσσωρευτή. 3. Αριθµητική-λογική µονάδα (arithmetic-logic unit, ALU). Εκτελεί αριθµητικές και λογικές πράξεις, όπως και αριστερές/δεξιές ολισθήσεις στο περιεχόµενο του συσσωρευτή. Έτσι π.χ., η πρόσθεση του περιεχόµενου ενός εσωτερικού καταχωρητή (Κ) στο περιεχόµενο του συσσωρευτή (Α) γίνεται στην ALU και το αποτέλεσµα αντικαθιστά το περιεχόµενο του συσσωρευτή [συµβολικά: (Α) + (Κ) Α]. Στην ALU πραγµατοποιούνται και συγκρίσεις µεταξύ αριθµών για να διαπιστωθεί εάν είναι ίσοι ή αν ο ένας είναι µεγαλύτερος του άλλου. Το αποτέλεσµα των πράξεων ή συγκρίσεων επηρεάζει την κατάσταση των αντίστοιχων σηµαιών (βλέπε στη συνέχεια). 4. Eσωτερικοί καταχωρητές γενικής χρήσης (general purpose internal registers). Στους καταχωρητές αυτούς αποθηκεύονται συνεχώς χρησιµοποιούµενα δεδοµένα ή ενδιάµεσα αποτελέσµατα. Οι εσωτερικοί καταχωρητές επιδρούν ή ανταλλάσσουν τα δεδοµένα τους µε τον συσσωρευτή πολύ ταχύτερα, απ' όσο µε τους καταχωρητές της µνήµης του µ/υ, που θα µπορούσαν (κατ' αρχήν) να χρησιµοποιηθούν για τον ίδιο σκοπό. Το µέγεθος της λέξης των εσωτερικών καταχωρητών είναι ίδιο µε εκείνο του συσσωρευτή, αλλά συχνά οι καταχωρητές µπορούν να χρησιµοποιηθούν κατα ζεύγη. 5. Καταχωρητής σηµαιών (flag register). Η τρέχουσα λογική κατάσταση των επιµέρους bit ( ση- µαία ) του καταχωρητή σηµαιών καθορίζεται από το αποτέλεσµα της πλέον πρόσφατης αριθµητικής ή λογικής πράξης. Τυπικές σηµαίες είναι οι ακόλουθες: Η σηµαία µηδενός (zero flag), η σηµαία κρατουµένου (carry flag), η σηµαία προσήµου (sign flag) και η σηµαία οµοτιµίας (parity flag). Η λογική κατάσταση των σηµαιών αυτών γίνεται 1 εάν, αντιστοίχως: (α) το αποτέλεσµα πράξης είναι µηδέν, (β) δηµιουργείται κρατούµενο, (γ) το αποτέλεσµα είναι αρνητικό, (δ) στο αποτέλεσµα υπάρχει άρτια οµοτιµία (άρτιος αριθµός 1 ή 0, για την έννοια της οµοτιµίας βλέπε σελ. 268). Οι σηµαίες έχουν ιδιαίτερη σηµασία στον έλεγχο της ροής ενός προγράµµατος, αφού ανάλογα µε την κατάστασή τους εκτελούνται εντολές διακλάδωσης της ροής του προγράµµατος ή όχι. 6. Απαριθµητής προγράµµατος (program counter). Είναι ένας καταχωρητής-δείκτης, ο οποίος περιέχει πάντοτε τη διεύθυνση της θέσης µνήµης από όπου θα συνεχισθεί η ανάγνωση/εκτέλεση του προγράµ- µατος µετά την εκτέλεση της τρέχουσας εντολής µηχανής. Το περιεχόµενό του διαβιβάζεται στον διάδροµο διευθύνσεων του µ/υ, µέσω πύλης (αποµονωτή) τριών καταστάσεων. 7. είκτης στοίβας (stack pointer). Ο καταχωρητής αυτός περιέχει τη διεύθυνση µνήµης, όπου βρίσκεται η κορυφή της στοίβας. Η στοίβα (stack) είναι ένα συνεχές τµήµα της µνήµης του µ/υ, όπου φυλάσσεται προσωρινά το περιεχόµενο του συσσωρευτή και των άλλων καταχωρητών γενικής χρήσης ή του απαριθµητή προγράµµατος, όταν αυτοί πρόκειται να χρησιµοποιηθούν για κάποια άλλη διεργασία (π.χ. κατά την εκτέλεση µιας υπορουτίνας). Μετά την εκτέλεση της διεργασίας αυτής το αρχικό περιε

18 χόµενο των καταχωρητών αποκαθίσταται ανακαλούµενο από τη στοίβα. Στη στοίβα φυλάσσονται επίσης η διεύθυνση στην οποία πρέπει να επιστρέψει το κυρίως πρόγραµµα µετά την εκτέλεση µιας υπορουτίνας (σελ. 242). 8. Αποκωδικοποιητής εντολών (instruction decoder). Κατασκευαστικά αποτελεί το πολυπλοκότερο µέρος του µp. Κατά την εκτέλεση του προγράµµατος διαβάζει τον κώδικα της εντολής µηχανής και σε συνεργασία µε τη µονάδα χρονισµού και ελέγχου παράγει την απαραίτητη αλληλουχία σηµάτων, που θα προκαλέσουν την εκτέλεση των διεργασιών, οι οποίες προβλέπονται από το είδος της εντολής. 9. Μονάδα χρονισµού και ελέγχου (timing and control unit). Σε συνεργασία µε τον αποκωδικοποιητή εντολών πραγµατοποιεί την εκτέλεση µιας εντολής, διαβιβάζοντας τα απαραίτητα σήµατα ελέγχου προς τις διάφορες µονάδες του µp (απλές γραµµές στο Σχήµα 6.3.3). Η ίδια µονάδα δρα ως πηγή και δέκτης σηµάτων ελέγχου προς και από άλλα τµήµατα του µ/υ, µε τα οποία επικοινωνεί µέσω των γραµµών του διαδρόµου ελέγχου. Παράγοντες που επιδρούν στην ταχύτητα ενός µικροεπεξεργαστή. Η ταχύτητα των µικροεπεξεργαστών (αλλά και των µ/υ γενικότερα) συνηθίζεται να µετρείται σε εκατοµµύρια εντολών ανά δευτερόλεπτο (millions of instructions per second, MIPS). Μέσα σε µία τριακονταετία η ταχύτητα των µp έχει αυξηθεί κατά 3 τουλάχιστον τάξεις µεγέθους, χωρίς να διαφαίνεται κάποια τάση ότι έχει φθάσει στα όριά της. Έτσι, π.χ. η ταχύτητα του µp 8080 (βλέπε Πίνακα 6.3.1, σελ. 233) ήταν 0,6 MIPS, ενώ οι σύγχρονοι µp έχουν φθάσει ταχύτητες 1000 MIPS. Σε αρκετά γενικές γραµµές οι παράγοντες, που καθορίζουν την ταχύτητα ενός µp (πέραν από τον αριθµό γραµµών του διαδρόµου δεδοµένων), είναι οι εξής: 1. Η συχνότητα του ωρολογίου. Κάθε µp απαιτεί την παρουσία ενός ταλαντωτή κρυστάλλου, ο οποίος βηµατοδοτεί µε παλµούς σταθερής συχνότητας τη µονάδα χρονισµού και ελέγχου. Ο ταλαντωτής είναι γνωστός ως ωρολόγιο (clock). Οι κύκλοι ωρολογίου συγχρονίζουν την αλληλουχία των σταδίων εκτέλεσης κάθε εντολής µηχανής. Κάθε εντολή, ανάλογα µε τον τύπο και την πολυπλοκότητα της, απαιτoύσε 5 έως 20 κύκλους ωρολογίου. Οι σύγχρονοι µp, χάρη στον µεγαλύτερο κατά τάξεις µεγέθους αριθµό των τρανζίστορ τους, είναι σε θέση να εκτελούν πολύπλοκες εντολές πολύ ταχύτερα (έως και 2 εντολές σε ένα κύκλο). Οι πρώτοι µp λειτουργούσαν σε συχνότητες 1-4 MHz και σήµερα πλέον οι συχνότητες αυτές έχουν ήδη φθάσει τα 2,5 GHz και προβλέπεται περαιτέρω αύξηση. 2. Ο τρόπος εκτέλεσης των εντολών µηχανής. Τυπικά, κάθε εντολή µηχανής εκτελείται σε 4 διακριτές φάσεις, που είναι: (α) µεταφορά ή ανάγνωση της εντολής ( fetch ), (β) αποκωδικοποίησή της ( decode ), (γ) εκτέλεσή της ( execute ) και (δ) αποθήκευση αποτελέσµατος ( store ). Αύξηση της συχνότητας του ωρολογίου αυξάνει την ταχύτητα διεκπεραίωσης των φάσεων αυτών, ωστόσο συχνά εµπλέκονται και άλλοι παράγοντες καθυστέρησης (π.χ. ταχύτητα προσπέλασης µνήµης) και η ταχύτητα λειτουργίας δεν είναι πάντοτε ανάλογη της συχνότητας του ωρολογίου. Η αύξηση των τρανζίστορ (από µερικές χιλιάδες σε µερικά εκατοµµύρια ανά µp) επέτρεψε την εκτέλεση πιο σύνθετων εντολών σε πολύ λιγότερους κύκλους ωρολογίου. ηλαδή, έγινε προσπάθεια να αντικατασταθεί κατά το δυνατόν το λογισµικό µε υλισµικό. Τυπικό παράδειγµα εξέλιξης των σύγχρονων µp, που επαύξησε σηµαντικά την ταχύτητα τους, είναι η δυνατότητα συνεχούς διοχέτευσης (pipelining) των εντολών, κατά την οποία υπάρχει συνεχής χρονική επικάλυψη των επιµέρους διαφορετικών κύκλων εκτέλεσης των εντολών. Στο Σχήµα παρουσιάζεται παραστατικά η διαφορά µεταξύ της λειτουργίας χωρίς συνεχή διοχέτευση και της λειτουργίας µε συνεχή διοχέτευση. Θα πρέπει να σηµειωθεί ακόµη ότι οι σύγχρονοι µp διαθέτουν πολλαπλούς αποκωδικοποιητές εντολών, τον καθένα µε το δικό του σύστηµα συνεχούς διοχέτευσης, οπότε είναι δυνατή η παράλληλη εκτέλεση πολλών εντολών µηχανής σε ένα κύκλο ωρολογίου

19 Σχήµα Λειτουργία µικροεπεξεργαστή χωρίς και µε συνεχή διοχέτευση (pipelining) εντολών µηχανής. Ακόµη θα πρέπει να σηµειωθεί ότι οι σύγχρονοι µp έχουν τη δυνατότητα άµεσης εκτέλεσης µαθηµατικών πράξεων µε πραγµατικούς αριθµούς (οι παλαιότεροι περιοριζόνταν σε πράξεις µόνο σε ακέραιους) διαθέτοντας ενσωµατωµένο πλέον επεξεργαστή κινητής υποδιαστολής (floating point processor), γνωστό ως µονάδα κινητής υποδιαστολής (floating point unit, FPU). Έτσι, µαθηµατικές πράξεις που απαιτούσαν κώδικα δεκάδων και εκατοντάδων εντολών µηχανής εκτελούνται πλέον µε µία εντολή. 3. Η παρουσία µνήµης παρακαταθήκης. Αποφασιστικός παράγοντας αύξησης της ταχύτητας λειτουργίας των µp υπήρξε και η προσθήκη µνήµης παρακαταθήκης ή κρυφής µνήµης (cache) έως και µερικών εκατοντάδων ΚΒ µέσα στον ίδιο τον µp, διευθετηµένη σε διάφορα επίπεδα προσπέλασης. Μέσω ενός αλγορίθµου πρόβλεψης, τµήµατα κώδικα από την κύρια µνήµη του µ/υ µεταφέρονται στη µνήµη παρακαταθήκης. εδοµένου ότι προσπέλαση της µνήµης αυτής είναι 5-10 φορές ταχύτερη από την προσπέλαση της κύριας µνήµης του µ/υ, η παρουσία της επαύξησε στο έπακρο την ταχύτητα λειτουργίας των µp. Στον Πίνακα παρουσιάζονται τυπικά και γνωστότερα παραδείγµατα µικροεπεξεργαστών (κατά χρονολογική σειρά εµφάνισης) και ορισµένα από τα βασικά κατασκευαστικά χαρακτηριστικά τους Μνήµη Η µνήµη των µ/υ αποτελείται από πλήθος καταχωρητών µε τον καθέναν από τους οποίους µπορεί να επικοινωνήσει η CPU. Όπως προαναφέρθηκε, ο µέγιστος δυνατός αριθµός καταχωρητών που είναι άµεσα προσπελάσιµοι από την CPU καθορίζεται από τον αριθµό των γραµµών του διαδρόµου διευθύνσεων. Όλες οι θέσεις της µνήµης ενός µ/υ είναι διατεταγµένες σε σειρά και κάθε θέση µνήµης έχει τη διεύθυνσή της. Η CPU επικοινωνεί µε µία θέση µνήµης κάθε φορά, σχηµατίζοντας στον διάδροµο διευθύνσεων τον αριθµό που αντιστοιχεί στη διεύθυνση της θέσης αυτής (Σχήµα 6.3.2)

20 Πίνακας Τυπικά παραδείγµατα µικροεπεξεργαστών (κατά χρονολογική σειρά εµφάνισης) και βασικά κατασκευαστικά χαρακτηριστικά τους Έτος Τύπος/ Κατασκευαστής Γραµµές διαδρόµων εδοµένων/ διευθύνσεων Τρανζίστορ Clock, MHz Χαρακτηριστικά στοιχεία / Πεδία χρήσεων / Intel ,1 Χρήση σε αριθµοµηχανές / Ιntel ,1 υνατότητα χειρισµού αλφαριθµητικών δεδοµένων. O πρώτος που χρησιµοποιήθηκε σε πρώιµο µ/υ (Micral) / Intel 8 / θύρες I/O. Ο πρώτος που χρησιµοποιήθηκε σε µ/υ (Altair) / Motorola 8 / ,4 Χρησιµοποιήθηκε σε αυτοµατισµούς αυτοκινήτων και σε απλούς υπολογιστές Ζ80 / Zilog 8 / ιπλός Ο πρώτος µp για τον οποίο αναπτύχθηκε λειτουργικό σύστηµα (CPM) / MOS Technologies 8 / Χρησιµοποιήθηκε σε πολλούς οικιακούς υπολογιστές / Intel 16 / Συµβατός µε τον Εφαρµογή στους πρώτους προσωπικούς υπολογιστές (PC) / Intel 8 / 20 8 Εφαρµογές στους πρώτους IBM PC / Intel 16 / Εικονική µνήµη µέχρι 1 Gbyte / Intel 32 / Προσπελάσιµη µνήµη 4 Gbyte. υνατότητα πολυδιεργασίας (multitasking). Λειτουργικά συστήµατα Windows και OS/ / Intel 32 / 32 1, Ο πρώτος µ/ε µε ενσωµατωµένα επεξεργαστή κινητής υποδιαστολής και µνήµη cache 1993 Pentium / Intel 64 3, Ο µp στον οποίο βασίσθηκε το λειτουργικό σύστηµα Windows PentiumPro / Intel 64 5, Εσωτερική µνήµη cache kbyte. Βελτιστοποιηµένος για εφαρµογές των 32 bit Pentium II / Intel 64 7, Ειδικές εντολές για χειρισµό γραφικών, audio, video. Tεχνολογία ΜΜΧ (multimedia extensions) Pentium III / Intel 64 9, Βελτιστοποιηµένος για εφαρµογές πολυµέσων και διαδικτύου Περιεχόµενο µνήµης. Σε κάθε byte µνήµης ουσιαστικά µπορεί να καταχωρισθεί ένας δυαδικός αριθµός από το (= 0) έως (= = 255). Συνεχή τµήµατα (block) της µνήµης χρησιµοποιούνται: (α) Για µόνιµη φύλαξη εντολών µηχανής, οι οποίες συνθέτουν το πρόγραµµα εκκίνησης (start-up program), που αναλαµβάνει τον έλεγχο του µ/υ από τη στιγµή έναρξης της ηλεκτρικής τροφοδοσίας του, (β) για την αποθήκευση αλληλουχιών εντολών µηχανής, που συνθέτουν το λειτουργικό σύστηµα του µ/υ, ως και τα εκτελούµενα προγράµµατα, (γ) για προσωρινή φύλαξη δεδοµένων ή ως πρόχειρο χαρτί για ενδιάµεσους υπολογισµούς, (δ) ως χώρος φύλαξης των αριθµητικών δεδοµένων, αλφαριθµητικών χαρακτήρων και εικονοστοιχείων. Σε πολλές περιπτώσεις το µέγεθος των π.χ. αριθµητικών δεδοµένων ή των κειµένων είναι κατά πολύ µεγαλύτερο από τη χωρητικότητα της διαθέσιµης µνήµης. Στις περιπτώσεις αυτές, το µεγαλύτερο τµήµα -233-