Μάθημα 4.1 Βασικές μονάδες προσωπικού υπολογιστή

Μάθημα 4.1 Βασικές μονάδες προσωπικού υπολογιστή - Εισαγωγή - Αρχιτεκτονική προσωπικού υπολογιστή - Βασικά τμήματα ενός προσωπικού υπολογιστή - Η κεντρική μονάδα Όταν ολοκληρώσεις το μάθημα αυτό θα μπορείς: Να αναφέρεις γιατί οι προσωπικοί υπολογιστές είναι τόσο διαδεδομένοι Να εξηγείς την αρχιτεκτονική του προσωπικού υπολογιστή Να αναφέρεις τα βασικά τμήματα ενός προσωπικού υπολογιστή Να περιγράφεις τι είναι η κεντρική μονάδα Να αναφέρεις τα τμήματα του προσωπικού υπολογιστή που βρίσκονται μέσα στην κεντρική μονάδα 4.1.1. Εισαγωγή Ο πρώτος προσωπικός υπολογιστής κατασκευάστηκε από την εταιρεία IBM στα τέλη του 1980 και ήταν βασισμένος στον επεξεργαστή 8088 της εταιρείας Intel. Η συχνότητα λειτουργίας του επεξεργαστή ήταν 4,77 MHz. Ο υπολογιστής αυτός είχε, 16 KB βασική μνήμη RAM και έναν οδηγό εύκαμπτης δισκέτα χωρητικότητας 160 ΚΒ. Η συχνότητα λειτουργίας του επεξεργαστή είναι ένα μέτρο της ταχύτητάς του: όσο μεγαλύτερη είναι τόσο γρηγορότερος είναι ο επεξεργαστής. 1

Μάθημα 4.1 Βασικές μονάδες προσωπικού υπολογιστή Σχήμα 4.1.1: Ο προσωπικός υπολογιστής Η αρχιτεκτονική αυτού του υπολογιστή σχεδιάστηκε προσεκτικά, έτσι ώστε να επιτρέπει την εύκολη επέκτασή του. Το γεγονός αυτό σε συνδυασμό με την πολύ μεγάλη επιτυχία του πρώτου προσωπικού υπολογιστή οδήγησε σε μια πληθώρα προϊόντων επέκτασης, τα οποία κατασκευάζονταν από διάφορες εταιρείες εκτός της IBM. Τέτοια προϊόντα επέκτασης ήταν κυκλώματα για την παραγωγή ήχου, συσκευές modem ή κυκλώματα για την επέκταση της μνήμης του υπολογιστή. Οι όροι ΚΜΕ (Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας), επεξεργαστής και μικροεπεξεργαστής είναι ταυτόσημοι. Στη συνέχεια θα χρησιμοποιείται ο όρος επεξεργαστής όταν αναφερόμαστε σε αυτόν ως τμήμα του προσωπικού υπολογιστή και ο όρος ΚΜΕ όταν αναφερόμαστε στην αρχιτεκτονική του προσωπικού υπολογιστή. Για την κατασκευή του προσωπικού υπολογιστή δεν χρησιμοποιήθηκαν εξειδικευμένα εξαρτήματα. Τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν ήταν εύκολο να βρεθούν στο εμπόριο. Το αποτέλεσμα ήταν ότι σε σύντομο χρονικό διάστημα άρχισαν να κατασκευάζονται από άλλες εταιρείες υπολογιστές συμβατοί με τον προσωπικό υπολογιστή της IBM. Επόμενο ήταν, λοιπόν, ο προσωπικός υπολογιστής να αποτελέσει ένα νέο πρότυπο για την κατασκευή υπολογιστών. Έκτοτε η τεχνολογία των προσωπικών υπολογιστών έχει προχωρήσει πάρα πολύ. Οι σύγχρονοι προσωπικοί υπολογιστές έχουν δυνατότητες πολλαπλάσιες αυτών του πρώτου προσωπικού 2

υπολογιστή. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι ένας σύγχρονος προσωπικός υπολογιστής μπορεί να είναι περίπου 3000 φορές γρηγορότερος από τον πρώτο που κατασκευάστηκε. Η εξέλιξη των υπολογιστών έχει δείξει ότι, πρακτικά, η ταχύτητα επεξεργασίας δεδομένων και η χωρητικότητα των αποθηκευτικών μέσων ενός προσωπικού υπολογιστή διπλασιάζεται περίπου κάθε δύο με τρία χρόνια. 4.1.2. Αρχιτεκτονική προσωπικού υπολογιστή Η βασική αρχιτεκτονική ενός προσωπικού υπολογιστή είναι αυτή που φαίνεται στο σχήμα 4.1.2. ΚΜΕ Μνήμη Διάδρομος συστήματος Οθόνη Αποθηκευτικά μέσα Πληκτρολόγιο Κάρτες επέκτασης Σχήμα 4.1.2: Βασική αρχιτεκτονική προσωπικού υπολογιστή Όπως βλέπουμε, ο προσωπικός υπολογιστής αποτελείται από την κεντρική μονάδα επεξεργασίας (ΚΜΕ), τη μνήμη και ένα πλήθος περιφερειακών μονάδων. Όλα τα παραπάνω συνδέονται στο διάδρομο του συστήματος ώστε να είναι δυνατή η επικοινωνία μεταξύ τους. Ο διάδρομος αυτός είναι κατάλληλα σχεδιασμένος ώστε να επιτρέπει την επέκταση του συστήματος με εύκολη σύνδεση πάνω σε αυτόν διαφόρων νέων περιφερειακών μονάδων. Για το σκοπό αυτό ο διάδρομος διαθέτει ειδικές υποδοχές επέκτασης (expansion slots) πάνω στις οποίες συνδέονται οι κάρτες επέκτασης του προσωπικού υπολογιστή. Οι κάρτες αυτές διαθέτουν επιπλέον κυκλώματα που επεκτείνουν τις δυνατότητας του υπολογιστή. Καθώς εξελίσσεται η τεχνολογία των επεξεργαστών, η συχνότητα λειτουργίας τους διαρκώς αυξάνει και κατά συνέπεια αυξάνεται και η συχνότητα λειτουργίας του διαδρόμου του συστήματος. Επειδή οι περιφερειακές μονάδες αδυνατούν να λειτουργήσουν σε πολύ υψηλές συχνότητες, δημιουργήθηκε η ανάγκη ύπαρξης δύο διαφορετικών διαδρόμων στον προσωπικό υπολογιστή. Ο ένας διάδρομος λειτουργεί σε υψηλή συχνότητα και είναι ο διάδρομος στον οποίο συνδέονται η ΚΜΕ και η μνήμη. Ο άλλος διάδρομος λειτουργεί σε χαμηλότερη συχνότητα και σε αυτόν συνδέονται οι υπόλοιπες περιφερειακές 3

Μάθημα 4.1 Βασικές μονάδες προσωπικού υπολογιστή μονάδες. Επιπλέον, συχνά σε ένα σύστημα προσωπικού υπολογιστή, όπως βλέπουμε στο σχήμα 4.1.3, μπορούν να υπάρχουν δύο διάδρομοι για περιφερειακές μονάδες: ένας χαμηλής συχνότητας για τα αργά περιφερειακά παλιότερης τεχνολογίας και ένας υψηλότερης συχνότητας για τα γρήγορα περιφερειακά τελευταίας τεχνολογίας. Για να είναι δυνατή η επικοινωνία μεταξύ της ΚΜΕ, της μνήμης και των περιφερειακών μονάδων που βρίσκονται συνδεδεμένες σε διαφορετικούς διαδρόμους, υπάρχουν γέφυρες που συνδέουν τους διαδρόμους των περιφερειακών μονάδων και τον διάδρομο της ΚΜΕ μεταξύ τους. Επίσης, σε κάθε διάδρομο περιφερειακών υπάρχουν υποδοχές επέκτασης για τη σύνδεση νέων, αργών ή γρήγορων, περιφερειακών μονάδων. ΚΜΕ Μνήμη Διάδρομος KME ΓΕΦΥΡΑ Διάδρομος γρήγορων περιφερειακών Οθόνη Αποθηκευτικά μέσα Κάρτες επέκτασης ΓΕΦΥΡΑ Διάδρομος αργών περιφερειακών Πληκτρολόγιο σειριακή θύρα Παράλληλη θύρα Κάρτες επέκτασης Σχήμα 4.1.3: Αρχιτεκτονική σύγχρονου προσωπικού υπολογιστή 4.1.3. Βασικά τμήματα ενός προσωπικού υπολογιστή Παρατηρώντας εξωτερικά έναν προσωπικό υπολογιστή σαν αυτόν του σχήματος 4.1.1 βλέπουμε ότι αποτελείται από τέσσερα ξεχωριστά τμήματα: το πληκτρολόγιο και το ποντίκι τα οποία χρησιμοποιούνται για την εισαγωγή δεδομένων και τον έλεγχο του προσωπικού υπολογιστή 4

την οθόνη στην οποία εμφανίζονται πληροφορίες για τον χρήστη καθώς και τα αποτελέσματα της επεξεργασίας των δεδομένων του προσωπικού υπολογιστή, την κεντρική μονάδα στην οποία βρίσκονται τα βασικότερα κυκλώματα του υπολογιστή 4.1.4. Η κεντρική μονάδα Η κεντρική μονάδα περιλαμβάνει τα πιο σημαντικά μέρη του προσωπικού υπολογιστή. Εξωτερικά είναι ένα μεταλλικό κουτί. Μέσα σε αυτό το κουτί βρίσκονται ο επεξεργαστής, η μνήμη και οι βασικές περιφερειακές μονάδες, όπως τα αποθηκευτικά μέσα (π.χ. σκληρός δίσκος, οδηγός εύκαμπτων δίσκων, μονάδα CD-ROM) και οι θύρες περιφερειακών (π.χ. σειριακή και παράλληλη θύρα, θύρα πληκτρολογίου, θύρα USB), αναλυτική παρουσίαση των οποίων θα γίνει παρακάτω. Επίσης μέσα στη κεντρική μονάδα βρίσκονται όλα τα κυκλώματα που απαιτούνται για την επικοινωνία των περιφερειακών μονάδων καθώς και για τη σύνδεση άλλων περιφερειακών μονάδων που δεν βρίσκονται μέσα στην κεντρική μονάδα. Τέτοιες μονάδες είναι η οθόνη, το πληκτρολόγιο και το ποντίκι. Στο σχήμα 4.1.4 φαίνεται μια άποψη της κεντρικής μονάδας. Σχήμα 4.1.4: Η κεντρική μονάδα του προσωπικού υπολογιστή 5

Μάθημα 4.1 Βασικές μονάδες προσωπικού υπολογιστή Όπως βλέπουμε μέσα στην κεντρική μονάδα υπάρχουν: το τροφοδοτικό η μητρική πλακέτα (motherboard) τα αποθηκευτικά μέσα Υποδοχές για τις κάρτες επέκτασης Θύρες σύνδεσης των εξωτερικών συσκευών Ενδεικτικές λυχνίες και διακόπτες Το τροφοδοτικό Η μητρική πλακέτα Τα αποθηκευτικά μέσα Το τροφοδοτικό είναι συνήθως τοποθετημένο στο πίσω μέρος της κεντρικής μονάδας και είναι αυτό που παρέχει ρεύμα σε ολόκληρο τον προσωπικό υπολογιστή. Από αυτό φεύγουν καλώδια με ειδικά βύσματα που καταλήγουν στα διάφορα μέρη του υπολογιστή για να τους δώσουν την απαραίτητη, για τη λειτουργία τους, τάση. Στο τροφοδοτικό υπάρχει ένας ανεμιστήρας, ο οποίος χρησιμεύει στην ψύξη του τροφοδοτικού και των υπολοίπων κυκλωμάτων της κεντρικής μονάδας. Σημαντικό χαρακτηριστικό του τροφοδοτικού είναι η ισχύς που μπορεί να δώσει στα κυκλώματα του υπολογιστή και μετριέται σε Watt. Όσο μεγαλύτερη είναι η ισχύς του τροφοδοτικού, τόσο περισσότερες μονάδες μπορεί να υποστηρίξει. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι στους σύγχρονους προσωπικούς υπολογιστές η ισχύς του τροφοδοτικού είναι της τάξης των 200 W. Η μητρική πλακέτα (motherboard) είναι η πλακέτα πάνω στην οποία είναι τοποθετημένα τα κυριότερα ηλεκτρονικά κυκλώματα του υπολογιστή. Πάνω σε αυτή τοποθετούνται η ΚΜΕ, η μνήμη και όλα τα κυκλώματα που απαιτούνται για την υποστήριξη των περιφερειακών συσκευών. Μια τυπική μητρική πακέτα φαίνεται στο σχήμα 4.2.1. Αναλυτική παρουσίαση των διαφόρων τμημάτων της θα γίνει στο μάθημα που ακολουθεί. Στη μπροστινή πλευρά της κεντρικής μονάδας υπάρχουν ειδικές θέσεις στις οποίες τοποθετούνται οδηγοί αποθηκευτικών μέσων, όπως σκληροί δίσκοι, οδηγοί CD-ROM και οδηγοί εύκαμπτων δίσκων. Υπάρχουν δύο μεγέθη οδηγών αποθηκευτικών μέσων: αυτοί των 3,5" και αυτοί των 5,25" (1 ίντσα = 1" = 2,54 cm). Τα αποθηκευτικά μέσα συνδέονται με τη βοήθεια ειδικών καλωδίων με τη μητρική πλακέτα και το τροφοδοτικό. Τα μεγέθη αυτά δεν αναφέρονται στις εξωτερικές διαστάσεις των οδηγών ούτε απαραίτητα στις διαστάσεις των αποθηκευτικών μέσων (CD-ROM ή σκληροί δίσκοι). Ονομάζονται έτσι, γιατί οι εξωτερικές τους διαστάσεις είναι όμοιες με αυτές των πρώτων οδηγών αποθηκευτικών μέσων που εμφανίστηκαν στους προσωπικούς υπολογιστές: του οδηγού εύκαμπτων δίσκων 5,25" (5,25" είναι το πλάτος του εύκαμπτου δίσκου) και του οδηγού εύκαμπτων δίσκων 3,5". 6

Το πλήθος και το μέγεθος των θέσεων για τα αποθηκευτικά μέσα ποικίλει ανάλογα με το είδος και το μέγεθος του κουτιού της κεντρικής μονάδας. Υπάρχουν δύο είδη κουτιών: τα επιτραπέζια (desktop) τα οποία είναι παραλληλεπίπεδα κουτιά που τοποθετούνται οριζόντια πάνω στο γραφείο και πάνω σε αυτά τοποθετείται η οθόνη και οι πύργοι (tower) οι οποίοι είναι παραλληλεπίπεδα κουτιά που τοποθετούνται όρθια πάνω στο γραφείο (δίπλα στην οθόνη) ή στο πάτωμα (δίπλα από τα πόδια του χρήστη. Υπάρχουν τρία μεγέθη πύργων: οι μικροί (minitower), οι μεσαίοι (midi-tower) και οι μεγάλοι (full-tower). Όσο μεγαλύτερο είναι το κουτί της κεντρικής μονάδας, τόσο περισσότερες θέσεις για αποθηκευτικά μέσα διαθέτει. Σχήμα 4.1.5: Διάφορα είδη κουτιών κεντρικής μονάδας Υποδοχές για κάρτες επέκτασης Υποδοχές εξωτερικών μονάδων Στο πίσω μέρος της κεντρικής μονάδας υπάρχουν ειδικά ανοίγματα που επιτρέπουν την πρόσβαση στις υποδοχές εισόδου και εξόδου των καρτών επέκτασης. Οι κάρτες αυτές συνδέονται σε ειδικές υποδοχές που λέγονται υποδοχές επέκτασης της μητρικής πλακέτας. Οι κάρτες επέκτασης μας δίνουν τη δυνατότητα να συνδέσουμε στο υπολογιστικό σύστημα νέες περιφερειακές μονάδες όπως κυκλώματα ήχου ή modem. Στο πίσω μέρος της κεντρικής μονάδας και από την εξωτερική μεριά υπάρχουν ακόμα διάφορες υποδοχές για τη σύνδεση εξωτερικών μονάδων. Στο σχήμα 4.1.6 βλέπουμε τις υποδοχές σύνδεσης του πληκτρολογίου, του ποντικιού, της οθόνης και του καλωδίου τροφοδοσίας για τη σύνδεση του υπολογιστή με το ηλεκτρικό δίκτυο. Επίσης βλέπουμε τις σειριακές και την παράλληλη θύρα, η χρησιμότητα των οποίων θα περιγραφεί παρακάτω. 7

Μάθημα 4.1 Βασικές μονάδες προσωπικού υπολογιστή Σχήμα 4.1.6: Πίσω όψη της κεντρικής μονάδας του προσωπικού υπολογιστή Ενδεικτικές λυχνίες και διακόπτες Τέλος, στην πρόσοψη του υπολογιστή υπάρχει μια σειρά ενδεικτικών λυχνιών και διακοπτών. Έτσι, μπορούμε να διακρίνουμε την ενδεικτική λυχνία λειτουργίας του υπολογιστή, την ενδεικτική λυχνία λειτουργίας του σκληρού δίσκου, τον διακόπτη του RESET μέσω του οποίου μπορούμε να επανεκκινήσουμε τον υπολογιστή και τον διακόπτη ON/OFF μέσω του οποίου θέτουμε σε λειτουργία τον προσωπικό υπολογιστή. Τι έμαθες Ο προσωπικός υπολογιστής αποτελεί ένα πρότυπο για την κατασκευή υπολογιστών Η αρχιτεκτονική του προσωπικού υπολογιστή είναι σχεδιασμένη ώστε να επιτρέπει την εύκολη επέκταση του συστήματος 8

Ο προσωπικός υπολογιστής αποτελείται από τέσσερα βασικά τμήματα: το πληκτρολόγιο, το ποντίκι, την οθόνη και την κεντρική μονάδα. Η κεντρική μονάδα περιλαμβάνει τα πιο σημαντικά μέρη του προσωπικού υπολογιστή όπως τον επεξεργαστή, τη μνήμη και τα αποθηκευτικά μέσα. Ορολογία Προσωπικός υπολογιστής Διάδρομος συστήματος, περιφερειακές μονάδες, διάδρομος περιφερειακών μονάδων, γέφυρα διαδρόμων Κεντρική μονάδα τροφοδοτικό, μητρική πλακέτα, κάρτες επέκτασης Έλεγχος γνώσεων 1. Πού οφείλεται η μεγάλη επιτυχία του προσωπικού υπολογιστή; 2. Η κεντρική μονάδα του προσωπικού υπολογιστή είναι το ίδιο πράγμα με την ΚΜΕ (κεντρική μονάδα επεξεργασίας); 3. Με πιο τρόπο η αρχιτεκτονική του προσωπικού υπολογιστή επιτρέπει την εύκολη επέκτασή του; 4. Γιατί υπάρχει ξεχωριστός διάδρομος για τις περιφερειακές μονάδες; 5. Ποια είναι τα βασικά τμήματα ενός προσωπικού υπολογιστή; 6. Ποιες μονάδες του προσωπικού υπολογιστή βρίσκονται μέσα στην κεντρική μονάδα; 9