Ο Ηλεκτρονικός Υπολογιστής

Κεφάλαιο 1 Ο Ηλεκτρονικός Υπολογιστής 1.1 Ιστορική Εξέλιξη των Υπολογιστικών Συστημάτων Μια ματιά στο παρελθόν και το μέλλον των υπολογιστών Ίσως ο πρώτος υπολογιστής της ιστορίας κατασκευάστηκε το 80 π.χ. Το όνομα του είναι ο Αστρολάβος των Αντικυθήρων. Αποτελείται από 29 διαφορετικά χειροποίητα γρανάζια. Μια μανιβέλα κινεί το όλο σύστημα και οι υπολογισμοί του δίνουν πληροφορίες για τις κινήσεις του ήλιου, της σελήνης και των πλανητών στο ζωδιακό κύκλο, καθώς και για τις μετρήσεις του ύψους του ηλίου και των άστρων στη θάλασσα. Τις θεωρητικές βάσεις των υπολογιστών έθεσε πρώτος ο μαθηματικός J. Von Neumann (1945). H κατοχή αυτών των γνώσεων οδήγησε τον Neumann στην κατασκευή του Μαθηματικού Αναλυτή, Απαριθμητή, Ολοκληρωτή και Υπολογιστή (Mathematical Analyser, Numerator, Intergrator and Computer, MANIAC 1) στο Λος Άλαμος. Προς τιμή του, μια μεγάλη κατηγορία υπολογιστών, υπολογιστές τύπου Von Neumann, και η λειτουργία τους στηρίζεται στις έννοιες του αποθηκευμένου προγράμματος (stored program) και του μετρητή προγράμματος (program counter), με τη βοήθεια του οποίου υπολογίζεται η εκτέλεση του προγράμματος. Τις έννοιες αυτές είχε εμπνευστεί πρώτος ο Charles Babbage τον περασμένο αιώνα. 17

κεφάλαιο 1 1. Συστήματα πρώτης γενιάς Τα συστήματα πρώτης γενιάς (1946-1953) χρησιμοποιούσαν ως βασικές δομικές μονάδες ηλεκτρονικές λυχνίες. Ο πρώτος ηλεκτρονικός υπολογιστής που κατασκευάστηκε ήταν ο E.N.I.A.C. (Electronic Numerical Integrator And Computer), που κατασκευάστηκε το 1946 στο Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια. Αντιπροσωπευτικός υπολογιστής αυτής της γενιάς ήταν ο IBM 701. Οι υπολογιστές αυτοί προγραμματίζονταν απευθείας σε γλώσσα μηχανής. Το γεγονός αυτό, σε συνδυασμό με το υψηλό κόστος και την χαμηλή ταχύτητα εκείνων των υπολογιστών, έθετε σοβαρούς περιορισμούς στην ευρεία χρήση της γενιάς αυτής. 2. Συστήματα δεύτερης γενιάς Τα συστήματα δεύτερης γενιάς (1952-1963) χρησιμοποιούσαν ως βασικές δομικές μονάδες τις κρυσταλλοτριόδους (Transistors). O υπολογιστής TRADIC που κατασκευάστηκε το 1954 στα εργαστήρια της Bell ήταν ο πρώτος υπολογιστής αυτής της γενιάς. Τα τυπωμένα κυκλώματα, οι μνήμες μαγνητικών δακτυλίων, οι συμβολικές γλώσσες, οι γλώσσες υψηλού προγραμματισμού, όπως η FΟRΤRΑΝ, η ALGOL, COBOL, τα λειτουργικά συστήματα ομαδικής επεξεργασίας κ.ά. ήταν τα κύρια χαρακτηριστικά αυτής της γενιάς. 3. Συστήματα τρίτης γενιάς Στα συστήματα τρίτης γενιάς (1962-1975) χρησιμοποιήθηκαν ως βασικές δομικές μονάδες τα ολοκληρωμένα κυκλώματα μικρής κλίμακας ολοκλήρωσης (SSI) και μέσης κλίμακας ολοκλήρωσης (ΜSΙ). Μνήμες υπαγωγών, εικονικές μνήμες, γλώσσες προγραμματισμού υψηλού επιπέδου με «έξυπνους» μεταφραστές, λειτουργικά συστήματα πολυπρογραμματισμού και καταμερισμού χρόνου κ.ά., ήταν τα χαρακτηριστικά αυτής της γενιάς. Οι CDC-7600, IBM-360/91, Illiac IV κ.ά., είναι χαρακτηριστικοί τύποι υπολογιστών αυτής της περιόδου. Την ίδια εποχή εμφανίζονται και οι μινι-υπολογιστές. 4. Συστήματα τέταρτης γενιάς Τα συστήματα τέταρτης γενιάς (1972-σήμερα) χρησιμοποιούν ως βασικές δομικές μονάδες ολοκληρωμένα κυκλώματα μεγάλης και πολύ μεγάλης κλίμακας ολοκλήρωσης (LSI και VLSI). Ta χαρακτηριστικά των συστημάτων αυτών έχουν βελτιωθεί και έχουν χρησιμοποιηθεί αρχιτεκτονικές αγωγού, πολυεπεξεργασίας, μητρώου κ.ά., για την κατασκευή υπερυπολογιστών 18

Ο Ηλεκτρονικός Υπολογιστής (Supercomputers), όπως ο Cray Τ3-Ε, ο ΜΡΡ κ.ά. Την ίδια εποχή εμφανίζονται οι μικροϋπολογιστές. 5. Συστήματα πέμπτης γενιάς Τα συστήματα πέμπτης γενιάς, τα οποία δεν έχουν διαδοθεί ευρέως, χρησιμοποιούν ολοκληρωμένα κυκλώματα πολύ μεγάλης κλίμακας ολοκλήρωσης (VLSI) και έχουν δυο βασικούς στόχους. Ο πρώτος στόχος είναι η επίτευξη στο μέγιστο δυνατό βαθμό της παράλληλης επεξεργασίας (για την αύξηση της ταχύτητας επεξεργασίας). Ο δεύτερος στόχος είναι η ανάπτυξη «έξυπνων» υπολογιστικών συστημάτων, με την ενσωμάτωση τεχνικών που χρησιμοποιούνται στον κλάδο της τεχνητής νοημοσύνης. 1.2 Μικροεπεξεργαστές του Παρελθόντος Ένας μικροεπεξεργαστής γενικά σημαίνει ότι ένα C.P.U. (Central Processor Unit) ή Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (ΚΜΕ) είναι εγκατεστημένο πάνω σε chip από σιλικόνη, αλλά έχουν υπάρξει και εξαιρέσεις, όταν η ΚΜΕ περιλαμβάνει ενδιαφέρουσες σχεδιαστικές προτάσεις, οι οποίες είναι αποτέλεσμα της σχεδιαστικής φιλοσοφίας των μικροϋπολογιστών. Ο Πρώτος Μικροεπεξεργαστής (ΙΝΤΕL 4004-Νοέμβριος 1971) Το πρώτο ατομικό chip ήταν το Intel 4004, ένας επεξεργαστής 4 bit το οποίο προοριζόταν για έναν υπολογιστή (κομπιουτεράκι). Επεξεργαζόταν δεδομένα με 4 bit, αλλά οι οδηγίες του ήταν 8 bit. To program και το Data memory ήταν ξεχωριστά. Το 4004 είχε 46 οδηγίες, χρησιμοποιώντας μόνο 2300 transistors σε ένα 16pin-DΙΡ. Έτρεχε σε μια ταχύτητα 740kHz (8 clock cycles ανά κύκλο CPU των 10. 8 microsecond). O αρχικός στόχος ήταν 1ΜΗz, ώστε να μπορεί να επεξεργαστεί αριθμητική τόσο γρήγορα (ανά ψηφίο) όσο το IBM 1620 του 1960. Το 4040 ήταν η επόμενη ανανεωμένη έκδοση του 4004. Πρόσθεσε 14 παραπάνω εντολές, μεγαλύτερο συσσωρευτή 8 επιπέδων, 8Κ χώρο για υπολογισμό, καθώς και εντολές διακοπής των πράξεων. Ένας άλλος σημαντικός επεξεργαστής ήταν ο 8080 της Intel. Ήταν διάδοχος του 8008 και παρουσιάστηκε τον Απρίλη του 1974. Ο 8008 προοριζόταν για τερματικός ελεγκτής (terminal controller) και ήταν παρόμοιος με 19

κεφάλαιο 1 τον 4040. Τα τεχνικά χαρακτηριστικά του 8080 παραθέτονται παρακάτω. Ενώ ο 8008 είχε ένα δεκατεσσάρων bit PC, ο 8080 είχε ένα δεκαεξάρι bit address bus και ένα 8 bit data bus. Εσωτερικά είχε εφτά επί 8 bit εγγραφές (Α έως Ε, Η, L - τα ζευγάρια BC, DE, HL μπορούσαν να συνδυαστούν σαν 16 εγγραφές). Επίσης, ο εσωτερικός συσσωρευτής (stack) όγδοου επιπέδου του 8008, αντικαταστάθηκε από έναν 16 bit stack pointer και έναν 16 bit μετρητή προγράμματος (program counter). O 8080 είχε πολλές Ι\Ο πύλες- 256 τον αριθμό. Έτσι, συσκευές με Ι\Ο μπορούσαν να συνδεθούν, χωρίς να καταλάβουν ή να παρεμβάλουν στο addressing space. Ένα σήμα pin επέτρεπε στο συσσωρευτή να καταλάβει μια ξεχωριστή τράπεζα μνήμης. Το μέγεθος του, συγκριτικά με τους Pentium, είναι: Όσον αφορά τον πρώτο Pentium, ο 4004 είναι περίπου 35 φορές μικρότερος. Αργότερα, το μέγεθος του Pentium II μειώθηκε και έτσι, συγκριτικά με τον 4004, η συγκρισιμότητα έπεσε περίπου στο 1/12. 1.3 Επεξεργαστές PENTIUM Ο μικροεπεξεργαστής είναι ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα κατασκευασμένο πάνω σε ένα μικρό κομμάτι σιλικόνης. Περιέχει χιλιάδες, ακόμα και εκατομμύρια τρανζίστορς, τα οποία συνδέονται με ίνες αλουμινίου. Τα τρανζίστορς συνεργάζονται μεταξύ τους για να αποθηκεύσουν και να επεξεργαστούν πληροφορίες, έτσι ώστε ο μικροεπεξεργαστής να είναι ικανός να εκτελέσει έναν αριθμό χρήσιμων λειτουργιών. Οι συγκεκριμένες λειτουργίες υπαγορεύονται από το λογισμικό. Η κεντρική μονάδα επεξεργασίας (ΚΜΕ) ή επεξεργαστής είναι ο «εγκέφαλος» ενός υπολογιστή. Ο επεξεργαστής είναι το εξάρτημα το οποίο διεκπεραιώνει όλες τις μαθηματικές λειτουργίες και τις μεταφορές δεδομένων. Χωρίς επεξεργαστή δε θα μπορούσε να υπάρξει υπολογιστής. Η ΚΜΕ έχει εξελιχθεί και βελτιωθεί σε επίπεδο μεγέθους και ταχύτητας στη διάρκεια της ιστορίας του. Στις αρχές της δεκαετίας του 50 ένας υπολογιστής (στον οποίο ο επεξεργαστής ήταν ένα μεγάλο μέρος) θα καταλάμβανε ένα ολόκληρο μεγάλο δωμάτιο. Αν μπορούσε να «τρέξει» προγράμματα παρόμοια με το λειτουργικό πρόγραμμα WINDOWS της MICROSOFT, θα του έπαιρνε μερικούς μήνες για να φορτώσει! Εκείνοι οι ΚΜΕ περιείχαν μόνο μερικές χιλιάδες κενούς σωλήνες (vacuum tubes) [Ένας κενός σωλήνας έχει την ίδια 20

Ο Ηλεκτρονικός Υπολογιστής λειτουργία με εκείνη των τρανσίστορς (transistors)]. Συγκρίνοντας αυτό με κάποιο από τα τελευταία μοντέλα της Intel, παρατηρούμε μια εμφανή βελτίωση. Το μέγεθος του τσιπ (chip) έχει μειωθεί σε λιγότερο από μια τετραγωνική ίντσα και ένα ολόκληρο computer μπορεί να χωρέσει σε ένα σχετικά μικρό κουτί. Για να φορτώσεις τα Windows της Microsoft σήμερα, χρειάζεται περίπου 1 λεπτό με 30 δευτερόλεπτα. Το τσιπ περιέχει περίπου 7 εκατομμύρια τρανσίστορς. Pentium Ο Pentium υπήρξε ένα μεγάλο βήμα στην επανάσταση των επεξεργαστών. Η μεγαλύτερη διαφοροποίηση ήταν ότι περιείχε περισσότερες εκτελεστικές μονάδες (execution unit) από μια. Μια εκτελεστική μονάδα λαμβάνει τις εντολές και τις ενεργοποιεί. Έχοντας περισσότερες από μια εκτελεστική μονάδα, σημαίνει ότι ο μικροεπεξεργαστής μπορεί να εκτελεί περισσότερες από μια λειτουργίες την ίδια στιγμή. Ο μικροεπεξεργαστής παρήχθη σε πολλές εκδόσεις: 60, 66, 75, 90, 100, 120, 133, 166, 200 και 233 ΜΗz. Μετά από κάποιο χρονικό διάστημα η Intel παρουσίασε τον ΜΜΧ Η επόμενη γενιά η οποία ονομάστηκε Pentium Pro ή Ρ6, δε χαρακτηρίστηκε από σημαντικά τεχνολογικά επιτεύγματα. Η Intel δεν προσπάθησε να κρύψει τα μυστικά του μικροεπεξεργαστή, γιατί τα περισσότερα είχαν ήδη αποκαλυφθεί. Η απόδοση του Pentium Pro βελτιώθηκε από ένα μεγάλο L2 Cache, το οποίο είχε το μειονέκτημα ότι ήταν ακριβό. Ο επόμενος επεξεργαστής ονομάστηκε Pentium ΙΙ. Η φιλοσοφία της Intel άλλαξε και από τα sockets, η εταιρία στράφηκε στις εγκοπές (slots). Η Intel παρουσίασε τον slot-1, του οποίου τα μυστικά προστατεύονταν από νόμους. Αμέσως μετά η Intel παρουσίασε τον Pentium II στα 400ΜΗz με ένα δεύτερου επιπέδου cache, κάτι που είχε ανακοινώσει ότι ήταν αδύνατο. Ο δεύτερου επιπέδου cache δεν μπορούσε να τρέχει γρηγορότερα από 200ΜΗz σύμφωνα με την εταιρία. Μετά από κάποιο χρονικό διάστημα η Intel παρουσίασε τον Celeron. Στην πραγματικότητα ο Celeron ήταν ένας Pentium ΙΙ, από τον οποίο είχε αφαιρεθεί το δεύτερου επιπέδου cache. To γεγονός αυτό είχε ως αποτέλεσμα ο μικροεπεξεργαστής να είναι αργός κατά 1/2 από τον Pentium ΜΜΧ. Η κίνηση αυτή έγινε για να κερδίσει ένα μέρος της αγοράς των φθηνών υπολογιστών. Όταν η εταιρία το αντιλήφθηκε, πρόσθεσε έναν L2 cache των 128 kilobyte, κάνοντας τον υπολογιστή πιο γρήγορο. 21

κεφάλαιο 1 Η επόμενη τεχνολογική τομή ονομάστηκε Xeon. To μοντέλο αυτό ήταν ένας Pentium II, του οποίου το δεύτερου επιπέδου cache σε μέγιστη ταχύτητα με τον επεξεργαστή. Ένα κανονικό cache δεύτερου επιπέδου έτρεχε στη μισή ταχύτητα από τον επεξεργαστή. Ο Xeon δεν ήταν συμβατός με τον Pentium II, αλλά χρησιμοποιούσε ένα νέο τύπο εγκοπής (slot) ονομαζόμενο slot-2. 1.4 Οι Μικροεπεξεργαστές του 1990 Ένας μικροεπεξεργαστής ήταν ο Intel 486 TM SΧ. Παρουσιάστηκε επίσημα στο ευρύ κοινό στις 22 Απριλίου 1991. Η ταχύτητα με την οποία «έτρεχε» άρχιζε από 16 ΜΗz, συνέχισε στα 20 MHz και 25 MHz και έφτανε μέχρι 33 ΜΗz. Ο μικροεπεξεργαστής 486 αποτελούνταν από 1,185 εκατομμύρια τρανσίστορς, 4 gigabytes κατευθυνόμενη μνήμη (addressable memory) και 64 terabytes εικονική μνήμη. Ο 486 SX αποτελεί συνέχεια του 486 DΧ. Είναι ο ίδιος επεξεργαστής αλλά χωρίς μαθηματικό επεξεργαστή που να συνεργάζεται με τον κεντρικό επεξεργαστή (math coprocessor). Η επόμενη γενιά παρουσιάστηκε στις 22 Μαρτίου 1993. Η ονομασία του ήταν Pentium Processor. H ταχύτητα ήταν 60 και 66 ΜΗτz. Αποτελούνταν από 3,1 εκατομμύρια τρανσίστορς. Η addressable memory ήταν 4 gigabytes και η εικονική μνήμη 64 terabytes. Η συνέχεια της δυναστείας αντιπροσωπεύτηκε από τον Pentium Pro Processor. Παρουσιάστηκε στις 11 Ιανουαρίου 1995. Η ταχύτητά του στις διάφορες εκδόσεις έφτανε τα 150 ΜΗz, 166 MHz, 186 MHz και 200 ΜΗz. Ο Pentium Pro αποτελούνταν από 5, 5 εκατομμύρια τρανζίστορς. Η addressable memory και η εικονική μνήμη έφταναν στα νούμερα των 64 gigabyte και 64 terabyte, αντίστοιχα. Ο επεξεργαστής αυτός ήταν ικανός για δυναμική εκτέλεση προγραμμάτων και η απόδοσή του ήταν υψηλής απόδοσης. Περνάμε μετά στον Pentium II. Η επίσημη παρουσίασή του έλαβε μέρος στις 5 Ιουλίου 1997. Η ταχύτητά του άρχιζε στα 200 MHz, 233 MHz, 266 MHz και 300 ΜΗz. Η addressable memory και η εικονική μνήμη κυμαίνονταν στα ίδια επίπεδα με τον Pentium, δηλαδή στα 64 gigabyte και 64 terabyte, αντίστοιχα. 22

Ο Ηλεκτρονικός Υπολογιστής To 1965, 3 χρόνια πριν ιδρυθεί η Intel, o Gordon Moore παρατήρησε ότι η χωρητικότητα του επεξεργαστή φαινόταν να διπλασιάζεται κάθε 18 με 24 μήνες. Αυτό το μέτρο σύγκρισης ονομάστηκε αργότερα ο νόμος του Moore. H έρευνα έγινε, αφού συγκεντρώθηκαν οι κυριότεροι επεξεργαστές της Intel και υπολογίστηκε ο αριθμός των τρανζίστορ ανά chip. Σε αυτό το διάγραμμα μπορούμε να δούμε την πορεία των εμπεριεχομένων τρανζίστορ στους επεξεργαστές. Από τη δεκαετία του 1970 όπου ο πρώτος επεξεργαστής, ο Intel 4004, περιείχε 2300 τρανζίστορ. Στη διάρκεια της ιστορίας ο Pentium III αποτελούνταν από 9. 5 εκατομμύρια τρανζίστορς. Οι επιστήμονες υπολογίζουν το 2030 να έχουν εφεύρει επεξεργαστή με 100 και πλέον δισεκατομμύρια τρανζίστορ, οπότε θα μιλάμε πια για επεξεργαστή ικανό να σκέφτεται, δηλαδή για τεχνητή νοημοσύνη. Το διάγραμμα αυτό βασίζεται στο νόμο Moore. 1.5 Σύγχρονοι Επεξεργαστές Η παρακάτω ενότητα αναφέρεται στους σύγχρονους επεξεργαστές. Θα προσπαθήσουμε να εξηγήσουμε τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των αρχιτεκτονικών που χρησιμοποιούνται στους σύγχρονους επεξεργαστές. Μικρολειτουργίες Γνωρίζουμε ότι κάθε επεξεργαστής μπορεί να εκτελέσει ένα σύνολο από εντολές. Κάθε εντολή εκτελείται μέσα στον επεξεργαστή σαν μια σειρά από απλά και σταθερά βήματα. Η εντολή του Άβακα με κωδικό 0011 και συμβολικό όνομα ΑDΑ 1, προσθέτει το περιεχόμενο του συσσωρευτή Α και το περιεχόμενο της θέσης μνήμης που προσδιορίζεται από το τμήμα διευθύνσεως της εντολής. 1. Σε αυτό το σημείο θα πρέπει να πούμε ότι η ADA είναι γλώσσα προγραμματισμού, όπως η Pascal και η C++. 23

κεφάλαιο 1 Στο σχήμα βλέπουμε τα τρία στάδια εκτέλεσης της εντολής αυτής. Κάθε στάδιο είναι μια στοιχειώδης λειτουργία ή μικρολειτουργία (micro operation) του επεξεργαστή. 1. Το τμήμα διεύθυνσης της εντολής περιέχει τη διεύθυνση μιας θέσης στη μνήμη. Για να διαβαστεί το περιεχόμενο της θέσης αυτής, πρέπει το τμήμα διεύθυνσης του IR (δηλαδή τα 12 λιγότερο σημαντικά bits, από το bit 0 μέχρι το bit 11) va αντιγραφεί στον καταχωρητή MAR της μονάδας μνήμης. Αυτό είναι η πρώτη μικρολειτουργία στην εκτέλεση της εντολής, που θα συμβολίζεται με ---- MAR IR(0, 11). 2. Στη δεύτερη μικρολειτουργία που αποτελεί την εντολή, γίνεται μια λειτουργία ανάγνωσης στη μνήμη. Με τη λειτουργία αυτή το περιεχόμενο της διεύθυνσης μνήμης που υποδεικνύει ο MAR μεταφέρεται στον ΜDR, τον καταχωρητή δεδομένων της μονάδας μνήμης. Η μικρολειτουργία αυτή θα συμβολίζεται σαν MDR M [MAR] ή απλά READ. 3. Στην τρίτη μικρολειτουργία γίνεται τελικά η πρόσθεση των δύο αριθμών. Ο ένας αριθμός λαμβάνεται από τον καταχωρητή δεδομένων MDR και ο άλλος από το συσσωρευτή Α. Τα δεδομένα περνούν από τα κυκλώματα της αριθμητικής-λογικής μονάδας. Η μικρολειτουργία αυτή θα συμβολίζεται ως Α Α + MDR. Μικροπρογραμματισμός Όπως η εντολή ΑDΑ, έτσι και οι υπόλοιπες εντολές του Άβακα και κάθε υπολογιστή μπορούν να αναλυθούν σε μια ακολουθία από μικρολειτουργίες. Οι μικρολειτουργίες που χρειάζονται για να περιγραφούν όλες οι εντολές ενός υπολογιστή δεν είναι πολλές. Το πλήθος τους είναι παρόμοιο ή μικρότερο από το πλήθος των εντολών μηχανής του υπολογιστή. 24

Ο Ηλεκτρονικός Υπολογιστής Ένας συστηματικός τρόπος οργάνωσης ενός επεξεργαστή είναι η προγραμματιζόμενη αρχιτεκτονική (micro programmed architecture). Η βασική της ιδέα είναι να αναλύονται οι εντολές μηχανής σε μικρολειτουργίες και οι ακολουθίες μικρολειτουργιών για κάθε εντολή να είναι καταχωρισμένες σαν προγράμματα σε μια ειδική μνήμη, τη μνήμη ελέγχου (control memory). H μνήμη αυτή βρίσκεται στο εσωτερικό του επεξεργαστή και όχι στη μονάδα μνήμης του υπολογιστή. Σε κάθε μικρολειτουργία αντιστοιχίζεται μια μικροεντολή (microinstruction) και η μνήμη ελέγχου περιέχει μια σειρά μικροεντολών, δηλαδή ένα μικροπρόγραμμα (microprogram). Για να εκτελεστεί το μικροπρόγραμμα μιας εντολής από την ΚΜΕ και να εκτελεστεί η εντολή, είναι απαραίτητοι οι αντίστοιχοι καταχωρητές ελέγχου μέσα στην ΚΜΕ, ο καταχωρητής μικροεντολών (MIR) και ο μετρητής μικροπρογράμματος (MPC). Οι καταχωρητές αυτοί παίζουν για την ΚΜΕ τον ίδιο ρόλο που παίζουν ο καταχωρητής εντολών IR και ο μετρητής προγράμματος PC για τον υπολογιστή. Μπορούμε να φανταστούμε έτσι ότι ο επεξεργαστής είναι στην πραγματικότητα ένας «μικρός υπολογιστής» μέσα στον υπολογιστή, που εκτελεί προγράμματα στη δική του γλώσσα μηχανής, τη γλώσσα των μικρολειτουργιών. Κάθε πρόγραμμα στη γλώσσα αυτή είναι μια εντολή μηχανής για τον υπολογιστή. Σε πολλούς υπολογιστές ο κατασκευαστής δίνει τη δυνατότητα στους χρήστες να επέμβουν στο επίπεδο των μικρολειτουργιών και να κατασκευάσουν το δικό τους ρεπερτόριο εντολών μηχανής. Με έμμεσο τρόπο έτσι οι χρήστες μπορούν να επέμβουν «προγραμματιστικά» στην οργάνωση του υλικού. Αυτό το συνδυασμό υλικού και λογισμικού τον ονομάζουμε υλικολογισμικό (firmware). Υπολογιστές Σύνθετου Ρεπερτορίου Εντολών Οι υπολογιστές σύνθετου ρεπερτορίου εντολών (Complex Instruction Set Computers-CISC) διαθέτουν μια μεγάλη γκάμα εντολών (120 έως 350 περίπου), χρησιμοποιούν μικρό αριθμό καταχωρητών (8 έως 24) και επίσης χρησιμοποιούν πολλούς διαφορετικούς τρόπους προσπέλασης στη μνήμη (περισσότερους από 12). Οι υπολογιστές CISC χρησιμοποιούν συνήθως ένα συνδυασμό μικροπρογραμματιζόμενης και καλωδιούμενης αρχιτεκτονικής. ιαθέτουν λανθάνουσα μνήμη και διαδρόμους μεγάλου πλάτους, κοινούς για δεδομένα και διευθύνσεις. 25

κεφάλαιο 1 Το βασικό τους πλεονέκτημα είναι ότι διευκολύνουν ιδιαίτερα τον προγραμματισμό σε γλώσσα μηχανής και οι μεταφραστές για τις γλώσσες προγραμματισμού είναι σχετικά απλοί. Μειονέκτημά τους είναι ότι σε κάθε εντολή τους απαιτεί αρκετό χρόνο να εκτελεστεί και βέβαια η σχεδίασή τους είναι αρκετά περίπλοκη. Οι περισσότεροι προσωπικοί υπολογιστές χρησιμοποιούν επεξεργαστές CISC. Υπολογιστές Μειωμένου Ρεπερτορίου Εντολών Με την εξέλιξη των επεξεργαστών CISC το ρεπερτόριο εντολών τους γινόταν όλο και μεγαλύτερο. Οι σχεδιαστές υπολογιστών παρατήρησαν όμως στατιστικά ότι μόνο το 25% των εντολών ενός υπολογιστή χρησιμοποιείται πολύ (περίπου το 95% του χρόνου). Το ρεπερτόριο εντολών, απ ό,τι φαινόταν, θα μπορούσε να μειωθεί δραστικά, απλουστεύοντας έτσι και το υλικό. Οι επιπλέον εντολές θα μπορούσαν να υλοποιηθούν με λογισμικό. Αυτή είναι η κεντρική ιδέα των υπολογιστών μειωμένου ρεπερτορίου εντολών (Reduced Instruction Computers, RISC). To ρεπερτόριο εντολών των υπολογιστών αυτών είναι μικρό, με λιγότερες από 100 εντολές, οπότε το πεδίο κώδικα εντολής δεν καταλαμβάνει μεγάλο χώρο στην εντολή. Έτσι, οι εντολές εκτελούνται γρήγορα. Όταν η ΚΜΕ περιέχει μόνον έναν ή λίγους καταχωρητές, τότε η ΚΜΕ χρειάζεται πολύ συχνά να μεταφέρει δεδομένα από και προς τη μνήμη, γιατί δεν είναι σε θέση να τα αποθηκεύσει εσωτερικά. Μια ΚΜΕ που περιέχει πολλούς καταχωρητές όμως μπορεί να κρατά εσωτερικά τα ενδιάμεσα αποτελέσματα, όταν εκτελεί ακολουθίες υπολογισμών. Έτσι, δεν έχει τόσο μεγάλη ανάγκη για ανταλλαγή δεδομένων και προσπέλαση της μνήμης. Αυτό έχει ως άμεσο αποτέλεσμα την αύξηση της ταχύτητας του υπολογιστή σε σχέση με κάποιον με λίγους καταχωρητές. Πρακτικά, οι πολλοί καταχωρητές μέσα στην ΚΜΕ συνθέτουν μια πολύ μικρή και γρήγορη μνήμη. Σήμερα οι επεξεργαστές, κυρίως σε σταθμούς εργασίας, είναι τύπου RISC. Οι υπολογιστές RISC δε χρησιμοποιούν μικροπρογραμματιζόμενη αρχιτεκτονική εξαιτίας της απλότητας των εντολών τους. Επίσης, διαθέτουν ξεχωριστούς διαδρόμους για τα δεδομένα και τις διευθύνσεις τους. Το μειονέκτημα των υπολογιστών RISC είναι ότι ο προγραμματισμός σε γλώσσα μηχανής γίνεται πιο δύσκολος και απαιτούνται πιο «έξυπνοι» μεταφραστές για τις γλώσσες προγραμματισμού. 26

Ο Ηλεκτρονικός Υπολογιστής Αρχιτεκτονική Αγωγού Είναι μια αρχιτεκτονική που χρησιμοποιείται σε πολλούς σύγχρονους επεξεργαστές (pipeline architecture). Σε αυτούς τους επεξεργαστές ο κύκλος εκτέλεσης μιας εντολής διαιρείται σε πολλές διαδοχικές φάσεις, που ονομάζονται κύκλοι αγωγού (pipelines cycles). Μέσα στην ΚΜΕ υπάρχει ένα διακεκριμένο τμήμα που αντιστοιχεί σε κάθε κύκλο και ονομάζεται βαθμίδα (stage). Κάθε εντολή ξεκινά από την πρώτη βαθμίδα του αγωγού και περνά απ όλες με τη σειρά μέχρι να φτάσει και στην τελευταία. Μόλις μια βαθμίδα τελειώσει την επεξεργασία μιας εντολής, μπορεί αμέσως να προχωρήσει στην επόμενη χωρίς καθυστέρηση. Μια ιδιαιτερότητα της αρχιτεκτονικής αγωγού είναι ο τρόπος που εκτελούνται οι εντολές άλματος υπό συνθήκη. Το αν θα εκτελεστεί ένα τέτοιο άλμα ή όχι, συνήθως εξαρτάται από το αποτέλεσμα μιας αριθμητικής ή λογικής πράξης, η οποία μπορεί να μην έχει ακόμα ολοκληρωθεί, όταν η εντολή άλματος «εισαχθεί» στον αγωγό. Έτσι, λοιπόν, ο επεξεργαστής πρέπει να λάβει υπόψη του συγχρόνως και τα δύο «σενάρια» εκτέλεσης του προγράμματος. Όταν ολοκληρωθεί η λειτουργία που επηρεάζει την εκτέλεση του άλματος, ο επεξεργαστής θα επιλέξει το κατάλληλο «σενάριο» και θα το συνεχίσει. Εκτός από τους αγωγούς που αναλαμβάνουν ολόκληρη την εκτέλεση μιας εντολής, υπάρχουν και οι αριθμητικοί αγωγοί, οι οποίοι χρησιμοποιούνται για το γρηγορότερο υπολογισμό αριθμητικών εκφράσεων. Μια αρχιτεκτονική παρόμοια με την αρχιτεκτονική αγωγού είναι η υπερβαθμωτή (superscalar) αρχιτεκτονική. Σε αυτήν ο επεξεργαστής μπορεί να εκτελέσει παράλληλα πολλές, ανεξάρτητες μεταξύ τους εντολές μηχανής, ενώ εντολές που επηρεάζουν η μια την άλλη εκτελούνται ακολουθιακά. Υπάρχουν και άλλες αρχιτεκτονικές υπολογιστών, όπως: Οι παράλληλοι υπολογιστές. Στο μοντέλο αυτό πολλοί επεξεργαστές συνεργάζονται και συγχρονίζονται για να εκτελέσουν ένα πρόγραμμα γραμμένο, έτσι ώστε να μοιράζει το υπολογιστικό φορτίο ανάμεσα στις διάφορες ΚΜΕ. Οι επεξεργαστές αυτοί μπορούν να έχουν κοινή μνήμη, οπότε ονομάζονται πολυεπεξεργαστές (multiprocessors) ή να έχει καθένας τη δική του μνήμη, οπότε μιλάμε για πολυυπολογιστές (multicomputers). Οι μη συμβατοί υπολογιστές. Αυτοί δεν ακολουθούν το κλασικό μοντέλο του Von Neumann, όπως ο Άβακας, όπου το πρόγραμμα είναι αποθηκευμένο στη μνήμη και υπάρχει ο μετρητής προγράμματος. Τέτοιοι υπολογι- 27

κεφάλαιο 1 στές είναι οι μηχανές ροής δεδομένων (data flow machines) και οι μηχανές αναγωγής (reduction machines). Οι υπολογιστές ειδικού σκοπού, όπως οι συστολικές διατάξεις (systolic arrays), οι κυτταρικές διατάξεις (cellular arrays), οι ειδικοί επεξεργαστές για επεξεργασία σήματος (DSP) και άλλα. Οι υπολογιστές μεγάλου μήκους λέξης ή πολύ μεγάλου μήκους λέξης, (long instruction word computers, LIW or very long instruction word computers, VLIW). Σε αυτούς το μήκος λέξης είναι πολύ μεγαλύτερο από ό,τι στους περισσότερους υπολογιστές, της τάξης των εκαντοντάδων bits. Κάθε εντολή περιλαμβάνει την ταυτόχρονη εκτέλεση πολλών λειτουργιών. Τεχικά Χαρακτηριστικά PENTIUM 4 Ο Pentium 4 αντιπροσωπεύει καινούργιες δυνατότητες οπτικοακουστικής επεξεργασίας, εκμεταλλεύεται στο μέγιστο τις καινούργιες τεχνολογίες στο διαδίκτυο και υποστηρίζει τεχνολογία τριών διαστάσεων. Η βάση πάνω στην οποία στηρίχθηκε είναι η καινούργια μικρο-αρχιτεκτονική της Intel, Net Burst. Είναι μια συλλογή από μοναδικές τεχνολογίες που θα κατακλύσουν στο μέλλον την αγορά των υπολογιστών. Intel s Net Burst TM Micro-Architecture and Intel 850 chipset Ο Pentium 4 με την τεχνολογία NetBurst είναι ο πρώτος desktop επεξεργαστής που σχεδίασε η Intel από την εποχή του Pentium Pro, με την Ρ6 micro-architecture, που παρουσιάστηκε το 1995. Η τεχνολογία Hyper Pipelined, έδωσε στον επεξεργαστή τη δυνατότητα να εκτελεί τις εντολές του λογισμικού σε ένα εικοστού επιπέδου pipeline, σε σύγκριση με το δέκατου επιπέδου pipeline του Pentium ΙΙΙ. Η τεχνολογία Hyper Pipeline υποστηρίζει μια καινούρια σειρά clock speed, αρχίζoντας σήμερα από το 1,4 GHz και το 1,5 GHz. Στο μέλλον θα ακολουθήσουν και άλλες εκδόσεις. Για την επίτευξη μεγαλύτερης απόδοσης, η μηχανή γρήγορης απόδοσης επιτρέπει τη συχνή χρήση των εντολών της μονάδας αριθμητικής λογικής να εκτελούνται δύο φορές γρηγορότερα στο core clock. Στον επεξεργαστή έχουν προστεθεί 144 καινούργιες εντολές ώστε να επιταχυνθεί η επεξεργασία των οπτικών, ακουστικών και τριών διαστάσεων εφαρμογών. Τα χαρακτηριστικά αυτά καθιστούν τον επεξεργαστή ιδανικό για περιήγηση στο διαδίκτυο. Η πλατφόρμα του επεξεργαστή βασίζεται στο υψηλής απόδοσης chipset Intel 850. To chipset έχει διπλή μνήμη RDRAM και σε συνεργασία με το 28

Ο Ηλεκτρονικός Υπολογιστής 400 MHz system bus, παρέχει 3,2 gigabytes δεδομένων ανά δευτερόλεπτο. Η εταιρία ανακοίνωσε τη διαθεσιμότητα του Intel Desktop Board D 850 GB στην αγορά, το οποίο υποστηρίζει τον επεξεργαστή σε μορφή ΑΤΧ. AMD Athlon 1,4 GHz. Η εταιρία AMD ανακοίνωσε στις 6 Ιουνίου 2001 τη διάθεση στην αγορά του Athlon 1,4 GHz, o οποίος θεωρείται ο ισχυρότερος μικροεπεξεργαστής στην αγορά, καθώς και τον Duron 950 MHz που αντιπροσωπεύει μια πιο οικιακή χρήση του επεξεργαστή. Ο Athlon 1,4 GHz με μνήμη ποσοστού διπλής ροής πληροφοριών (Double Data Rate-DDR), υπερνικά τον Pentium 41,7 GHz σε ένα ποσοστό 40% σε μια ποικιλία ορόσημων (benchmarks), συμπεριλαμβανόμενης και τεχνολογία αιχμής στο χώρο των multimedia, desktop publishing, ψηφιακή εικόνα και εφαρμογές αναγνώρισης φωνής. O Duron 950 MHz παρέχει ευκολίες στις καθημερινές εργασίες και στην οικιακή χρήση, δίνοντας ένα πλεονέκτημα έως 30% απέναντι στα συστήματα Celeron της Intel. Ο Karen Gauthier, διευθυντής παραγωγής στην Adobe Acrobat, δήλωσε ότι ο συνδυασμός του Adobe Photoshop 6.0 και του Athlon 1,4 GHz με DDR μνήμη ευεργετούν τη δημιουργία στο διαδίκτυο και στο σχεδιασμό γραφικών. Ο επεξεργαστής Athlon είναι συμβατός με τους X86 υπολογιστές, είναι έβδομης γενιάς σχέδιο παρουσιάζοντας έναν υπεραγωγό (superpipelined), εννέα θεμάτων μικροαρχιτεκτονική με υπερκλίμακα (nine-issue superscalar architecture) χρήσιμη για υψηλές συχνότητες (high clock frequency). Είναι το πρώτο πλήρες αγωγίσιμο, superscalar floating point unit για X86 πλατφόρμες, υψηλής απόδοσης - έχοντας συνολικά 384 Kb cache memory πάνω στο τσιπ. Η τεχνολογία τριών διαστάσεων είναι αναπτυγμένη και παρέχει 24 επιπλέον εντολές σχεδιασμένες, για να βελτιώσουν τους μαθηματικούς υπολογισμούς των ακεραίων, καθώς και τις επικοινωνίες DSP. 1.6 Κβαντικοί Υπολογιστές Κατά τα τελευταία 40 χρόνια εκπληκτικές αλλαγές έχουν λάβει χώρα στην κατασκευή των υπολογιστών. Ο αριθμός των ατόμων που χρειάζονται, για να αντιπροσωπεύσουν ένα bit μνήμης, μειώνεται σταδιακά από το 1950. Επίσης, 29

κεφάλαιο 1 ο αριθμός των τρανζίστορ ανά τσιπ, η ταχύτητα και η ενέργεια που χάνεται ανά λογική λειτουργία (energy dissipated per logical operation) έχουν ακολουθήσει την κατεύθυνση της βελτίωσης. Παρά τις φανταστικές αυτές βελτιώσεις, ο τρόπος που λειτουργούν οι υπολογιστές είναι ουσιαστικά ο ίδιος. Ο ρυθμός της βελτίωσης δεν μπορεί να διατηρηθεί για πολύ ακόμα. Με τον παρόντα ρυθμό ανάπτυξης το έτος 2020 ένα bit πληροφοριών θα χρειάζεται ένα άτομο για να το αντιπροσωπεύσει. Το πρόβλημα που προκύπτει είναι ότι σε αυτό το επίπεδο σμίκρυνσης η συμπεριφορά των μερών ενός υπολογιστή κυριαρχηθεί από τις αρχές της κβαντικής φυσικής. Με το μέγεθος των μερών των υπολογιστικών συστημάτων να μειώνεται σε ένα μέγεθος όπου η συμπεριφορά των μερών μπορεί σύντομα να υπερκαλύψει την κβαντική φυσική, έρευνες έχουν αρχίσει να πειραματίζονται σχετικά με τις δυνατότητες αυτών των κβαντικών συμπεριφορών και την εφαρμογή τους στο χώρο των υπολογιστών. Μετά από κάποια αποτελέσματα φαίνεται τα μέρη του υπολογιστή, που λειτουργούν με έναν κβαντικό τρόπο, είναι πολύ πιο ισχυρά από οποιοδήποτε κλασικό υπολογιστικό σύστημα. Οι περιορισμένες δυνατότητες των κλασικών συστημάτων και οι διαφαινόμενες δυνατότητες των κβαντικών υπολογιστών να εκτελέσουν εργασίες πολύ πιο γρήγορα από τους κοινούς υπολογιστές, ωθούν έντονα και αποτελεσματικά την έρευνα των κβαντικών συστημάτων. Για να καταλάβουμε πως ένας κβαντικός υπολογιστής μπορεί να είναι πιο ισχυρός από έναν κλασικό, πρέπει να ορίσουμε τι σημαίνει ισχυρός και τι κλασικός υπολογιστής. Ένα από τα άτομα που είναι άμεσα υπεύθυνο για την παρούσα σύλληψη των υπολογιστικών συστημάτων είναι ο Alan Turing. Ο Turing και άλλοι αξιόλογοι επιστήμονες πρότειναν μαθηματικά μοντέλα για υπολογιστές, τα οποία τους επέτρεπαν τη μελέτη των αλγορίθμων, παρά την απουσία κάθε υλικού από υπολογιστή. Αυτή η αφηρημένη έννοια ήταν πολύτιμη για τη μελέτη των υπολογιστών. Το μοντέλο του Turing λέγεται «η μηχανή του Turing». To σχέδιο της μηχανής του Turing παρουσιάζεται παρακάτω: Η μηχανή αποτελείται από μια άπειρη κασέτα διαιρεμένη σε κυψέλες και κάθε κυψέλη περιέχει τους αριθμούς 1 ή Ο ή το κενό. Υπάρχει επίσης ένα είδος κεφαλής που μπορεί και κινείται πάνω στην κασέτα, να γράφει σε μια κυψέλη, να αλλάζει την εσωτερική της κατάσταση ή να τελειώσει την εργασία. Μέσα στην κεφαλή υπάρχει πρόγραμμα το οποίο αποφασίζει ποια δράση θα αναλάβει μετά η κεφαλή. Όσο απλό και αν φαίνεται αυτό το μοντέλο, αντιπροσωπεύει τη λειτουργία των σημερινών υπερ-υπολογιστών. εν υπάρχει πράξη υπολογιστή 30

Ο Ηλεκτρονικός Υπολογιστής (computation) που μπορεί να εφαρμοστεί στους υπερ-υπολογιστές, που να μην μπορεί να εκτελεστεί από τη μηχανή του Turing. Η αξία της μηχανής του Turing επικεντρώνεται στο γεγονός ότι, όταν χρειάζεται να εξετάσουμε τι είδους προβλήματα μπορούν να λυθούν από τους υπολογιστές, χρειάζεται μόνο να επαληθευτεί στη μηχανή του Turing και όχι στα εκατομμύρια των υπολογιστικών συσκευών, για να διευκρινίσουμε αν μια πράξη είναι εφικτή. Αν μια πράξη δεν μπορεί να επαληθευτεί από τη μηχανή, τότε δεν μπορεί να λυθεί από κανένα υπολογιστικό σύστημα. Η μηχανή του Turing βοήθησε σε μεγάλο βαθμό την ανάπτυξη των κβαντικών υπολογιστών, αφού πράξεις που δεν μπορούν να επαληθευτούν από τους κλασικούς υπολογιστές μεταφέρονται στο πεδίο της κβαντικής υπολογιστικής επιστήμης. Για να καταλάβουμε πως ένας κβαντικός υπολογιστής διαφέρει από έναν κλασσικό, πρέπει πρώτα να καταλάβουμε τα στοιχεία του κλασσικού υπολογιστή. Οι πληροφορίες μεταφράζονται στον υπολογιστή σε 0 ή 1 ψηφία και αποθηκεύονται στο τσιπ σιλικόνης ή σε μία πλάκα σκληρού δίσκου ή σε μια μαγνητική ταινία. Οποιοδήποτε ποσό πληροφοριών μπορεί να κωδικοποιηθεί σε μια λίστα μπιτ. Περίπου 10 στη δεκάτη άτομα απαιτούνται, για να αντιπροσωπεύσουν, σήμερα, ένα μπιτ πληροφοριών. Η μικρότερη αποθήκη για ένα μπιτ συνεπάγεται ένα είδος στοιχειώδους σωματιδίου. Για παράδειγμα, υπάρχει η φορά 1/2 του σωματιδίου, η οποία μπορεί να χαρακτηριστεί από την αξία της φοράς της. Όταν μετριέται, μπορεί να είναι 1/2 ή +1/2. Μπορούμε να το κωδικοποιήσουμε να αντιπροσωπεύει το 1 το +1/2 και το 0 με 1/2. Ακόμα, αν υποθέσουμε ότι μπορούμε να μετρήσουμε και να χειριστούμε τη φορά ενός τέτοιου σωματιδίου, τότε μπορούμε θεωρητικά να χρησιμοποιήσουμε αυτό το σωματίδιο για να αποθηκεύσουμε ένα μπιτ πληροφοριών. Αν προσπαθούσαμε να χρησιμοποιήσουμε τη φορά 1/2 του σωματιδίου σαν κλασικό μπιτ, θα είχαμε αποτύχει. Θα ήταν σαν να προσπαθήσουμε να εφαρμόσουμε κλασική φυσική σε μια κλίμακα όπου δεν είναι εφαρμόσιμη. Η φορά 1/2 του σωματιδίου (sin 1/2 particle) απλώς θα αντιδρούσε κβαντικά. Η φορά 1/2 του σωματιδίου, η οποία συμπεριφέρεται κβαντικά, θα μπορούσε να αποτελέσει τη βάση για τον κβαντικό υπολογιστή. Μπορούμε να το αποκαλέσουμε κύβο (qubit), για να δηλώσουμε ότι είναι ανάλογο με κάποιο τρόπο με το μπιτ του κλασικού υπολογιστή. Όπως η μνήμη εγγράφεται σε έναν κλασικό υπολογιστή σε μια παράταξη από μπιτ, η κβαντική 31

κεφάλαιο 1 μνήμη συνθέτεται από πάρα πολλές φορές 1/2 του σωματιδίου (spin 1/2 particle) ή κύβους (qubits). Οι κβαντικοί υπολογιστές αποτελούν, αναμφισβήτητα, το μέλλον των υπολογιστών και των μικροεπεξεργαστών. Είναι μια νέα φιλοσοφία στο χώρο των υπολογιστών που, ακόμα θεωρητικά, βασίζονται στη λειτουργία του ανθρώπινου μυαλού. Πράξεις, που θα έπαιρναν εκατονταετίες να λύσουν οι ψηφιακοί υπολογιστές, λύνονται από τους κβαντικούς μέσα σε ένα ή δύο χρόνια με το πλεονέκτημα της παράλληλης επεξεργασίας. Μένει, λοιπόν, να περιμένουμε πότε θα ανακοινωθεί επίσημα η κατασκευή του πρώτου κβαντικού υπολογιστή. 32