ΜΕΓΑΛΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ (1)


Τεχνολογία Υπολογιστικών Συστηµάτων & Λειτουργικά Συστήµατα

image

Το λογισµικό των εφαρµογών είναι τα προγράµµατα που γράφονται για να καλύψουν τις ειδικές ανάγκες των χρηστών και καθορίζουν τον τρόπο που θα χρησιµοποιηθεί ο υπολογιστής για την επίλυση συγκεκριµένων υπολογιστικών προβληµάτων. Ιεραρχική οργάνωση των υπολογιστικών συστηµάτων Τα υπολογιστικά συστήµατα χαρακτηρίζονται από πολυπλοκότητα και ιεραρχική οργάνωση.

Η πολυπλοκότητα των υπολογιστικών συστηµάτων οφείλεται στο ότι αποτελούνται από πολλά µέρη, τα οποία αλληλεπιδρούν δυναµικά µεταξύ τους. Η ιεραρχική οργάνωση των υπολογιστικών συστηµάτων είναι απαραίτητη εξαιτίας της πολυπλοκότητας αυτής. Τα τµήµατα του υπολογιστικού συστήµατος κατανέµονται σε οργανωτικά «επίπεδα». Η λειτουργία κάθε επιπέδου στηρίζεται στη λειτουργία των χαµηλότερων επιπέδων, και µε τη σειρά του κάθε επίπεδο βοηθά στη λειτουργία των ανωτέρων του επιπέδων. Κάθε ένα από τα επίπεδα µπορεί να σχεδιαστεί, να υλοποιηθεί, να µελετηθεί και να κατανοηθεί ανεξάρτητα από τα υπόλοιπα. Στο σχήµα βλέπουµε ένα τρόπο ανάλυσης ενός υπολογιστικού συστήµατος σε επίπεδα ιεραρχίας.

image

Επίπεδα ιεραρχίας Τα επίπεδα 1, 2 και 3 που βλέπουµε στο προηγούµενο σχήµα αφορούν το υλικό τού υπολογιστικού συστήµατος. 1 Το επίπεδο 1, αυτό των πυλών (gates), είναι το χαµηλότερο επίπεδο στην ιεραρχία. Στο επίπεδο αυτό οι βασικές λειτουργίες επιτελούνται από στοιχειώδη λογικά κυκλώµατα όπως καταχωρητές, µνήµες, ελεγκτές λογικών κυκλωµάτων κλπ. Στο επίπεδο 1 υπάρχουν οι βασικές δοµικές µονάδες από τις οποίες συντίθεται ένα υπολογιστικό σύστηµα και ονοµάζονται λογικά κυκλώµατα (logical circuits), δηλαδή οι λογικές πύλες, τα flip-flops, οι καταχωρητές κ.ά. 2

Το επίπεδο 2 αφορά τις στοιχειώδεις µικρολειτουργίες (microoperations) που επιτελούνται στο υπολογιστικό σύστηµα (π.χ. µεταφορά πληροφοριών). Για την υλοποίηση των µικρολειτουργιών απαιτείται η ύπαρξη των βασικών κυκλωµάτων του επιπέδου 1. 3 Το επίπεδο 3 αφορά τη διαδικασία της ανάκλησης από τη µνήµη και της εκτέλεσης εντολών γλώσσας µηχανής. Για τη διαδικασία αυτή χρησιµοποιούνται οι µικρολειτουργίες του επιπέδου 2. Τα επίπεδα 4, 5 και 6 περιλαµβάνουν το λογισµικό, δηλαδή το λειτουργικό σύστηµα, τις γλώσσες υψηλού επιπέδου και τα προγράµµατα εφαρµογής, αντίστοιχα. Κάθε ένα επίπεδο µπορεί να αναλυθεί σε άλλα, λεπτοµερέστερα, επίπεδα ιεραρχίας. Στο βιβλίο αυτό θα ασχοληθούµε κυρίως µε τα επίπεδα 3 και 4.

Ολοκληρωµένα κυκλώµατα Η ραγδαία τεχνολογική εξέλιξη στον τοµέα των ηλεκτρονικών έχει κάνει δυνατή την κατασκευή πολύπλοκων ηλεκτρονικών κυκλωµάτων σε ένα µικρό τεµάχιο ηµιαγωγού (π.χ. πυριτίου) διαστάσεων µερικών τετραγωνικών χιλιοστών, στο οποίο µε κατάλληλες τεχνικές σχηµατίζονται τα διάφορα στοιχεία, όπως κρυσταλλοδίοδοι, κρυσταλλοτρίοδοι, πυκνωτές, καθώς και οι συνδέσεις τους. Τα στοιχεία αυτά σχηµατίζουν ένα ολοκληρωµένο κύκλωµα (Integrated Circuit, IC). Η όλη κατασκευή τοποθετείται σε µεταλλική ή πλαστική συσκευασία που αποτελεί τη λεγόµενη ψηφίδα (chip).

Η ψηφίδα επικοινωνεί µε άλλα κυκλώµατα µε εξωτερικούς ακροδέκτες, τις ακίδες. Το µέγεθος µίας ψηφίδας είναι µερικά τετραγωνικά εκατοστά, µαζί µε το πλαστικό της περίβληµα και τους ακροδέκτες. Μια από τις περισσότερο χρησιµοποιούµενες οικογένειες ολοκληρωµένων κυκλωµάρων είναι η TTL (Transistor Τransistor Logic, Κυκλώµατα Τρανζίστορ – Τρανζίστορ) ενώ για κυκλώµατα υψηλών ταχυτήτων χρησιµοποιείται η οικογένεια ECL (Emitter Coupled Logic, Κυκλώµατα Συνδεδεµένου Εκποµπού). Τα κυκλώµατα που είναι υλοποιηµένα µε CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor, Κυκλώµατα MOS µε Συµπληρωµατικά Στοιχεία) έχουν µικρή κατανάλωση ισχύος. Τα στοιχεία των ηλεκτρονικών κυκλωµάτων που περιέχονται στις ψηφίδες συνδυάζονται για να σχηµατίσουν πύλες (gates). Μία πύλη δέχεται σαν είσοδο δύο ή περισσότερα ηλεκτρικά σήµατα τα οποία κωδικοποιούν bits (π.χ. τα 5 Volt παριστάνουν το 1 και τα 0 Volt παριστάνουν το 0) και παράγει στην έξοδο ένα σήµα το οποίο είναι το αποτέλεσµα µίας «πράξης» µεταξύ των εισόδων της.

Η πύλη AND («ΚΑΙ») δίνει στην έξοδό της 1 αν όλα τα σήµατα εισόδου της έχουν την τιµή 1, αλλιώς δίνει στην έξοδο 0.

Μια άλλη διάκριση που γίνεται στα ολοκληρωµένα κυκλώµατα, είναι ανάλογα µε τον αριθµό των δοµικών πυλών που περιέχει κάθε ψηφίδα. Έτσι, διακρίνονται τα κυκλώµατα: 1. Μικρής Κλίµακας Ολοκλήρωσης (Small Scale Integration, SSI). Αυτά περιέχουν λίγες (5-10) µεµονωµένες πύλες. 2. Μέσης Κλίµακας Ολοκλήρωσης (Medium Scale Integration, MSI). Αυτά περιέχουν 10-100 πύλες κατάλληλα συνδεδεµένες, ώστε να σχηµατίζουν ένα ψηφιακό κύκλωµα (όπως π.χ. έναν καταχωρητή ή µετρητή). 3. Μεγάλης Κλίµακας Ολοκλήρωσης (Large Scale Integration, LSI), τα οποία περιέχουν περισσότερες από 100 πύλες µέχρι µερικές χιλιάδες πύλες (όπως οι απλοί µικροεπεξεργαστές). 4. Πολύ Μεγάλης Κλίµακας Ολοκλήρωσης (Very Large Scale Integration, VLSI) που περιέχουν κυκλώµατα τα οποία σχηµατίζονται από πολλά εκατοµµύρια πύλες (όπως οι σύγχρονοι µικροεπεξεργαστές). Όλα τα ηλεκτρονικά κυκλώµατα κατασκευάζονται µε ολοκληρωµένα κυκλώµατα, αφού τα τελευταία προσφέρουν πολλά πλεονεκτήµατα: έχουν µικρό µέγεθος, υψηλή ταχύτητα λειτουργίας, µικρό κόστος, µεγάλη αξιοπιστία, µικρή κατανάλωση ενέργειας και δίνουν µεγάλη ευελιξία στη σχεδίαση και κατασκευή ηλεκτρονικών κυκλωµάτων για υπολογιστές.

Ιστορική εξέλιξη των υπολογιστικών συστηµάτων

Τις θεωρητικές βάσεις των υπολογιστών έθεσε πρώτος ο µαθηµατικός J. Von Neumann (1945). Προς τιµή του, µία µεγάλη κατηγορία υπολογιστών ονοµάζονται υπολογιστές τύπου Von Neumann και η λειτουργία τους στηρίζεται στις έννοιες του αποθηκευµένου προγράµµατος (stored program) και του µετρητή προγράµµατος (program counter), µε τη βοήθεια του οποίου προσδιορίζεται η εκτέλεση του προγράµµατος. Τις έννοιες αυτές είχε εµπνευστεί πρώτος ο Charles Babbage τον περασµένο αιώνα.

Τα συστήµατα της πρώτης γενιάς (1946-1953) χρησιµοποιούσαν ως βασικές δοµικές µονάδες ηλεκτρονικές λυχνίες. O πρώτος ηλεκτρονικός υπολογιστής ήταν ο ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer), που κατασκευάστηκε το 1946 στο Πανεπιστήµιο της Πενσυλβάνιας. Αντιπροσωπευτικός υπολογιστής αυτής της γενιάς είναι ο ΙΒΜ 701. Οι υπολογιστές της πρώτης γενιάς προγραµµατίζονταν απευθείας σε γλώσσα µηχανής. Το γεγονός αυτό, σε συνδυασµό µε το υψηλό τους κόστος και τη χαµηλή τους ταχύτητα, έθετε σοβαρούς περιορισµούς στην ευρεία χρήση τους.

Τα συστήµατα δεύτερης γενιάς (1952-1963) χρησιµοποιούσαν ως βασικές δοµικές µονάδες κρυσταλλοτριόδους (Transistors). Ο υπολογιστής TRADIC που κατασκευάστηκε το 1954 στα εργαστήρια της Bell, ήταν ο πρώτος υπολογιστής αυτής της γενιάς. Τα τυπωµένα κυκλώµατα, οι µνήµες µαγνητικών δακτυλίων, οι συµβολικές γλώσσες, οι γλώσσες υψηλού επιπέδου όπως η FORTRAN, η ALGOL και η COBOL, τα λειτουργικά συστήµατα οµαδικής επεξεργασίας κλπ. ήταν τα κύρια χαρακτηριστικά αυτής της γενιάς.

Στα συστήµατα τρίτης γενιάς (1962-1975) χρησιµοποιήθηκαν ως βασικές δοµικές µονάδες τα ολοκληρωµένα κυκλώµατα µικρής κλίµακας ολοκλήρωσης (SSI) και µέσης κλίµακας ολοκλήρωσης (MSI). Μνήµες ηµαγωγών, εικονικές µνήµες (βλ. Κεφ. 4), γλώσσες προγραµµατισµού υψηλού επιπέδου µε «έξυπνους» µεταφραστές, λειτουργικά συστήµατα πολυπρογραµµατισµού και καταµερισµού χρόνου κλπ. ήταν τα κύρια χαρακτηριστικά αυτής της γενιάς. Οι CDC-7600, IBM 360/91, IIliac IV κλπ. είναι χαρακτηριστικοί τύποι υπολογιστών της γενιάς αυτής. Την ίδια εποχή εµφανίζονται και οι µίνι-υπολογιστές. Τα συστήµατα τέταρτης γενιάς (1972-σήµερα) χρησιµοποιούν ως βασικές δοµικές µονάδες ολοκληρωµένα κυκλώµατα µεγάλης και πολύ µεγάλης κλίµακας ολοκλήρωσης (LSI και VLSI) . Τα χαρακτηριστικά των συστηµάτων της τρίτης γενιάς έχουν βελτιωθεί και έχουν χρησιµοποιηθεί αρχιτεκτονικές αγωγού, πολυεπεξεργασίας, µητρώου κλπ. για την κατασκευή υπερυπολογιστών (Supercomputers), όπως ο Cray T3-E, ο MPP κλπ. Την ίδια εποχή εµφανίζονται και οι µικροϋπολογιστές. Τα συστήµατα πέµπτης γενιάς, τα οποία δεν έχουν διαδοθεί ευρέως, χρησιµοποιούν ολοκληρωµένα κυκλώµατα πολύ µεγάλης κλίµακας ολοκλήρωσης (VLSI) και έχουν δύο βασικούς στόχους. Ο πρώτος είναι η επίτευξη στο µέγιστο δυνατό βαθµό της παράλληλης επεξεργασίας (για την αύξηση της ταχύτητας επεξεργασίας). Ο δεύτερος είναι η ανάπτυξη «έξυπνων» υπολογιστικών συστηµάτων, µε την ενσωµάτωση τεχνικών που χρησιµοποιούνται στον κλάδο της τεχνητής νοηµοσύνης.

Κατηγορίες υπολογιστικών συστηµάτων

Με βάση το µέγεθος, την ταχύτητα και την τιµή τους, τα υπολογιστικά συστήµατα µπορούν να κατηγοριοποιηθούν ως εξής:

Οι προσωπικοί υπολογιστές (personal computers) είναι οι φθηνότεροι υπολογιστές που συνήθως χρησιµοποιούνται από ένα µόνο χρήστη και έχουν περιορισµένες υπολογιστικές δυνατότητες σε σχέση µε άλλους υπολογιστές. Υπάρχουν διάφορες παραλλαγές τους (notebook, laptop, desktop, tower, workstations, network computer). Μια πιο ισχυρή από απόψεως δυνατοτήτων κατηγορία προσωπικών υπολογιστών είναι οι εξυπηρετητές (servers). Οι εξυπηρετητές χρησιµοποιούνται για να υποστηρίξουν ένα δίκτυο υπολογιστών που επιτρέπει την κοινή χρήση αρχείων, προγραµµάτων και υλικού όπως οι εκτυπωτές. Οι προσωπικοί υπολογιστές βασίζονται στους µικροϋπολογιστές (microcomputers), οι οποίοι χρησιµοποιούνται και σε άλλες εφαρµογές, όπως είναι τα ενσωµατωµένα συστήµατα (embedded systems).

Οι µίνι-υπολογιστές (minicomputers) είναι πιο ισχυρά συστήµατα που µπορούν να υποστηρίξουν ένα σύνολο χρηστών, οι οποίοι επιτελούν διαφορετικές εργασίες. Συνήθως χρησιµοποιούνται από εταιρείες και οργανισµούς για επεξεργασία πληροφοριών.

Οι µεγάλοι υπολογιστές (mainframes) αποτελούν ισχυρά συστήµατα και µπορούν να υποστηρίξουν εκατοντάδες χρήστες «συγχρόνως». Απαιτούν συνήθως δαπανηρό περιβάλλον υποστήριξης, δηλαδή κλιµατισµό, ειδικές αίθουσες κλπ.

Οι υπερυπολογιστές (supercomputers) είναι τα πλέον ισχυρά συστήµατα και χρησιµοποιούνται κυρίως σε εξειδικευµένες, υπολογιστικά απαιτητικές, εφαρµογές, όπως π.χ. η µετεωρολογία. Τα όρια των κατηγοριών αυτών δεν είναι σαφή και µετατοπίζονται συνεχώς, εξαιτίας της ραγδαίας τεχνολογικής εξέλιξης στο χώρο των υπολογιστών.

Κάθε υπολογιστικό σύστηµα αποτελείται από το υλικό, δηλαδή τις συσκευές, και το λογισµικό, που το αποτελούν προγράµµατα. Λόγω της πολυπλοκότητάς τους, τα υπολογιστικά συστήµατα είναι οργανωµένα ιεραρχικά. Στο κατώτερο επίπεδο της ιεραρχίας βρίσκονται τα ηλεκτρονικά κυκλώµατα και στο ανώτερο τα προγράµµατα του χρήστη. Μεγάλο µέρος του υλικού απαρτίζεται από ολοκληρωµένα κυκλώµατα, που έχουν εξελιχθεί ώστε να έχουν πολύ µικρά µεγέθη και µεγάλες ταχύτητες. Οι «γενιές» των υπολογιστικών συστηµάτων είναι πέντε, ξεκινώντας από τους πρώτους πειραµατικούς υπολογιστές µέχρι τις µέρες µας. Οι βασικότερες κατηγορίες υπολογιστικών συστηµάτων σήµερα είναι οι προσωπικοί υπολογιστές, οι µίνι-υπολογιστές, οι µεγάλοι υπολογιστές και οι υπερυπολογιστές. Κάθε µία από αυτές τις κατηγορίες έχει διαφορετικές υπολογιστικές ικανότητες και απευθύνεται σε διαφορετικές κοινότητες χρηστών.

image

PAGAN  http://www2.cs.ucy.ac.cy/

(CYNECHIZETAI)

Advertisements

About sooteris kyritsis

Job title: (f)PHELLOW OF SOPHIA Profession: RESEARCHER Company: ANTHROOPISMOS Favorite quote: "ITS TIME FOR KOSMOPOLITANS(=HELLINES) TO FLY IN SPACE." Interested in: Activity Partners, Friends Fashion: Classic Humor: Friendly Places lived: EN THE HIGHLANDS OF KOSMOS THROUGH THE DARKNESS OF AMENTHE
This entry was posted in Computers and Internet and tagged , , , . Bookmark the permalink.

Leave a Reply

Please log in using one of these methods to post your comment:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s