ΤΕΙ ΙΟΝΙΩΝ ΝΗΣΩΝ ΣΧΟΛΗ ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ ΚΑΙ ΟΙΚΟΝΟΜΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ ΕΠΙΧΕΙΡΗΣΕΩΝ - ΕΙΣ. ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗ ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ ΤΟΥΡΙΣΤΙΚΩΝ ΕΠΙΧΕΙΡΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΕΠΙΧΕΙΡΗΣΕΩΝ ΦΙΛΟΞΕΝΙΑΣ Περιεχόμενο μαθήματος Πληροφορική I "Εισαγωγικές έννοιες" B. Φερεντίνος Εισαγωγικές έννοιες Αρχιτεκτονική Η/Υ Υλικό (hardware) Λειτουργικά συστήματα Λογισμικό (software) Δίκτυα υπολογιστών Internet Αριθμητική υπολογιστών Λογικές Πράξεις Ψηφιακή πληροφορία Αλγόριθμοι Προγραμματισμός Πληροφοριακά Συστήματα Βάσεις Δεδομένων ver. 171014 Πληροφορική (Informatics) ή Επιστήμη Υπολογιστών (Computer Science): Ηλεκτρονικός Υπολογιστής (Η/Υ) Η επιστήμη που ερευνά την ανάλυση, προδιαγραφές, σχεδίαση, ανάπτυξη και υλοποίηση, αυτοματοποιημένων υπολογιστικών συστημάτων που σκοπό έχουν τη συλλογή, κωδικοποίηση, διαχείριση, επεξεργασία, ανάλυση, αποθήκευση, ανάκτηση και μετάδοση συμβολικών αναπαραστάσεων γνώσης και πληροφορίας. Επίσης, ερευνά τις θεωρητικές βάσεις και τη φύση της πληροφορίας, των αλγορίθμων και των υπολογισμών και την εφαρμογή τους στα αυτοματοποιημένα υπολογιστικά συστήματα. Πληροφορική μαθηματικές ιδιότητες υπολογισμού (δεκαετία 1940) κατασκευή ηλεκτρονικών υπολογιστικών μηχανών Επιστήμη Υπολογιστών Πρόγονος σημερινών υπολογιστών: άβακας (5000 π.χ.) Κόσκινο του Ερατοσθένη (αλγόριθμος για εύρεση πρώτων αριθμών) (130 π.χ.) Αυτοματοποιημένη Αναλογική, Ψηφιακή ή Κβαντική Επαναπρογραμματιζόμενη Επεξεργασία δεδομένων βάσει συνόλου προκαθορισμένων οδηγιών / εντολών (πρόγραμμα) 17ος 19ος αιώνας Υπολογιστές στην αρχαιότητα Ηλεκτρονική συσκευή για τον υπολογισμό, επεξεργασία και αποθήκευση δεδομένων. Μηχανή του Pascal (1645): πρώτη αληθινή αριθμομηχανή με τροχαλίες Αναλυτική μηχανή του Babbage (1822): θεωρητική μηχανή με ατμό - προγραμματισμός με διάτρητες κάρτες Πρώτα υπολογιστικά εργαλεία με μηχανικά μέρη Αστρολάβος (2ος αιώνας π.χ.) Μηχανισμός των Αντικυθήρων (~100 π.χ.) Άλγεβρα Boole (δεκ. 1840): πρώτη χρήση δυαδικού συστήματος
Βασικό στοιχείο λειτουργίας Υλοποίηση της άλγεβρας Boole με τη λογική των διακοπτών (ηλεκτρομηχανικό σύστημα) ή ελεγχόμενα μεταβλητή ροή ηλεκτρονίων (ηλεκτρονικό σύστημα) μέσα σε ένα κύκλωμα. Ηλεκτρονική λυχνία κενού Τρανζίστορ Η επανάσταση του Ολοκληρωμένου Κυκλώματος (Integrated Circuit) - Chip Δυνατότητα "εκτύπωσης" κυκλωμάτων και τρανζίστορς στην κλίμακα του μικρόμετρου (μm 10-6m) ή και του νανόμετρου (nm 10-9m). Χρήση πυριτίου ως βάση. SSI, MSI, LSI VLSI: Very Large Scale Integration MARK I(1944): ηλεκτρομηχανικός υπολογιστής. ENIAC (1946) ηλεκτρονικός υπολογιστής με χρήση λυχνιών κενού. Ο νόμος του Moore 2x αριθμός τρανζίστορ σε ένα chip κάθε 1.5 χρόνο Γενιές Ηλεκτρονικών Υπολογιστών (συν.) 1η γενιά Η/Υ: 1946 1956 [50Κ-200Κ IPS] Δεκάδες δισεκατομμύρια τρανζίστορς σε ένα chip Γενιές Ηλεκτρονικών Υπολογιστών 20ος αιώνας Ηλεκτρονικές λυχνίες / ENIAC (UPenn) 2η γενιά Η/Υ: 1956 1963 [200Κ-1M IPS] 4η γενιά Η/Υ: 1972 σήμερα [πολλά εκατ. IPS] Μικροεπεξεργαστής Μικροϋπολογιστές Προσωπικοί υπολογιστές Φορητοί υπολογιστές Netbooks Tablets Smartphones Δίκτυα υπολογιστών - Internet Τρανζίστορς ('48) / TX-0 (MIT) ( απαιτούμενη ισχύς, μέγεθος, κόστος) 3η γενιά Η/Υ: 1964 1971 [1M IPS] Ολοκληρωμένο κύκλωμα (chip) ('58, Texas Instr.) ( μέγεθος, απαιτούμενη ισχύς, θερμότητα)
Ο Η/Υ στο σύνολό του Είσοδος Υλικό (hardware) Λογισμικό (software) Δεδομένα (data) Χρήστης Δίκτυο Δεδομένα (data) Η βασική μονάδα δεδομένων στην άλγεβρα Boole: bit: η στοιχειώδης μονάδα πληροφορίας στην Επιστήμη Υπολογιστών και στις Τηλεπικοινωνίες. Ένα bit μπορεί να υπάρχει σε μία από δύο διακριτές καταστάσεις: οι δύο θέσεις ενός διακόπτη, δηλαδή οι δύο τάσεις ηλεκτρικού ρεύματος που επιτρέπονται σε ένα κύκλωμα (μηδέν ή πλήρης τάση). Ένα bit είναι η ποσότητα της πληροφορίας που μπορεί να αποθηκευτεί από μία δυαδική συσκευή. Επεξεργασία Έξοδος Αποθήκευση Εύρος τιμών δυαδικών αριθμών Στην επιστήμη των υπολογιστών, ένα bit μπορεί να έχει μόνο δύο πιθανές τιμές (δυαδικός αριθμός) που αναπαριστούνται με τους αριθμούς 0 και 1. Για δημιουργία μεγαλύτερων αριθμών χρησιμοποιούνται περισσότερα δυαδικά ψηφία. Μονάδες Μέτρησης δεδομένωνκλίμακες 1-bit : 2 τιμές (0 και 1) 2-bit : 4 τιμές (00, 01, 10, 11) Αντιστοιχούν στα δεκαδικά 0, 1, 2, 3 3-bit : 8 τιμές (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111) 4-bit : 16 τιμές... n-bits : 2n τιμές (αριθμός πιθανών συνδυασμών) Αντιστοιχούν στα δεκαδικά 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 Εύρως τιμών ή δυναμική περιοχή (δεκαδικά 0 έως 2n-1). Τα βασικά μέρη ενός Η/Υ (hardware) Κεντρική μονάδα επεξεργασίας (ΚΜΕ CPU) Μνήμη Μονάδες εισόδου Μονάδες εξόδου Αποθηκευτικά μέσα Δίκτυο 1 byte = 8 bits (1 bit = 1 Binary digit) 1 Kilobyte (ΚΒ) = 1024 bytes (ή 2^10 η πιο κοντινή δύναμη του 2 στο 1.000) 1 Μegabyte (ΜΒ) =1.048.576 bytes ή 1024 KB (1024*1024 bytes) 1 Gigabyte(GB) = 1.073.741.824 bytes ή 1.048.576 kilobytes ή 1024 (ΜΒ) Terabyte (TB), Petabyte (PB), Exabyte (EB), Zettabyte (ZB), Yottabyte (YB) Σύνθεση ενός Υπολογιστή To κουτί (case) ή Κεντρική Μονάδα Περιφερειακές Συσκευές
ΚΜΕ (CPU) Περιεχόμενα κουτιού Τροφοδοτικό (Επεξεργαστής) Κουτί (case) Μητρική Πλακέτα Μονάδα ελέγχου (Control unit) Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας ΚΜΕ/CPU (Επεξεργαστής) Αριθμητική και λογική μονάδα (ALU) Μονάδα Οπτικού Δίσκου (DVD) Σκληρός Δίσκος Μνήμη (RAM) (συν.) Ουσιαστική επεξεργασία πληροφοριών Εκτελεί αριθμητικές και λογικές πράξεις Καταχωρητές (Registers) Κάρτα γραφικών ΚΜΕ (CPU) Έλεγχος ροής πληροφοριών/δεδομένων Έλεγχος επεξεργασίας πληροφοριών Μικρές μονάδες μνήμης Προσωρινή αποθήκευση των προς επεξεργασία δεδομένων Μνήμη (RAM) Μπορεί να εκτελέσει ένα σύνολο από οδηγίες (εντολές): Αριθμητικές / Λογικές πράξεις Διαχείριση μνήμης: διαβάζει και αποθηκεύει δεδομένα Λήψη αποφάσεων βασισμένη σε συγκρίσεις Έλεγχος του hardware Απόδοση / ταχύτητα ΚΜΕ: IPS Instructions per second (εντολές ανά δευτ/λεπτο) Αποθηκεύει τα προγράμματα που τρέχουν και τα δεδομένα τους Οργανώνεται λογικά σαν ένα σύνολο αριθμημένων "κουτιών" ή "κελιών". Κάθε κελί αποθηκεύει 1 byte = 8 bits πληροφορίας Μονάδα μέτρησης χωρητικότητας: byte (Gbytes) Τυχαίας προσπέλασης (Random Acess Memory): η ΚΜΕ μπορεί να προσπελάσει όλες τις θέσεις με την ίδια ταχύτητα Προσοχή: Η μνήμη του Η/Υ δεν πρέπει να συγχέεται με τα αποθηκευτικά μέσα (π.χ. σκληρό δίσκο). Δομή Μνήμης, Τεχνολογία Υπολογιστή Εύρος δεδομένων μνήμης / Τεχνολογία Υπολογιστή D a ta o r P ro g ra m ad d ress 00000000 00000004 00000008 0000000C 00000010 To 32-bit (εδώ) δεδομένο αναφέρεται και ως λέξη (word). / Μπορεί να κάνει πράξεις με δεδομένα των 32-bit (π.χ. 232+ 232) Μέγεθος / Εύρος διευθύνσεων κελιών μνήμης Εξαρτάται μόνο από το πλήθος των κελιών (μέγεθος μνήμης) Ροή Δεδομένων FFFFFFFF 3 2 -b its Τα διάφορα μέρη είναι συνδεδεμένα μεταξύ τους μέσω μίας συλλογής καλωδίων που ονομάζονται δίαυλος (bus) Οι δίαυλοι απαρτίζονται από διάφορες ηλεκτρικές γραμμές (μέταλλο), μία για κάθε bit δεδομένων. Υπάρχουν τρεις τύποι διαύλων: διευθύνσεων, δεδομένων (ή/και εντολών) και ελέγχου.
Μονάδες Εισόδου/Εξόδου (I/O) Συσκευές Εισόδου (Input) Πληκτρολόγιο Ποντίκι Μικρόφωνο Κάμερα Scanner... Συσκευές Εξόδου (Output) Οθόνη Εκτυπωτής Ηχεία... Διαφορές αποθ/κών μέσων και RAM Στη χωρητικότητα (αποθ/κά μέσα > RAM) Στην ταχύτητα (αποθ/κά μέσα < RAM) Στην τιμή (αποθ/κά μέσα < RAM) Στο είδος δεδομένων (για αποθήκευση vs. για επεξεργασία) Σκληροί δίσκοι (hard disks) Οπτικοί δίσκοι (CD, DVD, Blu Ray) Κάρτες μνήμης (flash cards) Δισκέτες Κάρτα γραφικών (Video card) Κάρτα ήχου Κάρτα δικτύου (Network interface card) Ενσύρματου δικτύου (Ethernet) Ασύρματου δικτύου (WiFi) Βασικά χαρακτηριστικά: Χωρητικότητα, δυνατότητα εγγραφής, ταχύτητες ανάγνωσης/εγγραφής, κόστος ανά μονάδα χωρητικότητας Το μέλλον: αποθήκευση online Μητρική πλακέτα (Motherboard) Θ ύ ρ α P C I E x p re ss γ ια σ ύ ν δ ε σ η κάρ τας γ ρ α φ ικ ώ ν Θ ύ ρ ε ς P C I γ ια κ ά ρ τ ε ς ε π έ κ τ α σ η ς (ή χ ο υ, δ ικ τ ύ ο υ κτλ) Στο είδος αποθήκευσης ("μόνιμη" αποθήκευση (χωρίς παροχή ρεύματος) vs. προσωρινή αποθήκευση (όσο διαρκεί η τροφοδοσία του υπολογιστή) Άλλα βασικά μέρη ενός Η/Υ Αποθηκευτικά μέσα Θ έσ η επεξεργασ τή (C P U ) Θ έ σ ε ις μ ν ή μ η ς ( R A M ) Τ ρ ο φ ο δ ο σ ία α π ό τ ο τ ρ ο φ ο δ ο τ ικ ό Θ ύ ρ ε ς IS A ( Δ ία υ λ ο ι υ π ο λ ο γ ισ τ ώ ν ) Μ π α τ α ρ ία CMOS Κατηγορίες Η/Υ Υπερυπολογιστές (Supercomputers) Μεγάλοι υπολογιστές (Mainframes) Μεσαίοι υπολογιστές (Minicomputers) Προσωπικοί υπολογιστές (Microcomputers PC) Desktops Laptops Netbooks Tablets
Supercomputers Mainframes No 1: Tianhe-2 - Κίνα (33,863 PetaFLOPS, 34.200 CPUs) Αναπτύχθηκαν τη δεκαετία του 60 Νο 2: Titan ΗΠΑ (17.590 PetaFLOPS, ~25.000 CPUs) Κυρίως από την IBM Ερευνητικά Κέντρα & Πανεπιστήμια Υπολογιστικές εφαρμογές: Περιβαλλοντική μηχανική / μετεωρολογία Βιολογία Κρυπτογραφία Αστροφυσική γενικά προσομοιώσεις κτλ. Λειτουργικά: Unix Linux Minicomputers Ταχύτητες στην κλίμακα MIPS Timesharing πολλοί χρήστες συνήθως με διαφορετικά τερματικά Εφαρμογές: ανάλυση μεγάλου πλήθους δεδομένων επιστημονικά πειράματα Microcomputers (PC) Δημιουργήθηκαν τη δεκαετία του '60 Αντικαταστάθηκαν από τους προσωπικούς υπολογιστές κατά τις δεκαετίες '80-90 Για αυτούς αναπτύχθηκε το λειτουργικό UNIX Κύρια εφαρμογή τους: προγραμματισμός Κύριοι παραγωγοί: DEC, HP Η εξέλιξη των Η/Υ Μεγάλες εταιρείες Τράπεζες Πανεπιστήμια Πλήθος transistors ανά επεξεργαστή Επεξεργαστής Έτος 4004 1971 Transistors 2,300 8008 1972 3,500 8080 1974 4,500 8088 1978 29,000 80286 1982 134,000 80386 1985 275,000 80486 1989 1,180,000 Pentium 1993 3,100,000 Pentium II 1997 7,500,000 Pentium III 1999 24,000,000 Pentium 4 2000 42,000,000 Itanium 2 2003 220,000,000 Core 2 Duo 2006 291,000,000 Core i7 2008 731,000,000 Quad-Core Itanium 2010 2,000,000,000 Δημιουργήθηκαν τη δεκαετία του '70 Στηρίχθηκαν στη δημιουργία του μικροεπεξεργαστή (microprocessor) [4η γενιά Η/Υ] Εξελίχθηκαν στους προσωπικούς υπολογιστές
Νανοτεχνολογία στην Πληροφορική Το μέλλον της εξέλιξης Ο νόμος του Moore δεν μπορεί να συνεχίσει να ισχύει για πολύ ακόμα: Φυσικά όρια δυνατοτήτων κατασκευής Λειτουργικότητα Παραγωγικότητα Κόστος Στόχος σχεδιαστή υπολογιστικών συστημάτων: βελτιστοποίηση όλων των επιπέδων ενός συστήματος υπολογιστών μεγιστοποίηση απόδοσης και ευκολίας προγραμματισμού (με συγκεκριμένο κόστος και τεχνολογία) Πυρίτιο των transistors νανοσωλήνες άνθρακα Μαγνητική μνήμη (MRAM) Ανάπτυξη κβαντικών και μοριακών υπολογιστών Νέα τεχνολογία: Νανοτεχνολογία Παράλληλη αρχιτεκτονική Ώθηση στην παράλληλη αρχιτεκτονική παράλληλη επεξεργασία Παράλληλη αρχ/νική: κύρια σημεία Κατανομή (υπολογιστικών) πόρων Πρόσβαση στα δεδομένα / επικοινωνία / συγχρονισμός Παράλληλη αρχ/νική: σύνολο μονάδων επεξεργασίας που επικοινωνούν μεταξύ τους και συνεργάζονται για τη γρήγορη επίλυση ενός μεγάλου προβλήματος Σημερινοί μικροεπεξεργαστές: πολυεπεξεργασία σε τρία επίπεδα: Επίπεδο bit Επίπεδο εντολών (instruction level) Επίπεδο νήματος (thread level) Πλέον οι μικροεπεξεργαστές είναι πολυ-επεξεργαστές: πολλοί πυρήνες ΚΜΕ σε ένα chip. Dual-core (AMD Phenom II X2, Intel Core 2 Duo) Quad-core (AMD Phenom II X4, Intel Core 2 Quad) Hexa-core (AMD Phenom II X6, Intel Core i7 Extreme) Τρόπος επικοινωνίας των επί μέρους στοιχείων Τρόπος μετάδοσης δεδομένων Απαραίτητες δομές και πρωτόκολλα επικοινωνίας Απόδοση και επεκτασιμότητα Πολυεπεξεργασία Πλήθος υπολογιστών (επεξεργαστών) Ισχύς των επιμέρους στοιχείων Μνήμη των επιμέρους στοιχείων Τρόπος μετατροπής όλων των παραπάνω σε όρους απόδοσης Επεκτασιμότητα της όλης αρχιτεκτονικής