Προγράμματα Σπουδών Αρχικής Επαγγελματικής Κατάρτισης (ΟΑΕΔ) του Τομέα Πληροφορικής Τηλεπικοινωνιών Δικτύων ΤΜΗΜΑ Τεχνικών Εφαρμογών Πληροφορικής Με Πολυμέσα (Multimedia)
Ο υπολογιστής πολυμέσων (multimedia PC ή MPC) ήταν μια διαμόρφωση για έναν προσωπικό υπολογιστή με απαραίτητο- έναν οδηγό CD-ROM. Τα πρότυπα καθορίστηκαν και ονομάστηκαν από το Multimedia PC Marketing Council ( Εμπορικό Συμβούλιο υπολογιστών πολυμέσων ), το οποίο ήταν μία ομάδα εργασίας της Ένωσης Εκδοτών Λογισμικού (Software Publishers Association). Το πρότυπο του MPC υιοθέτησαν εταιρείες όπως η Microsoft, η Creative Labs, η Dell, η Gateway, και η Fujitsu. Οποιοδήποτε PC με τα απαραίτητα πρότυπα χαρακτηριστικά, θα μπορούσε να κληθεί «MPC» με τη χορήγηση αδειών της χρήσης του λογότυπου από την Ένωσης Εκδοτών Λογισμικού. Οι οδηγοί CD-ROM εμφανίστηκαν στην αγορά το 1990, και ήταν δύσκολο να διαβιβαστούν σε ήδη υπάρχοντες υπολογιστές καταναλωτών, λόγω μη συμβατότητας, ώστε να καλυφθούν οι απαιτήσεις για χρήση του «λογισμικού πολυμέσων», το οποίο σήμανε συνήθως «προβολή βίντεο σε ένα PC μέσω ενός οδηγού CD-ROM». Τα MPC ήταν σχεδιασμένα να καλύπτουν αυτές τις απαιτήσεις, έτσι ένας καταναλωτής αγοράζοντας υλικό ή λογισμικό θα μπορούσε απλά να ψάξει το λογότυπο MPC και να βεβαιωθεί για τη συμβατότητα. Το πρότυπο MPC δεν υπήρξε ποτέ μια μεγάλη επιτυχία και είναι σπάνιο σήμερα να συναντήσει κανείς λογισμικό ή υλικό που να χαρακτηρίζεται με τον όρο «MPC». Δεδομένου ότι το εν λόγω πρότυπο απέτυχε να πιάσει τόσο όσο αρχικά υπολόγιζαν, η Ένωση Εκδοτών Λογισμικού σταμάτησε να ασχολείται με αυτό προς το τέλος της δεκαετίας του '90, και έτσι το ενδιαφέρον για τα πρότυπα MPC εξαφανίστηκε. Παρόλα αυτά, το πρόβλημα συμβατότητας λογισμικού συνεχίζει να υπάρχει, ειδικά στον τομέα των PC games, όπου ένας μεγάλος αριθμός τρισδιάστατων βίντεο καρτών έχει κατασκευαστεί με ένα εξαιρετικά ευρύ φάσμα ικανοτήτων επίδειξης, και κανενός κοινού προτύπου συμβατότητας που να ενημερώνει τους καταναλωτές εάν η κάρτα τους είναι αρκετά ισχυρή ώστε να επιτρέπει να παίξουν ένα ιδιαίτερο παιχνίδι. MPC επίπεδο 1 Το πρώτο κατώτατο επίπεδο MPC, καθορίστηκε το 1990 16 MHZ 386SX CPU 2 ΜΒ RAM 30 ΜΒ σκληρός δίσκος 256-bit χρώματα, 640 480 VGA κάρτα βίντεο 1x (ενιαία ταχύτητα) οδηγός CD-ROM που χρησιμοποιεί λιγότερος από 40% της CPU για να διαβάσει, με < 1 δευτερόλεπτο επιδιωκόμενο χρόνο Κάρτα ήχου εξόδου 22kHz, 8-bit ήχος, και εισόδου 11kHz, 8-bit ήχος Windows 3.0 με τις Επεκτάσεις Πολυμέσων Προτυποποίηση ενός υπολογιστή πολυμέσων (Multimedia PC ή MPC) MPC επίπεδο 2 Το 1993, το δεύτερο κατώτατο επίπεδο MPC αναγγέλθηκε 25 MHZ 486SX CPU 4 ΜΒ RAM 160 ΜΒ σκληρός δίσκος 16-bit χρώματα, 640 480 VGA κάρτα βίντεο 2x (διπλή ταχύτητα) οδηγός CD-ROM που χρησιμοποιεί λιγότερος από 40% της CPU για να διαβάσει σε 1x, με < 1 δευτερόλεπτο επιδιωκόμενο χρόνο Κάρτα ήχου εξόδου 44kHz, 16-bit «ποιότητας CD» ήχος Windows 3.0 με τις Επεκτάσεις Πολυμέσων, ή Windows 3.1 MPC επίπεδο 3 Το 1996 αναγγέλθηκε το τρίτο επίπεδο του MPC 75 MHz Pentium CPU 8 MB RAM 540 MB σκληρός δίσκος Σύστημα βίντεο προβολής που μπορεί να προβάλει 352 240 σε 30 πλαίσια (frames) ανά δευτερόλεπτο, 16-bit χρώματα MPEG-1 video playback υλικό ή λογισμικό 4x CD-ROM drive using no more than 40% of CPU to read, with < 250 ms seek time Κάρτα ήχου εξόδου 44 khz, 16-bit «ποιότητας CD» ήχος Windows 3.11-2 -
Μητρική Πλακέτα και ο ρόλος της στον υπολογιστή Η μητρική πλακέτα (motherboard) είναι μια πολύ βασική συσκευή του υπολιστικού συστήματος. Αν ο επεξεργαστής είναι το μυαλό του υπολογιστή, η μητρικη πλακέτα είναι το κεντρικό "νευρικό" σύστημα που χρησιμοποιεί ο επεξεργαστής για να ελέγχει τα άλλα μέρη του υπολογιστικού συστήματος. Παίζει σημαντικό ρόλο στα παρακάτω ζητήματα: Οργάνωση: Με τον ένα ή με τον άλλο τρόπο, όλα είναι τελικά συνδεδεμένα με τη μητρική πλακέτα. Ο τρόπος με τον οποίο είναι σχεδιασμένη, υπαγορεύει τον τρόπο με τον οποίο ολόκληρος ο υπολογιστής πρόκειται να οργανωθεί. Έλεγχος: Η μητρική πλακέτα περιλαμβάνει το chipset 1 και τα προγράμματα του BIOS 2, τα οποία ελέγχουν το μεγαλύτερο μέρος της ροής των δεδομένων μέσα στον υπολογιστή. Επικοινωνία: Όλες οι επικοινωνίες μεταξύ του υπολογιστή και των περιφερειακών του, του υπολογιστή και άλλων υπολογιστών, ακόμα και με το χρήστη εκτελούνται μέσω της μητρικής πλακέτας. Υποστήριξη του Επεξεργαστή: Η μητρική πλακέτα υπαγορεύει άμεσα την επιλογή του επεξεργαστή του συστήματος. Υποστήριξη των Περιφερειακών: Η μητρική πλακέτα καθορίζει, σε ένα μεγάλο μέρος, το είδος των περιφερειακών που μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε στον υπολογιστή. Για παράδειγμα, ο τύπος της κάρτας γραφικών που το σύστημα μπορεί να χρησιμοποιήσει (ISA, VLB, PCI), εξαρτάται από τους διαύλους που η μητρική χρησιμοποιεί. Απόδοση: Η μητρική πλακέτα είναι ένας αποφασιστικός παράγοντας για την απόδοση του συστήματος, για δύο κύροιυς λόγους. Ο πρώτος και βασικότερος, γιατί υπαγορεύει τον τύπο του επεξεργαστή, της μνήμης, των διαύλων, την ταχύτητα interface σκληρού δίσκου, που το σύστημα μπορεί να χρησιμοποιήσει και αυτά τα στοιχεία επηρεάζουν άμεσα την απόδοση του συστήματος. Κατά δεύτερον, η ποιότητα των κυκλωμάτων της μητρικής και το chipset έχουν αντίκτυπο στην απόδοση του συστήματος. Ικανότητα αναβάθμισης: Οι ικανότητες της μητρικής πλακέτας καθορίζουν την αναβάθμιση που μπορούμε να κάνουμε στον υπολογιστή μας. Για παράδειγμα υπάρχουν μητρικές, οι οποίες μπορούν να δεχτούν μέχρι και Pentium 133 MHz, ενώ άλλες μέχρι 200 MHz. Προφανώς, η δεύτερη θα μας δώσει περισσότερες δυνατότητες αναβάμισης, αν ξεκινήσουμε με ένα P133 επεξεργαστή. Εικόνα 1: Chipset Εικόνα 2: Το chip του BIOS 1 Ένα chipset είναι σχεδιασμένο να δουλεύει με ένα συγκεκριμένο σύνολο υπολογιστών. Γενικά, τα περισσότερα chipsets υποστηρίζουν μια "τάξη" επεξεργαστών. Τα περισσότερα είναι σχεδιασμένα για συστήματα 486, Pentum και Pentium Pro / II. Ο λόγος για τον οποίο γίνεται αυτό είναι απλός και έχει να κάνει με το γεγονός ότι η σχεδίαση του κυκλώματος ελεγκτή πρέπει να είναι διαφορετική για κάθε μία από αυτές τις οικογένειες επεξεργαστών, λόγω του ότι έχουν διαφορετικούς τρόπους χρήσης της κρυφής μνήμης, της προσπέλασης στη μνήμη κλπ. 2 Το BIOS του συστήματος (BIOS System-Basic Input Output System-Βασικό σύστημα εισόδου / εξόδου) είναι λογισμικό (του χαμηλότερου επίπεδου) που λειτουργεί ως διασύνδεση (interface) μεταξύ του hardware (κυρίως του επεξεργαστή και των chipsets) και του λειτουργικού συστήματος. Επίσης, το BIOS του συστήματος είναι υπεύθυνο για μια σειρά ελέγχων (ρυθμίσεις του hardware) καθώς και για τη σωστή εκκίνηση του υπολογιστή. To chip που περιέχει το BIOS τοποθετείται σε ειδική υποδοχή πάνω στη μητρική πλακέτα και περιέχει εκτός των άλλων κυκλωμάτων μια μνήμη ROM (BIOS ROM) και μια μνήμη RAM ειδικού τύπου (BIOS CMOS). - 3 -
Εικόνα 3: Μητρικές Πλακέτες - 4 -
Τα συστατικά της Μητρικής Πλακέτας Τυπωμένα ολοκληρωμένα κυκλώματα Οι μητρικές πλακέτες είναι τυπωμένα ολοκληρωμένα κυκλώματα πολλαπλών επιπέδων, γι' αυτό και ορισμένες φορές αποκαλούνται και PCBs (Printed Circuit Boards). Η φυσική πλακέτα, την οποία βλέπουμε είναι ένα σάντουιτς από αρκετά λεπτότερα κυκλώματα, κάθε ένα από τα οποία περιέχει κάποια από τα κυκλώματα που απαιτούνται για να συνδεθούν τα διάφορα συστατικά πάνω στην πλακέτα. Κάποτε αυτό ήταν ακριβό, δύσκολο για να κατασκευαστεί, αλλά ο καιρός και η αυτοματοποίηση μείωσαν την πολυπλοκότητα της κατασκευής. Οι καλές μητρικές πλακέτες είναι σταθερές και καλά σχεδιασμένες, ενώ οι φτηνές συνήθως έχουν αυξημένη πιθανότητα ύπαρξης ηλεκτρικών προβλημάτων στην πλακέτα. Επιπρόσθετα, οι καλύτερες μητρικές μειώνουν τα προβλήματα παρεμβολής, εξαιτιάς της σχεδιάσης τους και μειώνουν το ρίσκο να δημιουργηθούν προβλήματα κατά την συναρμολόγηση του υπολογιστή. Οι λεπτές μητρικές είναι περισσότερο ευάλωτες στο να σπάσουν, όταν τοποθετούνται πάνω τους τα περιφεριακά. όσο πιο χοντρή η πλακέτα, τόσο καλύτερα. Εικόνα 4: Τυπωμένα κυκλώματα μητρική πλακέτας Υποδοχή του Επεξεργαστή Οι μητρικές πλακέτες έχουν μια ή περισσότερες υποδοχές για να συγκρατούν τον επεξεργαστή(-ές). Οι μητρικές που δέχονται ένα επεξεργαστή είναι οι πιο συνηθισμένες, αλλά μητρικές περισσότερων επεξεργαστών δεν είναι δύσκολο να βρεθούν. Ο τύπος της υποδοχής υπαγορεύει και τον τύπο του επεξεργαστή (και σε κάποιες περιπτώσεις την ταχύτητα) που μπορεί να χρησιμοποιηθεί από τη μητρική πλακέτα. Τα στάνταρς για τις υποδοχές των επεξεργαστών έχουν δημιουργηθεί από την Intel. Οι παλαιότεροι επεξεργαστές, μέχρι και τον Pentium Pro, χρησιμοποιούσαν μια ορθογωνίου σχήματος υποδοχή για τον επεξεργαστή. Οι πιο καινούριοι επεξεργαστές, αρχίζοντας από τον Pentium II, είναι τοποθετημένοι πάνω σε μια θυγατρική πλακέτα, που χρησιμοποιεί ένα SEC 3 (Single Edge Connector) για να συνδεθεί με τη μητρική πλακέτα. Εικόνα 5: Υποδοχή επεξεργαστή σε κάθετη κάρτα (slot 1) Εικόνα 6: Υποδοχή (ZIF) επεξεργαστή Μερικές μητρικές πλακέτες έχουν υποδοχή που χρησιμοποιεί την υποδοχή ZIF 4 (Zero Insertion Force- μηδενική δύναμη εισαγωγής), που επιτρέπει στον επεξεργαστή να τοποθετηθεί ή να 3 Η SEC είναι μια θυγατρική κάρτα, όχι μια συσκευασία chip. Αυτό επιτρέπει μεγαλύτερη ταχύτητα στην αλληλεπίδραση με την δευτερεύουσα κρυφή μνήμη, καθώς δεν βρίσκεται πάνω στη μητρική πλακέτα, όπως συμβαίνει με τις μητρικές πλακέτές για Pentium και Pentium MMX 4 Μια ZIF υποδοχή είναι σχεδιασμένη με ένα ειδικό μοχλό που είτε σφίγγει, είτε χαλαρώνει τους συνδέσμους της υποδοχής. Ανασηκώνοντας το μοχλό, η υποδοχή χαλαρώνει επιτρέποντας στον επεξεργαστή να τοποθετηθεί ή να απομακρυνθεί εύκολα (με "μηδενική δύναμη"). Κατεβάζοντας το μοχλό η υποδοχή σφίγγει εξασφαλίζοντας τη σωστή τοποθέτηση του επεξεργαστή. - 5 -
απομακρυνθεί από την πλακέτα χρησιμοποιώντας ένα μοχλό, ο οποίος σφίγγει και χαλαρώνει τους ακροδέκτες (pin) του επεξεργαστή στην υποδοχή. Αυτή είναι μια τεράστια βελτίωση σε σχέση με τις παλαιότερες υποδοχές, οι οποίες απαιτούσαν την καταβολή αξιοσημείωτης δύναμης στην επιφάνεια ενός εύθραστου (και ακριβού) επεξεργαστή, απλά για να τοποθετηθεί στην υποδοχή. Υποδοχές μνήμης Οι περισσότερες μητρικές πλακέτες σήμερα έχουν από 2 έως 8 υποδοχές για τη μνήμη (memory sockets). Αυτές συνήθως είναι SIMMs (Single Inline Memory Modules) ή DIMMs (Dual Inline Memory Modules). Εικόνα 7: SIMMs υποδοχές μνήμης Οι μητρικές συνήθως ονομάζουν αυτές τις υποδοχές τους ως εξής: "SIMM0" εώς "SIMM7" ή "DIMM0" εώς "DIMM3" και διαφόρους άλλους τέτοιους συνδυασμούς. Οι υποδοχές συνήθως γεμίζονται, αρχίζοντας από την μικρότερη αριθμητικά υποδοχή. Οι περισσότερες μητρικές για Pentium και μεταγενέστερους επεξέργαστες, απαιτούν οι υποδοχές SIMMs να γεμίζονται κατά ζευγάρια, αντίθετα με τις DIMMs, οι οποίες μπορούν να γεμίζονται και ξεχωριστά. Για παράδειγμα αν θέλουμε να τοποθετήσουμε 32MB SIMM RAM θα πρέπει να τα τοποθετήσουμε σε δύο υποδοχές από 16ΜΒ RAM. Υποδοχές κρυφής μνήμης Εικόνα 8: DIMMs υποδοχές μνήμης Όλες οι καινούριες μητρικές πλακέτες μετά τον 486 και τον Pentium, έχουν ενσωματωμένη δευτερεύσουσα μνήμη ή υποδοχή για να τοποθετηθεί. Αυτή η μνήμη αποκαλείται και δευτέρου επιπέδου ("Level 2","L2") κρυφή μνήμη. Οι μητρικές πλακέτες για τον Pentium Pro και τον Pentium II δεν έχουν υποδοχή για δευτέρου επιπέδου κρυφή μνήμη πάνω τους. Είναι ενοποιημένη με τον επεξεργαστή στον Pentium Pro και μέσα στη συσκευασία του επεξεργαστή για τον Pentium II. Η παρουσία δευτέρου επιπέδου κρυφής μνήμης πάνω στη μητρική φαίνεται ότι θα αποτελεί παρελθόν σε λίγα χρόνια. Η τάση είναι να τοποθετείται κατευθείαν η L2 κρυφή μνήμη πάνω στον επεξεργαστή (Pentium Pro) ή πάνω σε μια θυγατρική πλακέτα (Pentium II και επόνενοι επεξεργαστές). - 6 -
Υποδοχές διαύλων εισόδου/εξόδου Όλες οι μητρικές πλακέτες έχουν ένα ή περισσότερους διαύλους εισόδου/εξόδου, οι οποίοι χρησιμοποιούνται για να επεκτείνουν τις ικανότητες του υπολογιστή. Αυτές οι υποδοχές επιτρέπουν την επέκταση των ικανοτήτων του συστήματος με διάφορους τρόπους. Σε ένα τυπικό υπολογιστή είναι σχεδόν σίγουρο ότι υπάρχουν τουλάχιστον δύο τύποι διαύλων Ε/Ε 5 : ISA και PCI. Εικόνα 9: Υποδοχές διαύλου ISA Ελεγκτής πληκτρολογίου Εικόνα 10: Υποδοχές διαύλου PCI Ο ελεγκτής πληκτρολογίου κάνει ότι ακριβώς υπονοεί το όνομα του. Επίσης, ελέγχει την ενσωματρωμένη PS/2 θύρα, αν υπάρχει στη μητρική. Σε κάποιους πιο σύγχρονους υπολογιστές, αυτός ο ελεγκτής είναι ενσωματωμένος στο chip του ελεγκτή Super I/O 6, έτσι η μητρική μπορεί να μην έχει ένα ξεχωριστό chip για αυτή τη δουλειά. Εικόνα 11: Ελεγκτής πληκτρολογίου Ρολόι πραγματικού χρόνου και Chip Μνήμης CMOS Αυτό το chip στηρίζει το πραγματικού χρόνου ρολόι το οποίο κρατάει την ημερομηνία και την ώρα στον υπολογιστή, καθώς επίσης και την CMOS RAM, η οποία κρατάει τις ρυθμίσεις του BIOS. Τροφοδοτείται από μια μπαταρία, η οποία μερικές φορές μπορεί να είναι ενσωματωμένη και στο ρολόι πραγματικού χρόνου. Ελεγκτής Super I/O To chip του ελεγκτή Super I/O εκτελεί πολλές από τις βασικές λειτουργίες εισόδου - εξόδου, οι οποίες συνήθως γίνονται από πολλαπλά μικρότερα chips. BIOS Chips Το BIOS σύστημα του υπολογιστή είναι κωδικοποιημένο σε chips μνήμης ανάγνωσης μόνο (read- only memory, ROM), που βρίσκονται πάνω στη μητρική πλακέτα. Συνήθως υπάρχουν ένα ή δύο BIOS chips, εξαρτάται από την πλακέτα, και συχνά το όνομα τους είναι το όνομα της εταιρίας που κατασκευάζει το λογισμικό του BIOS (συνήθως Award ή AMI). 5 Οι δίαυλοι εισόδου-εξόδου συνδέουν τον επεξεργαστή με όλα τα άλλα μέρη του υπολογιστή, εκτός από την κύρια μνήμη. Τα δεδομένα μετακινούνται πάνω στους διαύλους εισόδου-εξόδου, από το ένα μέρος στο άλλο και από εκεί στον επεξεργαστή και την κύρια μνήμη. 6 Ο super I/O ελεγκτής είναι ένα ξεχωριστό chip, που μοιάζει πολύ με το chipset του συστήματος και εκτελεί πολλές λειτουργίες, οι οποίες χρειάζονταν περισσότερα μέρη του hardware στο παρελθόν. Αυτό απλουστεύει τη σχεδίαση και μειώνει το κόστος. - 7 -
Γέφυρες βραχυκύκλωσης Εικόνα 12: BIOS Chip Οι γέφυρες βραχυκύκλωσης (jumpers) είναι ακροδέκτες (pins) πάνω στη μητρική πλακέτα ή σε άλλες συσκευές, οι οποίοι χρησιμοποιούνται για να παρέχουν πληροφορίες διαμόρφωσης στο hardware. Ένα απλό jumper αποτελείται από ένα ζευγάρι ακροδεκτών με μια μικρή ορθογώνια αντίσταση εκτροπής ρεύματος, η οποία συγκρατεί τους δύο αυτούς ακροδέκτες μαζί. Το hardware είναι προγραμματισμένο να λειτουργεί με διαφορετικό τρόπο όταν τα jumpers κάνουν κύκλωμα και αλλιώς όταν είναι ανοιχτά. Για κάποιες λειτουργίες χρησιμοποιείται ένα σύνολο από jumpers. Μια από τις πιο πρόσφατες καινοτομίες στην αγορά είναι οι μητρικές πλακέτες χωρίς jumpers. Σε αυτές τις μητρικές μπορούμε να κάνουμε πολλές ρυθμίσεις του hardware, όπως την ταχύτητα, τον τύπο και την τάση του ρεύματος του επεξεργαστή, από το BIOS. Αυτή η διευθέτηση επιτρέπει την αλλαγή της ταχύτητας του επεξεργαστή, τόσο εύκολα, όπως οποιαδήποτε ρύθμιση του BIOS. Εικόνα 13: Γέφυρα βραχυκύκλωσης με δύο ακροδέκτες Γενικότερα με τα jumpers της μητρικής πλακέτα μπορούμε να ρυθμίσουμε: Τάση του επεξεργαστή: Όλες σχεδόν οι νεότερες μητρικές πλακέτες έχουν ένα ή δύο jumpers για να ρυθμίζουν την τάση του επεξεργαστή. Προφανώς, αυτά πρέπει να καθοριστούν σωστά, διαφορετικά οι συνέπειες μπορεί να είναι καταστροφικές. Επιπλέον, νεότεροι επεξεργαστές χρησιμοποιούν δύο επίπεδα τάσης: μια "εξωτερική" τάση Ε/Ε και μία τάση "πυρήνα". Προκειμένου η μητρική πλακέτα να υποστηρίζει αυτούς τους νέους επεξεργαστές, πρέπει να έχει jumpers που να καθορίζουν και τα δύο επίπεδα τάσης. Ταχύτητα επεξεργαστή /ταχύτητα διαύλου / Πολλαπλασιαστές: Κάθε μητρική πλακέτα από της 486 και μεταγενέστερες, έχει έναν τρόπο να καθορίζει την ταχύτητα του επεξεργαστή. Υπάρχουν δύο κύριες μέθοδοι για την επιλογή της ταχύτητας του επεξεργαστή. Μερικές μητρικές παρέχουν μια λίστα από διάφορες ταχύτητες που υποστηρίζουν και ένα διάγραμμα του πως να ρυθμίσουμε τα jumpers για να πετύχουμε την κάθε ταχύτητα. Ενώ άλλες απαιτούν τον καθορισμό δύο διαφορετικών jumpers: ένα ελέγχει την ταχύτητα του διαύλου μνήμης και το άλλο ρυθμίζει τον πολλαπλασιαστή του επεξεργαστή. Τύπος του επεξεργαστή: Προκειμένου να απαλλάξουν το χρήστη από τη δουλειά της ρύθμισης της τάσης και της ταχύτητας, μερικές μητρικές πλακέτες συνδυάζουν τα jumpers σε ένα σύνολο ή ομάδα από jumpers. Κατόπιν, παρέχουν μια μεγάλη λίστα με κάθε τύπο επεξεργαστή και ταχύτητα που υποστηρίζει η μητρική, παραθέτοντας και τις κατάλληλες ρυθμίσεις για κάθε συνδυασμό. Μέγεθος και τύπος κρυφής μνήμης: Μερικές μητρικές πλακέτες μπορεί να έχουν διαφορετικές ποσότητες κρυφής μνήμης, είτε ενσωματωμένες, είτε σε ένα COAST module. - 8 -
Υπάρχει συχνά ένα ή δύο jumpers τα οποία χρησιμοποιούνται για να ορίχουν ποιά χρησιμοποιείται και πόση κρυφή μνήμη υπάρχει πάνω στη μητρική πλακέτα. Τύπος και μέγεθος κύριας μνήμης: Σχεδόν όλοι οι νεότεροι προσωπικοί υπολογιστές αυτο-αναγνωρίζουν την ποσότητα και τον τύπο της κύριας μνήμης του συστήματος, αλλά πολλές παλιότερες (486) απαιτούν jumpers τα οποία θα αλλάζουν όταν θα αλλάζει η ποσότητα της μνήμης. Ενεργοποίηση flash BIOS: Πολλές μητρικές πλακέτες απαιτούν να ορίσουμε ειδικά jumpers, προκειμένου να ενεργοποιηθεί το flash BIOS 7. Αυτό το jumper είναι συνήθως ορισμένο σε "normal". Συνδετήρες πληκτρολογίου και ποντικιού Αυτοί οι συνδετήρες βρίσκονται τοποθετημένοι στο πίσω μέρος της μητρικής πλακέτας. Οι τύποι των συνδετήρων πληκτρολογίου και ποντικιού του υπολογιστή εξαρτώνται από τον τύπο της μητρικής. Οι καινούριοι υπολογιστές, που χρησιμοποιούν ATX, LPX ή NLX μητρικές χρησιμοποιούν ένα ζευγάρι από μικρούς συνδετήρες των 6 ακροδεκτών για το πληκτρολόγιο και ξεχωριστό (PS/2) για το ποντίκι. Οι παλαιότεροι υπολογιστές που χρησιμοποιούσαν AT μητρικές είχαν ένα συνδετήρα των 5 ακροδεκτών για το πληκτρολόγιο, δεν είχαν ξεχωριστό για το ποντίκι και χρησιμοποιούσαν μια σειριακή θύρα για αυτή τη δουλειά. Εικόνα 14: Συνδετήρας πληκτρολογίου Εικόνα 15: Συνδετήρας ποντικιού Συνδετήρας τροφοδοσίας Οι μητρικές έχουν μια υποδοχή για να εφαρμόζουν τα καλώδια που έρχονται από το τροφοδοτικό. Οι ΑΤΧ μητρικές και τα τροφοδοτικά χρησιμοποιούν για την τροφοδοσία ένα καλώδιο 20 ακροδεκτών. Όλα τα υπόλοιπα χρησιμοποιούν ένα ζευγάρι από καλώδια 6 ακροδεκτών. Τα καλώδια είναι συνδεδεμένα με τη μητρική, κατά τέτοιο τρόπο, έτσι ώστε οι μαύροι ακροδέκτες (γείωση) να είναι μαζί στο κέντρο. Αυτός ο συνδετήρας βρίσκεται στην πίσω πλευρά της μητρικής πλακέτας κοντά στο τροφοδοτικό. Εικόνα 16: Συνδετήρας τροφοδοσίας Ρυθμιστής Ηλεκτρικής Τάσης Το γεγονός ότι ο επεξεργαστής και όλες οι υπόλοιπες συσκευές λειτουργούν με διαφορετική τάση, έχει οδηγήσει στην ανάγκη για ένα ή περισσότερους ρυθμιστές τάσης (voltage regulators) στις πιο σύγχρονες μητρικές πλακέτες. Αυτοί οι ρυθμιστές μειώνουν τα 5.5V που χρησιμοποιούν οι υπόλοιπες συσκευές στα 3.3V ή χαμηλότερα για τις ανάγκες του επεξεργαστή. 7 Το περιεχόμενο (BIOS program) μπορεί να αλλάξει/ αναβαθμιστεί με την βοήθεια ενός ειδικού προγράμματος το οποίο αποστέλλεται από τον κατασκευαστή του BIOS. Με αυτόν τον τρόπο αναβαθμίζεται το BIOS program χωρίς να αντικατασταθεί το αντίστοιχο chip και με μικρότερο κόστος. Η διαδικασία ονομάζεται flashing the BIOS ενώ το αντίστοιχο chip λέγεται flash BIOS. - 9 -
Εικόνα 17: Ρυθμιστής ηλεκτρικής τάσης Chipset Chips Στις περισσότερες μητρικές πλακέτες υπάρχουν από δύο μέχρι τέσσερα τέτοια chips, τα οποία έχουν την ονομασία της εταιρίας που τα έχει προμηθεύσει. Το chipset κανονικά ελέγχει τον έλεγχο της ροής των δεδομένων από και προς τον επεξεργαστή, στη μνήμη και την κρυφή μνήμη, όπως επίσης και τους διαύλους του συστήματος. Εικόνα 18: Chipset chip Πυκνωτές Οι πυκνωτές είναι ηλεκτρικές συσκευές, οι οποίες χρησιμοποιούνται για να φιλτράρουν και να μειώνουν τις ακμές των ηλεκτρικών σημάτων πάνω στη μητρική πλακέτα. Πολλοί κατασκευαστές προσπαθούν να μειώσουν το κόστος μέσω των πυκνωτών, μειώνοντας τον αριθμό τους πάνω στην πλακέτα ή χρησιμοποιώντας μικρότερους και φτηνότερους. Με την χρήση οι φτηνοί πυκνωτές χάνουν την αποτελεσματικότητας τους. Εικόνα 19: Πυκνωτές Μπαταρία Οι υπολογιστές χρησιμοποιούν μια χαμηλή τάσης μπαταρία, για να συγκρατούν κάποιες βασικές πληροφορίες όταν είναι εκτός τροφοδοσίας, για παράδειγμα τις ρυθμίσεις του BIOS και την παρούσα ημερομηνία και ώρα. Η μπαταρία μπορεί να είναι διαφόρων ειδών. Σε πολλούς παλιούς υπολογιστές είναι ένα μεγάλο ορθογώνιο κουτί, το οποίο συνδέεται με τη μητρική πλακέτα με καλώδια. Κάποιοι υπολογιστές χρησιμοποιούν μια μπαταρία τοποθετημένη πάνω στη μητρική, η οποία έχει κυλινδρικό σχήμα. Γενικά αυτές οι μπαταρίες δεν είναι αποσπάσιμες. Κάποιοι χρησιμοποιούν επίπεδη μπαταρία ρολογιού, με μια μεταλλική συσκευή συγκράτησης. Μερικοί υπολογιστές δεν φαίνεται να έχουν καθόλου μπαταρία. Σε αυτή την περίπτωση η μπαταρία μπορεί να είναι λιθίου και να είναι ενσωματωμένη σε άλλες συσκευές (τυπικά στο - 10 -
πραγματικού χρόνου ρολόι). Επίσης μπορεί να είναι τύπου νικελίου-καλμίου (μερικές φορές αποκαλείται και συσσωρευτής) και επαναφορτίζεται όποτε ο υπολογιστής τίθεται σε λειτουργία. Αυτές οι μπαταρίες δεν μπορούν να αντικατασταθούν και η διάρκεια λειτουργίας τους κυμαίνεται από πέντε έως δέκα χρόνια. Εικόνα 20: Μπαταρία υπολογιστή Θύρες και Headers Οι θύρες είναι συνδετήρες που χρησιμοποιούνται για να συνδέουν εξωτερικά καλώδια και συσκευές πάνω στη μητρική πλακέτα. Επιπρόσθετα από τους συνδετήρες του πληκτρολογίου και τον PS/2 του ποντικιού, κάποιες μητρικές (όπως η ATX) έχουν στο πίσω μέρος ενσωματωμένες παράλληλες και σειριακές θύρες. Εικόνα 21: Σειριακή θύρα Εικόνα 22: Παράλληλη θύρα Οι μητρικές πλακέτες που δεν χρησιμοποιούν ενσωματωμένες θύρες, χρησιμοποιούν αντί για αυτές headers. Τα headers είναι σύνολα από ακροδέκτες που χρησιμοποιούνται για να συνδέουν συσκευές ή θύρες πάνω στη μητρική. Ένα καλώδιο ξεκινάει από τη θύρα και συνδέεται με τα headers πάνω στην πλακέτα. Παρακάτω αναφέρονται μερικά από τα headers που βρίσκονται σε μία μητρική πλακέτα τύπου baby AT: Σειριακών θυρών: Όπως αναφέρθηκε, υπάρχουν συνήθως δύο headers για σειριακές θύρες. Κάθε μία έχει 9 ή 10 ακροδέκτες. Παράλληλης θύρας: Το header αυτό χρησιμοποιείται για την εξωτερική παράλληλη θύρα και έχει 26 ακροδέκτες (στην πραγματικότητα χρησιμοποιούνται οι 25) Θύρας PS/2 ποντικιού: Μερικές καλές μητρικές παρέχουν ένα header για το ποντίκι τύπου PS/2 όταν αυτή η θύρα δεν υπάρχει ήδη πάνω στη μητρική. USB: Μία νέα τεχνολογία, η USB, σκοπεύει να γίνει το στάνταρ για τη διασύνδεση συσκευών όπως πληκτρολόγιο, ποντίκι και εξωτερικά modems. Εφόσον δεν είναι ακόμη πολύ κοινή τεχνολογία, πολλές μητρικές παρέχουν ένα header για την προσθήκη μιας νέας θύρας αν θελήσουμε στο μέλλον. Primary και Secondary IDE/ATA interface σκληρού δίσκου: Οι περισσότερες καινούργιες μητρικές, έχουν ολοκληρωμένα headers για τα δύο αυτά κανάλια IDE. Κάθε ένα έχει 40 ακροδέκτες. Interface εύκαμπτου δίσκου: Οι καινούργιες μητρικές παρέχουν ένα header των 34 ακροδεκτών για το καλώδια του οδηγού εύκαμπτου δίσκου. SCSI: Μερικές μητρικές έχουν ολοκληρωμένες θύρες SCSI ή headers, και κάτι τέτοιο είναι ασυνήθιστο. Αυτές είναι των 60 ακροδεκτών. Εικόνα 23: Headers - 11 -
Περίληψη Το παρακάτω σχεδιάγραμμα δείχνει τα περιεχόμενα μιας μητρικής πλακέτας, καθώς και τη θέση που αυτά έχουν πάνω στη μητρική. Εικόνα 24: Περιεχόμενα μητρικής πλακέτας 1. Συνδετήρες πληκτρολογίου και ποντικιού. 2. Συνδετήρας τροφοδοσίας. 3. Υποδοχές μνήμης (DIMM). 4. Συνδετήρας εύκαμπτου δίσκου. 5. Συνδετήρα IDE σκληρού δίσκου. 6. tagram. 7. Chipsets. 8. Δευτερεύουσα κρυφή μνήμη. 9. Υποδοχή COASt. 10. Υποδοχή επεξεργαστή. 11. Flash BIOS. 12..BIOS CMOS. 13. Μπαταρία. 14. Υποδοχές διαύλου ISA. 15. Υποδοχές διαύλου PCI. 16. Υποδοχές μνήμης (SIMM). 17. Ελεγκτές Ε/Ε: συνδετήρες για παράλληλη και σειριακή θύρα. 18. Συνδετήρας USB. - 12 -
Επεξεργαστής Η κεντρική μονάδα επεξεργασίας, ή απλά επεξεργαστής (κανονικά μικροεπεξεργαστής, αλλά για λόγους συντομίας το "μίκρο" παραλείπεται) είναι το "μυαλό" ενός υπολογιστικού συστήματος, το βασικότερο μέρος του. Εξετάζοντας σύντομα το όνομά της μπορούμε να δούμε γιατί έχει ακριβώς αυτό το όνομα. Επεξεργαστής: γιατί επεξεργάζεται δεδομένα. Κεντρικός: γιατί βρίσκεται στο κέντρο επεξεργασίας δεδομένων του υπολογιστικού συστήματος. Μονάδα: γιατί είναι ένα chip, το οποίο αποτελείται από εκατομμύρια transistors Η λειτουργία του επεξεργαστή συνίσταται στην εκτέλεση των προγραμμάτων που βρίσκονται αποθηκευμένα στην κύρια μνήμη. Τα μέρη, εν συντομία, από τα οποία αποτελείται ένας επεξεργαστής είναι τα εξής: Η Μονάδα Ελέγχου (Control Unit), η οποία είναι υπεύθυνη για την ανάκτηση των εντολών από την κύρια μνήμη και για τον προσδιορισμό του τύπου τους. Η Αριθμητική και Λογική Μονάδα (Arithmetic Logic Unit), η οποία εκτελεί αποκλειστικά πράξεις, που χρειάζονται για την εκτέλεση των εντολών. Καταχωρητές (Registers), οι οποίοι είναι μια μικρή μνήμη υψηλής ταχύτητας, που χρησιμοποιείται για την αποθήκευση προσωρινών αποτελεσμάτων και ορισμένων πληροφοριών ελέγχου. Καθένας από αυτούς τους καταχωρητές, επιτελεί μια συγκεκριμένη λειτουργία. Ο πιο σημαντικός καταχωρητής είναι ο μετρητής προγράμματος (program counter - PC), ο οποίος δείχνει την επόμενη εντολή που πρόκειται να εκτελεστεί, ενώ πολύ σημαντικός επίσης είναι ο καταχωρητής εντολών (instruction register - IR), που περιέχει την εντολή που εκτελείται εκείνη τη στιγμή. Εικόνα 25: Τα μέρη του επεξεργαστή Ο επεξεργαστής κατέχει σημαντική θέση όσον αφορά διάφορα σημαντικά θέματα του υπολογιστικού συστήματος, όπως: Απόδοση: Ο επεξεργαστής είναι ίσως ο πλέον καθοριστικός παράγοντας της απόδοσης του συστήματος. Ενώ και αρκετοί άλλοι παράγοντες έχουν σημαντική θέση στον καθορισμό της απόδοσης, οι ικανότητες του επεξεργαστή υπαγορεύουν τη μέγιστη απόδοση του συστήματος. Τα άλλα μέρη του υπολογιστή απλά επιτρέπουν στον επεξεργαστή να φτάσει στο μέγιστο των δυνατοτήτων του. Υποστήριξη λογισμικού: Καινούριοι, πιο γρήγοροι επεξεργαστές κάνουν ικανή τη χρήση καινούριου λογισμικού. Επιπρόσθετα νέοι επεξεργαστές όπως ο Pentium με τεχνολογία ΜΜΧ, καθιστούν ικανή τη χρήση ειδικού λογισμικού που δεν μπορούσε να τρέξει σε προηγούμενους επεξεργαστές. Αξιοπιστία και Σταθερότητα: Η ποιότητα του επεξεργαστή είναι ένας παράγοντας που καθορίζει πόσο αξιόπιστο είναι το σύστημα. Κάποιοι επεξεργαστές είναι αξιόπιστοι, ενώ άλλοι όχι. Κατανάλωση ενέργειας και ψύξη: Οι πρώτοι επεξεργαστές κατανάλωναν μικρή ποσότητα ενέργειας σε σχέση με τα άλλα μέρη του υπολογιστή. Οι σημερινοί υπολογιστές καταναλώνουν μεγάλα ποσά ενέργειας. Η κατανάλωση ενέργειας έχει καθοριστική σήμασια - 13 -
σε όλα, από την επιλογή της μεθόδου ψύξης του επεξεργαστή, έως τη συνολική αξιοπιστία του υπολογιστή. Υποστήριξη μητρικής πλακέτας: O επεξεργαστής που θα επιλέξουμε για το σύστημα μας είναι ένας βασικός καθοριστικός παράγοντας για το είδος του chipset που θα χρησιμοποιήσουμε και συνεπώς για το τι είδους μητρική πλακέτα θα αγοράσουμε. Η μητρική πλακέτα με τη σειρά της, καθορίζει πολλές διαστάσεις των δυνατοτήτων και της απόδοσης του συστήματος. Όπως κάθε άλλη μονάδα ενός υπολογιστικού συστήματος, έτσι και ο επεξεργαστής βρίσκεται συνεχώς υπό εξέλιξη. Οι επεξεργαστές εδώ και χρόνια διπλασιάζουν την απόδοση τους κάθε 18 μήνες και απ' ότι δείχνουν τα πράγματα αυτός ο ρυθμός μάλλον δε θα σταματήσει. Η ιστορία των επεξεργαστών είναι στενά συνδεδεμένη με δύο εταιρίες, την IBM και κυρίως την Intel. Μέχρι σήμερα μπορούμε να αναγνωρίσουμε έξι γενιές επεξεργαστών. Η αρχή όμως της συμβατότητας χαρακτηρίζει όλες αυτές τις γενιές. Τι είναι ένας επεξεργαστής Ο επεξεργαστής βρίσκεται τοποθετημένος πάνω στη μητρική πλακέτα (motherboard). Εκτελεί ένα μεγάλο μέρος από τη δουλεία του υπολογιστή και δεδομένα φτάνουν και φεύγουν από τον επεξεργαστή συνεχώς. Δέχεται εντολές επεξεργασίας δεδομένων, που πρέπει να εκτελέσει. Συνεπώς, μπορούμε να πούμε ότι η δουλειά του είναι να κάνει πράξεις και να μεταφέρει δεδομένα. Εικόνα 26: Η δουλεία του επεξεργαστή Η μεταφορά των δεδομένων από και προς τον επεξεργαστή γίνεται μέσω "δρόμων ταχείας κυκλοφορίας" δεδομένων που ονομάζονται δίαυλοι. Εικόνα 27: Η μεταφορά δεδομένων Ο επεξεργαστής τροφοδοτείται συνεχώς με δεδομένα μέσω των διαύλων. Τα δεδομένα που δέχεται μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες: Εντολές (instructions) για το πως θα διαχειριστεί τα υπόλοιπα δεδομένα. Δεδομένα, τα οποία πρέπει να διαχειριστεί σύμφωνα με τις εντολές. Αυτό που αποκαλούμε εντολές, είναι κώδικας προγράμματος. Περιλαμβάνει τα μηνύματα (εντολές) που συνεχώς στέλνουμε στον υπολογιστή μέσω του ποντικιού ή του πληκτρολογίου ή κάποιων άλλων μονάδων εισόδου. Μηνύματα για να εκτυπώσει, να αποθηκεύσει, να ανοίξει ένα αρχείο, κλπ. Δεδομένα είναι τα τυπικά δεδομένα του χρήστη. Για παράδειγμα, όταν γράφουμε ένα κείμενο σε ένα κειμενογράφο, στέλνουμε στον υπολογιστή δεδομένα. Όταν όμως ζητάμε από τον υπολογιστή να τυπώσει αυτό το κείμενο, στέλνουμε στον υπολογιστή εντολές. Εικόνα 28: Τα δεδομένα στον επεξεργαστή - 14 -
Ψηφιακή Λογική Οι υπολογιστές είναι ψηφιακές συσκευές. Σχετίζονται μόνο με μηδέν και ένα. Όλοι οι σύγχρονοι υπολογιστές, στην πραγματικότητα όλα τα κυκλώματα, λειτουργούν χειριζόμενοι αυτούς τους δυαδικούς αριθμούς χρησιμοποιώντας συναρτήσεις του hardware. Αυτές οι συναρτήσεις μπορούν να έχουν μια ή περισσότερες εισόδους και να παράγουν κάποια προκαθορισμένα σύνολα εξόδων. Υπάρχουν διάφοροι τύποι συναρτήσεων: οι μαθηματικές συναρτήσεις παίρνουν δύο δυαδικούς αριθμούς και κάνουν μια αριθμητική πράξη με αυτούς, όπως πρόσθεση ή πολλαπλασιασμό. Οι λογικές συναρτήσεις επιτρέπουν τη σύγκριση τιμών και εκτελούν λογικές λειτουργίες μεταξύ αυτών, όπως είναι το "KAI" ("AND") ή το "Ή" ("OR"). Υπάρχουν πολλά είδη τέτοιων συναρτήσεων. Μια απλή ψηφιακή συνάρτηση μπορεί να οριστεί χρησιμοποιώντας έναν πίνακα, που δείχνει τις εισόδους και την υπολογισμένη έξοδο. Για παράδειγμα ο παρακάτω πίνακας δείχνει τη συνάρτηση "Ή" με τρεις εισόδους: Είσοδος Α Είσοδος Β Είσοδος C Έξοδος 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 Όπως παρατηρούμε, η έξοδος είναι μονάδα (1) όταν μια τουλάχιστον από τις εισόδους είναι μονάδα. Στον πυρήνα τους, όλοι οι υπολογιστές χρησιμοποιούν αυτή τη βασική λογική δομή. Απλές λογικές συναρτήσεις όπως αυτή ονομάζονται πύλες. Οι σύγχρονοι πολύπλοκοι υπολογιστές δεν χρησιμοποιούν απλές "ΚΑΙ" ή "Ή" συναρτήσεις (είναι ενσωματωμένες σε μεγαλύτερα κυκλώματα), αλλά οι αρχές τους είναι ταυτόσημες. Η ταχύτητα του επεξεργαστή Εικόνα 29: Η πύλη "Ή" με τρεις εισόδους Η ταχύτητα που ένας επεξεργαστής μπορεί να τρέξει είναι συνάρτηση πολλών παραγόντων. Κάποιοι από αυτούς σχετίζονται με τη σχεδίαση του επεξεργαστή, που υπαγορεύει τις ανάγκες εσωτερικού χρονισμού, οι οποίες περιορίζουν τη μέγιστη ταχύτητα του επεξεργαστή. Οι κατασκευαστικοί παράγοντες σχετίζονται με την τεχνολογία που χρησιμοποιείται, το μέγεθος του κυκλώματος, το μέγεθος του καλουπιού και την ποιότητα της μεθόδου. Γενικά, όσο μικρότερο είναι το chip, τόσο πιο γρήγορα τρέχει. Αυτό οφείλεται μερικώς στην μειωμένη κατανάλωση ενέργειας και δημιουργία θερμότητας. Η θερμότητα δημιουργείται όταν το transistror μεταβάλλεται από μηδέν σε άσσο και το αντίστροφο και όσο πιο γρήγορα λειτουργεί το chip, τόσες περισσότερες εναλλαγές γίνονται στη μονάδα του χρόνου και τόση περισσότερη - 15 -
θερμότητα δημιουργείται. Οι σχεδιαστές μειώνουν τα μεγέθη των κυκλωμάτων για να μειώσουν τη θερμότητα, καθώς αυξάνει η ταχύτητα του επεξεργαστή. Το σύνολο των εντολών του επεξεργαστή Η δουλειά όλων των επεξεργαστών είναι να εκτελούν εντολές, οι οποίες είναι γραμμένες σε γλώσσα μηχανής (machine language) που καταλαβαίνει ο επεξεργαστής. Τα περισσότερα προγράμματα είναι γραμμένα σε υψηλότερου επιπέδου γλώσσες, αλλά θα πρέπει να μεταφραστούν σε γλώσσα μηχανής για να μπορεί ο υπολογιστή να τα εκτελέσει. Αυτό ονομάζεται μεταγλώττιση (compiling) του προγράμματος σε γλώσσα μηχανής. Όλες οι διάφορες εντολές που ο επεξεργαστής μπορεί να εκτελέσει ονομάζονται σύνολο εντολών. Το σύνολο εντολών καθορίζει τι είδος λογισμικού μπορεί να τρέξει στον επεξεργαστή. Για να είναι δύο επεργαστές συμβατοί πρέπει (εκτός και από άλλα πράγματα) να είναι ικανοί να εκτελούν τις ίδιες εντολές. Ο αριθμός και ο τύπος των εντολών που υποστηρίζονται από τον επεξεργαστή υπαγορεύει τις απαιτήσεις για όλο το λογισμικό που θα χρησιμοποιεί και έχει σημαντική σημασία στην απόδοση. Διαδρομή δεδομένων Εικόνα 30: Η μεταγλώττιση ενός προγράμματος Η εσωτερική οργάνωση ενός τμήματος του επεξεργαστή παρουσιάζεται στην παρακάτω εικόνα. Αυτό το τμήμα λέγεται διαδρομή δεδομένων και αποτελείται από τους καταχωρητές και την ALU. Εικόνα 31: Η εσωτερική οργάνωση ενός τμήματος του επεξεργαστή - 16 -
Οι καταχωρητές τροφοδοτούν δύο καταχωρητές εισόδου της αριθμητικής λογικής μονάδας (ALU), τους Α και Β. Σε αυτούς αποθηκεύεται η είσοδος της ALU, ενώ αυτή εκτελεί υπολογισμούς. Η ALU εκτελεί πράξεις και εξάγει το αποτέλεσμα στον καταχωρητή εξόδου. Το περιεχόμενο του καταχωρητή εξόδου μπορεί να αποθηκευτεί σ' ένα καταχωρητή και από κει πίσω στη μνήμη. Γενικότερα οι εντολές που φτάνουν στον επεξεργαστή μπορούν να χωριστούν σε τρεις κατηγορίες: καταχωρητή-μνήμης: Αυτές οι εντολές επιτρέπουν την ανάκτηση των λέξεων της μνήμης και την τοποθέτησή τους σε καταχωρητές, έτσι ώστε να χρησιμοποιηθούν ως είσοδοι στην ALU σε επόμενες εντολές. καταχωρητή-καταχωρητή: Προσκομίζουν δύο τελεστέους από τους καταχωρητές, τους τοποθετούν στους καταχωρητές εισόδου της ALU, εκτελούν μια πράξη μ' αυτούς και αποθηκεύουν το αποτέλεσμα σ' ένα καταχωρητή. μνήμης-μνήμης: Προσκομίζουν δύο τελεστέους από τη μνήμη, τους τοποθετούν στους καταχωρητές εισόδου της ALU, εκτελούν την πράξη και αποθηκεύουν το αποτέλεσμα στη μνήμη. Διαδικασία εκτέλεσης εντολών Η εκτέλεση μιας εντολής δεν είναι κάτι που συμβαίνει σε ένα απλό βήμα, αλλά είναι σπασμένη σε πολλά υποβήματα. Το πόσα υποβήματα θα υπάρχουν εξαρτάται από τον τύπο του επεξεργαστή, καθώς κάποιοι διαχωρίζουν την εντολή σε πολλά περισσότερα υποβήματα από άλλους. Διοχέτευση (pipelining) Οι παλαιότεροι επεξεργαστές εκτελούσαν τις εντολές τελείως σειριακά, η πρώτη εντολή ξεκινούσε την εκτέλεση, ολοκληρωνόταν και μετά άρχιζε να εκτελείται η επόμενη. Το πρόβλημα με αυτό είναι ότι είναι μη αποδοτικό, καθώς η εκτέλεση γινόταν σε βήματα. Έπρεπε να ολοκληρωθούν όλα τα βήματα της εντολής 1 για να ξεκινήσει η εκτέλεση της εντολής 2, σαν σε μια γραμμή συναρμολόγησης ένας εργάτης στην αρχή της γραμμής να πρέπει να περιμένει να τελειώσει ο εργάτης στο τέλος της γραμμής έτσι ώστε να ξεκινήσει να κάνει κάτι άλλο. Σε κάθε χρονική στιγμή όλοι οι εργάτες της γραμμής συναρμολόγησης θα κάθονται πλην ενός. Φυσικά σε μια τέτοια γραμμή τα πράγματα δεν γίνονται ακριβώς έτσι. Κάθε εργάτης μόλις ολοκληρώσει ένα τμήμα το δίνει στον αμέσως επόμενό του και ξεκινάει να δημιουργεί ένα καινούριο. Συνεπώς όλοι οι εργάτες δουλεύουν συνεχώς. Οι σύγχρονοι επεξεργαστές κάνουν ακριβώς την ίδια λειτουργία με τις εντολές. Το πρώτο βήμα της εκτέλεσης μιας εντολής εκτελείται και όταν η εντολή περάσει στο επόμενο βήμα, αρχίζει μια καινούρια εντολή. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται διοχέτευση. Τα βήματα στη διοχέτευση συχνά αποκαλούνται και στάδια (stages). Η διοχέτευση οδηγεί σε δραματική αύξηση της απόδοσης του συστήματος, συγκρινόμενη με τη σειριακή εκτέλεση εντολών, στην οποία πολλά κυκλώματα του επεξεργαστή παρέμεναν ανενεργά. Σε όσα περισσότερα στάδια διαχωριστεί η διοχέτευση, τόση μεγαλύτερη, θεωρητικά, ταχύτητα θα έχει το σύστημα μας. Εικόνα 32: Διοχέτευση 5 σταδίων - 17 -
Φυσικά βήματα εκτέλεσης Οι επεξεργαστές που εκτελούν τα φυσικά βήματα είναι αυτοί που τρέχουν το τυπικό κώδικα x86 άμεσα, χωρίς μετάφραση σε RISC, όπως οι μικρο-εντολές. Οι πραγματικές φάσεις εκτέλεσης ποικίλλουν από επεξεργαστή σε επεξεργαστή, με κάποιους πιο προοδευμένους να χρησιμοποιούν μικρότερα βήματα από άλλους. Ωστόσο, όλοι ακολουθούν τα ίδια βασικά βήματα. 1. Προσκόμιση της επόμενης εντολής από τη μνήμη και αποθήκευση της στον καταχωρητή εντολών (IR). 2. Αλλαγή του μετρητή προγράμματος (PC), ώστε να δείχνει στην επόμενη εντολή. 3. Προσδιορισμός του τύπου της εντολής που προσκομίστηκε. 4. Σε περίπτωση που η εντολή χρησιμοποιεί δεδεμένα από τη μνήμη, προσδιορίζεται η θέση τους. 5. Ανάκτηση των δεδομένων, αν χρειάζεται και αποθήκευση τους σε εσωτερικούς καταχωρητές του επεξεργαστή. 6. Εκτέλεση της εντολής. 7. Αποθήκευση των αποτελεσμάτων στην κατάλληλη θέση. Η ακολουθία των βημάτων είναι γνωστή ως κύκλος προσκόμισης - αποκωδικοποίησης - εκτέλεσης (fetch - decode - execute). Η απόδοσή του επεξεργαστή Εξαιτίας της σημαντικότητάς του, η αξία του επεξεργαστή μετράται χρησιμοποιώντας πολύ λίγες παραμέτρους. Καθώς οι περισσότεροι επεξεργαστές λειτουργούν με τον ίδιο τρόπο και έχουν παρόμοια εξωτερικά χαρακτηριστικά, η ερώτηση που γεννιέται είναι "πόσο γρήγορα μπορεί να τρέξει"; Συντελεστές απόδοσης επεξεργαστή Καθώς η απόδοση ενός επεξεργαστή βασίζεται (στις περισσότερες περιπτώσεις) στο πόσες εντολές μπορεί να εκτελέσει σε μια συγκεκριμένη χρονική περίοδο, έχει γίνει πλέον πολύ συνηθισμένο να χρησιμοποιούμε τις λέξεις "απόδοση" και "ταχύτητα" εναλλακτικά. Δυστυχώς η λέξη "ταχύτητα" έχει πολλές ερμηνείες όταν αναφέρεται στον επεξεργαστή και συνεπώς μπορεί να προκληθεί κάποια σύγχυση. Υπάρχουν δύο παράγοντες που καθορίζουν το επίπεδο απόδοσης του επεξεργαστή: Η ταχύτητα του ρολογιού: Η ταχύτητα ρολογιού του επεξεργαστή είναι ένα μέτρο για το πόσο γρήγορα τρέχει, δηλαδή πόσους κύκλους ρολογιού έχει για να δουλέψει σε μια συγκεκριμένη περίοδο. Χρησιμοποιώντας την αναλογία του ποδηλάτου, αυτό είναι παρόμοιο με το πόσο γρήγορα κάνουμε πετάλι. Αρχιτεκτονική: Ο εσωτερικός σχεδιασμός και αρχιτεκτονική του επεξεργαστή καθορίζει το πόσο αποδοτικά ο επεξεργαστής λειτουργεί. Χρησιμοποιώντας την αναλογία του ποδηλάτου, πρόκειται για το πόσο σκληρά κάνουμε πετάλι. Εικόνα 33: Ο επεξεργαστής Β λειτουργεί με τη διπλάσια ταχύτητα ρολογιού σε σχέση με τον Α Η συχνότητα του ρολογιού είναι εύκολη στην κατανόηση, είναι μόνο ένα νούμερο, ενώ η αρχιτεκτονική είναι και πολύπλοκη και δυσνόητη, δεν προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι δίνεται περισσότερη προσοχή στη συχνότητα του ρολογιού. Κάτι τέτοιο όμως είναι ανεπιτυχές, γιατί ο - 18 -
υπολογισμός μόνο της ταχύτητας του ρολογιού είναι ανεπαρκής, αφού φανερώνει μόνο μια πλευρά της εικόνας. Ένα σπουδαίο παράδειγμα, που φανερώνει την αξία της αρχιτεκτονικής είναι η σειρά επεξεργαστών K5 της AMD. Κάποιοι από αυτούς τους επεξεργαστές είχαν διαφορετική απόδοση αν και έτρεχαν με την ίδια ταχύτητα ρολογιού. Για παράδειγμα, ο K5-PR100 και ο K5-PR133 λειτουργούσαν και οι δύο με την ίδια ταχύτητα ρολογιού, 100 MHz, αλλά ο PR133 είχε 33% καλύτερη απόδοση, εξαιτίας των αλλαγών που είχαν γίνει στην αρχιτεκτονική του. Απόδοση του επεξεργαστή και του συστήματος Είναι πολύ βασικό να καταλάβουμε ότι ο επεξεργαστής δεν είναι το μόνο στοιχείο που καθορίζει τη συνολική απόδοση του συστήματος. Είναι ένας σημαντικός παράγοντας, αλλά δεν είναι ο μόνος. Ο λόγος είναι ότι αυξάνοντας την ταχύτητα του επεξεργαστή βελτιώνεται η απόδοση του συστήματος μόνο από την πλευρά που αφορά τον επεξεργαστή. Στα περισσότερα συστήματα, ο επεξεργαστής είναι ήδη αρκετά γρήγορος, αλλά υπάρχουν άλλα μέρη του συστήματος, όπως η μνήμη, οι δίαυλοι, ο σκληρός δίσκος και ειδικά η κάρτα γραφικών, που μειώνουν την απόδοση του συστήματος. Καθώς οι περισσότεροι επεξεργαστές είναι πολύ πιο γρήγοροι από τα άλλα μέρη του συστήματος, σπαταλούν πολύ χρόνο περιμένοντας πληροφορίες από αυτά. Εικόνα 34: Επεξεργαστής 1 ης γενιάς, 8088 Εικόνα 35: Επεξεργαστής 2 ης γενιάς, 80286 Εικόνα 36: Επεξεργαστής 3 ης γενιάς, 80386 Εικόνα 37: Επεξεργαστής 4 ης γενιάς, 80486-19 -
Εικόνα 38: Επεξεργαστής 5 ης γενιάς, Pentium Classic (P54C) Εικόνα 39: Επεξεργαστής 6 ης γενιάς, Pentium Pro Εικόνα 40: Επεξεργαστής 6 ης γενιάς, Cyrix 6X86MX Εικόνα 41: Επεξεργαστής 6 ης γενιάς, Pentium II, Xeon - 20 -