Υλικό Υπολογιστών (Hardware) ΜΥΥ-106 Εισαγωγή στους Η/Υ και Πληροφορική

Κύρια μέρη υπολογιστή Υπάρχουν διάφορα είδη υπολογιστών προσωπικοί (επιτραπέζιοι, φορητοί,...), ενσωματωμένοι, εξυπηρετητές (servers) Θα δούμε τα κύρια μέρη ενός (επιτραπέζιου) προσωπικού υπολογιστή τα υπόλοιπα είδη έχουν κάποιες διαφορές, αλλά δεν είναι ριζικά διαφορετικοί Ένας προσωπικός ΗΥ αποτελείται από κεντρική μονάδα κουτί που περιέχει τη μνήμη, επεξεργαστή,... οθόνη για έξοδο, εμφάνιση αποτελεσμάτων πληκτρολόγιο και ποντίκι για είσοδο δεδομένων, εντολών,... 2

Μνήμη Στο γενικό μοντέλο υπολογιστή η μνήμη αποθηκεύει τις εντολές και τα δεδομένα ονομάζεται συχνά κύρια μνήμη (main memory) Προσωρινή αποθήκευση! Για μόνιμη αποθήκευση, χρησιμοποιούμε ειδικές μονάδες εισόδου-εξόδου σκληροί δίσκοι (μαγνητικοί ή ηλεκτρονικοί solid state) μνήμη flash, π.χ. USB sticks λέγεται δευτερεύουσα μνήμη 3

«Λογική οργάνωση» μνήμης Μια αριθμομηχανή, πώς θυμάται ενδιάμεσα αποτελέσματα; έχει 1-2 ειδικά κουμπιά «μνήμες» Ο υπολογιστής χρειάζεται χιλιάδες τέτοιες «μνήμες» πώς ξεχωρίζει η κάθε θέση; Η μνήμη είναι οργανωμένη ως πίνακας θέσεων Κάθε θέση προσδιορίζεται από τον αριθμό σειράς της ονομάζεται διεύθυνση (address) Η οργάνωση λέγεται «λογική» γιατί έτσι «νομίζουν» τα προγράμματα ότι συμβαίνει η πραγματικότητα είναι (πολύ) πιο περίπλοκη! παράδειγμα αφαίρεσης (abstraction) Πράξεις (λειτουργίες) μνήμης: ανάγνωση, εγγραφή 4

Μέγεθος «θέσης» μνήμης Η μνήμη αποθηκεύει bits (δυαδικά ψηφία) Ένα bit αντιστοιχεί σε ελάχιστη πληροφορία (2 τιμές) χρειαζόμαστε αρκετά για να κωδικοποιήσουμε οποιοδήποτε ενδιαφέρον δεδομένο Γενικά αποδεκτή σύμβαση: κάθε «θέση» είναι 8-bits κάθε διεύθυνση αντιστοιχεί σε ένα byte (8-bits) 5

Χωρητικότητα μνήμης Ο συνολικός αριθμός bits που μπορούν να αποθηκευτούν στη μνήμη ονομάζεται χωρητικότητα Μετριέται σε εκατομύρια, δις bytes (mega, giga) αλλά λίγο διαφορετικά! Αντί για 1K(ilo) = 1000 χρησιμοποιούμε το 1024 = 2 10 π.χ. MegaByte (MB ή MiB) = 1024*1024 = 1048576 bytes Προσοχή: για σκληρούς δίσκους (και άλλα μέσα αποθήκευσης) έχει επικρατήσει το 1K=1000 έτσι βγαίνουν περισσότερα GB! π.χ. 80GiB = 86GB 6

Επικοινωνία μνήμης με επεξεργαστή Παραδοσιακά γίνεται μέσω αρτηρίας/διαύλου (bus) που ονομάζεται μετωπική αρτηρία ή αρτηρία μνήμης (frontside bus, memory bus) Τί είναι η αρτηρία: μια ομάδα από καλώδια που συνδέουν ηλεκτρονικές συσκευές Τι χρειάζεται: διεύθυνση, οδηγία ελέγχου (ανάγνωση, εγραφή) δεδομένα 7

Επεξεργαστής (processor) Λέγεται συχνά και Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας, KME, (Central Processing Unit CPU) Στους σημερινούς πολυ-πύρηνους επεξεργαστές λέγεται πλέον πυρήνας (core) Δύο κύρια μέρη: Δίοδος δεδομένων (datapath) Έλεγχος (control path) 8

Δίοδος δεδομένων Βασικό συστατικό είναι η Αριθμητική και Λογική Μονάδα (Arithmetic Logic Unit - ALU) μπορεί να εκτελέσει διάφορες πράξεις με ηλεκτρ. κυκλώματα Τα υπόλοιπα κυκλώματα του datapath παρέχουν τις κατάλληλες διόδους ώστε τα δεδομένα να φτάσουν στην ALU και τα αποτελέσματα των πράξεων να φτάσουν στον προορισμό τους πηγές, προορισμοί δεδομένων είναι μικρές προσωρινές μνήμες που ονομάζονται καταχωρητές (registers) 9

Έλεγχος Το datapath χρειάζεται οδηγίες, όπως: τι πράξη να εκτελέσει η ALU (πρόσθεση, αφαίρεση,...) από που προέρχονται τα δεδομένα εισόδου και που θα διοχετευτεί το αποτέλεσμα Αυτές τις οδηγίες τις παρέχει ο Έλεγχος κυκλώματα που δίνουν οδηγίες με την κατάλληλη σειρά, την κατάλληλη χρονική στιγμή Ο Έλεγχος με τη σειρά του παίρνει εντολές (οδηγίες) από το πρόγραμμα άλλο ένα παράδειγμα αφαίρεσης: οι εντολές προγράμματος ζητούν πιο αφηρημένες πράξεις και το κύκλωμα ελέγχου τις κάνει πιο συγκεκριμένες ώστε να εκτελεστούν από το datapath 10

Κύκλος προσκόμισης - εκτέλεσης Το πρόγραμμα στη μνήμη είναι μια ακολουθία από εντολές Σε κάθε εντολή αντιστοιχεί μια διεύθυνση μνήμης η θέση στην οποία βρίσκεται αποθηκευμένη η εντολή Εκτέλεση προγράμματος: προσκόμιση (fetch) εντολής Ε που βρίσκεται στην διεύθυνση Α εκτέλεση Ε επανάληψη από την επόμενη εντολή (συνήθως διεύθυνση Α+1) Η διεύθυνση τρέχουσας εντολής προγράμματος «κρατιέται» σε έναν καταχωρητή απαριθμητής προγράμματος (program counter, PC), ή δείκτης προγράμματος (instruction pointer, IP) 11

Λεπτομέρειες κύκλου Δώσε τη τιμή του PC στη διεύθυνση της αρτηρίας μνήμης και ζήτα ανάγνωση μνήμης Διάβασε από την αρτηρία την εντολή (κάπως κωδικοποιημένη σε bits) καταχωρητής εντολής (instruction register, IR) Δώσε την εντολή στο κύκλωμα ελέγχου για να διεκπαιρεώσει την εκτέλεση Αύξησε την τιμή του PC ώστε να έχει τη διεύθυνση της επόμενης εντολής προγράμματος εκτός αν η τρέχουσα εντολή αλλάξει τη ροή εκτέλεσης Επανάληψη από την κατάλληλη διεύθυνση (PC) 12

Διεπαφή Υλικού - Λογισμικού Το υλικό μπορεί να εκτελέσει το αρχιτεκτονικό σύνολο εντολών (instruction set architecture) Intel IA-32 (x86), ARMv7 (1985) Η επιλογή των εντολών έχει μεγάλη σημασία δεν αλλάζει εύκολα-συμβατότητα με παλιό λογισμικό Απλές εντολές (Reduced Instr. Set Computing RISC) απλούστερη, γρηγορότερη εκτέλεση μεγαλύτερα προγράμματα περισσότερες εντολές για έναν υπολογισμό Πολύπλοκες εντολές (Complex Instr. Set Comp. CISC) δυσκολότερη εκτέλεση, ακριβότερο υλικό μικρότερα προγράμματα 13

Είσοδος - Έξοδος Τεράστια ποικιλία συσκευών: διαφορετικές ταχύτητες, λειτουργίες,... Χρειάζεται ένας ενιαίος αλλά αρκετά ευέλικτος τρόπος επικοινωνίας Παρόμοιος με αυτόν της μνήμης: εγγραφή σε μια ειδική διεύθυνση -> έξοδος ανάγνωση από ειδική διεύθυνση -> είσοδος Εγγραφές αποστολή δεδομένων εντολές προς μια συσκευή 14

Αρτηρία εισόδου-εξόδου Παρόμοια με αυτή της μνήμης: διευθύνσεις, εντολές/έλεγχος, δεδομένα «Λογικά» μπορεί να είναι ανεξάρτητη από την αρτηρία μνήμης ειδικές εντολές εισόδου/εξόδου παρόμοιες με εντολές ανάγνωσης/εγγραφής μνήμης ή κάποιες ειδικές διευθύνσεις μνήμης αντιστοιχούν σε περιφερειακά οι εντολές προσπέλασης μνήμης δουλεύουν και για μνήμη και για τα περιφερειακά 15

Ιεραρχία αρτηριών Ο επεξεργαστής παράγει διευθύνσεις μνήμης, Ε/Ε επειδή οι αρτηρίες χρειάζονται (πάρα) πολλές γραμμές, συχνά υπάρχει μία αρτηρία που συνδέεται στον επεξεργαστή συχνά ονομαζεται μετωπική, front-side bus Αν όλες οι συσκευές συνδέονταν απευθείας με την αρτηρία αυτή οι αργές θα καθυστερούσαν τις υπόλοιπες και την προσπέλαση μνήμης Λύση: ιεραρχία αρτηριών πρώτο επίπεδο: μνήμη, και συχνά, κάρτα γραφικών δεύτερο επίπεδο: κάρτα δικτύου, δίσκοι, τρίτο επίπεδο: πληκτρολόγιο, ποντίκι,... 16

Μέσα στο κουτί Τροφοδοτικό (power supply unit PSU) Μητρική πλακέτα (motherboard) Κάρτες επέκτασης (expansion boards) Σκληροί δίσκοι (Hard disks/drives) CD/DVD drives Card readers, USB boards Ανεμιστήρες (Fans) Καλώδια τροφοδοσίας, δεδομένων 18

Motherboard 19

Μητρική πλακέτα (motherboard) Τυπωμένο κύκλωμα που περιλαμβάνει: Ολοκληρωμένο Κύκλωμα (ΟΚ) επεξεργαστή σε ειδική βάση Μονάδα ρύθμισης τάσης (Voltage Regulator Module) ΟΚ υποστήριξης επεξεργαστή (chipset) συνδέει τον επεξεργαστή με τη κύρια μνήμη και τα περιφερειακά Κύκλωμα ρολογιού Υποδοχές για αρθρώματα μνήμης Υποδοχές για κάρτες επέκτασης Flash ROM (BIOS) Ακροδέκτες για διάφορα καλώδια 20

Επεξεργαστής (processor) ΟΚ που εκτελεί τις εντολές του προγράμματος Στην πράξη, σήμερα ο επεξεργαστής είναι μόνο μέρος του ΟΚ πυρήνας (core) 21

Κύρια μνήμη DRAM Ένας αριθμός Ο.Κ. μνήμης πάνω σε αρθρώματα 22

Chipsets Μέχρι και πριν λίγα χρόνια αποτελούνταν από 2-3 Ο.Κ. Northbridge για πρόσβαση στη μνήμη και κάρτες οθόνης Southbridge για τα υπόλοιπα περιφερειακά 23

Το Ρολόι Ο συντονισμός πράξεων είναι γενικά δύσκολος ειδικά για τις ταχύτητες σύγχρονων υπολογιστών Χρειάζεται συγχρονισμός Υπάρχει ένα περιοδικό σήμα (το ρολόι) που «δίνει το ρυθμό» στο σύστημα Η περίοδος του σήματος λέγεται και κύκλος ρολογιού Χονδρικά ένας επεξεργαστής εκτελεί μια εντολή σε κάθε κύκλο ρολογιού ο κύκλος προσκόμισης-εκτέλεσης συγχρονίζεται με το σήμα ρολογιού 24

Το Ρολόι (2) Το σήμα ρολογιού παράγεται από ένα κύκλωμα της μητρικής πλακέτας συνήθως 133MHz Καθορίζει τη ταχύτητα επικοινωνίας του επεξεργαστή με το chipset μέσω του δίαυλου FSB (Front-side bus) Ο επεξεργαστής πολλαπλασιάζει τη συχνότητα για να έχει γρηγορότερο εσωτερικό σήμα ρολογιού πολλές πράξεις δεν χρειάζονται πρόσβαση έξω από το Ο.Κ. π.χ. 10 1.33GHz Πιο αργά περιφερειακά διαιρούν τη συχνότητα του σήματος 25

Σύγχρονα chipset 26

Flash ROM BIOS Αρχικό πρόγραμμα που τρέχει όταν ανοίξουμε το PC Αναγνωρίζει τι περιέχει το σύστημα, ελέγχει για σφάλματα και ξεκινάει τη φόρτωση του λειτουργικού συστήματος από το σκληρό δίσκο Δέχεται βασικές παραμέτρους για το σύστημα (συχνότητα επεξεργαστή, κωδικό πρόσβασης,...) Παλιότερα λειτουργικά συστήματα το χρησιμοποιούσαν για πρόσβαση σε περιφερικά Οι σύγχρονοι υπολογιστές έχουν (Unified) Extensible Firmware Interface (EFI), αλλά ο όρος BIOS χρησιμοποιείται ακόμη 27

Ενσωματωμένοι Υπολογιστές Υπολογιστές με «συγκεκριμένη» λειτουργία, μέρος ενός μεγαλύτερου ηλεκτρομηχανικού συστήματος ενσωματωμένος (embedded) σε αυτό σε αντίθεση με το PC που είναι γενικής χρήσης Σήμερα βασίζονται σε μικροελεγκτές (microcontrollers) CPU με ενσωματωμένη μνήμη και περιφερειακά Ο επεξεργαστής μπορεί να είναι σχεδιασμένος για κάποια συγκεκριμένη λειτουργία π.χ. DSP (Digital Signal Processing) Μικρότερο μέγεθος και κόστος Μεγαλύτερη αξιοπιστία και επιδόσεις Για την συγκεκριμένη λειτουργία 28

Ενσωματωμένοι Υπολογιστές 29

Εξυπηρετητές 30

Εξυπηρετητές Ακριβά μηχανήματα πολλαπλοί επεξεργαστές, σκληροί δίσκοι, υποδοχές δικτύου σύστημα αδιάλειπτης λειτουργίας, αντικατάσταση εξαρτημάτων όσο η μηχανή είναι σε λειτουργία (hot-swapping), Τοποθετημένα σε ικριώματα (rack-mounted) Υποστήριξη πολλών χρηστών, πολύπλοκων υπολογισμών Συνδεδεμένοι σε δίκτυο πρόσβαση από απόσταση, δλδ όχι οθόνη-πληκτρολόγιο Μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως υπερυπολογιστές (supercomputer, big-iron ) 31

Data center 32