Η οθόνη του υπολογιστή (αγγλικά: μόνιτορ) είναι μια ηλεκτρική συσκευή που απεικονίζει εικόνες δημιουργημένες από υπολογιστές. Οι περισσότερες σύγχρονες οθόνες αποτελούνται από μια οθόνη υγρών κρυστάλλων, ενώ οι παλιότερες οθόνες βασίζονταν σε καθοδικό σωλήνα. Η οθόνη περιλαμβάνει την συσκευή απεικόνισης, καθώς και απλά ηλεκτρονικά κυκλώματα για να παράγει και να διαμορφώνει την εικόνα από το ηλεκτρικό σήμα που στέλνεται από την πηγή, και ένα συνήθως πλαστικό κάλυμμα. Στον υπολογιστή, υπάρχει κύκλωμα γραφικών (συχνά σε μορφή κάρτας οθόνης), το οποίο παράγει οπτικό σήμα σε μορφή συμβατή με την οθόνη.

Βασικά χαρακτηριστικά που επηρεάζουν την ποιότητα απεικόνισης είναι

τα εξής:

▪Ανάλυση (resolution)

▪Συχνότητα ανανέωσης πλαισίων (refresh rate)

▪Γωνία θέασης (viewing angle)

▪Ομοιομορφία απεικόνισης (display uniformity)

▪Χρωματική πιστότητα

▪Φωτεινότητα (luminosity)

▪Λόγος αντίθεσης (contrast ratio)

▪Ευκρίνεια

▪Γεωμετρικά σφάλματα

▪Χρόνος απόκρισης (response time)

Η ανάλυση είναι το χαρακτηριστικό που περιγράφει τον μέγιστο αριθμό

εκονοστοιχείων (πίξελ) που μπορεί να αεπικονίσει η οθόνη, σε κάθε μια

από τις δύο διαστάσεις. Το χαρακτηριστικό αυτό μεταβάλλεται με τη

χρησιμοποιούμενη συχνότητα ανανέωσης πλαισίων. Αυτό το τελευταίο

φαινόμενο είναι ιδιαίτερα αισθητό στις οθόνες CRT, όπου οι μεγάλες

αναλύσεις συνεπάγονται ιδιαίτερα χαμηλούς ρυθμούς ανανέωσης, με

αποτέλεσμα να αρχίσει να γίνεται αισθητό το αναβόσβημα (flickering)

της οθόνης. Όλες οι οθόνες υποστηρίζουν και χαμηλότερες αναλύσεις

από τη μέγιστη που μπορούν να προβάλλουν.

Η συχνότητα ανανέωσης πλαισίων αφορά των αριθμό των εικόνων

(πλαισίων) τις οποίες απεικονίζει η οθόνη μέσα σε ένα δευτερόλεπτο.

Προκειμένου η οθόνη να μπορεί να απεικονίζει μεταβαλλόμενες εικόνες,

ο υπολογιστής ανανεώνει την εικόνα πολλές φορές το δευτερόλεπτο,

ώστε να προκαλεί στον ανθρώπινο εγκέφαλο την ψευδαίσθηση της

αδιατάρακτης συνέχειας της κίνησης (μεταίσθημα). Σε σύγκριση όμως

με τη συμβατική τηλεόραση και τον κινηματογράφο, ο αριθμός των

πλαισίων που απεικονίζονται ανά δευτερόλεπτο σε μια οθόνη

υπολογιστή είναι πολύ μεγαλύτερος. Έτσι στις οθόνες CRT μια

αποδεκτή απεικονιση ξεκινά από τα 75 πλαίσια/δευτ., περίπου, ενώ στις

οθόνες LCD είναι αρκετά τα 60 πλαίσια/δευτ. (λόγω διαφορετικού

τρόπου σχηματισμού της εικόνας). Το χαρακτηριστικό αυτό δεν πρέπει

να συγχέεται με το χρόνο απόκρισης.

Η γωνία θέασης περιγράφει τη γωνία (ως προς την κάθετο στην

επιφάνεια της οθόνης) από την οποία μπορεί ο χρήστης βλέπει το λόγο

αντίθεσης της εικόνας να μειώνεται κατά συγκεκριμένο ποσοστό

(συνήθως στο 1/10 της ονομαστικής τιμής). Η βέλτιστη γωνία θέασης

είναι πάντοτε 0 μοίρες.

Η ομοιομορφία απεικόνισης περιγράφει την ομοιογένεια στο φωτισμό

της οθόνης και ελέγχεται απεικονίζοντας μία και μοναδική απόχρωση

στην οθόνη. Είναι χαρακτηριστικό πρόβλημα κυρίως των οθονών LCD,

στις οποίες το εκπεμπόμενο φως προέρχεται από ένα συγκεκριμένο

χώρο στο πίσω μέρος της οθόνης (backlight).

H xρωματική πιστότητα περιγράφει την απόκλιση φωτεινότητας

χρωμάτων από τις στάθμες που ορίζει κάποιο πρότυπο απεικόνισης

(στις οικιακές οθόνες, αυτό είναι το sRGB), για διάφορες στάθμες

φωτεινότητας. Η απόκλιση αυτή μετριέται με ειδικά όργανα και

λογισμικό, ανάλογα με αυτά που χρησιμοποιούνται για τη χρωματική

ρύθμιση (καλιμπράρισμα) των οθονών.

Η φωτεινότητα είναι σημαντική κυρίως κατά την παρακολούθηση

πολυμέσων ή όταν ο περιβάλλων φωτισμός είναι πολύ ισχυρός.

Εκφράζεται σε cd/m2.

Ο λόγος αντίθεσης περιγράφει το λόγο φωτεινότητας μεταξύ του λευκού

και του μαύρου που μπορεί να απεικονίσει η οθόνη. Θεωρητικά έπρεπε

να είναι άπειρη, πρακτικά επηρεάζεται τόσο από τη φωτεινότητα του

λευκού όσο και από το πόσο σκοτεινό είναι το μαύρο που προσπαθεί

να απεικονίσει. Πχ μια οθόνη με αντίθεση 500:1 έχει λευκό με 500

φορές μεγαλύτερη φωτεινότητα από το μαύρο που μπορεί να

απεικονίσει.

Η ευκρίνεια μετριέται με ειδικά τεστ (πχ ανάγνωση κειμένου και

απεικόνιση ειδικών εικόνων με πολύ λεπτές κατακόρυφες και οριζόντιες

γραμμές) και δεν πρέπει να συνδέεται μόνο με την ανάλυση γιατί

επηρεάζεται και από άλλα κυκλωματικά χαρακτηριστικά της οθόνης.

Τα γεωμετρικά σφάλματα αφορούν αποκλειστικά τις οθόνες CRT και

περιγράφουν τις γεωμετρικές παραμορφώσεις στην απεικόνιση. Τέτοια

σφάλματα είναι πχ κύκλοι που απεικονίζονται ως ελλείψεις και

παραλληλόγραμμα που εμφανίζονται με τραπεζοειδές σχήμα. Στα

σφάλματα αυτά συγκαταλέγονται και τα σφάλματα σύγκλισης

χρωμάτων.

Ο χρόνος απόκρισης είναι ανεξάρτητος του ρυθμού ανανέωσης και

περιγράφει το χρόνο που χρειάζεται η οθόνη για να αλλάξει τη

φωτεινότητά της από μια συγκεκριμένη στάθμη σε μία άλλη. Μετριέται

σε χιλιοστά του δευτερολέπτου (msec) και έχει σημαντικότερη επίδραση

στα παιχνίδια δράσης.

Οι διαστάσεις του ορατού πλαισίου (συνήθως εκφράζονται με τη

διαγώνιό του) καθορίζουν πόσο πραγματικά μεγάλη είναι η εικόνα.

Πρέπει να σημειωθεί ότι, στις CRT, οι ονομαστικές διαστάσεις διέφεραν

σημαντικά από αυτές του ορατού πλαισίου.

Τέλος, ο λόγος διαστάσεων των δύο πλευρών (aspect ratio) του ορατού

πλαισίου καθορίζει το πόσο «πλατιά» (wide) είναι μια οθόνη. Τα

τελευταία χρόνια υπάρχει τάση για όλο και πλατύτερες οθόνες.

[Επεξεργασία]

Τεχνολογίες οθονών

[Επεξεργασία]

Οθόνες καθοδικού σωλήνα (Cathode Ray Tube, CRT)

Οι οθόνες καθοδικού σωλήνα διαθέτουν καθοδικό σωλήνα (λυχνία). Η

πρόσοψη σαρώνεται εσωτερικά από δέσμες ηλεκτρονίων που

παράγονται απ έναν έως τρεις (ανάλογα με το αν είναι μονόχρωμη ή

έγχρωμη οθόνη), ηλεκτρονικούς εκτοξευτήρες (πυροβόλα). Η οδήγηση

των δεσμών των εκτοξευτήρων στα κατάλληλα εικονοαστοιχεία

επιτυγχάνεται με τη χρήση μαγνητικού πεδίου το οποίο παράγεται από

πηνία κάθετης και οριζόντιας απόκλισης τα οποία περιβάλλον το λαιμό

του καθοδικού σωλήνα.

Σήμερα η χρήση οθονών CRT στους υπολογιστές έχει υποχωρήσει σε

πολύ μεγάλο βαθμό, λόγω των πρακτικών πλεονεκτημάτων των

οθονών υγρού κρυστάλλου.

[Επεξεργασία]

Οθόνες υγρού κρυστάλλου (Liquid Crystal Display, LCD)

Μία οθόνη υγρών κρυστάλλων είναι ο συνδυασμός δύο φίλτρων

πόλωσης και μίας διάταξης υγρών κρυστάλλων. Ένας υγρός

κρύσταλλος είναι μία ελεγχόμενη από ηλεκτρικό πεδίο διάταξη, η οποία

μπορεί να αλλάζει ή να μη αλλάζει την πόλωση του φωτός που περνά

μέσα απ' αυτό. Επειδή η διάταξη αυτή δεν παράγει μόνη της φως,

χρησιμοποιείται ανάκλαση φωτισμού (backlight) που παράγεται από

λαμπτήρες φθορισμού και κατευθύνεται προς τους υγρούς

κρυστάλλους.

Τα τελευταία χρόνια άρχισε η διάθεση στην αγορά οθονών LCD που

χρησιμοποιούν φωτοεκπέμπουσες διόδους (LED) αντί των λαμπτήρων

φθορισμού.

[Επεξεργασία]

Οθόνες πλάσματος

Οι οθόνες πλάσματος χρησιμοποιούνται κυρίως στις τηλεοράσεις,

αρκετές από τις οποίες διαθέτουν είσοδο για σύνδεση με υπολογιστή.

[Επεξεργασία]

Τρόποι σύνδεσης

Σήμερα, oι περισσότερες οθόνες υπολογιστή χρησιμοποιούν τους εξής

τύπους σύνδεσης:

▪Υποδοχή VGA(Video Graphis Array). Είναι σύνδεση αναλογικού

τύπου, 15 ακροδεκτών, η οποία υπάρχει από την εποχή των

οθονών CRT. Διαθέτει 3 ζεύγη αγωγών, ένα για κάθε βασικό

χρώμα (κόκκινο, πράσινο, μπλέ), καθώς και επιπλέον αγωγούς

για τα σήματα κατακόρυφου και οριζόντιου συγχρονιμού των

πλαισίων της εικόνας. Σε κάθε ένα από τα ζευγάρια αγωγών που

μεταφέρουν αυτά τα σήματα, υπάρχει ηλεκτρικό σήμα με τάση

που αυξομειώνεται ανάλογα με την ένταση του αντίστοιχου

χρώματος. Επειδή όμως οι οθόνες LCD λειτουργούν με ψηφιακό

τρόπο, χρησιμοποιούν μετατροπέα αναλογικού σε ψηφιακό σήμα,

προκειμένου να μπορέσουν να αξιοποιήσουν τα αναλογικά

σήματα της υποδοχής VGA. Αντίστοιχα, το κύκλωμα γραφικών

του υπολογιστή έχει ήδη μετατρέψει την ψηφιακή πληροφορία

εικόνας σε αναλογική, όπως απαιτεί το πρότυπο VGA.

▪Υποδοχή DVI-D (Digital Video Interface). Είναι ψηφιακή σειριακή

σύνδεση, 19 ακροδεκτών, η οποία κερδίζει συνεχώς έδαφος σε

βάρος της VGA. Κι εδώ η οπτική πληροφορία μεταφέρεται από 3

ζεύγη αγωγών που μεταφέρουν τα βασικά χρώματα, όμως το

ηλεκτρικό σήμα έχει δύο μόνο δυνατές στάθμες, φέροντας έτσι

πληροφορία κωδικοποιημένη στο δυαδικό σύστημα. Σε κάθε ένα

από τα τρία αυτά ζεύγη αγωγών χρώματος αντιστοιχεί ένας

ζεύγος αγωγών με σήμα χρονισμού (clock). Το πλεονέκτημά της

DVI-D είναι ότι δεν υπάρχουν απώλειες ποιότητας σε μετατροπές

από αναλογικό σε ψηφιακό σήμα και αντίστροφα, καθώς η ροή

πληροφορίας από το κύκλωμα γραφικών του υπολογιστή μέχρι το

κύκλωμα οδήγησης των υγρών κρυστάλλων είναι καθαρά

ψηφιακή.

▪Υποδοχή DVI-D Dual-Link. Αυτή η παραλλαγή του DVI-D επιτυγχάνει

διπλό εύρος ζώνης, χρησιμοποιώντας επιπλέον αγωγούς στο

καλώδιο σύνδεσης. Έτσι είναι δυνατή η σύνδεση υπολογιστών με

οθόνες πολύ υψηλών αναλύσεων (πχ τύπου WQXGA, με

ανάλυση 2560x1600 εικονοστοιχείων).

Σε μερικά μοντέλα, συνυπάρχουν οι υποδοχές VGA και DVI-D.

Σε όλους τους σύγχρονους τρόπους σύνδεσης οθόνης με υπολογιστή

υπάρχει πρόβλεψη αξιοποίησης των σημάτων αναγνώρισης οθόνης

(δίαυλος DDC, Display Data Channel). Μέσω του διαύλου DDC, ο

υπολογιστής μπορεί να διαβάσει τα χαρακτηριστικά της οθόνης

(λειτουργία plug and play), ώστε:

▪να περιορίσει τις επιλογές ανάλυσης και ρυθμού ανανέωσης της

εικόνας μέσα στα όρια που μπορεί να δεχτεί η οθόνη ή ακόμη καινα ρυθμίσει αυτόματα τα παραπάνω χαρακτηριστικά στις βέλτιστες τιμές τους.

Το πληκτρολόγιο

Το πληκτρολόγιο είναι μία συσκευή εισόδου του υπολογιστή.

Η βασική λειτουργία του πληκτρολογίου είναι η εισαγωγή χαρακτήρων (κειμένου) στον υπολογιστή. Επιπλέον, περιλαμβάνει αρκετά ακόμα πλήκτρα που βοηθούν στην ευκολότερη πλοήγηση στον υπολογιστή. Υπάρχουν πληκτρολόγια που συνδέονται με καλώδιο με βύσμα τύπου PS2, σε θύρα USB αλλά και πληκτρολόγια ασύρματης σύνδεσης.

Διατάξεις χαρακτήρων

Το πληκτρολόγιο περιλαμβάνει όλους τους χαρακτήρες κάποιου

αλφάβητου π.χ. του λατινικού, και πολλά σημεία στίξης, διακριτικά

σύμβολα, και βοηθητικά πλήκτρα. Ανάλογα με το αλφάβητο και την

γλώσσα που χρησιμοποιεί ο χρήστης μπορεί το πληκτρολόγιο να έχει

διάφορες διατάξεις πλήκτρων.

Λατινικά πληκτρολόγιαΟι διάφορες δυνατές διατάξεις πληκτρολογίων για διάφορες γλώσσες που χρησιμοποιούν το λατινικό αλφάβητο, συνήθως αναφέρονται με τα πρώτα έξι γράμματα στην διάταξη. Έτσι για παράδειγμα η συνηθέστερη διάταξη είναι η QWERTY, ακολουθούμενη από την QWERTZ (που χρησιμοποιείται στην Κεντρική Ευρώπη) και την AZERTY (που χρησιμοποιείται στην γαλλόφωνες χώρες). Οι λατινικοί χαρακτήρες σύμφωνα με την διάταξη πλήκτρων QWERTY βρίσκονται στο πληκτρολόγιο

Τα αριθμητικά ψηφία

Τα ψηφία βρίσκονται στον υπολογιστή πάνω από τις γραμμές που

περιέχουν τους χαρακτήρες. Περιέχονται, δηλαδή, τα ψηφία από 0 μέχρι

9 με την παρακάτω σειρά. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0

Οι ειδικοί χαρακτήρεςΔεξιά από τα γράμματα, υπάρχουν 8 πλήκτρα (περίπου) με ειδικούς χαρακτήρες. Αυτό σημαίνει ότι όταν τα χρησιμοποιούμε, μόνα τους ή σε συνδυασμό με το πλήκτρο Shift, έχουμε 16 ειδικούς χαρακτήρες. Άλλο ένα πλήκτρο με ειδικούς χαρακτήρες βρίσκεται αριστερά από το πλήκτρο που έχει το 1. Επιπλέον, ειδικοί χαρακτήρες υπάρχουν και στα πλήκτρα που είναι και τα νούμερα και εμφανίζονται πατώντας ταυτόχρονα το πλήκτρο Shift. Τέλος, όταν το πληκτρολόγιο γράφει ελληνικούς χαρακτήρες το πλήκτρο που στα λατινικά εμφάνιζε το Q εμφανίζει το : και το ; με ή χωρίς το πάτημα του Shift, αντίστοιχα.

Τα πλήκτρα Space και Tab

Το Space (κενό, διάστημα) χρησιμοποιείται για την εμφάνιση ενός

κενού. Το tab, χρησιμοποιείται για τη στοίχιση του κέρσορα κατά μήκος

ενός μεγάλου κενού διαστήματος (συνήθως 4-5 φορές μεγαλύτερο από

το κενό) από την προηγούμενη στοίχιση και εξαρτάται από τις ρυθμίσεις

του συγκεκριμένου προγράμματος (ή του περιβάλλοντος εργασίας).

Συνήθως το tab δεν προσθέτει κενά στο κείμενο αλλά τον ειδικό

χαρακτήρα "οριζόντιο tab" (με κωδικό ASCII το: 9) και εξαρτάται από το

περιβάλλον στο οποίο θα εμφανιστεί το κείμενο το πόσα κενά θα

δημιουργήσει. Επίσης, σε αρκετά περιβάλλοντα ( ή/και προγράμματα),

χρησιμεύει για τη μετακίνηση σε επόμενο σημείο (ή προηγούμενο αν

χρησιμοποιηθεί δευτερεύον ειδικό πλήκτρο όπως π.χ. το Alt) π.χ. σε

επόμενο κουτί εισαγωγής κειμένου.

Τα βέλη

Τα τέσσερα βέλη του πληκτρολογίου χρησιμεύουν για την μετακίνηση

πάνω, κάτω, δεξιά ή αριστερά ανάλογα με το σύμβολο που έχουν

επάνω τους. Η μετακίνηση αυτή μπορεί να είναι μετακίνηση του δρομέα

(κέρσορα) (όταν μιλάμε για επεξεργασία κειμένου), μετακίνηση ενός

επιλεγμένου αντικειμένου, εικόνας ή και κάποιου χαρακτήρα-ήρωα (σε

παιχνίδια).

Τα πλήκτρα των συντομεύσεων

Τα πλήκτρα που χρησιμοποιούνται στις διάφορες συντομεύσεις είναι

κυρίως το Shift, το Ctrl και το Alt.

Το πλήκτρο Shift

Η λέξη Shift (σιφτ) στα αγγλικά σημαίνει μετάθεση, γι' αυτό άλλωστε,

δίπλα στη λέξη Shift στο αντίστοιχο πλήκτρο, υπάρχει και ένα βελάκι

που δείχνει προς τα πάνω. Ονομάστηκε έτσι, για τον εξής λόγο: Μερικά

πλήκτρα έχουν σχεδιασμένους πάνω τους 2 χαρακτήρες, ο ένας πάνω

από τον άλλο. Όταν πατάς ένα τέτοιο πλήκτρο μόνο του, τότε

εμφανίζεται ο χαρακτήρας που είναι σχεδιασμένος από κάτω. Αντίθετα,

αν πατάς ταυτόχρονα και το Shift τότε εμφανίζεται ο χαρακτήρας που

βρίσκεται από πάνω.

Για να εμφανιστούν τα κεφαλαία γράμματα, τόσο στους ελληνικούς, όσο

και στους λατινικούς χαρακτήρες, αρκεί να πατηθεί αρχικά το πλήκτρο

Shift και κρατώντας το πατημένο να πατηθεί ο επιθυμητός χαρακτήρας.

Πχ. για να εμφανιστεί ο χαρακτήρας 'Α', αρκεί να πατηθεί το Shift και

στη συνέχεια το α. Αυτό μπορεί να το αναφερθεί συμβολικά ως Shift +

α.

Το Shift υπάρχει δύο φορές στο πληκτρολόγιο, μία τέρμα αριστερά και

μία τέρμα δεξιά στη σειρά που βρίσκονται τα πλήκτρα των χαρακτήρων

ζ, χ, ψ, ω, β, ν και μ.

Το πλήκτρο Ctrl

Το όνομα Ctrl προκύπτει από την αγγλική λέξη Control που σημαίνει

έλεγχος. Το Ctrl διαβάζεται και ως Control (κοντρόλ).

Το Ctrl χρησιμεύει σε ορισμένες συντομεύσεις του πληκτρολογίου. Μία

συνηθισμένη συντόμευση στον υπολογιστή είναι αυτή της αντιγραφής.

Συνήθως (στις περισσότερες εφαρμογές), ο συνδυασμός Ctrl + C

αντιγράφει το κείμενο που έχει επιλέξει προηγουμένως ο χρήστης. Άλλη

ιδιαίτερα γνωστή συντόμευση είναι το Ctrl + V που επικολλά το κείμενο

που έχει προηγουμένως αντιγραφεί ή αποκοπεί.

Γενικότερα, υπάρχουν πολλές συντομεύσεις περισσότερες από τις

οποίες δεν είναι κοινώς "αποδεκτές" από όλα τα προγράμματα και

λειτουργικά συστήματα, αλλά αλλάζουν ανάλογα με το πρόγραμμα που

χρησιμοποιείται.

Το Ctrl υπάρχει δύο φορές στο πληκτρολόγιο, μία τέρμα αριστερά και

μία στο άκρο δεξιά κάτω από τη σειρά που βρίσκονται τα δύο Shift.

Όπως και το Ctrl, το πλήκτρο Alt βοηθάει σε ορισμένες συντομεύσεις,

ενώ αρκετά συχνά χρησιμοποιείται μαζί με το Ctrl (Ctrl + Alt +

[χαρακτήρας]).

Το Alt υπάρχει δύο φορές στο πληκτρολόγιο, δεξιά και αριστερά από το

πλήκτρο Space (κενό).

Το πλήκτρο AltGR

Στο αρχικό IBM AT Enhanced πληκτρολόγιο το δεξί κουμπί Alt έχει

πράσινους χαρακτήρες, ωστόσο η IBM ισχυρίζεται ότι το πλήκτρο AltGr

είναι ένα αρκτικόλεξο της φράσης "εναλλακτικά γραφικά" [1] [2]. Η

σημασία της συντομογραφίας του πλήκτρου δεν αναγράφεται σε πολλά

συμβατά τεχνικά εγχειρίδια IBM PC.

Το πλήκτρο Caps Lock

Όπως λέει το όνομά του, "κλειδώνει" τα κεφαλαία. Δηλαδή, όταν είναι

ενεργοποιημένο και πατήσεις οποιοδήποτε από τα πλήκτρα

χαρακτήρων, εμφανίζεται το κεφαλαίο του αντίστοιχου γράμματος.

Επίσης, όταν είναι ενεργοποιημένο, αν πατήσεις Shift + [χαρακτήρα],

εμφανίζεται το αντίστοιχο πεζό γράμμα.

Τα πλήκτρα F1 - F12

Το όνομα F(αριθμός) προέκυψε από την αγγλική λέξη function που

σημαίνει λειτουργία ή συνάρτηση και την αρίθμηση αυτών.

Υπάρχουν 12 τέτοια πλήκτρα στον πληκτρολόγιο και βρίσκονται στη

σειρά πάνω από τα πλήκτρα με τους αριθμούς.

Το F1 χρησιμοποιείται σχεδόν πάντα για να εμφανίσει το παράθυρο της

βοήθειας του αντίστοιχου προγράμματος ή λειτουργικού συστήματος.

Τα υπόλοιπα πλήκτρα F2-F12 δεν έχουν κάποιο σταθερό ρόλο και κάθε

πρόγραμμα επιλέγει για το αν θα εκτελούν κάποια λειτουργία ή δεν θα

χρησιμοποιούνται καθόλου.

Τα πλήκτρα αυτά ήταν πολύ μεγάλης σημασίας όταν πολύ παλιότερα οι

υπολογιστές δεν είχαν ποντίκι. Ήταν ένας από τους λίγους τρόπους να

δοθεί εντολή για εκτέλεση μίας ενέργειας σχετικά εύκολα.

Πλήκτρα διόρθωσης

▪Enter/Return

▪Backspace

▪ Insert

▪Delete

▪Tab

Το πλήκτρο Enter

Τα πλήκτρα Return/Enter σ' ένα πληκτρολόγιο.

Το πλήκτρο enter (ή πλήκτρο επιστροφής, return) σε έναν

προσωπικό υπολογιστή, στα σύγχρονα μοντέλα επιτελεί δυο βασικές

λειτουργίες.

▪Προκαλεί τον τερματισμό καταχώρησης στοιχείων σε μια φόρμα ή

πεδίο και τη συνέχιση του εν λόγω προγράμματος ή την εκτέλεση

μιας προκαθορισμένης ενέργειας σε ένα πλαίσιο διαλόγου.

▪Επιστρέφει τον δείκτη εισαγωγής κειμένου (δρομέα ή κέρσορα -

cursor) στην επόμενη γραμμή σε έναν επεξεργαστή κειμένου.

Αυτή η λειτουργία προέρχεται από την παλαιότερη λειτουργία της

επιστροφής του σαριού ή κυλίνδρου (carriage return), που

υπήρχε στις γραφομηχανές.

Άλλοι χαρακτήρες

Άλλα πλήκτρα του πληκτρολογίου είναι το Delete (=διαγραφή), που

σβήνει τον επόμενο χαρακτήρα ή αρχεία, το Backspace που σβήνει τον

προηγούμενο χαρακτήρα, το Home που πηγαίνει τον δρομέα (cursor)

στην αρχή της γραμμής, το End που πηγαίνει τον δρομέα στο τέλος της

γραμμής, το Page up και το Page down που εμφανίζουν την παραπάνω

ή την παρακάτω "οθόνη", το Print screen (=εκτύπωση οθόνης), που

αντιγράφει υπό μορφή εικόνας ό,τι εμφανίζεται εκείνη τη στιγμή στην

οθόνη (εκτός από τον δείκτη του ποντικιού - mouse pointer), το Insert

(ενεργοποιεί - απενεργοποιεί την παρεμβολή χαρακτήρων), το

NumLock ("κλειδώνει" το αριθμητικό πληκτρολόγιο), το Scroll Lock

(ενεργοποιεί - απενεργοποιεί την κύλιση της οθόνης), το Pause ή Break

(διακόπτει τη ροή ενός προγράμματος ή σταματά εντελώς την εκτέλεσή

του) κ.α. Πολλά από τα πιο πάνω πλήκτρα, επειδή στο σύγχρονο

λογισμικό είτε χρησιμοποιούνται ελάχιστα είτε είναι ολοσχερώς

ανενεργά, χρησιμοποιούνται για ειδικές λειτουργίες από πολλούς

δημιουργούς λογισμικού.

Πλήκτρα WASD

Πλήκτρα WASD.

Τα πλήκτρα WASD (δηλαδή αυτά που αντιστοιχούν στους χαρακτήρες

W, A, S και D) είναι ένα υποσύνολο των πλήκτρων των πληκτρολογίων

τύπου QWERTY το οποίο, εκτός από την εισαγωγή των αντίστοιχων

χαρακτήρων, χρησιμοποιείται και στα περισσότερα παιχνίδια

υπολογιστών. Συγκεκριμένα, τα πλήκτρα αυτά χρησιμεύουν στο

χειρισμό της κίνησης του παίκτη, ειδικά σε παιχνίδια όπου απαιτείται και

ποντίκι.

Προαιρετικά πλήκτρα

Εκτός από όσα αναφέρθηκαν παραπάνω, ορισμένα πληκτρολόγια περιέχουν και άλλα πλήκτρα, όπως το Fn που υπάρχει στην πλειονότητα των φορητών υπολογιστών και το ειδικό πλήκτρο με το λογότυπο των Windows, που υπάρχει σχεδόν σε όλα τα σύγχρονα πληκτρολόγια προσωπικών υπολογιστών, για λειτουργίες του συστήματος. Το τελευταίο υπάρχει και στους υπολογιστές της Apple, σαν πλήκτρο με το σήμα της εταιρείας (μήλο) και με παρόμοια λειτουργία. Άλλα πλήκτρα, που υπάρχουν σε κάποια πληκτρολόγια, μπορεί να χρησιμεύουν στην πλοήγηση στο Διαδίκτυο, στον χειρισμό προγραμμάτων μουσικής, στον χειρισμό παιχνιδιών κτλ.

Το ποντίκι (mouse) είναι συσκευή εισόδου που χρησιμοποιείται στους ηλεκτρονικούς υπολογιστές (Η/Υ). Το όνομα του προέρχεται από το χαρακτηριστικό σχήμα των πρώτων συσκευών του είδους, που θυμίζει το μικρό θηλαστικό. Σε γραφικές διεπιφάνειες χρήστη (GUI), η κίνηση του ποντικιού αντιστοιχεί σε παρόμοια κίνηση ενός ίχνους ή αλλιώς κέρσορα στην οθόνη του υπολογιστή.

Περιγραφή και λειτουργία

Εσωτερικά μέρη ενός τυπικού μηχανικού ποντικιού:1. Μπίλια2. Πλαστικοί ράβδοι & γρανάζια3. LED5. Φωτοδίοδος

Το κλασικό ποντίκι είναι χειροκίνητη συσκευή κατάδειξης, τα κύρια μέρη

του οποίου είναι το καλώδιο επικοινωνίας με τον Η/Υ και το κυρίως

σώμα της συσκευής. Το κυρίως σώμα αποτελείται συνήθως από ένα

σταθερό στέλεχος από πλαστικό, πάνω στο οποίο είναι

προσαρμοσμένα δύο ή περισσότερα κουμπιά και ίσως μια ροδέλα

κύλισης.

Μηχανικό ποντίκι

Στο κάτω μέρος του στελέχους υπάρχει μια μικρή σφαίρα (λεπτομέρεια

1 στην εικόνα) από εύκαμπτο υλικό, η οποία μπορεί να κυλάει ελεύθερα.

Κινώντας το ποντίκι πάνω σε μια σχετικά λεία επιφάνεια, η μπίλια

μεταφέρει την κίνηση αυτή σε δύο κάθετες μεταξύ τους πλαστικές

ράβδους στο εσωτερικό του κυρίου σώματος, οι οποίες έχουν

προσαρμοσμένους στα άκρα τους δύο γρανάζια ή διάτρητους

πλαστικούς δίσκους (λεπτομέρεια 2). Η κίνηση των δίσκων διακόπτει

μια δέσμη φωτός από ένα LED (λεπτομέρεια 3) προς μια φωτοδίοδο

(λεπτομέρεια 5). Ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα μέσω της συχνότητας

των διακοπών αυτών παράγει ένα ψηφιακό σήμα, που αντιστοιχεί στην

διανυσματική ταχύτητα (κατεύθυνση και τιμή) του ποντικιού. Το ψηφιακό

σήμα μεταφέρεται στον Η/Υ μέσω του καλωδίου επικοινωνίας. Ο Η/Υ

τότε μετακινεί τον κέρσορα στην οθόνη, βασιζόμενος στην προηγούμενη

του θέση και στο ψηφιακό σήμα.

Οπτικό ποντίκι

Ένα οπτικό ποντίκι χρησιμοποιεί μια δίοδο εκπομπής φωτός και

φωτοδίοδο για την ανίχνευση της κυκλοφορίας σε σχέση με την

υποκείμενη επιφάνεια, αντί να μετακινούνται ορισμένα από τα τμήματά

της - όπως και σε μηχανικό ποντίκι.

Ποντίκι Laser

Το ποντίκι laser χρησιμοποιεί μια υπέρυθρη δίοδο λέιζερ, αντί για μια

LED για να φωτίζει την επιφάνεια κάτω από τους αισθητήρες. Ήδη από

το 1998, η Sun Microsystems παρείχε ένα ποντίκι laser με τους

διακομιστές Sun SPARCstation και τους σταθμούς εργασίας. Ωστόσο,

τα ποντίκια λέιζερ δεν μπήκαν στον κύριο κορμό της αγοράς μέχρι το

2004, όταν η Logitech, σε συνεργασία με την Agilent Technologies,

παρουσίασαν το MX 1000 laser mouse. Αυτό το ποντίκι χρησιμοποιεί

μια μικρή υπέρυθρη ακτίνα λέιζερ αντί της ΑΤΑ και αύξησε σημαντικά

την ανάλυση της εικόνας που λαμβάνεται από το ποντίκι.

Ιστορία

Το πρώτο στον κόσμο ποντίκιΟ πρώην τεχνικός πολεμικών ραντάρ, Doug Englebart, διεύθυνε την εφεύρεση του πρώτου ηλεκτρονικού υπολογιστικού ποντικιού στα μέσα

της δεκαετίας του 1960 στο Stanford Research International (SRI). Ο Englebart και Ο Bill English συνεργάστηκαν συγκρίνοντας διάφορα ποντίκια για την ταχύτητα και την ακρίβεια. Ο Bill English κατασκεύασε το πρωτότυπο ποντίκι από τις αντιλήψεις του Englebart. Έτσι, μπορούμε να πούμε πως ο Bill English είναι ο πρώτος άνθρωπος που χρησιμοποίησε ποτέ το ποντίκι.

Η Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας - ΚΜΕ (αγγλικά: Central

Processing Unit - CPU) είναι το κεντρικό εξάρτημα ενός ηλεκτρονικού

υπολογιστή, και συχνά αναφέρεται απλά ως επεξεργαστής. Η ΚΜΕ

ελέγχει τη λειτουργία του υπολογιστή και εκτελεί τις λειτουργίες

επεξεργασίας δεδομένων. Αν η ΚΜΕ αποτελείται από ένα μόνο

ολοκληρωμένο κύκλωμα τότε ονομάζεται μικροεπεξεργαστής

(microprocessor) ή μικροελεγκτής (microcontroller).

Οι επεξεργαστές δεν σχετίζονται αποκλειστικά με τους ηλεκτρονικούς υπολογιστές καθώς πλέον ενσωματώνονται και σε πολλές ηλεκτρονικές συσκευές όπως κινητά τηλέφωνα, ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές και βιντεοκάμερες. Επεξεργαστές ενσωματώνονται σε κάθε είδους συσκευής στην οποία απαιτείται ύπαρξη υπολογιστικής ικανότητας.

στορική αναδρομή

Η διάκριση μεταξύ ΚΜΕ και υπολογιστών ως σύνολο είναι πολύ

δυσδιάκριτη στα πρώτα στάδια ανάπτυξης των υπολογιστών. Αρχικά

δεν υπήρχε η έννοια της ΚΜΕ καθώς ο υπολογιστής ήταν στην ουσία

μια μονάδα επεξεργασίας. Ο διαχωρισμός συνέβη αργότερα, όταν

προστέθηκαν στους υπολογιστές επιπλέον εξαρτήματα όπως μνήμες,

μονάδες εισόδου/εξόδου, δίαυλοι κ.α.

[Επεξεργασία]

Λυχνίες κενού

Ο EDVAC σχεδιάστηκε ώστε να εκτελεί αποθηκευμένα προγράμματα.

Η πρώτη γενιά ηλεκτρονικών υπολογιστών κατασκευαζόταν με λυχνίες

κενού. Οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές υπερτερούσαν σε ταχύτητα

υπολογισμών έναντι της προηγούμενης γενιάς μηχανικών υπολογιστών,

αλλά υστερούσαν σε αξιοπιστία. Κύρια αιτία της χαμηλής αξιοπιστίας

ήταν οι λυχνίες, που παρουσίαζαν μεγάλο πρόβλημα υπερθέρμανσης

με αποτέλεσμα οι υπολογιστές να καταρρέουν πολύ συχνά.

Ο υπολογιστής λυχνιών ENIAC, που ολοκληρώθηκε το 1946,

σηματοδοτεί την αρχή της πρώτης γενιάς υπολογιστών. Ο ENIAC

προγραμματιζόταν από τον χρήστη (operator), αλλά η διαδικασία του

προγραμματισμού ήταν εξαιρετικά δύσκολη, επίπονη και χρονοβόρα

διαδικασία καθώς γινόταν σε φυσικό επίπεδο, ανοιγοκλείνοντας

διακόπτες ή μετακινώντας καλώδια. Για να διευκολυνθεί η διαδικασία

του προγραμματισμού, διατυπώθηκε από τον τον μαθηματικό Τζον φον

Νόιμαν η ιδέα του αποθηκευμένου προγράμματος. Ο φον Νόιμαν

δημοσίευσε την μελέτη του το 1945, προτείνοντας την κατασκευή ενός

νέου υπολογιστή, του EDVAC, που θα εκτελούσε αποθηκευμένα

προγράμματα. Με αυτόν τον τρόπο η δημιουργία και η τροποποίηση

ενός προγράμματος θα ήταν πιο εύκολη, μεταβάλλοντας απλώς τα

περιεχόμενα της μνήμης.

Ο EDVAC, που ολοκληρώθηκε τον Αύγουστο του 1949, μπορούσε να

εκτελέσει ένα συγκεκριμένο σύνολο εντολών (instruction set).

Συνδυάζοντας τις εντολές ο χρήστης δημιουργούσε ένα πρόγραμμα και

το αποθήκευε στη μνήμη, περιμένοντας τον υπολογιστή να το εκτελέσει.

Η πρότυπη σχεδίαση του EDVAC, που μείωσε δραματικά τον

απαιτούμενο χρόνο προγραμματισμού, ονομάστηκε αρχιτεκτονική φον

Νόιμαν, προς τιμήν του εμπνευστή και σχεδιαστή της. Παρόμοιες

προσεγγίσεις, ανέπτυξαν και άλλοι επιστήμονες , όπως ο Άλαν

Τούρινγκ και ο Κόνραντ Τσούζε. Αξιοσημείωτος είναι ο υπολογιστής

Mark I του πανεπιστημίου Χάρβαρντ, που ολοκληρώθηκε πριν τον

EDVAC και χρησιμοποιούσε επίσης ένα σχέδιο αποθήκευσης

προγραμμάτων σε διάτρητη ταινία αντί για ηλεκτρονική μνήμη. Η

σχεδίαση που προέκυψε από τον Mark I ονομάστηκε αρχιτεκτονική

Χάρβαρντ και η βασική της διαφορά με την αρχιτεκτονική φον Νόιμαν

είναι ότι διαχωρίζει τον χώρο αποθήκευσης εντολών και δεδομένων.

[Επεξεργασία]

Τρανζίστορ

Εξ αρχής, οι υπολογιστές ήταν πεδίο έρευνας σε πανεπιστήμια και η

ανάπτυξη χρηματοδοτούνταν από τις κυβερνήσεις. Η πρώτη σημαντική

βελτίωση επιτεύχθηκε με την έλευση του τρανζίστορ, που δεν

παρουσίαζε κανένα από τα μειονεκτήματα των λυχνιών. Οι υπολογιστές

με τρανζίστορ ήταν πολύ μικρότεροι σε μέγεθος, δεν υπερθερμαίνονταν

εύκολα και πραγματοποιούσαν υπολογισμούς πολύ πιο γρήγορα απ' ότι

οι υπολογιστές με λυχνίες. Με την χρήση των τρανζίστορ μειώθηκε

επίσης σημαντικά και η ηλεκτρική κατανάλωση των υπολογιστών. Οι

νέοι υπολογιστές υπερτερούσαν σε όλα τα επίπεδα και μέχρι τις αρχές

του '60 είχαν αντικαταστήσει πλήρως την προηγούμενη γενιά. Η

δεύτερη γενιά κατασκευαζόταν αποκλειστικά με τρανζίστορ ενώ

ορισμένοι υπολογιστές ήταν δυνατό να προγραμματιστούν με

συμβολική γλώσσα.

Τα νέα θετικά στοιχεία προκάλεσαν το ενδιαφέρον ιδιωτικών εταιριών

για τους υπολογιστές και τους επεξεργαστές. Με προσανατολισμό την

κατασκευή υπολογιστών για εμπορικούς σκοπούς, επενδύθηκαν

μεγάλα κεφάλαια για αυτοματοποίηση των εργασιών στις επιχειρήσεις.

Σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν υπολογιστές με ταχύτερη μνήμη και

καλύτερες μονάδες εισόδου και εξόδου δεδομένων. Λόγω των

αυξανόμενων απαιτήσεων για περισσότερη υπολογιστική

κατασκευάστηκαν τόσο μικροσκοπικά τρανζίστορ που δύσκολα γινόταν

ορατά δια γυμνού οφθαλμού, ενώ σταδιακά άρχισαν να τα

ενσωματώνουν σε πλακέτες. Οι πλακέτες, που κάθε μια επιτελούσε μια

λειτουργία, κατασκευάζονταν αυτόνομα και έπειτα συναρμολογούνταν

όλες μαζί. Η επιμέρους ανάπτυξη τμημάτων, που με την

συναρμολόγηση τους παραγόταν ένας υπολογιστής, διέκρινε και την

ΚΜΕ ως ξεχωριστή οντότητα από το σύνολο του υπολογιστή.

[Επεξεργασία]

Ολοκληρωμένα κυκλώματα

Η κονσόλα χρήστη ενός υπολογιστή System/360, διακρίνονται οι καταχωρητές και οι διακόπτες.

Το ολοκληρωμένο κύκλωμα (integrated circuit, IC), ή "τσιπ" (chip) όπως

συχνά αναφέρεται, επιτελεί μια ολοκληρωμένη διαδικασία, με την έννοια

ότι δέχεται δεδομένα και επιστρέφει αποτελέσματα. Κατασκευάζεται

πάνω σε ένα μικροσκοπικό κομμάτι πυριτίου, που ως ημιαγωγός,

μπορεί να ενθυλακώσει την λειτουργία των τρανζίστορ, των

αντιστάσεων και των αγωγών ώστε αυτά να μην κατασκευάζονται πλέον

ξεχωριστά. Πολλά τρανζίστορ κατασκευάζονται με ευκολία πάνω σε μια

λεπτή επιφάνεια πυριτίου ενώ τα κυκλώματα δημιουργούνται με την

μέθοδο της επιμετάλλωσης. Αρχικά μόνο βασικά κυκλώματα, όπως οι

πύλες NOR, κατασκευάζονταν σε ολοκληρωμένα κυκλώματα. Οι

επεξεργαστές που κατασκευάστηκαν με απλά ολοκληρωμένα

κυκλώματα κατατάσσονται ως συσκευές με μικρή κλίμακα

ολοκλήρωσης

Μεταγενέστερα, τα κυκλώματα τυπώνονταν με πανομοιότυπο τρόπο σε

μεγαλύτερες επιφάνειες και έπειτα κόβονταν σε ξεχωριστά τσιπς. Κάθε

τσιπ, είχε λογικές πύλες, κύτταρα μνήμης και σημεία εισόδου και εξόδου

δεδομένων. Μετά την κοπή τοποθετούνταν σε κάθε τσιπ ακροδέκτες

(pins) ώστε να μπορεί να συνδέεται με άλλες συσκευές. Πολλά τσιπ που

διασυνδέονταν πάνω σε μια πλακέτα δημιουργούσαν μεγαλύτερα και

πιο πολύπλοκα κυκλώματα. Με αυτόν τον τρόπο κατασκευάστηκαν

επεξεργαστές από κυκλώματα μεσαίας και μεγάλης κλίμακας

ολοκλήρωσης. Με την εξέλιξη της μικροηλεκτρονικής, αυξήθηκε και ο

αριθμός των τρανζίστορ που τοποθετούνταν σε ένα ολοκληρωμένο

κύκλωμα, μειώνοντας παράλληλα και τον συνολικό αριθμό των

ολοκληρωμένων που απαιτούνταν για την κατασκευή ενός

επεξεργαστή.

Χαρακτηριστικός αντιπρόσωπος της τρίτης γενιάς επεξεργαστών είναι οι

υπολογιστές της αρχιτεκτονικής System/360 από την ΙΒΜ. Η εταιρεία

προσπάθησε να ξεπεράσει την ασυμβατότητα που υπήρχε μεταξύ των

υπολογιστών, ακόμη και κοινού κατασκευαστή, ώστε να εκτελείται ένα

πρόγραμμα, χωρίς τροποποιήσεις, και από άλλους υπολογιστές με

διαφορετική ταχύτητα και επιδόσεις. Για να το πετύχει αυτό, η IBM

εισήγαγε την έννοια του μικροπρογράμματος (microprogram). Το

σύνολο της αρχιτεκτονικής System/360 έγινε τόσο δημοφιλής που

κυριάρχησε στα συστήματα μεγάλης υπολογιστικής ισχύς (mainframes)

για πολλές δεκαετίες και συνεχίζει να εφαρμόζεται με παρόμοιο τρόπο

στους σύγχρονους υπολογιστές.

[Επεξεργασία]

Μικροεπεξεργαστές

Δείτε το κυρίως άρθρο Μικροεπεξεργαστής

Ο μικροεπεξεργαστής Intel 80486DX2.

Ο τρόπος κατασκευής των ΚΜΕ άλλαξε σημαντικά στην δεκαετία του

70, όταν κατασκευάστηκαν οι πρώτοι επεξεργαστές από ένα μόνο

ολοκληρωμένο κύκλωμα μεγάλης ολοκλήρωσης. Επειδή μειώθηκε εκ

νέου το μέγεθος, οι νέοι επεξεργαστές ονομάστηκαν

μικροεπεξεργαστές, ενώ σήμερα ο όρος "ΚΜΕ" αναφέρεται

αποκλειστικά σε αυτούς. Το μικρότερο μέγεθος μείωσε επίσης και τον

χρόνο μεταγωγής λόγω των φυσικών παραγόντων. Έτσι οι σύγχρονοι

μικροεπεξεργαστές έχουν συχνότητα ρολογιού που κυμαίνεται από

εκατοντάδες megahertz έως αρκετά gigahertz. Παράλληλα, αυξήθηκε η

πολυπλοκότητα και ο αριθμός των τρανζίστορ που αποτελούσαν ένα

ολοκληρωμένο κύκλωμα. Ο ρυθμός αύξησης των τρανζίστορ

περιγράφεται από τον νόμο του Μουρ, που ισχύει μέχρι σήμερα και

προβλέπει τον διπλασιασμό του αριθμό των τρανζίστορ, που

ενσωματώνονται σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα, κάθε 18 μήνες.

Αν και η πολυπλοκότητα, το μέγεθος, η κατασκευή, και η γενική μορφή

των επεξεργαστών έχει αλλάξει ριζικά τα τελευταία εξήντα χρόνια, είναι

αξιοσημείωτο ότι ο βασικός σχεδιασμός και η λειτουργία τους δεν έχει

αλλάξει σε μεγάλο βαθμό. Σήμερα σχεδόν όλες οι κοινές ΚΜΕ μπορούν

να θεωρηθούν ως μηχανές φον Νόημαν. Καθώς ο νόμος του Μουρ

εξακολουθεί να ισχύει, έχουν εκφραστεί ανησυχίες σχετικά με τα όρια

της τεχνολογίας ολοκλήρωσης κυκλωμάτων με τρανζίστορ. Οι μεγάλες

σμικρύνσεις των ηλεκτρονικών πυλών έχουν ξεπεράσει προβλήματα

που παλαιότερα προκαλούνταν από τα υλικά κατασκευής. Νεότερες

όμως ανησυχίες προκαλούν τους ερευνητές να διερευνήσουν νέες

μεθόδους υλοποίησης υπολογισμών, όπως ο κβαντικός υπολογιστής,

καθώς και να διευρύνουν την χρήση του παράλληλου υπολογισμού και

άλλων μεθόδων που επεκτείνουν την χρησιμότητα της υπάρχουσας

αρχιτεκτονικής φον Νόημαν.

[Επεξεργασία]

Οργάνωση

Οι περισσότεροι σύγχρονοι υπολογιστές ακολουθούν μια απλοποιημένη

μορφή της αρχιτεκτονικής φον Νόημαν. Συνδυάζουν την Αριθμητική και

Λογική μονάδα με την μονάδα ελέγχου δημιουργώντας την ΚΜΕ, και τις

μονάδες εισόδου και εξόδου σε μια μονάδα εισόδου/εξόδου (Ε/Ε).

Επομένως κάθε σύγχρονο υπολογιστικό σύστημα, αποτελείται από τρία

μέρη, την ΚΜΕ, την μνήμη και την μονάδα Ε/Ε.

H KME αποτελείται από τρία κύρια τμήματα

▪Καταχωρητές (Registers): Μικρά κύτταρα μνήμης στο εσωτερικό του

επεξεργαστή, που χρησιμοποιούνται για την προσωρινή

αποθήκευση των δεδομένων, καθώς αυτά υφίστανται

επεξεργασία. Μερικοί καταχωρητές έχουν ειδική λειτουργία

▪Απαριθμητής προγράμματος (program counter): περιέχει την

διεύθυνση της επόμενης εντολής που θα ανακτηθεί από την

μνήμη για να εκτελεστεί.

▪Καταχωρητής εντολών (Instruction register): αποθηκεύει τον κωδικό

λειτουργίας της εντολής πριν αποκωδικοποιηθεί από την ΚΜΕ.

▪Συσσωρευτής (accumulator): καταχωρητής που συνήθως

χρησιμοποιείται για τις αριθμητικές και λογικές πράξεις.

▪Αριθμητική και Λογική Μονάδα (Arithmetic and Logical Unit, ALU):

εκτελεί αριθμητικές και λογικές πράξεις

▪Μονάδα Ελέγχου (Control Unit): Ελέγχει τη ροή δεδομένων από και

προς την ΚΜΕ, τους καταχωρητές, τη μνήμη και τις περιφερειακές

μονάδες εισόδου/εξόδου.

Η διασύνδεση μεταξύ αυτών των μονάδων επιτυγχάνεται μέσω ενός

κοινού διαύλου που ονομάζεται δίαυλος συστήματος.

[Επεξεργασία]

Εντολές

Η βασική λειτουργία των περισσότερων επεξεργαστών, ανεξάρτητα από

τη φυσική μορφή τους, είναι να εκτελούν ακολουθίες αποθηκευμένων

εντολών. Η εντολή, στην πραγματικότητα, είναι ένας αριθμός ή μια

ακολουθία αριθμών που αντιστοιχεί σε μια ενέργεια.

[Επεξεργασία]

Μορφή και κωδικοποίηση

Μια εντολή μπορεί να επεξεργαστεί δεδομένα ή να μεταβάλλει

καταστάσεις στο εσωτερικό της ΚΜΕ. Αν είναι εντολή επεξεργασίας

μπορεί να μεταφέρει, να προσθέσει, ή να συγκρίνει δεδομένα, ενώ αν

είναι εντολή μεταβολής μπορεί να τροποποιήσει τον απαριθμητή

προγράμματος και τον καταχωρητή ενδείξεων. Μεταβάλλοντας τον

απαριθμητή προγράμματος μπορεί να αλλάξει η ροή εκτέλεσης του

προγράμματος. Τέτοιες εντολές είναι γνωστές ως "άλματα" (jumps) και

είναι ο βασικός τρόπος υλοποίησης των βρόχων επιλογής και

επανάληψης. Ο καταχωρητής ενδείξεων περιέχει διακριτές καταστάσεις

ελέγχου, όπως ο ενδείκτης υπερχείλισης. Οι ενδείκτες επηρεάζουν τον

τρόπο με τον οποίο συμπεριφέρεται ένα πρόγραμμα, δεδομένου ότι

συχνά αποτελούν αναφορά στα αποτελέσματα διαφόρων εργασιών.

Κάθε εντολή περιλαμβάνει την λειτουργία που θα εκτελέσει, την πηγή

των δεδομένων και την διεύθυνση της επόμενης εντολής. Όλες αυτές οι

πληροφορίες κωδικοποιούνται σε ένα ή περισσότερα bytes ανάλογα με

τον τύπο της εντολής. Για να προκύψουν όσο το δυνατόν λιγότερα bytes

δεχόμαστε ότι η επόμενη εντολή ακολουθεί αμέσως μετά την τρέχουσα

εντολή. Έτσι συνήθως οι εντολές αποτελούνται από δύο τμήματα, το

πρώτο τμήμα περιέχει τον κωδικό εντολής (operation code) και

υποδηλώνει τη λειτουργία προς εκτέλεση, και το δεύτερο τμήμα περιέχει

πληροφορίες που απαιτούνται για την εν λόγω εντολή, για παράδειγμα

οι τελεστές για την λειτουργία της πρόσθεσης ή η διεύθυνση της

επόμενης εντολής αν είναι εντολή διακλάδωσης.

Για κάθε εντολή υπάρχει διαφορετική κωδικοποίηση. Ακόμη και στην

ίδια εντολή, ανάλογα με τον τύπο τελεστών που χρησιμοποιεί, δηλαδή

αν είναι καταχωρητές, θέσεις μνήμης ή απευθείας δεδομένα, υπάρχει

διαφορετική κωδικοποίηση. Στην πραγματικότητα όλες οι εντολές είναι

δυαδικοί αριθμοί που έχουν αντιστοιχηθεί σε μια λειτουργία. Για να

γίνονται πιο κατανοητές οι εντολές συνήθως αναπαρίστανται είτε σε

δεκαεξαδική μορφή είτε σε συμβολική γλώσσα. Για παράδειγμα η

εντολή ADD C δηλώνει ότι θα προστεθεί το περιεχόμενο του

καταχωρητή C με το περιεχόμενο του συσσωρευτή και το αποτέλεσμα

θα αποθηκευτεί στον συσσωρευτή. Η αντίστοιχη δεκαεξαδική

αναπαράσταση της εντολής αυτής είναι 81h, σε αρχιτεκτονικές x86.

[Επεξεργασία]

Κύκλος εντολής

Κύκλος εντολής είναι το διάστημα που απαιτείται για την αποπεράτωση

μιας εντολής και την έναρξη της επόμενης. Υπάρχουν τέσσερα στάδια

για την ολοκλήρωση ενός κύκλου: η ανάκληση (fetch), η

αποκωδικοποίηση (decode), η εκτέλεση (execute) και αποθήκευση του

αποτελέσματος (store/writeback).

Κατά την ανάκληση, ανάκταται η εντολή από την θέση μνήμης που

είναι αποθηκευμένη. Η θέση της εντολής στην μνήμη περιέχεται στον

απαριθμητή προγράμματος. Όταν η εντολή μεταφερθεί από την μνήμη

στον επεξεργαστή αποθηκεύεται στον καταχωρητή εντολών. Έπειτα

αυξάνεται η τιμή του απαριθμητή προγράμματος, όσο είναι και το μήκος

της εντολής σε μονάδες μνήμης, ώστε να υποδεικνύει την θέση της

επόμενης εντολής ή την διεύθυνση των τελεστών σε περίπτωση που η

τρέχουσα εντολή έχει τελεστές. Συχνά η εντολή προς ανάκληση

καθυστερεί να μεταφερθεί από την μνήμη στον επεξεργαστή, λόγο

ασύγχρονης λειτουργίας των δύο συσκευών, προκαλώντας παύση στην

λειτουργία της ΚΜΕ. Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος,

στους σύγχρονους επεξεργαστές γίνεται χρήση ενδιάμεσης μνήμης

προσωρινής αποθήκευσης (cache) αλλά και τεχνικές σωλήνωσης

(pipelining).

Στο στάδιο της αποκωδικοποίησης, η εντολή διασπάται και

ερμηνεύεται από τον επεξεργαστή. Ανάλογα με τον κωδικό εντολής,

κατά την αποκωδικοποίηση, ανακαλούνται και τυχόν τελεστές. Η τιμή

των τελεστών ανακαλείται είτε άμεσα ως σταθερά, είτε έμμεσα ως μια

διεύθυνση στην οποία βρίσκεται αποθηκευμένη η τιμή, σε κάποιο

καταχωρητή ή μνήμη, όπως ορίζει το εκάστοτε πρότυπο

διευθυνσιοδότησης. Σε παλιότερα σχέδια επεξεργαστών, η

αποκωδικοποίηση της εντολής ήταν μια αμετάβλητη διαδικασία που

πραγματοποιούσε το υλικό. Ωστόσο, σε πιο περίπλοκες αρχιτεκτονικές

επεξεργαστών, για την ερμηνεία των εντολών χρησιμοποιείται ένα

μικροπρόγραμμα. Το μικροπρόγραμμα συνήθως είναι

επαναπρογραμματιζόμενο ώστε να μπορεί να μεταβληθεί, ακόμη και

μετά την κατασκευή της ΚΜΕ, ο τρόπος που αποκωδικοποίησης των

εντολών.

Μετά την ανάκληση και την αποκωδικοποίηση, ακολουθεί η εκτέλεση

της εντολής. Σε αυτό το στάδιο, διάφορες μονάδες του επεξεργαστή

συνδέονται ώστε να γίνει εφικτή η εκτέλεση της επιθυμητής λειτουργίας.

Αν, για παράδειγμα, ζητήθηκε μια λειτουργία πρόσθεσης, η αριθμητική

μονάδα (AU) θα συνδεθεί με ένα σύνολο εισόδων και εξόδων. Οι

είσοδοι θα παρέχουν τους αριθμούς που πρέπει να προστεθούν και οι

έξοδοι θα περιέχουν το άθροισμα. Εάν η πρόσθεση έχει ως αποτέλεσμα

έναν υπερβολικά μεγάλο αριθμό για να χειριστεί η ΚΜΕ τότε θα

ενεργοποιηθεί ο ενδείκτης αριθμητικής υπερχείλισης. Η αριθμητική

λογική μονάδα (ALU) στο σύνολό της περιέχει κυκλώματα για την

εκτέλεση απλών αριθμητικών και λογικών πράξεων, όπως η πρόσθεση

και η σύγκριση αριθμών.

Στο τελικό στάδιο, την αποθήκευση, η ΚΜΕ στέλνει τα δεδομένα προς

αποθήκευση στην μνήμη. Τα αποτελέσματα αρχικά αποθηκεύονται

προσωρινά σε κάποιο καταχωρητή για ταχύτερη προσπέλαση από

επόμενες εντολές και έπειτα αποθηκεύονται στην κύρια μνήμη του

συστήματος. Εντολές που κάνουν άλματα αλλά και εντολές που

μεταβάλλουν τον καταχωρητή ενδείξεων στην ουσία δεν παράγουν

κάποιο αποτέλεσμα προς αποθήκευση. Μετά την αποθήκευση των

αποτελεσμάτων που προέκυψαν, ο κύκλος εντολής ολοκληρώνεται και

επαναλαμβάνεται με την επόμενη εντολή, αφού αυξήθηκε ο

απαριθμητής προγράμματος. Σε επεξεργαστές με πιο περίπλοκη

αρχιτεκτονική, περισσότερες εντολές μπορεί να ανακαλούνται, να

αποκωδικοποιούνται και να εκτελούνται ταυτόχρονα.

Σχεδιασμός και υλοποίηση

MOS 6502 μικροεπεξεργαστής των 8 bit.

Η ΚΜΕ είναι το βασικό τμήμα ενός υπολογιστικού συστήματος και γι'

αυτό ο σχεδιασμός και η λειτουργία της επηρεάζει το σύστημα στο

σύνολό του.

Παράσταση δεδομένων

Ένα από τα σημαντικότερα ζητήματα που αφορούν τα υπολογιστικά

συστήματα είναι ο τρόπος με τον οποίο αναπαρίστανται τα δεδομένα. Οι

πρώτοι ψηφιακοί υπολογιστές χρησιμοποιούσαν το δεκαδικό σύστημα

για την αναπαράσταση αριθμών, ενώ μερικοί άλλοι υπολογιστές

χρησιμοποιούσαν το τριαδικό σύστημα. Σχεδόν όλοι οι σύγχρονοι

επεξεργαστές χρησιμοποιούν το δυαδικό σύστημα, όπου τα δύο ψηφία,

το μηδέν (0) και το ένα (1), αντιστοιχούν σε δύο αντίθετες φυσικές

καταστάσεις, όπως η "υψηλή" και η "χαμηλή" τάση. Επομένως οι

υπολογιστές αντιλαμβάνονται μόνο τα δύο αυτά ψηφία και έτσι πρέπει

να χρησιμοποιείται κάποιος κώδικας που να αποδίδει σημασία σε αυτά

τα bit. Η κωδικοποίηση και η αποκωδικοποίηση των δυαδικών ψηφίων

ώστε να παριστάνουν έναν αριθμό ή έναν χαρακτήρα, κατανοητό από

τους χρήστες, συμβαίνει στην μονάδα Εισόδου/Εξόδου. Σε ορισμένες

περιπτώσεις, για να μειωθεί το μήκος, τα byte και οι λέξεις

αναπαριστώνται συμβολικά με δεκαεξαδική μορφοποίηση.

Η ΚΜΕ και κατ' επέκταση οι υπολογιστές χειρίζονται συγκεκριμένες

ομάδες δυαδικών ψηφίων. Οι ομάδες μπορεί να έχουν ένα bit, τέσσερα

bit που ονομάζεται nibble, οκτώ bit που ονομάζεται byte και 16 bit που

ονομάζεται word (λέξη). Το byte είναι η πιο κοινή ομάδα από δυαδικά

ψηφία που χρησιμοποιείται στους υπολογιστές. Με ένα byte μπορούν

να αναπαρασταθούν 28 διαφορετικές τιμές, αφού έχει 8 bit. Η αρίθμηση

των bit σε ένα byte αρχίζει από το μηδέν έως το εφτά ενώ βασικό πεδίο

εφαρμογής των byte είναι για την κωδικοποίηση χαρακτήρων. Τα bit

μιας λέξης (word) αριθμούνται από το μηδέν έως το 15 και μπορούν να

αναπαραστήσουν 216, ή 65.536, διαφορετικές τιμές. Κάθε bit ή byte

παριστάνει αυτό που εμείς καθορίζουμε να παρασταθεί. Για παράδειγμα

ένα bit μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως αριθμός ενώ το διπλανό του ως

λογική τιμή. Με τον ίδιο τρόπο ένα byte μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως

αριθμός αλλά και ως χαρακτήρας, αναλόγως την κωδικοποίηση που

επιλέξουμε για την ανάγνωσή του. Τα δεδομένα στην ΚΜΕ, στην μνήμη

και στον δίαυλο του συστήματος υπάρχουν υπό την ίδια δυαδική

μορφή.

Δίαυλος συστήματος

κόκκινο: δίαυλος διευθύνσεωνμπλε: δίαυλος δεδομένωνπράσινο: δίαυλος ελέγχου

Οι δίαυλοι είναι αγωγοί που ομαδοποιούνται σύμφωνα με την λειτουργία

τους. Αν για παράδειγμα ένας δίαυλος είναι 32-bit σημαίνει ότι έχει 32

ξεχωριστούς αγωγούς, καθένας από τους οποίους μεταφέρει ένα bit

δεδομένου. Υπό αυτήν την έννοια, ο δίαυλος συστήματος αποτελείται

από ένα σύνολο ξεχωριστών διαύλων, ταξινομημένους σύμφωνα με την

λειτουργία τους. Οι δίαυλοι αυτοί είναι ο δίαυλος διευθύνσεων, ο

δίαυλος δεδομένων και ο δίαυλος ελέγχου. Ο δίαυλος δεδομένων

μεταφέρει δεδομένα μεταξύ των μονάδων του υπολογιστικού

συστήματος. Το μέγεθός του καθορίζει πόσα bit μπορεί να μεταφέρει

ταυτόχρονα αλλά και το εύρος των αριθμών που μπορεί να χειριστεί ο

επεξεργαστής. Ο επεξεργαστής Intel 8088, με δίαυλο δεδομένων των 8

bit, κατηγοριοποιείται ως οκτάμπιτος επεξεργαστής και μπορεί να

χειριστεί 28 = 256 αριθμούς.

Στην περίπτωση εγγραφής δεδομένων στη μνήμη, ο δίαυλος

διευθύνσεων περιέχει την διεύθυνση της θέσης μνήμης στην οποία θα

αποθηκευτούν τα δεδομένα. Το μέγεθος του διαύλου διευθύνσεων

καθορίζει και το μέγεθος της μνήμης που μπορεί να διευθυνσιοδοτήσει

ο επεξεργαστής, δηλαδή την μνήμη που μπορεί να αντιληφθεί και να

χρησιμοποιήσει. Για παράδειγμα στον 8088, που ο δίαυλος

διευθύνσεων ήταν 20 bits, ο επεξεργαστής μπορούσε να προσπελάσει

μέχρι 220 = 1.048.576 θέσεις μνήμης (1ΜΒ). Ο δίαυλος ελέγχου

αποτελείται από αγωγούς με ξεχωριστή λειτουργία ο καθένας, οι οποίοι

ελέγχουν τον τρόπο που επικοινωνεί ο επεξεργαστής με τα υπόλοιπα

υποσυστήματα. Για παράδειγμα, όταν ο επεξεργαστής επικοινωνεί με

την μνήμη ο δίαυλος ελέγχου προσδιορίζει την κατεύθυνση των

δεδομένων με τα σήματα read ή write.

Χρονισμός ρολογιού

Ο παλμός του ρολογιού συστήματος.

Οι περισσότερες κεντρικές μονάδες επεξεργασίας είναι σύγχρονες

συσκευές. Είναι δηλαδή σχεδιασμένες να λειτουργούν σύμφωνα με ένα

ηλεκτρικό σήμα συγχρονισμού, που ονομάζεται σήμα ρολογιού. Το

ρολόι είναι ένας ηλεκτρικός τετραγωνικός παλμός που εκπέμπεται από

τον δίαυλο ελέγχου και εναλλάσσεται περιοδικά μεταξύ μηδέν και ένα. Ο

χρόνος που χρειάζεται το ρολόι για να μεταπηδήσει από το μηδέν στο

ένα και πίσω στο μηδέν, ονομάζεται περίοδος ή κύκλος του ρολογιού. Η

συχνότητα με την οποία γίνεται αυτή η εναλλαγή ονομάζεται συχνότητα

ρολογιού. Η συχνότητα μετριέται σε Hertz (Hz) ενώ ο κύκλος, που είναι

αντίστροφο μέγεθος της συχνότητας, μετριέται σε δευτερόλεπτα. Ο

κύκλος ρολογιού είναι το μικρότερο χρονικό διάστημα στο οποίο μπορεί

να συμβεί μια λειτουργία. Κάποιες λειτουργίες εκτελούνται σ' έναν κύκλο

ρολογιού ενώ κάποιες άλλες χρειάζονται περισσότερους κύκλους.

Το ρολόι δεν δουλεύει με την ίδια συχνότητα για όλες τις συσκευές ενός

υπολογιστικού συστήματος. Συνήθως το ρολόι που απευθύνεται στον

επεξεργαστή είναι χρονισμένο σε υψηλότερες συχνότητες από ότι για

παράδειγμα το ρολόι της μνήμης. Αυτό συμβαίνει γιατί ο επεξεργαστής

λειτουργεί ταχύτερα από ότι η μνήμη. Ωστόσο, υπάρχει το μειονέκτημα

πως όταν η ΚΜΕ αλληλεπιδρά με τις υπόλοιπες συσκευές περιμένει την

απάντησή τους και τίθεται σε αδράνεια, χάνοντας έτσι επεξεργαστικούς

κύκλους. Η συχνότητα του ρολογιού δεν είναι πλέον καθοριστικός

παράγοντας για την υπολογιστή ισχύ ενός συστήματος. Οι σημερινοί

επεξεργαστές επιτυγχάνουν συχνότητες της τάξης των τριών με

τεσσάρων GigaHertz όμως η πραγματική αύξηση της υπολογιστικής

ισχύς επιτεύχθηκε με εφαρμογή της παράλληλης επεξεργασίας.

Τοποθετώντας σε ένα υπολογιστικό σύστημα δύο ΚΜΕ, οι

κατασκευαστές κατάφεραν να αυξήσουν τις επιδόσεις ενώ ταυτόχρονα

μείωσαν την συχνότητα του ρολογιού.

Παράλληλη επεξεργασία

Ο τρόπος εκτέλεσης των εντολών στους πρώτους επεξεργαστές ήταν

σειριακός, δηλαδή εκτελούνταν η επόμενη εντολή αφού πρώτα είχε

τελειώσει η προηγούμενη. Όπως αποδείχθηκε ο τρόπος αυτός δεν είναι

ο πλέον αποδοτικός για την εκτέλεση μεγάλων προγραμμάτων επειδή

καθυστερεί υπερβολικά. Αναπτύχθηκε για αυτό τον λόγο η έννοια της

παράλληλης επεξεργασίας, που επιτρέπει παράλληλη, δηλαδή

ταυτόχρονη, επεξεργασία. Πολλές εναλλακτικές έχουν προκύψει για

αυτό το σκοπό αλλά οι κυριότερες είναι η σωλήνωση και η επεξεργασία

νημάτων (threads) για τα πολυεπεξεργαστικά συστήματα.

Σωλήνωση

Σωλήνωση τεσσάρων επιπέδων.

Όλοι οι σύγχρονοι επεξεργαστές χρησιμοποιούν την τεχνική της

σωλήνωσης για την εκτέλεση των εντολών. Η σωλήνωση

εκμεταλλεύεται τα στάδια κάθε εντολής, και επιτρέπει έτσι στον

επεξεργαστή να εκτελεί πολλές εντολές παράλληλα. Αν η κάθε εντολή

διασπάται σε τέσσερα επίπεδα, όπως αναφέρεται πιο πάνω, τότε ο

επεξεργαστής μπορεί κάθε χρονική στιγμή να εκτελεί επίπεδα από

τέσσερις εντολές, μειώνοντας έτσι σημαντικά τον συνολικό χρόνο

εκτέλεσης του προγράμματος. Σε μια σωλήνωση τεσσάρων επιπέδων η

εξοικονόμηση χρόνου μπορεί να φτάσει μέχρι και 56% της αντίστοιχης

σειριακής επεξεργασίας. (δείτε αναλυτικά το διπλανό διάγραμμα).

Όμως ένα σημαντικό πρόβλημα που προκύπτει από την σωλήνωση

είναι αυτό της εξάρτησης των εντολών. Πολλές εντολές προϋποθέτουν

για την εκτέλεσή τους να έχει ολοκληρωθεί η προηγούμενη εντολή ώστε

να τους επιστρέψει ένα αποτέλεσμα. Αυτό δεν συμβαίνει στην

σωλήνωση αφού όλες οι εντολές εκτελούνται σχεδόν παράλληλα. Το

πρόβλημα ξεπεράστηκε εν μέρη από τις γλώσσες προγραμματισμού

που εξελίχθηκαν ώστε να ανταποκρίνονται σε επεξεργασία σωλήνωσης

και εν μέρη από τις ίδιες τις ΚΜΕ που ενσωμάτωσαν διαδικασίες

ελέγχου. Έτσι όταν απαιτείται από μια εντολή ο τερματισμός της

προηγούμενης, η ΚΜΕ θέτει σε αναμονή την εντολή μέχρι να

ολοκληρωθεί η προηγούμενη.

Επεξεργασία νημάτωνΑυτός η μέθοδος παράλληλης εξεργασίας προϋποθέτει την ύπαρξη τουλάχιστον δύο επεξεργαστών στο ίδιο υπολογιστικό σύστημα, αν και συνήθως εφαρμόζεται σε πολύ μεγαλύτερα συστήματα. Επειδή υπάρχουν περισσότεροι του ενός επεξεργαστές είναι εφικτή η παράλληλη επεξεργασία διαφορετικών εργασιών. Έτσι κάθε εργασία διασπάται σε μικρότερες ισομεγέθεις εργασίες που ονομάζονται νήματα (threads). Κάθε ΚΜΕ του συστήματος αναλαμβάνει να ολοκληρώσει ένα νήμα σε ένα χρόνο (κβάντο) που θα έχει οριστεί. Εάν το νήμα δεν ολοκληρωθεί μέσα στα όρια του χρόνου, τότε η επεξεργασία του νήματος συνεχίζεται και στο επόμενο διάστημα χρόνου. Μπορούν επίσης να εφαρμοστούν διάφορες τεχνικές χρονοπρογραμματισμού, ώστε να υπάρχει εναλλαγή των νημάτων από διαφορετικές εργασίες.