Κεφ 3 - Υλικό - Εφαρμογές Υπολογιστών
TRANSCRIPT
Εφαρμογές Υπολιστών - Κεφ. 3 Λ.Οικ
Εφαρμογές Πληροφορικής - Υπολογιστών
Κεφάλαιο 3 - Το υλικό του υπολογιστή
Εφαρμογές Υπολιστών - Κεφ. 3 Λ.Οικ
•Τμήματα του Η/Υ και Οργάνωση
•Μονάδα Κεντρικής Μνήμης
•Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (CPU)
•Μονάδα Εισόδου – Εξόδου
•Δίαυλοι Επικοινωνίας
•Εναλλακτικές αρχιτεκτονικές
ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Εφαρμογές Υπολιστών - Κεφ. 3 Λ.Οικ
• Το υλικό (hardware) είναι το σύνολο των ηλεκτρονικών τμημάτων που συνθέτουν ένα υπολογιστικό σύστημα.
• Η μελέτη της δομής και της συμπεριφοράς του υλικού αποτελεί το αντικείμενο της αρχιτεκτονικής των Η/Υ.
• Περιγράφει τα μέρη και τον τρόπο διασύνδεσης του υλικού.
ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ Η/Υ
Εφαρμογές Υπολιστών - Κεφ. 3 Λ.Οικ
ΜΕΡΗ ΤΟΥ Η/Υ
Εφαρμογές Υπολιστών - Κεφ. 3 Λ.Οικ
• Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας ( CPU )
* Αριθμητική και Λογική Μονάδα ( ALU )* Μονάδα Ελέγχου ( Control Unit )* Kαταχωρητές ( Registers )
• Μονάδα Κεντρικής Μνήμης
• Μονάδα Εισόδου – Εξόδου
• Δίαυλοι Επικοινωνίας
ΜΕΡΗ ΤΟΥ Η/Υ
Εφαρμογές Υπολιστών - Κεφ. 3 Λ.Οικ
ΚΕΝΤΡΙΚΗ ΜΟΝΑΔΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ
• Αριθμητική και Λογική Μονάδα
• Μονάδα Ελέγχου
• Καταχωρητές
Εφαρμογές Υπολιστών - Κεφ. 3 Λ.Οικ
ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΚΑΙ ΛΟΓΙΚΗ ΜΟΝΑΔΑ
• Εκτελεί γρήγορα αριθμητικές και λογικές πράξεις
• Πρόσθεση, αφαίρεση, πολλαπλασιασμός, διαίρεση
• ΚΑΙ , Ή , ΌΧΙ
• Χρόνος πράξης < 10 -7 sec
Εφαρμογές Υπολιστών - Κεφ. 3 Λ.Οικ
ΜΟΝΑΔΑ ΕΛΕΓΧΟΥ
• Συγχρονίζει τη λειτουργία του Η/Υ
• Ανακαλεί απ’ την κεντρική μνήμη εντολές
• Αναθέτει στην ALU την εκτέλεση τους
• Ελέγχει την επικοινωνία με τα περιφερειακά μέρη
Εφαρμογές Υπολιστών - Κεφ. 3 Λ.Οικ
ΚΑΤΑΧΩΡΗΤΕΣ
• Διεύθυνσης Μνήμης (MAR) – Εδώ αποθηκεύονται προσωρινά οι θέσεις μνήμης δεδομένων στη διαδρομή τους μεταξύ ΚΜΕ και Κύριας Μνήμης
• Δεδομένων Μνήμης (MDR) – Εδώ αποθηκεύονται προσωρινά τα δεδομένα και οι εντολές στη διαδρομή τους μεταξύ ΚΜΕ και Κύριας Μνήμης
• Ειδικού σκοπού – Απαριθμούν εντολές, αποκωδικοποιούν εντολές, αποθηκεύουν ενδιάμεσα αποτελέσματα
Εφαρμογές Υπολιστών - Κεφ. 3 Λ.Οικ
ΕΝΤΟΛΕΣ
• Σύνολο εντολών κάθε ΚΜΕ ενός Η/Υ : Το πλήθος των εντολών (20 – 300) που μπορεί αυτός να χρησιμοποιήσει
• Τις καλεί η Μονάδα Ελέγχου από την Κεντρική Μνήμη
Εφαρμογές Υπολιστών - Κεφ. 3 Λ.Οικ
ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΗΣ CPU
1. Mεταφέρει την επόμενη εντολή από την Κεντρική Μνήμη
2. Αποκωδικοποιεί την εντολή
3. Εκτελεί την εντολή
4. Επαναλαμβάνει μέχρι να βρεθεί συνθήκη τερματισμού
Εφαρμογές Υπολιστών - Κεφ. 3 Λ.Οικ
ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΗΣ CPU
• Ένα κύκλωμα χρονισμού (ρολόι) καθορίζει το χρονισμό των λειτουργιών
• Η ταχύτητα του ρολογιού μετριέται σε GHz
• CPU με ισχύ 3 GHz παράγει παλμούς ανα 0,33 nsec
• Παλμός είναι το μικρότερο χρονικό διάστημα για να συμβεί μια λειτουργία
Εφαρμογές Υπολιστών - Κεφ. 3 Λ.Οικ
ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΗΣ CPU - ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΕΣ
Οι δυνατότητες μιας CPU καθορίζονται από :
• Το σύνολο εντολών του επεξεργαστή
• Την ταχύτητα του ρολογιού
• Το μήκος λέξης του επεξεργαστή (πόσα δυαδικά ψηφία μπορεί να διαβάσει τη φορά – πχ 64 bits)
Εφαρμογές Υπολιστών - Κεφ. 3 Λ.Οικ
ΚΕΝΤΡΙΚΗ ΜΝΗΜΗ
• Αποθηκεύονται προγράμματα (σύνολα εντολών)
• Αποθηκεύονται δεδομένα προς επεξεργασία
• Αποθηκεύονται προσωρινά αποτελέσματα εκτέλεσης προγραμμάτων
• Είναι οργανωμένη σε διαδοχικές θέσεις ίδιας χωρητικότητας (πχ 32 bits)
Εφαρμογές Υπολιστών - Κεφ. 3 Λ.Οικ
ΚΕΝΤΡΙΚΗ ΜΝΗΜΗ
• Kάθε μια απ’ τις διαδοχικές θέσεις έχει μια διεύθυνση
• Ο αριθμός της διεύθυνσης μας επιτρέπει να αναφερόμαστε σε μια συγκεκριμένη θέση μνήμης
Εφαρμογές Υπολιστών - Κεφ. 3 Λ.Οικ
ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΚΕΝΤΡΙΚΗΣ ΜΝΗΜΗΣ
• Χωρητικότητα : Δηλώνει το συνολικό αριθμό δυαδικών ψηφίων που μπορούν να αποθηκευτούν (ενδεικτικές τιμές σήμερα, 4 GBytes δηλ. 32 δις bits )
• Χρόνος προσπέλασης : Ο χρόνος που απαιτείται απ’ τη στιγμή της εντολής για ανάγνωση ή εγγραφή ενός κυττάρου μνήμης μέχρι την εκτέλεση αυτής.
• Χρόνος κύκλου : Ο χρόνος μεταξύ δύο λειτουργιών.
• Εύρος ζώνης : Η μέγιστη δυνατή ταχύτητα μεταφοράς δεδομένων
Εφαρμογές Υπολιστών - Κεφ. 3 Λ.Οικ
ΕΙΔΗ ΚΕΝΤΡΙΚΗΣ ΜΝΗΜΗΣ
• Μνήμη RAM ( Mνήμη Τυχαίας Προσπέλασης )
• Μνήμη ROM ( Μνήμη Μόνο Ανάγνωσης )
• Cache Memory ( Λανθάνουσα Μνήμη )
Εφαρμογές Υπολιστών - Κεφ. 3 Λ.Οικ
ΜΝΗΜΗ RAM
• Εδώ γράφονται και διαβάζονται δεδομένα
• Χρησιμοποιείται για την προσωρινή αποθήκευση δεδομένων καθώς και αποτελεσμάτων εκτέλεσης εντολών
Εφαρμογές Υπολιστών - Κεφ. 3 Λ.Οικ
ΜΝΗΜΗ RΟM
• Χρησιμοποιείται από τον κατασκευαστή του Η/Υ για τον προγραμματισμό του υλικού. Απαραίτητη για την εκκίνηση του. Κατά βάση, δεν επεμβαίνει ο χρήστης.
• Κάποια είδη ROM (PROM, EPROM) μπορούν να προγραμματιστούν από το χρήστη είτε μια φορά είτε επαναλαμβανόμενα.
Εφαρμογές Υπολιστών - Κεφ. 3 Λ.Οικ
Cache Memory
• Πιο ακριβή και πιο γρήγορη από τις προηγούμενες
• Λειτουργεί ως ενδιάμεσος μεταξύ CPU και RAM
• Αυξάνει την ταχύτητα εκτέλεσης των προγραμμάτων
Εφαρμογές Υπολιστών - Κεφ. 3 Λ.Οικ
Μονάδα Εισόδου - Εξόδου
• Είναι υπεύθυνη για την επικοινωνία του κεντρικού μέρους του Η/Υ (CPU , RAM) με τα περιφερειακά
• Η μετάδοση δεδομένων γίνεται είτε παράλληλα (ταυτόχρονη μετάδοση δεδομένων μέσω αντίστοιχων γραμμών μεταφοράς – πιο γρήγορη ) είτε σειριακά (μετάδοση στη σειρά με μια γραμμή μεταφοράς – πιο φθηνή)
• Η επικοινωνία γίνεται είτε σύγχρονα (συνεχής ανταλλαγή δεδομένων ακόμα και όταν δε χρειάζεται) είτε ασύγχρονα (ανταλλαγή μόνο αν υπάρχουν δεδομένα)
Εφαρμογές Υπολιστών - Κεφ. 3 Λ.Οικ
Μονάδα Εισόδου - Εξόδου
• Είναι υπεύθυνη για την επικοινωνία του κεντρικού μέρους του Η/Υ (CPU , RAM) με τα περιφερειακά
• Η μετάδοση δεδομένων γίνεται είτε παράλληλα (ταυτόχρονη μετάδοση δεδομένων μέσω αντίστοιχων γραμμών μεταφοράς – πιο γρήγορη ) είτε σειριακά (μετάδοση στη σειρά με μια γραμμή μεταφοράς – πιο φθηνή)
• Η επικοινωνία γίνεται είτε σύγχρονα (συνεχής ανταλλαγή δεδομένων ακόμα και όταν δε χρειάζεται) είτε ασύγχρονα (ανταλλαγή μόνο αν υπάρχουν δεδομένα)
Εφαρμογές Υπολιστών - Κεφ. 3 Λ.Οικ
Προσαρμοστική Μονάδα
• Είναι απαραίτητη λόγω της πολυμορφίας των περιφερειακών συσκευών
• Παρεμβάλλεται μεταξύ μιας περιφερειακής συσκευής και της μονάδας I/O. Παράδειγμα οι οδηγοί (drivers) των συσκευών
Εφαρμογές Υπολιστών - Κεφ. 3 Λ.Οικ
Δίαυλος Επικοινωνίας
• Χρησιμοποιείται για την επικοινωνία των μερών του Η/Υ
• Εξασφαλίζει τη φυσική μεταφορά των δεδομένων
• Εγγυάται με ένα σύνολο κανόνων την ταχύτερη και ευρύτερη επικοινωνία
Εφαρμογές Υπολιστών - Κεφ. 3 Λ.Οικ
Δίαυλος Επικοινωνίας
• Μεταφέρει δεδομένα προς επεξεργασία (data bus)
• Mεταφέρει διευθύνσεις μνήμης (address bus)
• Mεταφέρει σήματα ελέγχου, απόκρισης και συγχρονισμού (control bus)
• Xαρακτηριστικά ενός διαύλου είναι το εύρος (γραμμές μεταφοράς) και η ταχύτητα (bits/sec)
Εφαρμογές Υπολιστών - Κεφ. 3 Λ.Οικ
Περιφερειακά μέρη
• Πληκτρολόγιο (Μον.εισόδου)
• Ποντίκι (Μον.εισόδου)
• Οθόνη (CRT , LCD, αφής) – Μον.εξόδου Χαρακτηρίζονται απ’το μέγεθος (ίντσες) και την ανάλυση
(pixels)
• Εκτυπωτής –Μον. Εξόδου
Εφαρμογές Υπολιστών - Κεφ. 3 Λ.Οικ
Περιφερειακές μνήμες
• Σκληρός Δίσκος
Σύνολο από ομόκεντρους μαγνητικούς δίσκους, χαρακτηρίζεται από την ταχύτητα μετάδοσης και φυσικά το μέγεθος χωρητικότητας σε bytes.
• CD (Oπτικός Δίσκος) – CD-R, CD-RWΧρησιμοποιούν την τεχνολογία του φωτός (ακτίνα laser)
• DVD (Ίδια τεχνολογία, διαφορετικό μέγεθος)
Εφαρμογές Υπολιστών - Κεφ. 3 Λ.Οικ
Δίκτυα Υπολογιστών
Δίκτυο είναι ένα σύνολο Η/Υ και περιφερειακών συσκευών, συνδεδεμένων μεταξύ τους (ενσύρματα ή ασύρματα) με σκοπό την ανταλλαγή δεδομένων
• Δίκτυο αρτηρίας Μια γραμμή επικοινωνίας
• Δίκτυο αστέραΚεντρικός υπολογιστής
• Δίκτυο δακτυλίουΣχηματισμός βρόχου
Εφαρμογές Υπολιστών - Κεφ. 3 Λ.Οικ
Δίκτυα Υπολογιστών
Πλεονεκτήματα: Διαμοιρασμός υλικού (π.χ εκτυπωτής)
Διαμοιρασμός εφαρμογών Διαμοιρασμός αρχείων
• Τοπικό Δίκτυο ( LAN ) Έκταση ενός κτιρίου (πχ σχολείο)
• Μητροπολιτικό Δίκτυο (ΜΑΝ)Έκταση μιας πόλης
• Δίκτυο ευρείας περιοχής (WAN)