ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΟΙΚΟΝΟΜΙΑΣ ΚΑΙ ΙΟΙΚΗΣΗΣ

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΟΙΚΟΝΟΜΙΑΣ ΚΑΙ ΙΟΙΚΗΣΗΣ Το σηµερινό µάθηµα ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ Αρχιτεκτονική των Ηλεκτρονικών Υπολογιστικών Συστηµάτων Υπολογιστικό Σύστηµα Κεντρική Μνήµη ιδάσκων: Πέτρος Βασιλικός pvasilikos@fme.aegean.gr Αριθµητική και Λογική Μονάδα Μονάδα Ελέγχου Είσοδος Έξοδος Μικροεπεξεργαστές 1 2 Υπολογιστικό Σύστηµα (I) ΜΕΡΟΣ Α ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ Υπολογιστικό Σύστηµα Von Neumann: Μονάδα Εισόδου Εισαγωγή δεδοµένων & προγραµµάτων Μνήµη Καταχώρηση προγραµµάτων και δεδοµένων Μονάδα Ελέγχου Αποκωδικοποιητής, προετοιµασία ALU, συντονιστής άλλων µονάδων Αριθµητική & Λογική Μονάδα Εκτέλεση αριθµητικών & λογικών πράξεων Μονάδα Εξόδου Έξοδος αποτελεσµάτων των προγραµµάτων, στοιχείων µνήµης και ALU. 3 4 Υπολογιστικό Σύστηµα (II) Πώς εκτελείται ένα Πρόγραµµα (Ι) Κεντρική ΚεντρικήΜνήµη Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (CPU) Αριθµητική Αριθµητική & Λογική Λογική Μονάδα Μονάδα Μονάδα Μονάδα Ελέγχου Ελέγχου Μονάδα Μονάδα Εισόδου Εισόδου --Εξόδου Εξόδου Οτρόπος µε τον οποίο τα παραπάνω στοιχεία είναι δοµηµένα είναι γνωστός ως αρχιτεκτονική του συστήµατος Οι γραµµές επικοινωνίας ( ) µεταξύ των µονάδων ονοµάζονται Bus και διακρίνονται στο Data και στο Address Bus. Έστω ότι θέλουµε να υπολογίσουµε το Χ=(Α+Β+Γ). Θα πρέπει να βρίσκεται στην µονάδα µνήµης ένα πρόγραµµα µε οδηγίες που να περιγράφουν τον παραπάνω υπολογισµό. Το πρόγραµµα θα περιέχει εντολές της µορφής: να µεταφερθεί το περιεχόµενο της θέσης Α της µνήµης στην ALU, να προστεθεί το περιεχόµενο της ALU µε αυτό της θέσης Β, κ.λ.π. Ο επεξεργαστής θα διαβάζει µία-µία τις εντολές και η αριθµητική και λογική µονάδα θα εκτελεί τις πράξεις και θα καταχωρεί τα αποτελέσµατα αυτών πάλι στην κύρια µνήµη. Στην επόµενη διαφάνεια φαίνονται µερικά από τα βήµατα. 5 6

Πώς εκτελείται ένα Πρόγραµµα (ΙΙ) ΜΕΡΟΣ Β ΚΕΝΤΡΙΚΗ ΜΝΗΜΗ 7 8 Κεντρική Μνήµη Μνήµη RAM, ROM, PROM, EPROM ΗΚεντρική Μνήµη, που αναφέρεται επίσης και ως πρωτεύουσα µνήµη, δίνει σε ένα υπολογιστικό σύστηµα τη δυνατότητα καταχώρησης και ανάκλησης: Των υπό εκτέλεση προγραµµάτων, που καταχωρούνται ως ακολουθίες πράξεων Των πληροφοριακών δεδοµένων επί των οποίων τα εκτελούµενα προγράµµατα εφαρµόζονται Η µνήµη ενός ηλεκτρονικού υπολογιστικού συστήµατος µοιάζει µε µια κυψέλη, που αποτελείται από ένα οργανωµένο πλήθος κελιών. Κάθε στοιχείο της µνήµης µπορεί να βρίσκεται σε µια από τις δύο δυνατές καταστάσεις (0/1) RAM (µνήµη τυχαίας προσπέλασης) (Random Access Memory) Μνήµη που είναι δυνατό να «γράφεται» και να «διαβάζεται» ROM (αναγνώσιµη µόνο µνήµη) (Read Only Memory) Επιτρέπει µόνο την ανάκληση των στοιχείων που περιέχει. Τα στοιχεία που εµπεριέχει έχουν καταχωρηθεί συνήθως από τον κατασκευαστή και αναφέρονται σε συγκεκριµένα προγράµµατα (boot) Μερικές παραλλαγές της ROM PROM (Programmable Read Only Memory) EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) EAROM (Electrically Alterable Read Only Memory) 9 υναµική & Στατική Μνήµη ύο είναι οι βασικές τεχνολογίες που χρησιµοποιούνται: Οι στατικές µνήµες (SRAM), µε χρόνο προσπέλασης -20 ns. Οι δυναµικές µνήµες (DRAM), µε χρόνο προσπέλασης 90-120 ns. Το κόστος των δυναµικών µνηµών κυµαίνεται περίπου στο 25% των στατικών. Memory Refresh Τα περιεχόµενα µνήµης χάνονται και πρέπει να ανανεώνονται, κάτι που γίνετε σε έναν κύκλο Read- Write των ~70 ns (δισεκ. του sec). Οργάνωση Μνήµης Οι δύο διαφορετικές καταστάσεις, στις οποίες είναι δυνατό να ευρίσκεται το ελάχιστο στοιχείο µνήµης, συµβολίζονται µε τα δύο δυαδικά ψηφία 0 και 1. Με το αλφάβητο αυτό είναι δυνατό να κωδικοποιηθεί οποιοδήποτε πληροφοριακό δεδοµένο και να εισαχθεί και καταχωρηθεί σε ένα υπολογιστικό σύστηµα. 11 12

Bit (Ψηφίο) Byte (Ψηφιοσυλλαβή) - Λέξη ιεύθυνση Θέσης Μνήµης (Ι) ή Ένα bit οι χαρακτήρες απεικονίζονται από ένα byte για κάθε γράµµα Ένα byte για τον χαρακτήρα Α Η απεικόνιση του Alice σε ASCII µορφή bit υαδικό Ψηφίο Μικρότερη Μονάδα εδοµένων: 0 ή 1 byte Σειρά από 8 bits Χρησιµοποιούνται για αποθήκευση ενός αριθµού ή χαρακτήρα Μονάδα µέτρησης χωρητικότητας των µνηµών Λέξη (word) Ακολουθία από byte Συνήθως 16/32/64 bit Η µνήµη χρησιµοποιείται για την καταχώρηση των εντολών των προγραµµάτων και των Π.. Ωστόσο, θα πρέπει να είναι δυνατή η ανάκλησή τους. Κάθε θέση µνήµης προσδιορίζεται µε µια συγκεκριµένη αριθµητική διεύθυνση. Η διεύθυνση ενός byte αποδίδεται µε µια διάταξη των στοιχείων {0,1} ανά Κ. Είναι δηλαδή δυαδικός αριθµός µε Κ ψηφία. Αν κ=2 τότε οι δυνατές διατάξεις και συνεπώς 2 διευθύνσεις είναι 4 (δηλαδή 2 ). {00, 01,, 11} Πιο σηµαντικό bit (MSB) Λιγότερο σηµαντικό bit (LSB) 13 14 ιεύθυνση Θέσης Μνήµης (ΙΙ) ιεύθυνση Θέσης Μνήµης (ΙΙI) Οι διευθύνσεις της µνήµης είναι διαδοχικοί ακέραιοι αριθµοί εκφρασµένοι στο δυαδικό σύστηµα. Η διεύθυνση του 1ου byte της µνήµης είναι πάντα ο αριθµός 0, ενώ η διεύθυνση του τελευταίου byte είναι Μ-1, αν το σύνολο των θέσεων της µνήµης περιέχει Μ bytes. ΘΕΣΕΙΣ ιευθύνσεις 1η 2η 3η 4η 0 0 0 1 1 0 1 1 BYTES Μνήµη τεσσάρων θέσεων ιεύθυνση Μήκους 2 bits Οι προσπελάσεις (access) σε θέσεις της µνήµης για ανάκληση ή καταχώρηση είναι δυνατό να γίνονται σε ολόκληρες λέξεις, ή σε bytes της µνήµης. ιευθύνσεις 12340 12341 12342 12343 Κ. ΜΝΗΜΗ Λέξη µε διεύθυνση 12340, που είναι η ιεύθυνση του 1ου byte της λέξης, η οποία Περιλαµβάνει 4 διαδοχικά bytes, µε ιευθύνσεις από 12340 µέχρι και 12343 15 16 Μέτρηση της χωρητικότητας της µνήµης Περιεχόµενα της Κύριας Μνήµης Το byte είναι η µονάδα µέτρησης της χωρητικότητας της µνήµης. 1 Kilobyte (Kb) = 2 bytes = 24 bytes 1 Megabyte (Mb) = 2 Kilobytes = 24 Kilobytes 1 Gigabyte (GB) = 2 Megabytes = 24 Megabytes 1 Terabyte (TB) = 2 Gigabytes = 24 Gigabytes Κάθε πληροφοριακό δεδοµένο, που καταχωρείται σε µια θέση της µνήµης και αποτελείται από ένα ή περισσότερα bytes, παραµένει αµετάβλητο µέχρι να καταχωρηθεί ένα νέο πληροφοριακό δεδοµένο στην ίδια θέση. Στην Κ. Μνήµη καταχωρούνται ποικίλα Π.. (αριθµοί, γράµµατα, χαρακτήρες κ.τ.λ.) που είναι κωδικοποιηµένα στη γλώσσα του 0 και του 1. Στη µνήµη παραµένουν τα προγράµµατα κατά τη διάρκεια εκτέλεσης τους, τα Π.. των εκτελουµένων προγραµµάτων καθώς και µερικά στοιχεία από τα οποία εξαρτάται η λειτουργία του υπολογιστικού συστήµατος. 17 18

Περιεχόµενα της Βοηθητικής Μνήµης Hard Disk Προγράµµατα χρηστών όταν δεν εκτελούνται, σύνολα πληροφοριακών δεδοµένων (Π..) και διάφορα άλλα προγράµµατα βρίσκονται σε δευτερεύουσες ή περιφερειακές µονάδες µνήµης. (Μαγνητικοί δίσκοι, Μαγνητικές Ταινίες, cd s) 19 20 Hard Disk inside view Hard Disk κεφαλή ανάγνωσης Απόσταση πτήσεως κεφαλής ανάγνωσης 21 22 Hard Disk Drive - Ίχνη και τοµείς Hard Disk Drive - Ίχνη και τοµείς Όλες οι πληροφορίες, που αποθηκεύονται σε ένα σκληρό δίσκο, γράφονται σε ίχνη (tracks), τα οποία είναι οµόκεντροι κύκλοι τοποθετηµένοι στην επιφάνεια των πλακετών. Τα ίχνη είναι αριθµηµένα αρχίζοντας από το µηδέν, το όποιο είναι και το άκρως εξωτερικό ίχνος της πλακέτας. Τα δεδοµένα διαβάζονται ή γράφονται µετακινώντας την κεφαλή από το εξωτερικό στο εσωτερικό µέροςτηςεπιφάνειαςτωνπλακετών ή το αντίθετο, µε τοµηχανισµό κίνησης κεφαλών. Αυτή η οργάνωση των δεδοµένων επιτρέπει εύκολη πρόσβαση σε κάθε κοµµάτι του δίσκου και αυτό είναι που ονοµάζεται Random Access Storage. Κάθε ίχνος µπορεί να αποθηκεύσει πολλές χιλιάδες bytes δεδοµένων και θα ήταν µεγάλη σπατάλη το να κάνουνε το ίχνος την ελάχιστη µονάδα αποθήκευσης στο δίσκο, αφού αυτό θα σήµαινε ότι µικρά αρχεία θα ξόδευαν ένα µεγάλο ποσό µνήµης. Αν για παράδειγµα, ένα ίχνος έχει χωρητικότητα 0000 bytes και ήταν η ελάχιστη µονάδα αποθήκευσης στο δίσκο, τότε ένα αρχείο µεγέθους 0 bytes θα κρατούσε για τον εαυτό του ολόκληρο το ίχνος, άσχετα αν χρησιµοποιούσε µόνο τα 0 από τα 0000 bytes. Γενικά, κατά µέσο όρο (ανά αρχείο) θα είχαµε σπατάλη50000 bytes. Έτσι, κάθε ίχνος έχει χωριστεί σε µικρότερες µονάδες που ονοµάζονται τοµείς (sectors). Κάθε τοµέας µπορεί να χωρέσει 512 bytes δεδοµένων, συν µερικά επιπρόσθετα bytes τα οποία χρησιµοποιούνται για εσωτερικό έλεγχο του δίσκου και για αναγνώριση και διόρθωση λαθών. Η τοµή τουίχνουςµε δύοή περισσότερους τοµείς ονοµάζεται συστοιχία (cluster) και είναι η µικρότερη οµάδα δεδοµένων που µπορούµε να προσπελάσουµε στοδίσκο. Οργάνωση επιφάνειας δίσκου: Ίχνη / τοµείς / συστοιχίες 23 24

Hard Disk Drive - Κύλινδροι Hard Disk Drive - Κύλινδροι Ένας σκληρός δίσκος συνήθως αποτελείται από αρκετές πλακέτες κάθε µία από τις οποίες έχει δύο εγγράψιµες πλευρές και χρησιµοποιεί δύο κεφαλές ανάγνωσης / εγγραφής (µια για την πάνω πλευρά και µία για την κάτω). Οι κεφαλές αυτές είναι τοποθετηµένες µαζί, σε ένα σύµπλεγµα από βραχίονες κεφαλών. Αυτό σηµαίνει ότι όλες οι κεφαλές κινούνται είτε µέσα, είτε έξω, µαζί και ταυτόχρονα. Έτσι κάθε κεφαλή είναι πάντα φυσικώς τοποθετηµένη στον ίδιο αριθµό ίχνους(δεν είναι δυνατό µια κεφαλή να βρίσκεται στο ίχνος 0 και κάποια άλλη στο ίχνος 500). Επειδή συµβαίνει αυτή η συµφωνία στη φυσική θέση των κεφαλών στο δίσκο, συχνά η θέση των κεφαλών στα ίχνη δεν αναφέρεται ως αριθµός ίχνους, αλλά ως αριθµός κυλίνδρου (cylinder number). Ένας κύλινδρος στην ουσία είναι το σύνολο όλων των ιχνών, στα οποία οι κεφαλές είναι τοποθετηµένες κάποια στιγµή. Έτσι αν ένας δίσκος αποτελείται από 4 πλακέτες και χρησιµοποιεί 8 κεφαλές, ένας αριθµός κυλίνδρου 600 (για παράδειγµα), θα αποτελείται από το σύνολο των 8 ιχνών µε αριθµό 600. Το όνοµα κύλινδρος προέρχεται από το γεγονό ότι αν ενώσουµε µε µια νοητή γραµµή όλα τα ίχνη µε ίδιοαριθµό, θα προκύψει ένας νοητός κύλινδρος, εφόσον οι κύκλοι των ιχνών είναι οµόκεντροι και έχουν το κέντρο τους στον ίδιο άξονα. Στην πραγµατικότητα, η διαφορά των δύο εννοιών δεν είναι µεγάλη, αφού είναι δύο διαφορετικοί τρόποι να σκεφτόµαστε το ίδιο πράγµα. Η διευθυνσιοδότηση για χωριστούς τοµείς γίνεται συνήθως µε αναφοράστοναριθµό κυλίνδρου (Cylinder number), στον αριθµό κεφαλής(head number) και στον αριθµό τοµέα (Sector number) (CHS). Απότηστιγµή που οι κύλινδροι είναι συλλογές από ίχνη, στα οποία είναι τοποθετηµένες οι κεφαλές, ο όρος "αριθµός κυλίνδρου συν αριθµός κεφαλής" ισοδυναµεί µε τον όρο "αριθµός ίχνους συν αριθµός κεφαλής". 25 26 Floppy Disk Εύκαµπτος ίσκος CD s ιαδικασία ανάγνωσης των CDs Μέσα στην ονοµασία CD-ROM τα γράµµατα "RO" υποδηλώνουν ότι ένας τυπικός οδηγός CD-ROM είναι µια συσκευή που µπορεί µόνο να διαβάσει (RO: Read Only) από ένα δίσκο CD-ROM και δεν έχει τη δυνατότητα να γράψει στο δίσκο. Ωστόσο, οι νέες εκδόσεις των οδηγών CD-ROM (οδηγοί CD-R, οδηγοί CD-RW) παρέχουν τη δυνατότητα για την εγγραφή δεδοµένων. Η κεφαλή ανάγνωσης είναι ένα είδος φακού (µερικές φορές ονοµάζεται και pickup), που µετακινείται κατά µήκος µιαςσπείραςπουαρχίζειαπότοκέντροτουδίσκουcd-rom και ξετυλίγεται προς τα εξωτερικά µέρη της επιφανείας του. Παρακάτω, περιγράφεται εν συντοµία ο τρόπος λειτουργίας ενός τυπικού οδηγού CD-ROM: 1. Μιαακτίναφωτόςδηµιουργείται από µια καθοδική δίοδο laser και κατεθευθύνεται προς ένα ανακλαστικό καθρέφτη. Ο ανακλαστικός καθρέφτης είναι ενσωµατωµένος πάνω στην κεφαλή ανάγνωσης. 2. Η παραγόµενη ακτίνα ανακλάται από τον καθρέφτη και µε την βοήθεια ενός ειδικού φακού κατευθύνεται σε συγκεκριµένα σηµεία πάνω στην επιφάνεια του δίσκου CD-ROM. 3. Η ακτίνα, αφού προσκρούσει πάνω στην επιφάνεια του δίσκου CD-ROM ανακλάται εν µέρει. Η ποσότητα της ενέργειας που ανακλάται πίσω εξαρτάται από το σηµείο πρόσκρουσης της εκπεµπόµενης ακτίνας πάνω στην επιφάνεια του δίσκου CD-ROM. Μια λακούβα (pits-κοιλότητα) στην επιφάνεια του δίσκου CD-ROM υποδηλώνει ένα µηδενικό "0", ενώ η απουσία λακούβας (land-νησίδα) κατά µήκος της σπείρας υποδηλώνει ένα άσσο "1". 4. Μια σειρά από συλλέκτες, καθρέφτες και ειδικούς φακούς συσσωρεύουν και κατευθύνουν την ανακλώµενη ακτίνα σε έναν ανιχνευτή φωτεινής δέσµης (photodetector). 5. Ο ανιχνευτής φωτεινής δέσµης µετατρέπει την ποσότητα της φωτεινής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια. Η ποσότητα της παραγόµενης ηλεκτρικής ενέργειας εξαρτάται από την ποσότητα της φωτεινής ενέργειας, που φέρει η ανακλώµενη ακτίνα Η ηλεκτρική ενέργεια µετατρέπεται µε την βοήθεια ειδικών κυκλωµάτων σε ψηφιακό σήµα (ακολουθία άσσων και µηδενικών). 27 28 CD s Χωρητικότητα Χωρητικότητα δισκετών 3.5 Floppy: 1.44 MB SuperDisk: 120 MB HiFD disk: 200 MB Zip Disk: 0 or 250 MB Όλα τα µηχανικά µέρη ενός τυπικού οδηγού CD-ROM είναι σταθερά, εκτός από τον ανακλαστικό καθρέφτη και την κεφαλή ανάγνωσης. Επίσης, αφού οι τυπικοί δίσκοι CD-ROM έχουν µόνο µια επιφάνεια εγγραφής δεδοµένων, υπάρχει µόνο µια κεφαλή ανάγνωσης. Από την στιγµή πουη κεφαλή ανάγνωσης είναι οπτικό µέσο, πολλά από τα προβλήµατα που έχουν σχέση µε τις µαγνητικές κεφαλές αποφεύγονται. Επειδή η κεφαλή ανάγνωσης δεν έρχεται σε επαφή µε την επιφάνεια του δίσκου CD-ROM δεν υπάρχει φθορά, σε αντίθεση µε ότισυµβαίνει στους εύκαµπτους δίσκους. 29 30

Συστήµατα Αποκωδικοποίησης ASCII Κάθε Π.., οσοδήποτε απλό ή σύνθετο, παριστάνεται µε ένα συνδυασµό 0 και 1. Ο άνθρωπος χρησιµοποιεί γράµµατα, αριθµητικά ψηφία, τελεστές. Τα σύµβολα αυτά βρίσκονται στα πληκτρολόγια και κωδικοποιούνται στη «γλώσσα» του υπολογιστικού συστήµατος. Οι ανάγκες ενός ελληνολατινικού πληκτρολογίου περιλαµβάνουν 52 λατινικά γράµµατα πεζά και κεφαλαία, 48 ελληνικά, το τελικό σίγµα «ς», τα φωνήεντα µε τόνους κ.τ.λ. Ένα από τα πρώτα σύνολα χαρακτήρων είναι το ASCII (American standard Code for Information Interchange), το οποίο αρχικά χρησιµοποιούσε 7 bits για την κωδικοποίηση και ένα όγδοο bit για έλεγχο ορθότητας των προηγούµενων 7 bits (δήλωνε το πλήθος από µονάδες, άρτιο ή περιττό) και περιελάµβανε µόνο το λατινικό αλφάβητο Αργότερα χρησιµοποιήθηκε και το όγδοο για την κωδικοποίηση µε αποτέλεσµα να έχουµε συνολικά δυνατότητα αναπαράστασης 256 συµβόλων. Το λατινικό γράµµα «Α» παριστάνεται από τη δυαδική ακολουθία «000001» και έχει ως κωδικό ASCII τον αριθµό 65 31 32