Ενότητα 4. Εισαγωγή στην Πληροφορική. Αναπαράσταση δεδοµένων. Αναπαράσταση πληροφορίας. υαδικοί αριθµοί. Χειµερινό Εξάµηνο

Transcript

1 Ενότητα 4 Εισαγωγή στην Πληροφορική Κεφάλαιο 4Α: Αναπαράσταση πληροφορίας Κεφάλαιο 4Β: Επεξεργαστές που χρησιµοποιούνται σε PCs Χειµερινό Εξάµηνο ρ. Παναγιώτης Χατζηδούκας (Π..407/80) Εισαγωγή στηνπληροφορική Εισαγωγή στηνπληροφορική 2 Αναπαράσταση πληροφορίας Σκοποί του κεφαλαίου (4Α) Πώς οι υπολογιστές αναπαριστάνουν τα δεδοµένα Πώς οι υπολογιστές επεξεργάζονται τα δεδοµένα Παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα επεξεργασίας Επεκτάσεις της επεξεργαστικής ισχύος σε άλλες συσκευές Αναπαράσταση δεδοµένων υαδικοί αριθµοί Το δυαδικό αριθµητικό σύστηµα Bits και Bytes Αλφαριθµητικοί κώδικες Εισαγωγή στηνπληροφορική 3 Εισαγωγή στηνπληροφορική 4 υαδικοί αριθµοί Η υπολογιστική επεξεργασία πραγµατοποιείται από τρανζίστορ, τα οποία είναι διακόπτες µε δύο µόνο δυνατές καταστάσεις: on και off. Όλα τα υπολογιστικά δεδοµένα µετατρέπονται σε µια ακολουθία δυαδικών αριθµών και 0. Για παράδειγµα, ο χρήστηςβλέπειµιαπρότασησανακολουθίαγραµµάτων, αλλά ο υπολογιστής βλέπει κάθε γράµµα σαν µια συλλογή από και 0. Όταν ένα τρανζίστορ έχει πάρει την τιµή, είναι σε κατάσταση on. Εάνέχειτηντιµή 0, τότεείναισεκατάσταση off. Τα τρανζίστορ ενός υπολογιστή µπορούν να αλλάζουν κατάσταση (on off) εκατοµµύρια φορές κάθε δευτερόλεπτο έκα διαφορετικά σύµβολα στο δεκαδικό σύστηµα Αριθµοί µεγαλύτεροι του 9 χρησιµοποιούν περισσότερα από ψηφία Εισαγωγή στηνπληροφορική 5 Εισαγωγή στηνπληροφορική 6

2 υαδικό σύστηµα Bits και Bytes Για τη µετατροπή δεδοµένων σε συµβολοσειρέςαριθµών, οι υπολογιστές χρησιµοποιούν το δυαδικό αριθµητικό σύστηµα Οι άνθρωποι χρησιµοποιούµε το δεκαδικό σύστηµα Το δυαδικό αριθµητικό σύστηµα λειτουργεί ακριβώς όπως το δεκαδικό σύστηµα, αλλά έχει δύο µόνο διαθέσιµα σύµβολα (0 και ) και όχι δέκα (0,, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, και 9). Base Base Μια απλή µονάδα δεδοµένων καλείται bit, έχοντας τιµήίσηµε ή 0 Οι υπολογιστές λειτουργούν µε συλλογές από bits, τις οποίες οµαδοποιούν για να αναπαραστήσουν µεγαλύτερα τµήµατα δεδοµένων, όπως τα γράµµατα της αλφαβήτου Οκτώ bits δηµιουργούν ένα byte. Ένα byte είναι το ποσό µνήµης που απαιτείται για την αποθήκευση ενός αλφαριθµητικού χαρακτήρα Με ένα byte, ο υπολογιστής µπορεί να αναπαραστήσει 256 διαφορετικά σύµβολα χαρακτήρων Εισαγωγή στηνπληροφορική 7 Εισαγωγή στηνπληροφορική 8 Αλφαριθµητικοί κώδικες Ένας αλφαριθµητικός κώδικας είναι ένα σύστηµα που χρησιµοποιεί δυαδικούς αριθµούς ( και 0) για να αναπαραστήσει χαρακτήρες που είναι κατανοητοί στους ανθρώπους (γράµµατα και αριθµούς) Ένα από τα πρώτα συστήµατα αλφαριθµητικά συστήµατα, µε τηνονοµασία EBCDIC, χρησιµοποιείοκτάµπιτουςκώδικες, µα συναντάται σε παλαιότερα υπολογιστικα συστήµατα. Στο συνηθέστερο αλφαριθµητικό κώδικα, µε την ονοµάσια ASCII, κάθε χαρακτήρας αποτελείται από οκτώ bits (ένα byte) δεδοµένων. Τοσύνολοχαρακτήρων ASCII χρησιµοποιείται σχεδόν σε όλους τους προσωπικούς υπολογιστές Στοσύνολο Unicode, κάθεχαρακτήραςαποτελείταιαπό 6 bits (δύο bytes) δεδοµένων Εισαγωγή στηνπληροφορική 9 Εισαγωγή στηνπληροφορική 0 Παραδείγµατα από το ASCII Επεξεργασία εδοµένων Κώδικας Χαρακτήρας A B C D E Εισαγωγή στηνπληροφορική Που πραγµατοποιείται η επεξεργασία των δεδοµένων Η µονάδα ελέγχου Η αριθµητική λογική µονάδα Κύκλοι µηχανής Ο ρόλος της µνήµης στην επεξεργασία Κατηγορίες της µνήµης RAM Εισαγωγή στηνπληροφορική 2 2

3 Που γίνεται η επεξεργασία Η επεξεργασία πραγµατοποιείται στην κεντρική µονάδα επεξεργασίας (KME) του υπολογιστή (central processing unit,cpu). Η µνήµη του συστήµατος παίζει επίσης σηµαντικό ρόλο στην επεξεργασία των δεδοµένων Η ΚΜΕ και η µνήµη βρίσκονται τοποθετηµένες στην µητρική κυκλωµατική πινακίδα του συστήµατος, η οποία συνδέει µαζί όλες τις συσκευές του υπολογιστή, επιτρέπωντας την µεταξύ τους επικοινωνία Εισαγωγή στηνπληροφορική 3 Εισαγωγή στηνπληροφορική 4 Η µονάδα ελέγχου Τα δύο βασικά τµήµατα της KME είναι η µονάδα ελέγχου (control unit) και η αριθµητική λογική µονάδα (arithmetic logic unit, ALU) Η µονάδα ελέγχου κατευθύνει τη ροή των δεδοµένωνµέσααπότηνκμεκαθώςκαιαπόκαι προς τις άλλες συσκευές Η µονάδα ελέγχου αποθηκεύει τον µικροκώδικα της ΚΜΕ, ο οποίος περιέχει τις εντολές για όλες τις εργασίες που η ΚΜΕ µπορεί να πραγµατοποιήσει Εισαγωγή στηνπληροφορική 5 Εισαγωγή στηνπληροφορική 6 Αριθµητική Λογική Μονάδα Λίστα λειτουργιών της ALU Ο πραγµατικός χειρισµός των δεδοµένων πραγµατοποιείται στην αριθµητική λογική µοναδα (ALU) Η ALU µπορεί να πραγµατοποιήσει αριθµητικές και λογικές πράξεις Η ALU είναι συνδεδεµένη µε ένα σύνολο καταχωρητών (registers) µικρές περιοχές µνήµης µέσα στην ΚΜΕ, οι οποιες περιέχουν τα δεδοµένα και τις εντολές προγράµµατος ενώ αυτές βρίσκονται σε επεξεργασία Αριθµητικές Πράξεις + Πρόσθεση Αφαίρεση x Πολλαπλασιασµός ιαίρεση ^ Ύψωση σε δύναµη Λογικές Πράξεις =, equal to, not equal to >, > greater than, not greater than <, < less than, not less than, greater than or equal to, not greater than or equal to, less than or equal to, not less than or equal to Εισαγωγή στηνπληροφορική 7 Εισαγωγή στηνπληροφορική 8 3

4 Κύκλοι µηχανής Η ΚΜΕ ακολουθεί ένα σύνολο βήµατων, µε την ονοµασία κύκλος µηχανής, για κάθε εντολή που εκτελεί Μετηχρησιµοποίησηµιαςτεχνικήςπουκαλείται pipelining, οι ΚΜΕ µπορούν να επεξεργάζονται περισσότερες από µια εντολές µια δεδοµένη χρονική στιγµή Ο κύκλος µηχανής περιλαµβάνει δύο µικρότερους κύκλους: Κατά τον κύκλο εντολής, η ΚΜΕ «φέρνει» µια εντολή ή δεδοµένα από τη µνήµη και την αποκωδικοποιεί για περαιτέρω επεξεργασία από την ΚΜΕ Κατάτονκύκλοεκτέλεσης, ηκμεεκτελείτηνεντολήκαιµπορείνα αποθηκεύσει το αποτέλεσµα της εντολής στη µνήµη Ορόλοςτηςµνήµης Η µνήµη RAM διατηρεί δεδοµένα και κώδικα προγραµµάτων που απαιτούνται από την ΚΜΕ. Τα περιεχόµενα της RAM µεταβάλλονται γρήγορα και πολύ συχνά Η µνήµη ROM (Read-only memory) είναι µη πτητική (ή µόνιµη). ιατηρεί εντολές που ο υπολογιστής εκτελεί τη στιγµή που τίθεται σε λειτουργία Η ΚΜΕ προσπελαύνει κάθε θέση στη µνήµη χρησιµοποιώντας έναν µοναδικό αριθµό, που καλείται διεύθυνση µνήµης Εισαγωγή στηνπληροφορική 9 Εισαγωγή στηνπληροφορική 20 Κατηγορίες RAM Υπάρχουν δύο βασικές κατηγορίες µνήµης RAM: στατική και δυναµική Τα chips δυναµικήςµνήµης RAM (Dynamic RAM, DRAM) πρέπειναεπαναφορτίζονταιηλεκτρικάπολύσυχνά, διαφορετικά θα χάσουν τα περιεχόµενα τους Η στατική µνήµη RAM (SRAM) δεν απαιτεί επαναφόρτιση τόσοσυχνάόσοηdram, καιµπορείναδιατηρείτα περιεχόµενά της για µεγαλύτερο χρονικό διάστηµα Μια άλλη κατηγορία µνήµης RAM, που καλείται µνήµη flash, µπορεί να διατηρεί τα περιεχόµενά της και µετά τον τερµατισµόλειτουργίαςτουυπολογιστή. Ηµνήµη flash χρησιµοποιείται σε ψηφιακές κάµερες για την αποθήκευση εικόνων Εισαγωγή στηνπληροφορική 2 Εισαγωγή στηνπληροφορική 22 Ταχύτητα επεξεργασίας Οι βασικοί παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα επεξεργασίας είναι οι εξής: Οι καταχωρητές (registers) Ηµνήµη RAM Το ρολόι συστήµατος (system clock) Ο δίαυλος δεδοµένων (bus) Ηκρυφήµνήµη (cache memory) Καταχωρητές H KME διαθέτειέναµικρόαριθµόµικρώντµηµάτωνµνήµης, που καλούνται καταχωρητές, όπου διατηρούνται δεδοµένα και εντολές ενώ η ΚΜΕ τα επεξεργάζεται Το µέγεθος των καταχωρητών (που καλείται και µέγεθος λέξης) καθορίζει την ποσότητα µνήµης µε την οποία ο υπολογιστής µπορεί να δουλεύει κάθε χρονική στιγµή Σήµερα, οι περισσότεροι προσωπικοί υπολογιστές έχουν καταχωρητές των 32-bit, που σηµαίνει ότι η ΚΜΕ µπορεί να επεξεργαστές τέσσερα bytes δεδοµένων κάθε στιγµή. Τα µεγέθη καταχωρητών έχουν ήδη αυξηθεί στα 64 bits Εισαγωγή στηνπληροφορική 23 Εισαγωγή στηνπληροφορική 24 4

5 Μνήµη RAM Το µέγεθος της µνήµης RAM σε έναν προσωπικό υπολογιστή έχει άµεση επίδραση στην ταχύτητα του συστήµατος Όσο περισσότερη µνήµη RAM έχει ένας υπολογιστής, τόσο περισσότερες εντολές προγραµµάτων και δεδοµένα µπορούν να διατηρηθούν στη µνήµη, το οποίο είναι ταχύτερο από την αποθήκευση τον σκληρό δίσκο Εάν ένας υπολογιστής δεν έχει αρκετή διαθέσιµη µνήµη για την εκτέλεση ενός προγράµµατος, πρέπει να µεταφέρει δεδοµένα µεταξύ της µνήµης RAM και του σκληρού δίσκου αρκετάσυχνά. Ηδιαδικασίααυτή, πουκαλείται swapping, µπορεί να µειώσει δραµατικά την απόδοση ενός υπολογιστή Εισαγωγή στηνπληροφορική 25 Εισαγωγή στηνπληροφορική 26 Ρολόι συστήµατος Περισσότερη RAM = Καλύτερη Απόδοση Το ρολόι του υπολογιστικού συστήµατος καθορίζει τον ρυθµό λειτουργίας της ΚΜΕ, χρησιµοποιώντας έναν ταλαντευόµενο κρύσταλλο quartz. Ένας απλός «χτύπος» ρολογιού είναι ο χρόνος που απαιτείται για το κλείσιµο και άνοιγµα ενός τρανζίστορ. Αυτός καλείται κύκλος ρολογιού Οι κύκλοι ρολογιού µετριούνται σε Hertz (Hz), ο αριθµός κύκλων ανά δευτερόλεπτο. Αν ένας υπολογιστής έχει ταχύτητα ρολογιού στα 300 MHz, τότε οι χτύποι του συστήµατος ρολογιού είναι 300 εκατοµµύρια φορές κάθε δευτερόλεπτο Όσο ταχύτερο το ρολόι ενός υπολογιστή, τόσο περισσότερες εντολές µπορεί ο υπολογιστής να εκτελέσει κάθε δευτερόλεπτο Εισαγωγή στηνπληροφορική 27 Εισαγωγή στηνπληροφορική 28 ίαυλος συστήµατος Ένας δίαυλος είναι ένα µονοπάτι µεταξύ των τµηµάτων ενός υπολογιστή. εδοµένα και εντολές µεταφέρονται µέσω αυτών των µονοπατιών Τοεύροςτουδίαυλουδεδοµένωνκαθορίζειπόσα bits µπορούν να µεταδοθούν µεταξύ της ΚΜΕ και άλλων συσκευών Ο δίαυλος διευθύνσεων λειτουργεί µεταξύ της ΚΜΕ και της µνήµης RAM, και µεταφέρει µόνο διευθύνσεις µνήµης που η ΚΜΕ θα χρησιµοποιήσει Οι περιφερειακές συσκευές συνδέονται µε την ΚΜΕ µε έναν δίαυλο επέκτασης Εισαγωγή στηνπληροφορική 29 Εισαγωγή στηνπληροφορική 30 5

6 Κρυφή µνήµη Η κρυφή µνήµη είναι µια µνήµη υψηλής ταχύτητας που διατηρεί τα πιο πρόσφατα δεδοµένα και εντολές που έχουν χρησιµοποιηθεί από την ΚΜΕ Η κρυφή µνήµη (cache) βρίσκεται µέσα στην ΚΜΕ ήµεταξύτηςκμεκαιτης RAM, µεαποτέλεσµανα είναι ταχύτερη από την κανονική RAM Η κρύφη µνήµη που βρίσκεται στην ΚΜΕ καλείται Level- (L) cache. Ηεξωτερικήκρυφήµνήµη καλείται Level-2 (L2) cache. Το µέγεθος της κρυφής µνήµης έχει τεράστια επίδραση στην ταχύτητα του υπολογιστή Εισαγωγή στηνπληροφορική 3 Εισαγωγή στηνπληροφορική 32 Επέκταση της επεξεργαστικής ισχύος Επεκτείνοντας την ισχύ του επεξεργαστή σε άλλες συσκευές Θύρες (Ports) Υποδοχές επέκτασης και πινακίδες Θύρες Οι εξωτερικές συσκευές (όπως εκείνες για είσοδο και έξοδο) συνδέονται στο σύστηµα µέσω θυρών στο πίσω µέρος του υπολογιστή Οι προσωπικοί υπολογιστές διαθέτουν έναν αριθµό ενσωµατωµένων θυρών, που είναι έτοιµες να δεχτούνσυσκευές, όπωςεκτυπωτή, ποντίκι, πληκτρολόγιο, τηλεφωνικήγραµµή, µικρόφωνοκαι ηχεία, κλπ. Οι περισσότεροι υπολογιστές διαθέτουν µια σειριακή και µια παράλληλη θύρα. Μια σειριακή θύρα µεταδίδει ένα bit δεδοµένων κάθε φορά, ενώ µια παράλληλη θύρα µεταδίδει ένα byte κάθε φορά Εισαγωγή στηνπληροφορική 33 Εισαγωγή στηνπληροφορική 34 Υποδοχές επέκτασης και πίνακες Ανουπλογιστήςδενέχειθύραγιαµιαεξωτερική συσκευή, ο χρήστης µπορεί να εισάγει µια κάρτα επέκτασης σε µια από τις άδειες υποδοχές επέκτασης Μιαπινακίδαπαρέχειτησωστήθύραγιατηνέα συσκευήκαισυνδέειτησυσκευήµετηνκμε διαµέσου του διαύλου επέκτασης του υπολογιστή Νεότερες τεχνολογίες διαύλου, όπως οι USB (Universal Serial Bus) και IEEE 394,επιτρέπουν πολλαπλές συσκευές να συνδέονται σε µια θύρα Το SCSI (Small Computer System Interface) είναι ένα παλαιότερο πρότυπο που επεκτείνει τον δίαυλο σε πολλαπλές συσκευές µέσω µιας απλής θύρας Επανάληψη κεφαλαίου Να αναφερθούν δύο λόγοι που οι υπολογιστές χρησιµοποιούν το δυαδικό αριθµητικό σύστηµα ΝααναφερθούνταδύοβασικάτµήµατατηςΚΜΕκαινα εξηγηθεί πως λειτουργούν µαζί Να εξηγηθεί η διαφορά µεταξύ RAM και ROM Να προσδιοριστούν οι δύο τεχνολογιές RAM που χρησιµοποιούνται στους υπολογιστές Να αναφερθούν τρεις παράγοντες υλικού που επηρεάζουν την ταχύτητα επεξεργασίας Να προσδιοριστούν 4 συνδέσεις που χρησιµοποιούνται για την τοποθέτηση συσκευών σε έναν υπολογιστή Εισαγωγή στηνπληροφορική 35 Εισαγωγή στηνπληροφορική 36 6