Εισαγωγή στην επιστήμη των υπολογιστών Υλικό Υπολογιστών Κεφάλαιο 5 ο (Forouza) Οργάνωση υπολογιστών 1
Οργάνωση υπολογιστών ΚΜΕ Κύρια Μνήμη Υποσύστημα εισόδου/εξόδου 2
Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (ΚΜΕ) Εκτελεί λειτουργίες στα δεδομένα R1 R2 ΑΛΜ R3 I Καταχωρητές PC 3
Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (ΚΜΕ) αριθμητική και λογική μονάδα ή ΑΛΜ (arithmetic logic uit, ALU). Εκτελεί αριθμητικές πράξεις w Μονομελείς πράξεις: πρόσθεση/μείωση κατά ένα w Διμελείς πράξεις: πρόσθεση αφαίρεση πολλαπλασ, διαίρεση και λογικές πράξεις w Απλούστερη μονομελής πράξη: άρνηση (ΝΟΤ) w Διμελείς πράξεις: σύζευξη (AND), διάζευξη (OR), αποκλ. διάζευξη (XOR) καταχωρητές (registers) Γρήγορες αυτόνομες θέσεις αποθήκευσης για την προσωρινή αποθήκευση δεδομένων Υπάρχουν καταχωρητές Δεδομένων, καταχωρητές Εντολών, Μετρητές προγράμματος μονάδα ελέγχου (cotrol uit) μοιάζει με το τμήμα του ανθρώπινου εγκεφάλου που ελέγχει τη λειτουργία κάθε οργάνου του σώματος και ο έλεγχος αυτός επιτυγχάνεται μέσω διαύλων που είναι είτε ανοιχτοί είτε κλειστοί 4
How a CPU works https://www.youtube.com/watch?v=cnn_ttxabua 5
Κύρια Μνήμη Η κύρια μνήμη (mai memory) είναι μια συλλογή από θέσεις αποθήκευσης, κάθε μία από τις οποίες διαθέτει ένα μοναδικό αναγνωριστικό που ονομάζεται διεύθυνση. Τα δεδομένα μεταφέρονται από και προς τη μνήμη σε ομάδες από μπιτ οι οποίες ονομάζονται λέξεις (words). Μια λέξη μπορεί να είναι μια ομάδα των 8, 16, 32, ή μερικές φορές 64 μπιτ Αν η λέξη είναι 8 bit αναφέρεται ως byte 6
Χώρος Διευθύνσεων 7
Χώρος Διευθύνσεων Για την προσπέλαση μιας λέξης στη μνήμη χρειάζεται ένα αναγνωριστικό. Κάθε λέξη προσδιορίζεται από μια διεύθυνση. Ο συνολικός αριθμός των μοναδικά προσδιορίσιμων θέσεων στη μνήμη ονομάζεται χώρος διευθύνσεων (address space). Για παράδειγμα, μια μνήμη 64 κιλομπάιτ με μέγεθος λέξης 1 μπάιτ διαθέτει χώρο διευθύνσεων με εύρος από 0 έως 65.535 (0 έως 64x1024-1). 8
Μονάδες Μνήμης Μονάδα Ακριβές πλήθος μπάιτ Προσέγγιση κιλομπάιτ (kilobyte) 2 10 (1.024) μπάιτ 10 3 μπάιτ μεγκαμπάιτ (megabyte) γκιγκαμπάιτ (gigabyte) 2 20 (1.048.576) μπάιτ 10 6 μπάιτ 2 30 (1.073.741.824) μπάιτ 10 9 μπάιτ τεραμπάιτ (terabyte) 2 40 μπάιτ 10 12 μπάιτ πεταμπάιτ (petabyte) 2 50 μπάιτ 10 15 μπάιτ εξαμπάιτ (exabyte) 2 60 μπάιτ 10 18 μπάιτ 9
Οι διευθύνσεις ως σχήματα μπιτ Επειδή οι υπολογιστές λειτουργούν αποθηκεύοντας αριθμούς ως σχήματα μπιτ, οι διευθύνσεις αναπαρίστανται και αυτές με τον ίδιο τρόπο. Έτσι, αν ένας υπολογιστής έχει 64 κιλομπάιτ (2 16 ) μνήμης με μέγεθος λέξης 1 μπάιτ, τότε για τον προσδιορισμό μιας διεύθυνσης απαιτείται ένα σχήμα 16 μπιτ. 64 κιλο μπάιτ = 2 6+10 μπάιτ = 2 16 μπάιτ 10
Οι διευθύνσεις ως σχήματα μπιτ Οι διευθύνσεις μνήμης καθορίζονται με τη χρήση μη προσημασμένων δυαδικών ακεραίων δεν υπάρχουν αρνητικές διευθύνσεις Η πρώτη θέση αναφέρεται ως διεύθυνση 0000000000000000 (διεύθυνση 0), Η τελευταία θέση αναφέρεται ως διεύθυνση 1111111111111111 (διεύθυνση 65.535) Γενικά, αν ένας υπολογιστής διαθέτει Ν λέξεις μνήμης, για την αναφορά όλων των θέσεων μνήμης απαιτείται ένας μη προσημασμένος ακέραιος μεγέθους log 2 N μπιτ 11
Οι διευθύνσεις ως σχήματα μπιτ Ένας υπολογιστής έχει 32 MB μνήμης. Πόσα μπιτ χρειάζονται για τη διευθυνσιοδότηση κάθε μπάιτ της μνήμης; 12
Οι διευθύνσεις ως σχήματα μπιτ Ένας υπολογιστής έχει 32 MB μνήμης. Πόσα μπιτ χρειάζονται για τη διευθυνσιοδότηση κάθε μπάιτ της μνήμης; Λύση Ο χώρος διευθύνσεων της μνήμης είναι 32 MB, δηλαδή 32 x 2 20 = 2 5 x 2 20 = 2 25. Αυτό σημαίνει ότι για τη διευθυνσιοδότηση κάθε μπάιτ απαιτούνται log 2 2 25, δηλαδή 25, μπιτ 13
Οι διευθύνσεις ως σχήματα μπιτ Ένας υπολογιστής έχει 128 MB μνήμης. Κάθε λέξη σε αυτόν τον υπολογιστή είναι 8 μπάιτ. Πόσα μπιτ χρειάζονται για τη διευθυνσιοδότηση κάθε λέξης μνήμης; 14
Οι διευθύνσεις ως σχήματα μπιτ Ένας υπολογιστής έχει 128 MB μνήμης. Κάθε λέξη σε αυτόν τον υπολογιστή είναι 8 μπάιτ. Πόσα μπιτ χρειάζονται για τη διευθυνσιοδότηση κάθε λέξης μνήμης; Λύση Ο χώρος διευθύνσεων της μνήμης είναι 128 MB, δηλαδή 2 27. Όμως, κάθε λέξη είναι 8 (2 3 ) μπάιτ, άρα έχουμε 2 24 λέξεις. Αυτό σημαίνει ότι για τη διευθυνσιοδότηση κάθε λέξης απαιτούνται log 2 2 24, δηλαδή 24, μπιτ. 15
Τύποι Μνήμης RAM: μνήμη τυχαίας προσπέλασης (Radom Access Memory) ROM: μνήμη μόνο για ανάγνωση (Read-Oly Memory) 16
Τύποι Μνήμης RAM μνήμη τυχαίας προσπέλασης (Radom Access Memory) μπορεί να αναγνωστεί και να εγγραφεί από το χρήστη είναι «πτητική»: w όταν διακόπτεται η τροφοδοσία του ρεύματος, οι πληροφορίες (πρόγραμμα ή δεδομένα) διαγράφονται ROM μνήμη μόνο για ανάγνωση (Read-Oly Memory) Η ΚΜΕ μπορεί να διαβάσει τη ROM αλλά όχι και να γράψει σε αυτή είναι «μη πτητική» χρησιμοποιείται για προγράμματα ή δεδομένα που δεν πρέπει να διαγραφούν ή να μεταβληθούν ακόμα και όταν ο υπολογιστής κλείνει, π.χ. Το πρόγραμμα εκκίνησης 17
Τύποι Μνήμης RAM Στατική RAM (SRAM) Χρησιμοποιεί για την αποθήκευση δεδομένων τις παραδοσιακές πύλες φλιπ-φλοπ Διατηρεί την κατάστασή της (0 ή 1), δηλαδή τα δεδομένα διατηρούνται αποθηκευμένα όσο υπάρχει τροφοδοσία ρεύματος χωρίς να χρειάζονται ανανέωση. Είναι γρήγορη αλλά ακριβή 18
Τύποι Μνήμης RAM Δυναμική RAM (DRAM) Xρησιμοποιεί πυκνωτές Αν ο πυκνωτής είναι φορτισμένος, η κατάσταση είναι 1, αν είναι αφόρτιστος, η κατάσταση είναι 0. Επειδή οι πυκνωτές χάνουν ένα μέρος του φορτίου τους με την πάροδο του χρόνου, οι θέσεις τα κελιά μνήμης χρειάζονται περιοδική ανανέωση. Είναι αργή αλλά φτηνή. 19
Τύποι Μνήμης ROM Προγραμματιζόμενη RΟM (PRΟM) Παραλλαγή της ROM Είναι κενή όταν ο υπολογιστής βγαίνει από το εργοστάσιο, Χρησιμοποιείται για την αποθήκευση προγραμμάτων από το χρήστη μέσω ειδικού εξοπλισμού. Όταν τα προγράμματα αποθηκευτούν η μνήμη λειτουργεί ως ROM και δεν μπορεί να επανεγγραφεί 20
Τύποι Μνήμης ROM Διαγράψιμη PRΟM (EPRΟM) Παραλλαγή της PROM. Μπορεί Να προγραμματιστεί από το χρήστη Nα διαγραφεί από μια ειδική συσκευή που εκπέμπει υπεριώδες φως. w Η διαγραφή της απαιτεί τη φυσική εξαγωγή της από τον υπολογιστή και την επανατοποθέτησή της. 21
Τύποι Μνήμης ROM Ηλεκτρονικά Διαγράψιμη PRΟM (ΕEPRΟM) Παραλλαγή της EPROM. Μπορεί Να προγραμματιστεί και να διαγραφεί μέσω ηλεκτρονικών παλμών Δεν απαιτείται η αφαίρεσή της από τον υπολογιστή 22
Ιεραρχία της μνήμης 23
Κρυφή Μνήμη Είναι γρηγορότερη από την κύρια μνήμη αλλά πιο αργή από την ΚΜΕ και τους καταχωρητές της. Η κρυφή μνήμη, η οποία συνήθως έχει μικρό μέγεθος, μεσολαβεί μεταξύ της ΚΜΕ και της κύριας μνήμης 24
Κρυφή Μνήμη Η Κρυφή Μνήμη περιέχει συνεχώς ένα αντίγραφο κάποιου τμήματος της κύριας μνήμης. Όταν η ΚΜΕ πρέπει να προσπελάσει μια λέξη στην κύρια μνήμη, ακολουθείται η εξής διαδικασία: Η ΚΜΕ ελέγχει την κρυφή μνήμη. w Αν βρει εκεί τη λέξη, την αντιγράφει, w Αν όχι, η ΚΜΕ προσπελάζει την κεντρική μνήμη και αντιγράφει το τμήμα της το οποίο ξεκινάει με την επιθυμητή λέξη. Το τμήμα αντικαθιστά τα προηγούμενα περιεχόμενα της κρυφής μνήμης. Η ΚΜΕ προσπελάζει την κρυφή μνήμη και αντιγράφει τη λέξη. 25
Σύνδεση ΚΜΕ και Μνήμης Δίαυλος: αποτελείται από καλώδια. 1 καλώδιο μεταφέρει 1 μπιτ. Δίαυλος Δεδομένων εξαρτάται από το μέγεθος της λέξης πχ.32 bit Δίαυλος Διευθύνσεων για προσπέλαση μνήμης. ν καλώδια για 2 ν θέσεις Δίαυλος Ελέγχου για εντολές. μ καλώδια επιτρέπουν 2 μ εντολές 26
Δίαυλος Δεδομένων (data bus) Ο δίαυλος δεδομένων (data bus) αποτελείται από πολλά καλώδια, καθένα από τα οποία μεταφέρει 1 μπιτ τη φορά. Ο αριθμός των καλωδίων εξαρτάται από το μέγεθος της λέξης. Αν σε κάποιον υπολογιστή η λέξη είναι 32 μπιτ (4 μπάιτ), απαιτείται δίαυλος δεδομένων με 32 καλώδια, έτσι ώστε και τα 32 μπιτ της λέξης να μπορούν να μεταφερθούν ταυτόχρονα. 27
Δίαυλος Διευθύνσεων (address bus) Ο δίαυλος διευθύνσεων (address bus) επιτρέπει την προσπέλαση μιας συγκεκριμένης λέξης στη μνήμη. Ο αριθμός των καλωδίων του διαύλου διευθύνσεων εξαρτάται από το χώρο διευθύνσεων της μνήμης. Αν η μνήμη διαθέτει 2 ν λέξεις, ο δίαυλος διευθύνσεων πρέπει να μεταφέρει ν μπιτ τη φορά. Συνεπώς, πρέπει να διαθέτει ν καλώδια. 28
Δίαυλος Ελέγχου (cotrol bus) Ο δίαυλος ελέγχου (cotrol bus) αναλαμβάνει την επικοινωνία μεταξύ της ΚΜΕ και της μνήμης. Για παράδειγμα, η ΚΜΕ πρέπει να στέλνει στη μνήμη κωδικούς ώστε να προσδιορίζει τις λειτουργίες ανάγνωσης ή τις λειτουργίες εγγραφής. Το πλήθος των καλωδίων του διαύλου ελέγχου εξαρτάται από το συνολικό αριθμό των διαταγών ελέγχου που χρειάζεται ένας υπολογιστής. Αν ένας υπολογιστής διαθέτει 2 μ ενέργειες ελέγχου, ο δίαυλος ελέγχου χρειάζεται μ καλώδια, επειδή για να εκφραστούν οι 2 μ διαφορετικές λειτουργίες απαιτούνται μ μπιτ. 29
Εκτέλεση Προγραμμάτων Η επεξεργασία των δεδομένων από τους υπολογιστές γενικής χρήσης γίνεται με τη χρήση ενός συνόλου εντολών που ονομάζεται πρόγραμμα Ο Η/Υ διαβάζει δεδομένα εισόδου και εκτελεί εντολές του προγράμματος για να δημιουργήσει δεδομένα εξόδου Τα δεδομένα και το πρόγραμμα αποθηκεύονται στη μνήμη Η ΚΜΕ χρησιμοποιεί επαναλαμβανόμενους κύκλους μηχανής για να εκτελέσεις τις εντολές προγράμματος μία προς μία 30
Εκτέλεση Προγραμμάτων Κύκλος Μηχανής Ανάκληση: Η Μ.Ε. ζητά από το σύστημα να αντιγράψει την επόμενη εντολή στον IR της ΚΜΕ. Ο PC έχει τη διευθυνση της εντολής που θα εκτελεστεί. Αφού εκτελεστεί, ο PC αυξάνεται κατά 1. Αποκωδικοποίηση: η εντολή στον IR αποκωδικοποιείται απο τη μονάδα ελέγχου, δλδ. δημιουργείται δυαδικός κώδικας για το τι θα εκτελέσει το σύστημα Εκτέλεση: η Μ.Ε. δίνει εντολή σ ένα στοιχείο της Κ.Μ.Ε. να κάνει μια εργασία. w π.χ. να ζητήσει απ το σύστημα να διαβάσει (φορτώσει) ένα στοιχείο δεδομένων από τη μνήμη ή η Κ.Μ.Ε. να δώσει εντολή στην ΑΛΜ να προσθέσει τα περιεχόμενα δύο καταχωρητών εισόδου και να τοποθετήσει το αποτέλεσμα σ έναν καταχωρητή εξόδου. 31
Εκτέλεση Προγραμμάτων Κύκλος Μηχανής Ανάκληση Αποκωδικοποίηση Εκτέλεση 32
Πρόσθεση δύο ακεραίων Περιεχόμενα μνήμης και καταχωρητών πριν από κάθε κύκλο μηχανής 33
Πρόσθεση δύο ακεραίων Περιεχόμενα μνήμης και καταχωρητών μετά την πρώτη εντολή Μετά την πρώτη εντολή 34
Πρόσθεση δύο ακεραίων Περιεχόμενα μνήμης και καταχωρητών μετά δεύτερη εντολή 35
Πρόσθεση δύο ακεραίων Περιεχόμενα μνήμης και καταχωρητών μετά την τρίτη εντολή 36
Πρόσθεση δύο ακεραίων Περιεχόμενα μνήμης και καταχωρητών μετά την τέταρτη εντολή 37
Εκτέλεση Προγραμμάτων Κύκλος Μηχανής Ανάκληση Αποκωδικοποίηση Εκτέλεση 38
Εντολές Εισόδου/Εξόδου Για τη μεταφορά δεδομένων από τις συσκευές Ε/Ε προς την ΚΜΕ και τη μνήμη Οι συσκευές Ε/Ε λειτουργούν σε πολύ μικρότερες ταχύτητες από την ΚΜΕ => η λειτουργία της ΚΜΕ πρέπει να συγχρονίζεται με τη δική τους Για το συγχρονισμό αυτόν έχουν αναπτυχθεί τρεις μέθοδοι: η προγραμματισμένη Ε/Ε η οδηγούμενη από διακοπές Ε/Ε η άμεση προσπέλαση μνήμης (DMA). 39
Προγραμματισμένη Ε/Ε 40
Οδηγούμενη από διακοπές Ε/Ε Η ΚΜΕ ενημερώνει τη συσκευή Ε/Ε για τη μεταφορά αλλά δεν την περιμένει. Όταν η συσκευή Ε/Ε είναι έτοιμη ενημερώνει (διακόπτει) την ΚΜΕ 41
Άμεση προσπέλαση μνήμης (Direct Memory Access) - 1 Μεταφέρεται απ ευθείας ένα μεγάλο τμήμα δεδομένων μεταξύ μιας συσκευής Ε/Ε και της μνήμης (χωρίς τα δεδομένα να περνούν από την ΚΜΕ) Απαιτείται ένας ελεγκτής DMA που εκτελεί εργασίες για λογαριασμό της ΚΜΕ Διαθέτει καταχωρητές για αποθήκευση δεδομένων πριν και μετά τη μεταφορά στη μνήμη Μιά λειτουργία Ε/Ε πραγματοποιείται ως εξής: Η ΚΜΕ στέλνει μήνυμα στον ελεγκτή DMA με τον τύπο μεταφοράς (είσοδος/έξοδος), την αρχική διεύθυνση μνήμης και το πλήθος των bytes που θα μεταφερθούν. Στη συνέχεια η ΚΜΕ είναι διαθέσιμη για άλλες εργασίες Ο ελεγκτής DMA όταν είναι έτοιμος για τη μεταφορά δεδομένων ενημερώνει την ΚΜΕ ότι πρέπει να αναλάβει τον έλεγχο διαύλων. Η ΚΜΕ παύει να χρησιμοποιεί τους διαύλους για να τους χρησιμοποιήσει ο ελεγκτής Αφού ολοκληρωθεί η απ ευθείας μεταφορά δεδομένων μεταξύ του ελεγκτή και της μνήμης, η ΚΜΕ συνεχίζει την κανονική λειτουργία της 42
Άμεση προσπέλαση μνήμης (Direct Memory Access) - 2 Σύνδεση DMA στο γενικό δίαυλο 43
Άμεση προσπέλαση μνήμης (Direct Memory Access) - 3 44
Οργάνωση υπολογιστών ΚΜΕ Κύρια Μνήμη Υποσύστημα εισόδου/εξόδου 45
Είσοδος/Έξοδος Το υποσύστημα Ε/Ε επιτρέπει σε έναν υπολογιστή να επικοινωνεί με τον έξω κόσμο και να διατηρεί προγράμματα και δεδομένα ακόμα και όταν είναι κλειστός. Οι συσκευές εισόδου/εξόδου χωρίζονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες: στις μη αποθηκευτικές στις αποθηκευτικές 46
Μη αποθηκευτικές συσκευές Πληκτρολόγιο και οθόνη Εκτυπωτής 47
Αποθηκευτικές συσκευές Φθηνότερες από την κύρια μνήμη Τα περιεχόμενά τους είναι μη πτητικά. Χωρίζονται σε Μαγνητικές Οπτικές 48
Μαγνητικός Δίσκος - 1 Αποτελείται από έναν ή περισσότερους δίσκους τοποθετημένους ο ένας πάνω απ τον άλλον. Οι δίσκοι καλύπτονται από λεπτή μαγνητική μεμβράνη. Αποθήκευση δεδομένων στην επιφάνεια του δίσκου. Ανάγνωση μέσω κεφαλών. 49
Μαγνητικός Δίσκος - 2 Οργάνωση Επιφανείας σε τροχιές και τομείς. Προσπέλαση Δεδομένων Τυχαία προσπέλαση Απόδοση Ταχύτητα περιστροφής Χρόνος αναζήτησης Χρόνος μεταφοράς 50
Μαγνητική Ταινία - 1 Διάφορα μεγέθη, π.χ. πλαστική ταινία μισής ίντσας καλυμμένη με παχιά μαγνητική στρώση. 51
Μαγνητική Ταινία - 2 Οργάνωση Επιφανείας Προσπέλαση Δεδομένων Σειριακή προσπέλαση Απόδοση Αργότερη αλλά φτηνότερη από μαγνητικό δίσκο 52
Οπτικές συσκευές αποθήκευσης Χρησιμοποιούν φως (λέιζερ) για αποθήκευση και ανάκτηση δεδομένων Τεχνολογία παρόμοια με την τεχνολογία των CD ήχου, ελαφρώς βελτιωμένη CD-ROM CD-R CD-RW DVD 53
CD-RΟΜ Compact Disk Read-Oly Memory Μνήμη σύμπηκτου δίσκου μόνο για ανάγνωση Χρησιμοποιεί την ίδια τεχνολογία με τα CD που αναπτύχθηκε από τη Philips και Soy για την εγγραφή μουσικής. Η μόνη διαφορά είναι κάποιες βελτιώσεις για να είναι μια μονάδα CD-ROM πιό στιβαρή και διαθέτει έλεγχο σφαλμάτων 54
Δημιουργία CD-ROM Δημιουργία πρωτότυπου δίσκου με λέιζερ Κατασκευή μήτρας Έκχυση πολυανθρακικής ρητίνης με λεπτή στρώση αλουμινίου ανακλαστική επιφάνεια Προστατευτική στρώση από βερνίκι. Προσθήκη ετικέτας 55
Ανάγνωση CD-RΟΜ Με χρήση ακτίνας λέιζερ χαμηλής ισχύος. Όταν συναντά μια πεδιάδα, ανακλάται από την επιφάνεια του αλουμινίου. Όταν συναντά κοιλάδα ανακλάται δύο φορές: μιά από την κάτω επιφάνεια της κοιλάδας και μία από την επιφάνεια του αλουμινίου. Οι δύο ανακλάσεις προκαλούν εξασθένηση του φωτός, επειδή το βάθος των κοιλάδων είναι ακριβώς το ¼ του μήκους κύματος της ακτίνας. Δλδ, ο αισθητήρας της μονάδας ανιχνεύει περισσότερο φως όταν το σημείο είναι πεδιάδα και λιγότερο όταν είναι κοιλάδα. 56
Ταχύτητες CD-ROM Ταχύτητα 1x Ρυθμός ανάγνωσης δεδομένων 153.600 μπάιτ ανά δευτερόλεπτο Προσέγγιση 150 ΚΒ/δευτερόλεπτο 2x 307.200 ανά δευτερόλεπτο 300 ΚΒ/δευτερόλεπτο 4x 614.400 ανά δευτερόλεπτο 600 ΚΒ/δευτερόλεπτο 6x 921.600 ανά δευτερόλεπτο 900 ΚΒ/δευτερόλεπτο 8x 1.228.800 ανά δευτερόλεπτο 1,2 MΒ/δευτερόλεπτο 12x 1.843.200 ανά δευτερόλεπτο 1,8 MΒ/δευτερόλεπτο 16x 2.457.600 ανά δευτερόλεπτο 2,4 MΒ/δευτερόλεπτο 24x 3.688.400 ανά δευτερόλεπτο 3,6 MΒ/δευτερόλεπτο 32x 4.915.200 ανά δευτερόλεπτο 4,8 MΒ/δευτερόλεπτο 40x 6.144.400 ανά δευτερόλεπτο 6 MΒ/δευτερόλεπτο 57
Μορφή CD-ROM Κάθε τμ δεδομένων 8 bit μετατρέπεται σ ένα σύμβολο 14 bit με χρήση της Τεχνικής Hammig για διόρθωση σφαλμάτων 58
CD-R (Compact Disk Recordable) Εγγράψιμος σύμπηκτος δίσκος Λέγεται και WORM (Write Oce, Read May) 59
Δημιουργία CD-R (1) Βασίζεται στις ίδιες αρχές με τα CD-ROM όσον αφορά τη δημιουργία δίσκων. Υπάρχουν όμως οι εξής διαφορές: Δεν υπάρχει πρωτότυπος δίσκος Η ανακλαστική στρώση είναι από χρυσό (όχι από αλουμίνιο) Οι κοιλάδες και οι πεδιάδες απλά προσομοιώνονται -> χρησιμοποιείται μια χρωστική ουσία παρόμοια με το υλικό της φωτογραφίας, μεταξύ ανακλαστικής στρώσης και πολυανθρακικής ρητίνης Μια ακτίνα λέιζερ δημιουργεί σκούρες κηλίδες στη χρωστική ουσία (αλλάζει τη χημική της σύσταση) κι έτσι προσομοιώνει τις κοιλάδες. Οι περιοχές που δεν «καίγονται» απ την ακτίνα αποτελούν τις πεδιάδες 60
Δημιουργία CD-R (2) 61
CD-R: Ανάγνωση, Μορφή, Ταχύτητα και Εφαρμογές Από μονάδες CD-ROM και CD-R H ίδια ακτίνα λέιζερ εκπέμπεται και στις κοιλάδες και στις πεδιάδες Στις πεδιάδες, η ακτίνα συναντά την ανακλαστική επιφάνεια και ανακλάται. Στις προσομοιωμένες κοιλάδες το σημείο είναι αδιαφανές, κι έτσι η ακτίνα δεν ανακλάται Η μορφή, η χωρητικότητα και η ταχύτητα είναι ίδιες με των CD-ROM Καλή λύση για δημιουργία και διανομή μικρών ποσοτήτων δίσκων. Χρήσιμη για αρχειοθέτηση 62
CD-RW (Compact Disk Rewritable) Επανεγγράψιμος σύμπηκτος δίσκος ή διαγράψιμος οπτικός δίσκος Δημιουργία: ίδιες αρχές με των CD-R, με τις εξής διαφορές: Αντι για χρωστική -> κράμα από ασήμι, ίνδιο, αντιμόνιο και τελλούριο. Αυτό έχει δύο σταθερές καταστάσεις: μια κρυσταλλική (διαφανής) και μια άμορφη (αδιαφανής) Χρησιμοποιείται λέιζερ υψηλής ισχύος για να δημιουργήσει στο κράμα προσομοιωμένες κοιλάδες (μεταβάλλοντας τα σημεία τους από κρυσταλλικά σε άμορφα) 63
Δημιουργία CD-RW 64
Διαγραφή σε CD-RW Για την αλλαγή των κοιλάδων σε πεδιάδες, η μονάδα χρησιμοποιεί μια ακτίνα λέιζερ υψηλής ισχύος που μεταβάλλει την κατάσταση ενός σημείου από άμορφη σε κρυσταλλική 65
DVD: Ψηφιακός Πολυμορφικός Δίσκος (Digital Versatile Disk) xρησιμοποιεί τεχνολογία παρόμοια με τα CD- ROM, με τις ακόλουθες διαφορές: Οι κοιλάδες είναι μικρότερες, w με διάμετρο 0,4 μικρά (εκατομμυριοστά του μέτρου) έναντι των 0,8 μικρών που χρησιμοποιούνται στα CD. Οι τροχιές βρίσκονται πιο κοντά η μία στην άλλη. Η ακτίνα είναι κόκκινο λέιζερ αντί για υπέρυθρο. Τα DVD χρησιμοποιούν μία ή δύο στρώσεις εγγραφής, και μπορούν να είναι γραμμένα είτε στη μία είτε και στις δύο πλευρές τους 66
DVD: Είδη και Χωρητικότητα Είδος μονής πλευράς, μονής στρώσης μονής πλευράς, διπλής στρώσης διπλής πλευράς, μονής στρώσης διπλής πλευράς, διπλής στρώσης Χωρητικότητα 4,7 GB 8,5 GB 9,4 GB 17 GB 67
DVD και συμπίεση Η τεχνολογία DVD χρησιμοποιεί συμπίεση MPEG Αυτό σημαίνει ότι ένα DVD μονής πλευράς/μονής στρώσης μπορεί να χωρέσει 133 λεπτά βίντεο υψηλής ανάλυσης μαζί με ήχο και υπότιτλους 68
Σύνδεση συσκευών Ε/Ε Οι συσκευές Ε/Ε δεν είναι δυνατό να συνδεθούν απευθείας στους διαύλους που συνδέουν την ΚΜΕ με τη μνήμη, επειδή η φύση των συσκευών αυτών είναι διαφορετική από τη φύση της ΚΜΕ και της μνήμης. είναι ηλεκτρομηχανικές, μαγνητικές, ή οπτικές, ενώ η ΚΜΕ και η μνήμη είναι ηλεκτρονικές συσκευές Λειτουργούν σε μικρότερη ταχύτητα απ ότι η ΚΜΕ και η μνήμη w χρειάζεται μια ενδιάμεση συσκευή για να χειριστεί αυτή τη διαφορά. Αυτή η συσκευή ονομάζεται ελεγκτής εισόδου/εξόδου ή διασύνδεση (iterface). Επομένως οι συσκευές Ε/Ε συνδέονται με τους διαύλους μέσω του ελεγκτή εισόδου/εξόδου w Κάθε συσκευή Ε/Ε έχει τον δικό της ελεγκτή 69
Σύνδεση συσκευών Ε/Ε 70
Ελεγκτές Οι ελεγκτές (ή διασυνδέσεις) εξομαλύνουν τις διαφορές μεταξύ των συσκευών Ε/Ε και της ΚΜΕ και της μνήμης. Ένας ελεγκτής μπορεί να είναι σειριακή ή παράλληλη συσκευή. Οι σειριακοί ελεγκτές διαθέτουν μόνο μία σύνδεση καλωδίου με τη συσκευή, ενώ οι παράλληλοι έχουν πολλές συνδέσεις με τη συσκευή, ώστε να μπορούν να μεταφέρουν πολλά μπιτ ταυτόχρονα. Είδη ελεγκτών: SCSI, FireWire, USB 71
Ελεγκτής SCSI (1/2) Αναπτύχθηκε το 1984 για τους Mac computers Διαθέτει παράλληλη διασύνδεση με 8, 16 ή 32 καλώδια και παρέχει μια σύνδεση σε διάταξη «μαργαρίτας» Κάθε συσκευή πρέπει να διαθέτει τη δική της διεύθυνση (ID) Και τα δύο άκρα της αλυσίδας να είναι τερματισμένα 72
Ελεγκτής SCSI (2/2) 73
Ελεγκτής FireWare (1/2) Σειριακή διασύνδεση υψηλής ταχύτητας Μεταφέρει τα δεδομένα σε πακέτα με ρυθμούς μεταφοράς μέχρι 50ΜΒ / sec Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για σύνδεση μέχρι 63 συσκευών 74
Ελεγκτής FireWare (2/2) 75
Ελεγκτής USB (1/2) Σειριακός Γιά σύνδεση συσκευών μικρότερης ταχύτητας, π.χ. ποντίκι, πληκτρολόγιο Ταχύτητες: 1,5 12-480 Μbps (bit/sec) 76
Ελεγκτής USB (2/2) 77
Διευθυνσιοδότηση Συσκευών Ε/Ε Απομονωμένη Ε/Ε 78
Διευθυνσιοδότηση Συσκευών Ε/Ε Αντιστοιχισμένη στη μνήμη Ε/Ε: η ΚΜΕ δεν διαθέτει ειδικές εντολές για τη μεταφορά δεδομένων από τις συσκευές Ε/Ε, αλλά αντιμετωπίζει κάθε καταχωρητή του ελεγκτή Ε/Ε ως λέξη στη μνήμη 79
Δύο διαφορετικές Αρχιτεκτονικές CISC (complex istructio set computer) Συμπεριλαμβάνονται σύνθετες εντολές Εύκολος προγραμματισμός Υπερβολικά σύνθετο ηλ. κύκλωμα της ΚΜΕ και της Μονάδας ελέγχου w Λύση: προγραμματισμός σε δύο επίπεδα Οι σύνθετες εντολές δεν εκτελούνται από την ΚΜΕ αυτή εκτελεί μόνο μικροεντολές Μιά σύνθετη εντολή μετατρέπεται σε ένα σύνολο μικροεντολών και μετά εκτελείται από την ΚΜΕ. Αυτό προϋποθέτει την προσθήκη μικρομνήμης όπου αποθηκεύονται το σύνολο των μικροεντολών κάθε σύνθετης εντολής. Αυτού του είδους ο προγραμματισμός με μικροεντολές ονομάζεται μικροπρογραμματισμός. Μειονέκτημα της Αρχιτεκτονικής CISC: Επιπλέον φόρτος σε σχέση με τον μικροπρογραμματισμό και την προσπέλαση της μικρομνήμης αντισταθμίζεται από τα οφέλη που προσφέρουν τα μικρότερα προγράμματα σε επίπεδο μηχανής Παράδειγμα: Η σειρά επεξεργαστώνpetium από την Itel RISC (reduced istructio set computer) Οι σύνθετες εντολές προσομοιώνονται με τη χρήση υποσυνόλου απλών εντολών Δύσκολος και χρονοβόρος προγραμματισμός 80