Γενικά Στοιχεία Ηλεκτρονικού Υπολογιστή

Γενικά Στοιχεία Ηλεκτρονικού Υπολογιστή 1. Ηλεκτρονικός Υπολογιστής Ο Ηλεκτρονικός Υπολογιστής είναι μια συσκευή, μεγάλη ή μικρή, που επεξεργάζεται δεδομένα και εκτελεί την εργασία του σύμφωνα με τα παρακάτω βήματα (Εικόνα 1. 1): Είσοδος που είναι η αποδοχή εισαγωγής στοιχείων (δεδομένων). Επεξεργασία δεδομένων που γίνεται σύμφωνα με προκαθορισμένους κανόνες. Έξοδος που είναι η παραγωγή αποτελεσμάτων (πληροφορίες). Εικόνα 1.1. Είσοδος Επεξεργασία Έξοδος 2. Τρανζίστορ( transistor) Ο ηλεκτρονικός υπολογιστής βασίζεται σε Ψηφιακά Ηλεκτρονικά Κυκλώματα που αποτελούνται από τρανζίστορ. Το τρανζίστορ (transistor) είναι μια ηλεκτρονική μικρή διάταξη που αποτελείται από ημιαγωγούς κρυστάλλους, περιβάλλεται από μία προστατευτική θήκη (κάλυμμα), έχει τρεις επαφές (ακροδέκτες) και χρησιμοποιείται σαν διακόπτης ή ενισχυτής Τα τρανζίστορ κατασκευάζονται είτε ως ξεχωριστά ηλεκτρονικά εξαρτήματα είτε ως τμήματα κάποιου ολοκληρωμένου κυκλώματος. (Εικόνα 2.1). Εικόνα 2.1. Τρανζίστορ 1

Η επεξεργασία στους ηλεκτρονικούς υπολογιστές βασίζεται στην τεχνολογία των τρανζίστορ που λειτουργούν ως διακόπτες και οι οποίοι παρουσιάζουν τις 2 παρακάτω καταστάσεις: α) ON (ανοικτός) 1 και OFF (κλειστός) 0 ή 0 : χαμηλή τάση ή συγκεκριμένη φορά ρεύματος ή ανοικτό κύκλωμα και β) 1 : υψηλή τάση ή η άλλη φορά του ρεύματος ή κλειστό κύκλωμα. Τα τρανζίστορ ενός ηλεκτρονικού υπολογιστή μπορούν να αλλάζουν κατάσταση πάρα πολλές φορές μέσα σε ένα δευτερόλεπτο (εκατομμύρια φορές/δευτερόλεπτο). Στους περισσότερους υπολογιστές, ένα τρανζίστορ που κλείνει (η τάση εξόδου είναι μηδέν) αντιπροσωπεύει το δυαδικό αριθμό 0 και ένα τρανζίστορ που ανοίγει (η τάση εξόδου είναι 5 βολτ) αντιπροσωπεύει το δυαδικό αριθμό 1. Σύμφωνα με τη τεχνολογία ένα ψηφίο ( bit) παρίσταται με την αντίστοιχη κατάσταση ενός σημείου σε ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα δηλαδή με [0] ή [1]. Συνεπώς, τα δεδομένα στον ηλεκτρονικό υπολογιστή μετατρέπονται σε ένα σύνολο [0] και [1] δηλαδή σε μία σειριακή ακολουθία δυαδικής παράστασης και όλες οι διεργασίες που γίνονται σε αυτόν βασίζονται στη διαχείριση αυτών των [0] και [1]. Ο χρήστης δεν αντιλαμβάνεται ότι τα στοιχεία που εισάγει μετατρέπονται σε ένα σύνολο [0] και [1] διότι όλες οι εργασίες του όπως εισαγωγή γραμμάτων, λέξεων, αριθμών ή συμβόλων πραγματοποιούνται σύμφωνα με την φυσική του γλώσσα και το δεκαδικό σύστημα αριθμών που χρησιμοποιεί. 3. Δυαδική και Ψηφιακή Λογική Η δυαδική λογική είναι η λογική η οποία ταιριάζει με την τεχνολογία των transistors. Η δυαδική λογική στηρίζεται στην άλγεβρα Μπουλ ( Boole) που είναι τα μαθηματικά της λογικής. Η άλγεβρα Boole αναπτύχθηκε από τον Εγγλέζο μαθηματικό George Boole στα μέσα του 19 ου αιώνα, ο οποίος το 1938 έδειξε ότι η Άλγεβρα Boole μπορούσε να χρησιμοποιηθεί στην απλοποίηση και στη σχεδίαση των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων, όπως, για παράδειγμα στα κυκλώματα που χρησιμοποιούνταν τότε για το τηλέφωνο. Αργότερα αυτή εφαρμόστηκε και στη σχεδίαση των κυκλωμάτων των ηλεκτρονικών υπολογιστών. Ο Μπουλ υποστήριξε ότι οι λογικές προτάσεις μπορούν να εκφραστούν σαν αλγεβρικές εξισώσεις και αντικατέστησε τη λειτουργία του πολλαπλασιασμού με τη λέξη AND και της πρόσθεσης με τη λέξη OR. Η άλγεβρα Boole χειρίζεται λογικές συναρτήσεις και πράξεις δυαδικών καταστάσεων (δυαδικού συστήματος) και έχει μεγάλη εφαρμογή στη σχεδίαση του λογισμικού και των κυκλωμάτων των ηλεκτρονικών υπολογιστών. Οι κανόνες που διέπουν τη δυαδική λογική είναι οι λογικές συναρτήσεις (αληθές/ψευδές true/false) οι οποίες αποτελούν τη βάση σε όλα τα ηλεκτρονικά κυκλώματα ενός υπολογιστή. Η άλγεβρα Boole ονομάζεται και δυαδική άλγεβρα, ή διακοπτική άλγεβρα. Στη δυαδική λογική άλγεβρα υπάρχουν δύο καταστάσεις μεταβλητών : α) Αληθές (σωστό) ή 1 ή ΝΑΙ ή υψηλή τάση και β) Ψευδές (λάθος) ή 0 ή ΟΧΙ ή χαμηλή τάση. Τα ηλεκτρονικά κυκλώματα που εκτελούν τις βασικές πράξεις της Άλγεβρας Boole καλούνται λογικές πύλες. Οι πράξεις αυτές είναι: πρόσθεση, αφαίρεση, πολλαπλασιασμός και διαίρεση. Οι τελεστές που χρησιμοποιούνται είναι AND (συν), OR (ή) και NOT (δεν) καθώς και συνδυασμοί αυτών όπως NAND, NOR, XOR και XNOR. Η διαχείριση των τελεστών αυτών ακολουθεί συγκεκριμένους κανόνες που ονομάζονται και Πίνακες Αληθείας (Truth Tables). Η λογική των 2

πυλών AND, OR ή NOT αναπαριστά τη λειτουργία των τρανζίστορ διότι τα τρανζίστορ ως ηλεκτρικοί διακόπτες έχουν μόνο δύο καταστάσεις: άνοιγα ή κλείσιμο. Η λογική Boole διαμορφώνει τις λογικές πύλες (logic gates) του τσιπ (chip) και οι λογικές πύλες με τη σειρά τους διαμορφώνουν τα λογικά κυκλώματα που είναι υπεύθυνα για την εκτέλεση συναρτήσεων όπως π.χ. είναι η πρόσθεση δύο αριθμών (Εικόνα 3.1). Εικόνα 3.1. Λογικές πύλες. Οι βασικές πύλες από τις οποίες κατασκευάζονται τα λογικά κυκλώματα είναι: α) Η λογική πύλη «ΟΧΙ» - NOT υλοποιεί τη λογική πράξη «Άρνηση». Έχει μια είσοδο και μια έξοδο. Όταν η είσοδος είναι 1 η έξοδος είναι 0, ενώ όταν η είσοδος είναι 0 η έξοδος είναι 1, δηλαδή αντιστρέφει την αξία της εισόδου (Εικόνα 3.2). Εικόνα 3.2. Λογική πύλη «ΟΧΙ» - NOT. β) Η λογική πύλη «ΚΑΙ» - AND υλοποιεί τη λογική πράξη «Σύζευξη». Έχει δύο εισόδους και μια έξοδο. H έξοδος είναι 1, όταν όλες οι είσοδοι είναι 1 (Εικόνα 3.3). 3

Εικόνα 3.3. Λογική πύλη «ΚΑΙ» - AND. γ) Η λογική πύλη «Ή» - OR υλοποιεί τη λογική πράξη «Διάζευξη». Έχει δύο εισόδους και μια έξοδο. H έξοδος είναι 1, όταν τουλάχιστον μια από τις εισόδους της είναι 1 (Εικόνα 3.4). Εικόνα 3.4. Λογική πύλη «Ή» - OR. δ) Λογική πύλη «ΟΧΙ» - NOT υλοποιεί τη λογική πράξη «Αποκλειστική διάζευξη». Έχει δύο εισόδους και μια έξοδο. H έξοδος είναι 1, όταν οι τιμές στις εισόδους είναι διαφορετικές μεταξύ τους (Εικόνα 3.5). Εικόνα 3.5. Λογική πύλη «ΟΧΙ» - NOT. Η δημιουργία πολύπλοκων λογικών πυλών πραγματοποιείται είτε προσθέτοντας περισσότερες εισόδους είτε συνδυάζοντας τις απλές με την πύλη ΟΧΙ (NOT) π.χ., Λογική πύλη «ΟΧΙ-ΚΑΙ» (NAND ) αποτελείται από μια πύλη AND και μια πύλη NOT και συμβολίζεται με. Η πύλη NAND έχει έξοδο 0, όταν όλες οι είσοδοι της είναι 1, ενώ σε κάθε άλλη περίπτωση έχει έξοδο 1. 4

Εικόνα 3.6. Λογική πύλη ΟΧΙ-ΚΑΙ» (NAND). Η ψηφιακή λογική είναι απαραίτητη: α) για τη δημιουργία ηλεκτρονικών συσκευών ή ηλεκτρονικών διατάξεων και β) για τον έλεγχο των τσιπς των ηλεκτρονικών υπολογιστών. Αυτή αναπαριστά με αριθμούς ένα ψηφιακό κύκλωμα, παρουσιάζει την ακολουθία των σημάτων ενός ψηφιακού κυκλώματος και συμβάλει στην κατανόηση της επικοινωνίας μεταξύ των κυκλωμάτων και του υλικού (hardware) ενός ηλεκτρονικού υπολογιστή. 4. Δεδομένα Τα Δεδομένα (data) αποτελούν τα ακατέργαστα τυποποιημένα στοιχεία, τα οποία επεξεργάζεται είτε ο άνθρωπος είτε ειδικές μονάδες (π.χ. ψηφιακές). Τα αποτελέσματα που εξάγονται από αυτή την επεξεργασία συμβάλλουν στη λήψη αποφάσεων. Τα Δεδομένα έχουν τη μορφή συμβόλων και αντιπροσωπεύουν συγκεκριμένες έννοιες ή στοιχεία. Τα σύμβολα αυτά άλλοτε είναι κωδικοποιημένα και άλλοτε όχι. Επεξεργασία δεδομένων (data processing) είναι η συλλογή, η ταξινόμηση, η καταχώρηση, η μεταβολή, η αποθήκευση, η αναζήτηση και η ανάκτηση δεδομένων, που εκτελείται με ή χωρίς τη βοήθεια του ηλεκτρονικού υπολογιστή για την παραγωγή πληροφοριών. 5. Bit - Byte Δυαδικό Σύστημα Αρίθμησης Με το Byte μετράται ο όγκος των πληροφοριών. Το Bit (Binary digit δυαδικό ψηφίο) είναι το μικρότερο στοιχείο πληροφορίας που μπορεί να επεξεργαστεί ένας ηλεκτρονικός υπολογιστής. Το Bit παίρνει μόνο δύο τιμές [0] ή [1]. Η ομαδοποίηση των bits είναι ως εξής: 1 byte = 8 bits ή 8 bits = 1 byte και οι μονάδες μέτρησης χωρητικότητας μνήμης εκφράζονται σε πολλαπλάσια του byte: 1KB= 1024 Byte, 1MB=1024 KB, 1GB=1024MB (Πίνακας 5.1): 5

1 Byte 8 Αλεξάνδρειο Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Θεσσαλονίκης (ΑΤΕΙ-Θ) Bits Bytes KiloByte MegaByte GigaByte 1 KiloByte 2 10 1024 1 MegaByte 2 20 1.048.576 2 10 1 GigaByte 2 30 1.073.741.824 2 20 2 10 Πίνακας 5.1. Μονάδες Μέτρησης Χωρητικότητας Μνήμης. Ο ηλεκτρονικός υπολογιστής λόγω της κατασκευής του μπορεί να επεξεργαστεί αριθμούς με συγκεκριμένο αριθμό bits, που ανταποκρίνονται στις δυνάμεις που υψώνεται ο αριθμός 2 π.χ. [8(2 3 ), 16(2 4 ), 32(2 5 ), ]. Τα δεδομένα που υπάρχουν στον ηλεκτρονικό υπολογιστή είναι σε μορφή 0 & 1 και η μορφή αυτή είναι ανεξάρτητη από τον τύπο ή την προέλευση τους. Ένας Δυαδικός αριθμός με n bits όπου n 1 μπορεί να είναι ένα σύνολο 2 n διαφορετικών συμβόλων. Το δυαδικό σύστημα αρίθμησης είναι ένα σύστημα αρίθμησης που χρησιμοποιεί μόνο δύο ψηφία τα οποία είναι [0] και [1]. Λειτουργεί όπως το δεκαδικό σύστημα αλλά με δύο σύμβολα και όχι δέκα (Πίνακας 5.1). Για την μετατροπή ενός αριθμού από το δεκαδικό σύστημα στο δυαδικό σύστημα εφαρμόζεται η διαίρεση του με τον αριθμό 2. Τα υπόλοιπα των διαιρέσεων με φορά από τα δεξιά προς τα αριστερά ή από το τελευταίο υπόλοιπο προς το πρώτο υπόλοιπο δίνουν τον δυαδικό αριθμό. Π.χ Μετατροπή του αριθμού 53 του δεκαδικού συστήματος στο δυαδικό σύστημα (Εικόνα 5.1). Εικόνα 5.1. Μετατροπή ενός αριθμού από το δεκαδικό σύστημα στο δυαδικό σύστημα. Για την μετατροπή ενός αριθμού από το δυαδικό σύστημα στο δεκαδικό σύστημα : α). Εφαρμόζεται η αρίθμηση των ψηφίων του δυαδικού αριθμού με φορά από τα δεξιά προς τα αριστερά ξεκινώντας από 6

το 0, β) εφαρμόζεται ο πολλαπλασιασμός του κάθε ψηφίου με τον αριθμό 2 υψωμένο στο αντίστοιχο ψηφίο αρίθμησης και γ) προστίθενται όλα τα γινόμενα. Π.χ Μετατροπή του αριθμού 110101 του δυαδικού συστήματος στο δεκαδικό σύστημα (Εικόνα 5.2). Εικόνα 5.2. Μετατροπή ενός αριθμού από το δεκαδικό σύστημα στο δυαδικό σύστημα. 6. Στοιβάδες Υπολογιστικού Συστήματος Οι στοιβάδες ενός υπολογιστικού συστήματος είναι: α) Επικοινωνία Διεπαφή, β) Εφαρμογή, γ) Λειτουργικό Σύστημα, δ) Προγραμματισμός, ε) Υλικό τμήμα Υπολογιστικού Συστήματος και στ) Πληροφορία (Εικόνα 6.1). Εικόνα 6.1. Στοιβάδες Υπολογιστικού Συστήματος. α) Η Επικοινωνία/Διεπαφή αποτελεί τον ενδιάμεσο κρίκο ανάμεσα στον χρήστη και το υπολογιστικό σύστημα. Αποτελεί το περιβάλλον που δίνει πρόσβαση στον χρήστη να αλληλεπιδρά με το υπολογιστικό σύστημα και το περιεχόμενό του. Παραδείγματα τύπων διεπαφών χρήστη: Γραμμή εντολών, Μενού, Γραφικά κλπ. β) Η Εφαρμογή (Application) συντελεί στην εκτέλεση ενός συγκεκριμένου έργου από ένα υπολογιστικό σύστημα. Παραδείγματα Εφαρμογών: Υπολογισμός μέσου όρου βαθμολογίας φοιτητών, Υπολογισμός απουσιών φοιτητών, Κειμενογράφος. 7

γ) Το Λειτουργικό Σύστημα (Operating System) αποτελεί το κύριο σύστημα λειτουργίας ενός υπολογιστή. Τα πιο γνωστά λειτουργικά συστήματα είναι: DOS, Unix, Windows κλπ. δ) Ο προγραμματισμός είναι οι διαδικασίες που ακολουθούνται από το σύστημα του υπολογιστή για την περάτωση μιας ενέργειας. Αποτελείται από ένα σύνολο εντολών που καλείται να εκτελέσει το υπολογιστικό σύστημα για κάποιο σκοπό. ε) Το Υλικό Τμήμα ενός Υπολογιστικού Συστήματος είναι το σύνολο των μηχανικών, ηλεκτρικών και ηλεκτρονικών εξαρτημάτων του. στ) Η Πληροφορία είναι το αποτέλεσμα που παρέχει ένα υπολογιστικό σύστημα σύμφωνα με τα δεδομένα που έχουν εισαχθεί και την επεξεργασία που έχει διεξαχθεί. 7. Πληροφορία και Πληροφορική Πληροφορία ( Information) είναι η ερμηνεία των αποτελεσμάτων που μας δίνει η επεξεργασία των δεδομένων. Η έγκαιρη και αξιόπιστη πληροφορία είναι το πλέον απαραίτητο στοιχείο για τη λήψη σωστών αποφάσεων. Πληροφορική (IST-Information Science & Technology) είναι η επιστήμη και η τεχνολογία που έχει σαν αντικείμενο την έρευνα, συλλογή, αποθήκευση, επεξεργασία, παραγωγή και μετάδοση των πληροφοριών, χρησιμοποιώντας ως κύριο εργαλείο-μέσο τον ηλεκτρονικό υπολογιστή. 8