Ηλεκτρονικοί Υπολογιστές και Επεξεργασία Πληροφοριών

Ενότητα 6 Ηλεκτρονικοί Υπολογιστές και Επεξεργασία Πληροφοριών Πληροφοριακά Συστήματα Διοίκησης Ι Διδάσκων: Νίκος Καρακαπιλίδης 6-1 Στόχοι και αντικείμενο ενότητας Βασικές λειτουργίες ενός υπολογιστικού συστήματος Αναπαράσταση και επεξεργασία πληροφοριών σε ένα υπολογιστικό σύστημα Συστήματα αρίθμησης και χρησιμότητά τους Ομαδοποίηση δυαδικών ψηφίων Κωδικοποίηση δεδομένων Δομή των Ηλεκτρονικών Υπολογιστών Κύρια Μνήμη Κεντρική μονάδα επεξεργασίας Περιφερειακές μονάδες μνήμης Μονάδες εισόδου / εξόδου Επεξεργασία δεδομένων Πληροφοριακά Συστήματα Διοίκησης Ι Διδάσκων: Νίκος Καρακαπιλίδης 6-2

Ι. Βασικές Λειτουργίες Υπολογιστικού Συστήματος Έξοδος Αποθήκευση Επεξεργασία Είσοδος Πληροφοριακά Συστήματα Διοίκησης Ι Διδάσκων: Νίκος Καρακαπιλίδης 6-3 ΙΙ. Αναπαράσταση και Επεξεργασία Πληροφοριών Συστήματα Αρίθμησης Δυαδικό σύστημα 0, 1 Οκταδικό σύστημα 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 Δεκαδικό σύστημα 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 27 7 * 10 0 = 7 2 * 10 1 = 20 Δεκαεξαδικό σύστημα 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F Πληροφοριακά Συστήματα Διοίκησης Ι Διδάσκων: Νίκος Καρακαπιλίδης 6-4

Απότοδυαδικόστο δεκαδικό Άθροισμα γινομένων (από το τέλος προς την αρχή του δυαδικού αριθμού) Παράδειγμα: 100010 0 * 2 0 = 0 1 * 2 1 = 2 0 * 2 2 = 0 0 * 2 3 = 0 0 * 2 4 = 0 1 * 2 5 =32 34 Μετατροπή αριθμών 34 (10) = 100010 (2) Απότοδεκαδικόστο δυαδικό Διαιρούμε συνεχώς το δεκαδικό νούμερο με το δύο μέχρι το πηλίκο να γίνει 0 ο αριθμός σχηματίζεται γράφοντας τα υπόλοιπα από το τέλος προς την αρχή) Παράδειγμα: 34 34 2 = 17 υπ. 0 17 2 = 8 υπ. 1 8 2 = 4 υπ. 0 4 2 = 2 υπ. 0 2 2 = 1 υπ. 0 1 2 = 0 υπ. 1 Πληροφοριακά Συστήματα Διοίκησης Ι Διδάσκων: Νίκος Καρακαπιλίδης 6-5 Μετατροπή αριθμών - Ασκήσεις Να μετατραπεί ο αριθμός 63 (10) στο δυαδικό σύστημα Λύση: 111111 Να μετατραπεί ο αριθμός 316 (10) στο οκταδικό σύστημα Λύση: 474 (8) Ποιος δεκαδικός αριθμός είναι ο 101011 (2) ; Λύση: 43 (10) Πληροφοριακά Συστήματα Διοίκησης Ι Διδάσκων: Νίκος Καρακαπιλίδης 6-6

Χρησιμότητα συστημάτων αρίθμησης Τα ηλεκτρονικά κυκλώματα που χρησιμοποιούνται στους Η/Υ αναγνωρίζουν δύο καταστάσεις Ανοιχτό / κλειστό Αληθές / ψευδές Παροχή ρεύματος / Διακοπή ρεύματος Ηλεκτρικά κυκλώματα που βασίζονται σε διακόπτες δύο καταστάσεων λέγονται ψηφιακά Η κατάλληλη διασύνδεση ψηφιακών κυκλωμάτων επιτρέπει την αποθήκευση και επεξεργασία δεδομένων σε ψηφιακή μορφή Πληροφοριακά Συστήματα Διοίκησης Ι Διδάσκων: Νίκος Καρακαπιλίδης 6-7 Χρησιμότητα συστημάτων αρίθμησης (συν.) Κωδικοποίηση σε ψηφιακή μορφή Δεδομένα χρήστη Δεδομένα υπολογιστή 00011101010100011110111011 01010111101100001100000001 01011111000001101010011010 00011101010100011110111011 01010111101100001100000001 01011111000001101010011010 00011101010100011110111011 01010111101100001100000001 Πληροφοριακά Συστήματα Διοίκησης Ι Διδάσκων: Νίκος Καρακαπιλίδης 6-8

Ομαδοποίηση δυαδικών ψηφίων bit (BInary digit): η μικρότερη ποσότητα πληροφορίας byte: Μια ακολουθία 8 δυαδικών ψηφίων 1 byte= 8 bits Άλλες μονάδες 1 Kilobyte (KB) = 1.024 Bytes 1 Megabyte (MB) = 2 10 KB = 1.048.576 Bytes 1 Gigabyte (GB) = 2 10 MB = 2 30 Bytes 1 Terabyte (TB)= 2 10 GB Οι Η/Υ επεξεργάζονται δεδομένα ανά λέξεις (words) Εκφράζονται σαν εντολές μηχανής ή μπορεί να παριστάνουν ένα ακέραιο ή πραγματικό αριθμό Κάθε λέξη αντιστοιχεί σε ένα συγκεκριμένο αριθμό από bytes Κάθε Η/Υ αντιστοιχεί σε ένα χαρακτηριστικό μήκος λέξης (π.χ., λέξη των 32 ή 64 bits) Πληροφοριακά Συστήματα Διοίκησης Ι Διδάσκων: Νίκος Καρακαπιλίδης 6-9 Κωδικοποίηση δεδομένων ASCII (American Standard Code for Information Interchange) Σύμβαση για κοινή γλώσσα Κάθε αλφαριθμητικός χαρακτήρας έχει ως αναπαράσταση συγκεκριμένη ακολουθία δυαδικών ψηφίων Πληροφοριακά Συστήματα Διοίκησης Ι Διδάσκων: Νίκος Καρακαπιλίδης 6-10

ΙΙΙ. Δομή των Ηλεκτρονικών Υπολογιστών Αρχιτεκτονική Η/Υ Μοντέλο Von Neumann Πληροφοριακά Συστήματα Διοίκησης Ι Διδάσκων: Νίκος Καρακαπιλίδης 6-11 Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (ΚΜΕ) Η ΚΜΕ (Central Processing Unit - CPU) αποτελεί το κέντρο επεξεργασίας εντολών και δεδομένων Είναι το πιο σημαντικό συστατικό του Η/Υ KME (CPU) Μητρική πλακέτα (motherboard) Πληροφοριακά Συστήματα Διοίκησης Ι Διδάσκων: Νίκος Καρακαπιλίδης 6-12

Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (συν.) Δέχεται: Εντολές σχετικές με την επεξεργασία δεδομένων Δεδομένα προς επεξεργασία, ακολουθώντας τις διαθέσιμες εντολές Αποτελείται από: Την αριθμητική και την λογική μονάδα (Arithmetic and Logical Unit - ALU) Πραγματοποιεί αριθμητικές (+, -, *, / ) και λογικές (AND, OR, NOT, ) πράξεις Τη μονάδα ελέγχου (Control Unit) Συντονίζει την ακολουθία των διεργασιών που απαιτούνται για την εκτέλεση της κάθε εντολής Ερμηνεύει τις εντολές που πρόκειται να εκτελεστούν Διαβιβάζει τα αποτελέσματα της εκτέλεσης των εντολών Συγχρονισμός των διεργασιών της ΚΜΕ μέσω ρολογιού Τους καταχωρητές (Buffers): Θέσεις μνήμης με μικρή χωρητικότητα αλλά εξαιρετικά γρήγορες που χρησιμοποιούνται για την προσωρινή αποθήκευση δεδομένων που επεξεργάζεται η ΚΜΕ Πληροφοριακά Συστήματα Διοίκησης Ι Διδάσκων: Νίκος Καρακαπιλίδης 6-13 Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (συν.) Πρωτεύουσα Γρήγορη Μνήμη (Primary Cache Memory) Είναι μια μνήμη μεγάλης ταχύτητας προσπέλασης και χρησιμοποιείται για την αποθήκευση συχνά χρησιμοποιουμένων εντολών ώστε η ΚΜΕ να μπορεί να έχει μια γρήγορη πρόσβαση, αποφεύγοντας τον σχετικά μικρής ταχύτητας δίαυλο μεταφοράς δεδομένων Είναι ένα είδος φυσικής μνήμης, η οποία προστίθεται σε αυτή της RAM Βρίσκεται πάνω στην μητρική πλακέτα, αλλά μπορεί να είναι και μέρος της ίδιας της ΚΜΕ. Ρολόι συγχρονισμού Συγχρονίζει την εκτέλεση εντολών (προγράμματα, λειτουργικό σύστημα, ) Πληροφοριακά Συστήματα Διοίκησης Ι Διδάσκων: Νίκος Καρακαπιλίδης 6-14

Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (συν.) Η επικοινωνία ανάμεσα στις λειτουργικές μονάδες του Η/Υ γίνεται μέσω διαύλων επικοινωνίας (buses), τα οποία επιτρέπουν τη ροή δεδομένων από τη μια μονάδα στην άλλη Κ.Μ.Ε. Πρωτεύουσα Μνήμη Δίαυλος δεδομένων (data bus) Δίαυλος διευθύνσεων (address bus) Δίαυλος ελέγχου (control bus) Συσκευές Εισόδου Συσκευές Εξόδου Δευτερεύουσα Μνήμη Πληροφοριακά Συστήματα Διοίκησης Ι Διδάσκων: Νίκος Καρακαπιλίδης 6-15 Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (συν.) Χαρακτηριστικά μεγέθη NAME MICROPROCESSOR WORD DATA BUS CLOCK SPEED MANUFACTURER LENGTH WIDTH (MHz) 80486 INTEL 32 32 20-100 68040 MOTOROLA 32 32 25-40 PENTIUM INTEL 32 64 75-200 PENTIUM PRO INTEL 32 64 150-200 PENTIUM (MMX) INTEL 32 64 166-233 PENTIUM II INTEL 32 64 233-450 PowerPC MOTOROLA, IBM, APPLE 32 64 100-400 ALPHA DEC 64 64 600+ PENTIUM III INTEL 64 64 500+ Πληροφοριακά Συστήματα Διοίκησης Ι Διδάσκων: Νίκος Καρακαπιλίδης 6-16

Ακολουθιακή και παράλληλη επεξεργασία πρόγραμμα CPU TASK 1 πρόγραμμα αποτέλεσμα πρόγραμμα CPU TASK 1 CPU TASK 2 CPU TASK 3 CPU TASK 2 αποτέλεσμα αποτέλεσμα Πληροφοριακά Συστήματα Διοίκησης Ι Διδάσκων: Νίκος Καρακαπιλίδης 6-17 Κύρια μνήμη Μέρος του υλικού (hardware) για την αποθήκευση δεδομένων και εντολών (είναι απ ευθείας συνδεδεμένη με τον επεξεργαστή) Όποια πληροφορία δημιουργείται σε κάποια χρονική στιγμή και πρόκειται να χρησιμοποιηθεί αργότερα, αποθηκεύεται, συνήθως προσωρινά, στη μνήμη για να μπορεί να ανακληθεί εύκολα Στη μνήμη αποθηκεύονται επίσης πληροφορίες χρήσιμες για τη διαμόρφωση (configuration) του συστήματος Ο χρόνος προσπέλασης είναι πολύ πιο γρήγορος από αυτόν ενός δίσκου, αλλά η αποθηκευτική της δυνατότητα είναι περιορισμένη Επειδή η κύρια μνήμη είναι γρηγορότερη, οι εντολές φορτώνονται πρώτα εδώ πριν την εκτέλεσή τους, έτσι ώστε τα προγράμματα να μπορούν να τρέχουν με πιο αποτελεσματικό τρόπο Η κύρια μνήμη: αποθηκεύει τα δεδομένα και τις εντολές που εκτελούνται είναι οργανωμένη σε ένα αριθμό θέσεων ή κελιών σε κάθε θέση μπορεί να αποθηκευτεί μια λέξη δεδομένων κάθε θέση έχει μια και μοναδική διεύθυνση που προσδιορίζει τα περιεχόμενα της Πληροφοριακά Συστήματα Διοίκησης Ι Διδάσκων: Νίκος Καρακαπιλίδης 6-18

Κύρια μνήμη (συν.) Μνήμη Τυχαίας Προσπέλασης (Random Access Memory - RAM) Είναι η μνήμη όπου αποθηκεύονται προσωρινά εντολές και δεδομένα, περιμένοντας την ανάκληση τους για επεξεργασία. Είναι επίσης ο χώρος όπου αποθηκεύονται τα αποτελέσματα της εκτέλεσης των εντολών Η RAM δεν παρέχει δυνατότητα μόνιμης αποθήκευσης δεδομένων. Όταν τελειώσει η εκτέλεση, τα δεδομένα μετακινούνται από τη ΚΜΕ πίσω στην RΑΜ, κι από εκεί αποστέλλονται στην κατάλληλη έξοδο ή σε κάποια δευτερεύουσα μνήμη για μόνιμη αποθήκευση. Τα δεδομένα της χάνονται με την διακοπή του ρεύματος Μνήμη Μόνο Ανάγνωσης (Read Only Memory - ROM ) Η μνήμη αυτή δεν επιδέχεται αλλαγές. Τα περιεχόμενα της μπορούν να διαβαστούν όχι όμως και να μεταβληθούν παρά μόνο εάν αντικατασταθούν τα κυκλώματα των ημιαγωγών (chips) που την αποτελούν Η ROM χρησιμοποιείται για καταστάσεις όπου η πληροφορία χρειάζεται να διατηρηθεί χωρίς να δεχθεί μεταβολές. Η πρωταρχική χρήση της ROM είναι κατά τη διάρκεια της διαδικασίας εκκίνησης τού υπολογιστή Η ROM βρίσκεται στη μητρική πλακέτα του υπολογιστή και εμπεριέχει εντολές που υποδεικνύουν στη μηχανή πώς να εκτελέσει τη διαδικασία εκκίνησης ( boot process ). Συγκεκριμένα, παρέχει πρόσβαση στον οδηγό του δίσκου και ανίχνευση στη μνήμη CMOS για την ανεύρεση των δεδομένων διαμόρφωσης (configuration) του συστήματος Πληροφοριακά Συστήματα Διοίκησης Ι Διδάσκων: Νίκος Καρακαπιλίδης 6-19 Κύρια μνήμη (συν.) BIOS (Basic Input-Output Service) Δίνει τη δυνατότητα ελέγχου της αλληλεπίδρασης του Η/Υ με τον χρήστη CMOS (Complimentary Metal Oxide Semiconductor) Περιέχει δεδομένα ζωτικής σημασίας για το setup Η πρόσβαση σε αυτή γίνεται με την εκκίνηση του Η/Υ για να προσδιορισθεί το υπάρχων υλικό (hardware) και το πως αυτό είναι διαμορφωμένο (configuration σχετικά με ημερομηνία και ώρα, πληκτρολόγιο, οθόνη, οδηγό δισκέτας, σκληρό δίσκο, οδηγό CD-ROM, κλπ) Η χρήση αυτής της μνήμης, η οποία φυλάσσει τη διαμόρφωση του συστήματος, καθιστά δυνατή την αλλαγή του υλικού της μηχανής και μαζί την αναγνώριση της αλλαγμένης διαμόρφωσης από τον υπολογιστή Επομένως, όταν αλλάζουμε τη διαμόρφωση του υλικού πρέπει να αλλάξουμε (manually) το περιεχόμενο της CMOS Το CMOS Setup είναι αποθηκευμένο σε ένα ειδικό chip στη μητρική πλακέτα Κρυφή ή γρήγορη μνήμη (cash memory) μεγάλη ταχύτητα αποθήκευσης καλύτερη απόδοση του Η/Υ πρωτεύουσα (πάνω στο chip) ή δευτερεύουσα Καταχωρητές (Buffers) Χρησιμοποιούνται για την προσωρινή αποθήκευση των δεδομένων που μεταφέρονται από και προς την περιφερειακή μνήμη Πληροφοριακά Συστήματα Διοίκησης Ι Διδάσκων: Νίκος Καρακαπιλίδης 6-20

Μητρική πλακέτα (motherboard) Motherboard Central Processing Unit Main Memory Arithmetic & Logical Unit Control Unit Address Bus 0 1 2 3 Registers Primary Cache Memory Secondary Cache Memory Data Bus N 2-1 Ports Clock I/O Storage Πληροφοριακά Συστήματα Διοίκησης Ι Διδάσκων: Νίκος Καρακαπιλίδης 6-21 εντολές εκκίνησης @ ROM Μητρική πλακέτα (συν.) ρουτίνες POST (Power On Self Test) εντολές παραμετροποίησης (set-up), οι οποίες ενεργοποιούν εντολές του CMOS εντολές BIOS που αφορούν τη διαχείριση των περιφερειακών συσκευών του υλικού εντολές εκκίνησης (boot) που καλούν το λειτουργικό σύστημα (DOS, OS/2, Windows) Όλες αυτές οι εντολές είναι στα chips της ROM και ενεργοποιούνται μία προς μία κατά τη διάρκεια της εκκίνησης Ρουτίνες POST Setup program ROM chip BIOS programs boot instructions Πληροφοριακά Συστήματα Διοίκησης Ι Διδάσκων: Νίκος Καρακαπιλίδης 6-22

Γενικά Περιφερειακές μονάδες μνήμης Η κύρια μνήμη ενός Η/Υ έχει σχετικά μικρό μέγεθος και χρησιμοποιείται για την προσωρινή αποθήκευση των εντολών Για την αποθήκευση μεγάλου όγκου δεδομένων χρησιμοποιούμε τις περιφερειακές μονάδες μνήμης Η περιφερειακή ή δευτερεύουσα μνήμη χρησιμοποιείται για την μόνιμη αποθήκευση των δεδομένων και των εντολών Τεχνικά χαρακτηριστικά Χωρητικότητα μνήμης Χρόνος προσπέλασης (access time) Ταχύτητα προσπέλασης (data transfer time) Κόστος Πληροφοριακά Συστήματα Διοίκησης Ι Διδάσκων: Νίκος Καρακαπιλίδης 6-23 Γενικά Μαγνητικοί δίσκοι Δίσκοι με μαγνητική επικάλυψη Τα δεδομένα αποθηκεύονται σε τομείς (sectors). Μια συλλογή από τομείς αποτελούν το ίχνος (track) το οποίο αντιστοιχεί σε κάποιο τόξο ομόκεντρων κύκλων Διαθέτουν την δυνατότητα σειριακής αλλά και άμεσης πρόσβασης στα δεδομένα Πληροφοριακά Συστήματα Διοίκησης Ι Διδάσκων: Νίκος Καρακαπιλίδης 6-24

Μαγνητικοί δίσκοι (συν.) Δισκέτες (floppy disks) Οι κοινής χρήσης έχουν σήμερα χωρητικότητα μέχρι 1,44 MB Γενικά, η χωρητικότητά τους κυμαίνεται από 360 ΚΒ έως 2,8 ΜΒ Σκληρός δίσκος (hard disk) ταχύτερη περιστροφή άρα και μικρότερος χρόνος προσπέλασης δεδομένων πυκνή εγγραφή δεδομένων φορητοί και σταθεροί χωρητικότητα της τάξης των GB, ΤΒ Πληροφοριακά Συστήματα Διοίκησης Ι Διδάσκων: Νίκος Καρακαπιλίδης 6-25 Γενικά Οπτικά μέσα αποθήκευσης Βασίζονται στη χρήση τεχνολογίας λέιζερ Έχουν την δυνατότητα αποθήκευσης τεράστιου όγκου δεδομένων Συνήθως χρησιμοποιούνται για εφαρμογές πολυμέσων Τύποι CD-ROM, χωρητικότητα έως 660 MB 300 φορές περισσότερη από ένα HD floppy disk WORM (write once / read many) & CD-R (compact disk - recordable) CD-RW DVD (digital video disk), ελάχιστη χωρητικότητα 4.7 GB αποθήκευση κινηματογραφικής ταινίας (high quality) χωρητικότητα 4.7 GB 17 GB Πληροφοριακά Συστήματα Διοίκησης Ι Διδάσκων: Νίκος Καρακαπιλίδης 6-26

Μονάδες εισόδου Πληκτρολόγιο Συσκευές επιλογής Ποντίκι (μηχανικό, οπτικό) Light Pen Touch screen Μικρόφωνο Σαρωτές (Scanners) Συσκευές Οπτικής Αναγνώρισης (Optical Character Recognition - OCR) Ψηφιακή κάμερα Πληροφοριακά Συστήματα Διοίκησης Ι Διδάσκων: Νίκος Καρακαπιλίδης 6-27 Εκτυπωτές Laser Inkjet Οθόνες Μονάδες εξόδου Καθοδικού σωλήνα (cathode ray tube - CRT) Υγρών κρυστάλλων (liquid crystal display - LCD) Μονάδες σχεδίασης (plotters) Ηχεία Πληροφοριακά Συστήματα Διοίκησης Ι Διδάσκων: Νίκος Καρακαπιλίδης 6-28

Επεξεργασία δεδομένων Ομαδική επεξεργασία (batch processing) Τα προς επεξεργασία δεδομένα αποθηκεύονται μέχρις ότου καταστεί δυνατή η επεξεργασία τους ως ομάδα Χρήσιμη για διαδικασίες όχι τόσο ευαίσθητες στο χρόνο Επεξεργασία πραγματικού χρόνου (on-line processing) Τα σχετικά δεδομένα εισάγονται απευθείας στο σύστημα, ενημερώνοντας διαρκώς αρχεία Απαιτεί συσκευές άμεσης πρόσβασης Πληροφοριακά Συστήματα Διοίκησης Ι Διδάσκων: Νίκος Καρακαπιλίδης 6-29 Ομαδική επεξεργασία Δεσμίδα συναλλαγών Είσοδος στοιχείων (πληκτρολόγιο) Ταξινομημένο αρχείο συναλλαγών Παλιό κύριο (master) αρχείο Επαλήθευση και ενημέρωση Αναφορές λαθών Άλλες αναφορές Νέο κύριο (master) αρχείο Πληροφοριακά Συστήματα Διοίκησης Ι Διδάσκων: Νίκος Καρακαπιλίδης 6-30

Επεξεργασία πραγματικού χρόνου Συναλλαγές Είσοδος στοιχείων Επεξεργασία / Ενημέρωση κύριου (master) αρχείου Κύριο (master) αρχείο Άμεση εισαγωγή στοιχείων Άμεση επεξεργασία Άμεση ενημέρωση αρχείων Πληροφοριακά Συστήματα Διοίκησης Ι Διδάσκων: Νίκος Καρακαπιλίδης 6-31 Παράγοντες επιλογής Η/Υ Υπολογιστική ισχύς Κόστος Διαθέσιμες εφαρμογές Συμβατότητα Επεκτασιμότητα Ανάγκες χρήστη Πληροφοριακά Συστήματα Διοίκησης Ι Διδάσκων: Νίκος Καρακαπιλίδης 6-32