1.4 Κατάταξη των υπολογιστών

1.4 Κατάταξη των υπολογιστών Τις δεκαετίες του 50 και 60 υπήρχαν μόνο οι μεγάλοι υπολογιστές που καταλαμβάνανε μεγάλο όγκο και κοστίζανε πολύ ακριβά. Ήταν η εποχή των μεγάλων μηχανών (main frames). Ο χαρακτηρισμός τους μεγάλες οφείλεται στον όγκο τους. Την δεκαετία του 70 που είχαμε την κυριαρχία των μίνι-υπολογιστών (mini-computers). Οι δυνατότητες τους ήταν επίσης μεγάλες αλλά ήταν αισθητά φθηνότεροι και με μεγαλύτερη αντοχή. Την δεκαετία του 80 όπου έγινε η μεγάλη έκρηξη της πληροφορικής τεχνολογίας με την ανάπτυξη μικροεπεξεργαστών (microprocessors) χάρη στην τεχνολογία των τσιπς που αναφέρθηκε σε προηγούμενη ενότητα. 1

Ανάλογα με την ΚΜΕ και την χρήση τους, μπορούμε να κατατάξουμε τους υπολογιστές στις κατηγορίες: 1.4.1 Υπερυπολογιστές Oι υπερυπολογιστές (supercomputers) έχουν τεράστια υπολογιστική ισχύ με δυνατότητες επεξεργασίας δισεκατομμυρίων εντολών ανά δευτερόλεπτο. Χρησιμοποιούνται όπου απαιτείται επεξεργασία πολύ μεγάλου όγκου δεδομένων όπως Διεθνή Κέντρα Πρόγνωσης Καιρού, δίκτυα παγκοσμίου εμβέλειας, Κέντρα Έρευνας του Διαστήματος κλπ. Το κόστος τέτοιων υπολογιστών είναι πάρα πολύ υψηλό. 1.4.2 Μεγάλοι Υπολογιστές Οι μεγάλοι υπολογιστές (mainframes) είναι τα μεγάλα συστήματα υπολογιστών γενικής χρήσης. Οι υπολογιστές αυτοί έχουν μεγάλη ταχύτητα επεξεργασίας, εκατομμυρίων εντολών ανά δευτερόλεπτο. 2

Οι μεγάλοι υπολογιστές επεξεργάζονται ταχύτατα μεγάλους όγκους δεδομένων και χρησιμοποιούνται κυρίως σε μεγάλους Οργανισμούς όπως Πανεπιστήμια, Ερευνητικά Κέντρα, Τράπεζες, κλπ. Μεσαίου Μεγέθους Υπολογιστές Οι μεσαίου μεγέθους υπολογιστές (mini computers) είναι συστήματα μικρότερα από τα προηγούμενα, ειδικής ή γενικής χρήσης, μικρότερης κλίμακας από τους μεγάλους υπολογιστές. Μικροϋπολογιστές Οι μικροϋπολογιστές (microcomputers), γνωστοί και ως προσωπικοί υπολογιστές (personal computers), τα τελευταία δέκα χρόνια έχουν φέρει επαναστατικές αλλαγές στο χώρο της Πληροφορικής. Σε αυτούς, η ΚΜΕ, βρίσκεται μέσα σ' ένα και μόνο ολοκληρωμένο κύκλωμα. Η εξέλιξη στην κατασκευή και στις δυνατότητες των σύγχρονων μικροεπεξεργαστών είναι τέτοια ώστε οι μικροϋπολογιστές να ανταγωνίζονται σε λειτουργίες τους υπολογιστές μεσαίου μεγέθους. Έτσι την εποχή αυτή δημιουργείται μία νέα κατηγορία υπολογιστών η κατηγορία των υπερμικροϋπολογιστών (supermicros). Γενικά δεν υπάρχουν σαφείς διαχωριστικές γραμμές στις διάφορες κατηγορίες υπολογιστών. Για παράδειγμα ένας υπολογιστής μεσαίου 3

μεγέθους μπορεί να έχει περισσότερες δυνατότητες από ένα μεγάλο υπολογιστή. Έξυπνος Σταθμός Εργασίας Ένας έξυπνος σταθμός εργασίας (Workstation) είναι ένας υπολογιστής που εξωτερικά μοιάζει με μικροϋπολογιστή με περισσότερες δυνατότητες. Φορητοί Υπολογιστές Οι φορητοί υπολογιστές (Laptop computers) χαρακτηρίζονται από μικρό όγκο, μικρό βάρος. Οι δυνατότητές τους είναι συγκρίσιμες με αυτές των προσωπικών υπολογιστών αλλά το κόστος τους υψηλότερο. Χρησιμοποιούνται από επιστήμονες, ερευνητές, διευθυντές ή στελέχη επιχειρήσεων και από όσους ταξιδεύουν συχνά και χρειάζονται τον υπολογιστή τους. Οι υπολογιστές αυτοί έχουν σκληρούς δίσκους, δέχονται δισκέτες, CD και έτσι υπάρχει δυνατότητα αποθήκευσης καθώς και ανταλλαγής δεδομένων με άλλους υπολογιστές. 4

Άλλοι Υπολογιστές Ακόμη μικρότεροι υπολογιστές έχουν κάνει την εμφάνισή τους. Οι υπολογιστές αυτοί αναγνωρίζουν δεδομένα που γράφονται με το χέρι. Τα δεδομένα γράφονται στην οθόνη, με το χέρι, με μία συσκευή που μοιάζει με στυλό. Οι υπολογιστές αυτοί γνωστοί ως Προσωπικοί Ψηφιακοί Βοηθοί (Personal Digital Assistants, PDA) χρησιμοποιούνται για αυτοματοποίηση της εργασίας, εκεί όπου δεν μπορεί να γίνει χρήση των προσωπικών ή των φορητών υπολογιστών, γιατί η εργασία δεν γίνεται στα γραφεία. 5

1.7 Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας Η Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (ΚΜΕ) αποτελείται από ένα σύνολο ηλεκτρονικών κυκλωμάτων τα οποία εκτελούν τις εντολές του προγράμματος. Περιλαμβάνει τη Μονάδα Ελέγχου, την Αριθμητική και Λογική Μονάδα και τους Καταχωρητές. Η KME εκτελεί διαδοχικά τις εντολές του προγράμματος που βρίσκονται στην Κεντρική Μνήμη. Οι ενέργειες που γίνονται για την εκτέλεση μιας εντολής αποτελούν τον Κύκλο Εντολής (Instruction Cycle), που διακρίνεται σε: 1. Κύκλο ανάληψης εντολής (fetch cycle) H Μονάδα Ελέγχου διαβάζει την εντολή από την Κεντρική Μνήμη την αποκωδικοποιεί, βρίσκει τη σημασία της και μεταφέρει τα δεδομένα από την Κεντρική Μνήμη στην Αριθμητική και Λογική Μονάδα. 2. Κύκλο εκτέλεσης εντολής (execution cycle) Η Αριθμητική και Λογική Μονάδα υλοποιεί την αριθμητική ή λογική εντολή, εκτελώντας τις αντίστοιχες πράξεις με τα δεδομένα, και αποθηκεύει, προσωρινά, το αποτέλεσμα στην Κεντρική Μνήμη ή τους Καταχωρητές. 6

Η Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας είναι σχεδιασμένη να αναγνωρίζει ένα σύνολο εντολών (instruction set). Kάθε διαφορετικός τύπος ΚΜΕ έχει το δικό του σύνολο εντολών. Η Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (Central Processing Unit -CPU) αποτελείται από τρία μέρη: α) την Αριθμητική και Λογική Μονάδα (Arithmetic and Logic Unit) β) την Μονάδα Ελέγχου (Control Unit) γ) τους Καταχωρητές (Registers) 7

1.7.1 Αριθμητική και Λογική Μονάδα Η Αριθμητική και Λογική Μονάδα είναι το τμήμα εκείνο της ΚΜΕ μέσα στο οποίο γίνεται η στοιχειώδης επεξεργασία των δεδομένων κάθε προγράμματος. Η μονάδα αυτή περιλαμβάνει ηλεκτρονικά κυκλώματα τα οποία επιτρέπουν την εκτέλεση όλων των πράξεων (αριθμητικών και λογικών). Στην Αριθμητική και Λογική Μονάδα (ΑΛΜ) πραγματοποιείται ο μετασχηματισμός των πληροφοριών. Με τη λέξη μετασχηματισμό εννοούμε τις αριθμητικές πράξεις (πρόσθεση, αφαίρεση, πολλαπλασιασμό, διαίρεση), τις λογικές πράξεις (ΚΑΙ, Η, ή κυκλική ολίσθηση), τις οποίες εκτελεί ο υπολογιστής βάσει προκαθορισμένων λειτουργιών, μετασχηματίζοντας ή συνδυάζοντας τα απαραίτητα δεδομένα για τη δημιουργία των εκάστοτε επιθυμητών αποτελεσμάτων. Οι κωδικοποιημένες παραστάσεις των δεδομένων εισέρχονται στην Αριθμητική και Λογική Μονάδα προερχόμενες από τη μνήμη του υπολογιστή. Η Μονάδα Ελέγχου γνωρίζοντας εκ των προτέρων την πράξη που πρόκειται να εκτελεστεί, παρέχει προς τα ηλεκτρονικά κυκλώματα της Αριθμητικής και Λογικής Μονάδας τα απαραίτητα σήματα ελέγχου, σε προκαθορισμένες χρονικές στιγμές, ώστε αυτή να δημιουργεί τα εκάστοτε αποτελέσματα των αριθμητικών και λογικών πράξεων. Τα σήματα ελέγχου που απαιτούνται για τη μεταφορά και αποθήκευση των αποτελεσμάτων στη μνήμη διοχετεύονται επίσης από τη μονάδα ελέγχου. 8

1.7.2 Μονάδα Ελέγχου Η Μονάδα Ελέγχου είναι το υποσύστημα που αποφασίζει και συντονίζει τη διαδοχή των πράξεων και τη λειτουργία των υπολοίπων μονάδων του υπολογιστή. Η Μονάδα Ελέγχου λαμβάνει από τη μνήμη ορισμένα κωδικοποιημένα ηλεκτρικά σήματα, τα οποία ονομάζονται εντολές. Τα κυκλώματα της μονάδας ελέγχου αποκωδικοποιούν κατ αρχήν τις εντολές αυτές και στη συνέχεια στέλνουν σε προκαθορισμένες χρονικές στιγμές σήματα ελέγχου προς: τη μνήμη, για την εξαγωγή πληροφοριών προς τις άλλες μονάδες του υπολογιστή ή τη λήψη πληροφοριών απ αυτές τις μονάδες και την αποθήκευσή τους στη μνήμη. την Α/Λ Μονάδα, για την εκτέλεση των επιθυμητών υπολογιστικών πράξεων και τις μονάδες Εισόδου/Εξόδου, για τη μεταφορά από τον υπολογιστή προς τον εξωτερικό του κόσμο και αντίστροφα. Οι κύριες λειτουργίες της μονάδας ελέγχου είναι: Η ανάγνωση από την Κεντρική Μνήμη και η εγγραφή σε αυτήν των δεδομένων. Η αποκωδικοποίηση των προς εκτέλεση εντολών. Η έναρξη ή διακοπή της εκτέλεσης ενός προγράμματος. Η καθοδήγηση της Αριθμητικής και Λογικής Μονάδας στην εκτέλεση των λειτουργιών τους. Η γνώση του πότε αρχίζει και πότε τελειώνει η εκτέλεση μίας εντολής στέλνοντας και λαμβάνοντας τα ανάλογα σήματα. Η ενεργοποίηση και η απενεργοποίηση μιας μονάδας εισόδου ή εξόδου φροντίζοντας για τη μεταφορά δεδομένων από ή προς αυτή. 9

Τα δεδομένα μεταφέρονται μεταξύ της Κεντρικής Μονάδας Επεξεργασίας και της Κεντρικής Μνήμης με τη βοήθεια ενός διαδρόμου (bus). Ο διάδρομος αποτελείται από παράλληλες γραμμές με τις οποίες μεταδίδονται πολλά bits συγχρόνως από τη μία συσκευή στην άλλη. Για παράδειγμα όλα τα bits μιας λέξης μπορεί να μεταφερθούν παράλληλα με μία μόνο πράξη (μετάδοση). Γενικά η Μονάδα Ελέγχου λειτουργεί κατά το μεγαλύτερο μέρος της βάσει του προγράμματος εντολών που παραμένει στην Κεντρική Μνήμη του υπολογιστή, χρησιμοποιώντας ηλεκτρικά σήματα για να κατευθύνει τις άλλες μονάδες να εκτελούν τις εντολές του προγράμματος. 10

1.7.3 Καταχωρητές Οι καταχωρητές (registers) είναι ταχύτατες μνήμες μέσα στην ΚΜΕ που χρησιμοποιούνται για την προσωρινή αποθήκευση δεδομένων ή εντολών ή την εκτέλεση ειδικών λειτουργιών. Οι καταχωρητές είναι κατασκευασμένοι έτσι ώστε τα περιεχόμενά τους να μπορούν να προσπελαστούν και να τροποποιηθούν πολύ ταχύτερα από τα περιεχόμενα της Κεντρικής Μνήμης. Χαρακτηριστικό των καταχωρητών είναι το μέγεθός τους, δηλαδή το πλήθος των δυαδικών ψηφίων (bits) που μπορούν να αποθηκεύσουν, καθώς και οι λειτουργίες που μπορούν να εκτελέσουν σε συνδυασμό με ειδικές εντολές. Ο αριθμός των καταχωρητών καθώς και το μέγεθός τους είναι ανάλογο της υπολογιστικής ισχύος του υπολογιστή. Οι καταχωρητές χωρίζονται σε κατηγορίες ανάλογα με τον τρόπο λειτουργίας τους. α) Καταχωρητές γενικής χρήσης Χρησιμοποιούνται για προσωρινή αποθήκευση στοιχείων κατά τη διάρκεια εκτέλεσης του προγράμματος. Οι σπουδαιότεροι είναι: Ο Kαταχωρητής δεδομένων μνήμης που χρησιμοποιείται για τη μεταφορά των δεδομένων και των εντολών από την Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας στην Κύρια Μνήμη και αντιστρόφως. Ο Καταχωρητής διευθύνσεων μνήμης. Για τη μεταφορά δεδομένων μεταξύ ΚMΕ και ΚΜ πρέπει να είναι γνωστές οι διευθύνσεις της μνήμης όπου είναι αποθηκευμένα. Αυτό επιτυγχάνεται αποθηκεύοντας τη διεύθυνση αυτή στον καταχωρητή διευθύνσεων μνήμης. 11

β) Καταχωρητές ειδικής χρήσης Οι σπουδαιότεροι είναι: Ο καταχωρητής εντολών που περιέχει την εντολή που πρόκειται να εκτελεστεί. Ο απαριθμητής προγράμματος που περιέχει τη διεύθυνση της εντολής που πρόκειται να εκτελεστεί. Ο συσσωρευτής που χρησιμοποιείται για την εκτέλεση αριθμητικών και λογικών πράξεων και για την αποθήκευση των ενδιάμεσων αποτελεσμάτων των πράξεων. Ο καταχωρητής κατάστασης που χρησιμοποιείται από τη Μονάδα Ελέγχου για την ανίχνευση λαθών. Παράδειγμα ανίχνευσης λάθους η διαίρεση με μηδέν στην Αριθμητική- Λογική μονάδα. Ο καταχωρητής διεύθυνσης που χρησιμοποιείται για την αποθήκευση μιας διεύθυνσης της μνήμης. 12

1.10 RAM και ROM Η Κεντρική Μνήμη χωρίζεται σε δύο μέρη: Μνήμη Τυχαίας Προσπέλασης (Random Access Memory - RAM) Μνήμη Μόνο Ανάγνωσης (Read Only Memory - ROM) H RAM είναι η μνήμη στην οποία μπορούμε να γράψουμε σε οποιαδήποτε διεύθυνση της και να διαβάσουμε το περιεχόμενο σε οποιαδήποτε διεύθυνση της. Υπάρχουν δύο τύποι RAM chips: στατικά και δυναμικά. Τα στατικά RAM (SRAM - Static RAM) χρησιμοποιούν flip-flop που τους δίνουν την φυσική ικανότητα να διατηρούν τα δεδομένα που εισάγονται μέχρις ότου ο χρήστης τα αλλάξει. Τα δυναμικά RAM (DRAM - Dynamic RAM) χρησιμοποιούν πυκνωτές και η καταχώριση των στοιχείων σε bits γίνεται με τη βοήθεια αποθήκευσης ηλεκτρικών φορτίων (φορτισμένος πυκνωτής: 1, αφόρτιστος: 0). Το μειονέκτημα εδώ είναι πως παρατηρείται μία έκλυση ηλεκτρονίων με αποτέλεσμα τα δεδομένα να διατηρούνται λίγα μόνο χιλιοστά του δευτερολέπτου (msecs). Στην περίπτωση αυτή χρειάζεται μια τεχνική ανανέωσης (refresh) του φορτίου (τουλάχιστον κάθε 2 msecs) για να διατηρούνται τα περιεχόμενα. Οι δυναμικές μνήμες παρά τις προφανείς δυσκολίες της τεχνικής τους είναι φθηνότερες και καταλαμβάνουν πολύ μικρότερο χώρο από τις αντίστοιχες στατικές, οι οποίες επί πλέον έχουν το μειονέκτημα να καταναλίσκουν μεγαλύτερη ενέργεια και να υπερθερμαίνονται. Για τους λόγους αυτούς οι δυναμικές μνήμες προτιμούνται στους σύγχρονους μικροϋπολογιστές. 13

Η ROM είναι η μνήμη στην οποία μπορούμε μόνο να διαβάσουμε το περιεχόμενο των διαφόρων διευθύνσεων της, γι αυτό και λέγεται απαράγραπτη μνήμη. Το περιεχόμενο της έχει τοποθετηθεί από τον κατασκευαστή και καθορίζει την λειτουργία του υπολογιστή. Το περιεχόμενο της RAM σε αντίθεση με την ROM δεν αλλοιώνεται στις συνήθεις συνθήκες λειτουργίας ή σε περίπτωση διακοπής τροφοδοσίας. Υπάρχουν 3 κύριοι τύποι ROM chips: η απαράγραπτη ROM που χαράζεται με ειδικά μηχανήματα από τον κατασκευαστή και τα περιεχόμενα της δεν μπορούν να αλλάξουν. η προγραμματιζόμενη ROM ή PROM (Programmable ROM). Τα chips αυτά επιτρέπουν και σε τρίτους να γράψουν τα περιεχόμενα που επιθυμούν χρησιμοποιώντας ειδικά μηχανήματα εγγραφής (PROM programs). Είναι παρόμοια με την ROM, με τη διαφορά ότι ο χρήστης έχει τη δυνατότητα να αποθηκεύσει για μία μόνο φορά, μέσω μιας ειδικής συσκευής (προγραμματιστής PROM), τα δεδομένα ή τα προγράμματα που επιθυμεί και στη συνέχεια η PROM συμπεριφέρεται όπως η ROM. Ότι όμως γραφτεί δεν σβήνει. η επαναπρογραμματιζόμενη PROM ή EPROM (Erasable PROM) που είναι μια ειδική μορφή της PROM που επιτρέπει να σβήνονται με ειδικό μηχάνημα τα περιεχόμενα της και να ξαναχρησιμοποιείται. Ο χρήστης έχει τη δυνατότητα να μεταβάλει το περιεχόμενό της όσες φορές επιθυμεί, πάντα όμως μέσω μιας ειδικής συσκευής (προγραμματιστής ΕPROM). Αυτό γίνεται, αφού διαγραφεί το παλαιό περιεχόμενο και η μνήμη έλθει σε ουδέτερη κατάσταση. Η διαγραφή μπορεί να γίνει ανάλογα με τον τύπο της EPROM είτε με έκθεσή της σε υπεριώδη ακτινοβολία, για αρκετό χρονικό διάστημα, είτε με την εφαρμογή ηλεκτρικής τάσης σε κάποιους αγωγούς του τσιπ. 14

1.11 Υπερταχεία Μνήμη - Cache Η μνήμη αυτή έχει τις βασικές ιδιότητες της RAM με τη διαφορά πως είναι πολύ πιο γρήγορη από αυτήν λειτουργεί με την ταχύτητα του επεξεργαστή. Το πρόβλημα είναι πως είναι πολύ ακριβή έτσι δεν μπορούμε να την χρησιμοποιήσουμε σε μεγάλες χωρητικότητες σαν Κύρια Μνήμη. Μπορεί όμως να χρησιμοποιηθεί ως συμπλήρωμά της. Έτσι έγινε ένας συνδυασμός από διαφορετικά είδη μνημών: μιας μικρής αλλά πολύ γρήγορης (και ακριβής) μνήμης (cache) και άλλων πιο αργών (και φθηνών) αλλά σε μεγαλύτερες χωρητικότητες μνήμες (RAM). Η cache μνήμη είναι ένας χώρος προσωρινής επιλεκτικής αποθήκευσης δεδομένων ή εντολών που χρησιμοποιούνται πολλές φορές. Η ΚΜΕ μπορεί έτσι να έχει εκεί πολύ ταχύτερη προσπέλαση με αποτέλεσμα την ελάττωση του συνολικού χρόνου επεξεργασίας. ΚΕΝΤΡΙΚΗ ΜΝΗΜΗ CACHE ΜΝΗΜΗ ΚΕΝΤΡΙΚΗ ΜΟΝΑΔΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ Σχ. 1.5 Μνήμη Cache Οι μνήμες cache παρεμβάλλονται μεταξύ επεξεργαστή και RAM (σχ. 1.5) ή περιλαμβάνονται μέσα στον επεξεργαστή. Αν τώρα βρούμε ένα τρόπο να γνωρίζουμε εκ των προτέρων ποιες εντολές και δεδομένα είναι πιθανότερο να χρησιμοποιηθούν στη συνέχεια της επεξεργασίας μας και τοποθετήσουμε τα στοιχεία αυτά (και μόνο αυτά) στη cache, τότε τα προγράμματα μας θα εκτελούνταν κατά το μεγαλύτερο μέρος τους με την ταχύτητα της γρήγορης αυτής μνήμης. Το ερώτημα βέβαια είναι πώς θα γνωρίζουμε εκ των προτέρων ποια στοιχεία πρόκειται να χρησιμοποιήσει το πρόγραμμα μας. Παρά το ότι κάτι τέτοιο φαίνεται εκ πρώτης όψης αδύνατο στην πράξη, έχουν εφαρμοσθεί αρκετές θεωρίες και αλγόριθμοι 15

με σημαντική επιτυχία. Μια απλή και ιδιαίτερα πετυχημένη θεωρία προβλέπει πως τα στοιχεία που χρησιμοποιήθηκαν τελευταία κατά την επεξεργασία ενός προγράμματος, έχουν την μεγαλύτερη πιθανότητα να χρησιμοποιηθούν ξανά. Η λειτουργία την μνήμης cache είναι σε γενικές γραμμές η εξής: όταν ο επεξεργαστής θέλει να γράψει κάτι στη μνήμη το γράφει στην RAM και συγχρόνως και στην cache όταν ο επεξεργαστής θέλει να διαβάσει κάτι από την μνήμη ψάχνει πρώτα στην cache και αν το βρει το παίρνει από κει (με μεγάλη ταχύτητα), αν όχι προσφεύγει στη RAM. Με τον τρόπο αυτό η cache περιέχει ανά πάσα στιγμή τα τελευταία στοιχεία που χρησιμοποιήθηκαν σε μια επεξεργασία. Είναι προφανές πως όσο πιο μεγάλη είναι η cache τόσο πιο μεγάλο μέρος του προγράμματος θα υπάρχει στη cache και άρα πιο μεγάλη θα είναι η πιθανότητα να βρούμε μια πληροφορία εκεί και να μη χρειασθεί να ψάξουμε τη RAM, οπότε η εκτέλεση του προγράμματος κατά το μεγαλύτερο μέρος του θα γίνεται από την cache και όχι από τη RAM. Πράγμα που σημαίνει πως το πρόγραμμα θα εκτελεστεί πιο γρήγορα. Πράγματι έχει διαπιστωθεί πως με τη μέθοδο αυτή και ανάλογα με τη χωρητικότητα της cache to 80-90% της εκτέλεσης ενός προγράμματος γίνεται από την cache. 16

1.12 Μνήμη Flash Το βασικό χαρακτηριστικό της μνήμης RAM είναι ότι χάνει το περιεχόμενό της με τη διακοπή του ρεύματος (volatile). Αυτό έχει ως αποτέλεσμα καθυστέρηση στην επεξεργασία των δεδομένων αφού η προσπέλαση στη βοηθητική μνήμη, όπου είναι αποθηκευμένα τα δεδομένα σε μόνιμη βάση, είναι σημαντικά πιο αργή από τους χρόνους των κεντρικών μονάδων του υπολογιστή. Έτσι, το επόμενο μεγάλο βήμα είναι μνήμη με τις ιδιότητες της RAM, η οποία όμως δεν επηρεάζεται από τη διακοπή του ρεύματος (non volatile). H μνήμη αυτή ονομάζεται flash. Οι κάρτες της μνήμης flash έχουν διαστάσεις πολύ μικρότερες από ένα οδηγό δίσκου και καταναλώνουν πολύ λιγότερη ενέργεια. Για τους λόγους αυτούς χρησιμοποιούνται σήμερα σε υπολογιστές notebook καθώς και σε υπολογιστές χειρός, προσωπικούς ψηφιακούς βοηθούς. Είναι αναμφισβήτητο ότι η γενίκευση της χρήσης μνήμης flash αποτελεί μια άλλη επαναστατική αλλαγή στο χώρο των μικροϋπολογιστών και θα αυξήσει κατά πολύ την ταχύτητά τους με αποτέλεσμα να δημιουργηθούν και νέες εφαρμογές. 17

1.13 Aρχιτεκτονική υπολογιστών Η φυσική οργάνωση των διαφόρων μερών του υπολογιστή αποτελούν την αρχιτεκτονική του. Η οργάνωση είναι ιεραρχική και αποτελείται από διάφορα επίπεδα. Οι λειτουργίες κάθε επιπέδου στηρίζονται στις λειτουργίες του αμέσως κατωτέρου του. O υπολογιστής αποτελείται από διάφορες μονάδες οι οποίες συνδέονται μεταξύ τους με διαδρόμους (buses). Ο διάδρομος αποτελείται από γραμμές οι οποίες χρησιμεύουν για τη σύνδεση των μονάδων και την ανταλλαγή πληροφοριών μεταξύ τους. Στο σχήμα 1.6 που ακολουθεί, φαίνεται η χρήση των βασικών διαδρόμων για τη σύνδεση κεντρικών μονάδων μεταξύ τους και τη μεταφορά δεδομένων με τη βοήθεια καταχωρητών. Όλα τα δεδομένα και οι εντολές μεταφέρονται από την ΚΜ στην ΚΜΕ και αντίστροφα μέσα από το διάδρομο δεδομένων. Για την είσοδο ή την έξοδό τους στην ΚΜΕ χρησιμοποιείται ο καταχωρητής δεδομένων. Πριν από κάθε μεταφορά από/προς τον καταχωρητή δεδομένων προς/από την ΚΜ πρέπει να είναι γνωστή η ακριβής θέση προορισμού. Αυτό γίνεται με την αποθήκευση της κατάλληλης διεύθυνσης στον καταχωρητή διευθύνσεων. Η ΚΜ δέχεται την πληροφορία για τη διεύθυνση μέσα από το διάδρομο διευθύνσεων και λαμβάνει ακόμη και σήμα ελέγχου από την ΚΜΕ μέσα από το διάδρομο ελέγχου. Το σήμα αυτό χρησιμοποιείται για την αποθήκευση ή την ανάκληση δεδομένων. 18

Διάδρομος Τροφοδοσία Διάδρομος δεδομένων Διάδρομος Διάδρομος διευθύνσεων Καταχωρητής δεδομένων Καταχωρητής διευθύνσεων ΚΕΝΤΡΙΚΗ ΜΝΗΜΗ ΚΕΝΤΡΙΚΗ ΜΟΝΑΔΑ Διάδρομος ελέγχου Σχήμα 1.6 Σύνδεση KME και ΚΜ με διαδρόμους 1.13.1 Μικροϋπολογιστές Ο πρώτος μικροεπεξεργαστής (microprocessor) κατασκευάστηκε από την εταιρεία INTEL το 1971. Ήταν μία ειδική μορφή Κεντρικής Μονάδας Επεξεργασίας της οποίας όλα τα βασικά ηλεκτρονικά κυκλώματα βρίσκονταν σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα (chip). Αυτό ήταν η αρχή για την αλματώδη εξέλιξη των μικροεπεξεργαστών που οδήγησε στα μικροϋπολογιστικά συστήματα. Το μικροϋπολογιστικό σύστημα αποτελείται από το μικροεπεξεργαστή που είναι σχεδιασμένος έτσι ώστε να μπορεί να συνδεθεί με άλλα ολοκληρωμένα κυκλώματα 19

(μνήμη, άλλους βοηθητικούς επεξεργαστές, κλπ.) ούτως ώστε να μπορέσει να σχηματισθεί ένας υπολογιστής. 1.13.2 Βασικά τμήματα μικροεπεξεργαστή Σε ένα μικροεπεξεργαστή μπορούμε να διακρίνουμε τα εξής τμήματα: 1. Την αριθμητική λογική μονάδα. 2. Τη μονάδα ελέγχου. 3. Τους καταχωρητές. 4. Το διάδρομο μεταφοράς διευθύνσεων Κεντρικής Μνήμης (address bus). 5. Το διάδρομο μεταφοράς δεδομένων και εντολών από και προς την Κεντρική Μνήμη (data bus). 6. Το διάδρομο μεταφοράς σημάτων ελέγχου (control bus). Το πλήθος των bits των καταχωρητών (π.χ. 8, 16, 32, ή 64) χαρακτηρίζει τον επεξεργαστή ως προς τις δυνατότητες και την ακρίβεια επεξεργασίας. Το πλήθος των bits του διαδρόμου μεταφοράς δεδομένων προς/από την ΚΜ (π.χ. 8, 16, 32) χαρακτηρίζει τον επεξεργαστή ως προς την ταχύτητα μεταφοράς των δεδομένων από τους καταχωρητές προς και από την ΚΜ και αντίστροφα. Το μέγεθος του διαδρόμου δεδομένων διακρίνει τους υπολογιστές σε μεγάλους, μεσαίους και μικροϋπολογιστές. Συνηθισμένα μεγέθη για τους μικροϋπολογιστές είναι 8, 16, 32 και 64 bits, δηλαδή η 20

ΚΜΕ μπορεί να επεξεργάζεται συγχρόνως 8, 16, 32 και 64 bits αντίστοιχα. Το πλήθος των bits του διαδρόμου διευθύνσεων προσπέλασης της ΚΜ (π.χ. 16, 24, 32) χαρακτηρίζει τη δυνατότητα του επεξεργαστή να χειριστεί μεγέθη Κεντρικής Μνήμης. Για παράδειγμα διάδρομος των 24 bits δίδει στον επεξεργαστή δυνατότητα να χειρίζεται μέχρι 2 24 = 16.777.296 bytes ή words ανάλογα με τον υπολογιστή. Στο σχήμα 1.7 που ακολουθεί φαίνεται η βασική δομή του υπολογιστή και η σύνδεση των μονάδων του με τους διαδρόμους. Σχήμα 1.7 Δομή του μικροϋπολογιστή Η δομή της ΚΜΕ, οι εντολές που μπορεί να εκτελέσει και ο τρόπος που τις εκτελεί διαφέρουν από κατασκευαστή σε κατασκευαστή. 21

22

1.14 Aρχιτεκτονική RISC Κάθε υπολογιστής έχει την φυσική του γλώσσα στην οποία πρέπει να είναι γραμμένα τα προγράμματα για να τα αναγνωρίζει. Η φυσική αυτή γλώσσα ή γλώσσα μηχανής του, προσδιορίζεται από το σύνολο των εντολών που ο επεξεργαστής του είναι κατασκευασμένος να αναγνωρίζει. Η σύγχρονη τάση κατασκευής επεξεργαστών όλο και μεγαλύτερης ισχύος που να περιλαμβάνουν ένα όλο και μεγαλύτερο ρεπερτόριο εντολών είναι προφανές ότι αυξάνει το κόστος και την πολυπλοκότητα τους. Όπως παρατηρήθηκε όμως, από το σύνολο των εντολών που διαθέτει ένας επεξεργαστής ένα μόνο μικρό υποσύνολο - οι πιο συνηθισμένες και εύχρηστες εντολές - χρησιμοποιείται συνέχεια, οι άλλες χρησιμοποιούνται σπάνια και μόνο σε ειδικές περιπτώσεις. Το πρόβλημα είναι πως η πρόβλεψη μεγάλων ρεπερτορίων εντολών σε ένα επεξεργαστή μειώνει την ταχύτητα λειτουργίας του. Η συνειδητοποίηση του προβλήματος αυτού οδήγησε στην υιοθέτηση μιας τάσης απλοποίησης με την λεγόμενη τεχνική RISC (Reduced Instruction Set Computer). Η τεχνική RISC προβλέπει την κατασκευή επεξεργαστή με μικρά, εύχρηστα ρεπερτόρια των απόλυτα απαραίτητων εντολών. Η ιδέα αποδείχθηκε καλή στην πράξη και πολλοί κατασκευαστές προχώρησαν στην αξιοποίηση της τόσο σε επίπεδο μεγάλων όσο και σε επίπεδο μεσαίων και μικρών ακόμα Υπολογιστών. 23

1.15 Δευτερεύουσα Μνήμη (Secondary Memory) Η Κεντρική μνήμη έχει μικρή χωρητικότητα και έχει υψηλή τιμή. Έτσι αν χρειάζεται να αποθηκεύσουμε πολλά δεδομένα θα πρέπει να γίνει η αποθήκευση αυτή σε κάποιο άλλο μέσο. Αυτό το μέσο είναι η δευτερεύουσα ή βοηθητική μνήμη. Στην κύρια μνήμη οι μεγάλες χωρητικότητες με μικρό κόστος είναι δευτερεύοντες παράγοντες, μπροστά στην ταχύτητα και την ευκολία πρόσβασης. Αντίθετα, η δευτερεύουσα μνήμη είναι οργανωμένη έτσι ώστε να προσφέρει μέγιστη αποθηκευτική ικανότητα, με δευτερεύουσα βαρύτητα στην ταχύτητα και ευκολία πρόσβασης. Έτσι η μεν κύρια μνήμη είναι ο χώρος εργασίας του επεξεργαστή, ενώ η δευτερεύουσα η αποθήκη των υλικών και εργαλείων του μαραγκού του παραδείγματος που είδαμε στην κύρια μνήμη. Σαν δευτερεύουσα μνήμη χρησιμοποιούνται τα διάφορα μαγνητικά μέσα αφού είναι φθηνότερα από τους ημιαγωγούς, που χρησιμοποιούνται στην κεντρική μνήμη. Θεωρούνται κατάλληλα για μακρόχρονη αποθήκευση δεδομένων. Η δευτερεύουσα μνήμη είναι πολύ αργότερη από την κύρια μνήμη και επικοινωνεί με τις άλλες μονάδες του υπολογιστή μέσω της κύριας μνήμης. Tα πλεονεκτήματα της σε σύγκριση με την κύρια μνήμη είναι ότι είναι φθηνότερη και έχει πολύ μεγαλύτερη χωρητικότητα. 24