Αρχιτεκτονική υπολογιστών

Μητρική Κάρτα

Μια μητρική κάρτα (motherboard), επίσης γνωστή και σαν μητρική ή κάρτα συστήματος είναι το κεντρικό και βασικό τυπωμένο ηλεκτρικό κύκλωμα ενός σημερινού υπολογιστή. Ένας τυπικός υπολογιστής αποτελείται από τον μικροεπεξεργαστή, την κεντρική μνήμη και άλλα βασικά υποσυστήματα που βρίσκονται και αυτά στην μητρική. Άλλα μέρη του υπολογιστή, όπως εξωτερικά μέσα αποθήκευσης, κάρτες επέκτασης γραφικών, ήχου κτλ και διάφορα περιφερειακά όπως εκτυπωτής, πληκτρολόγια κτλ, είναι όλα τμήματα που ενσωματώνονται στην μητρική μέσω καλωδίων και υποδοχών διάφορων τύπων. Συνήθως, όλα τα κύρια εξαρτήματα του υπολογιστή - ο επεξεργαστής, η μνήμη ROM, η μνήμη RAM, ο δίαυλος (Bus), το ρολόι - είναι τοποθετημένα πάνω στη μητρική κάρτα. Κάθε τέτοια μητρική κάρτα έχει κατασκευαστεί για ένα συγκεκριμένο τύπο επεξεργαστή που λειτουργεί σε καθορισμένη συχνότητα.

Μνήμη

Οι σύγχρονοι υπολογιστές σχεδιάζονται με βάση της αρχές που αναπτύχθηκαν από τον Τζον φον Νόιμαν στο ινστιτούτο προηγμένων επιστημών στο Princeton. Αυτές οι θεμελιώδεις αρχές που αναφέρονται παρακάτω συνιστούν την Αρχιτεκτονική φον Νόιμαν. Τα δεδομένα και οι εντολές αποθηκεύονται σε μια μοναδική μνήμη εγγραφής-ανάγνωσης. Τα περιεχόμενα της μνήμης αυτής μπορούν να διευθυνσιοδοτηθούν κατά θέση, χωρίς να μας ενδιαφέρει ο τύπος των δεδομένων που περιέχεται εκεί. Η εκτέλεση εντολών πραγματοποιείται ως ακολουθία (εκτός και αν υπάρχει ρητή τροποποίηση) από μια εντολή στην επόμενη.

Κρυφή μνήμη ΚΜΕ

Κρυφή μνήμη Κεντρικής Μονάδας Επεξεργασίας (CPU cache) γνωστή και ως ενδιάμεση μνήμη ή λανθάνουσα μνήμη ΚΜΕ ονομάζουμε τη μνήμη που χρησιμοποιείται από την Κεντρική μονάδα επεξεργασίας για να πετύχει ταχύτερη πρόσβαση στην κύρια μνήμη. Αυτή η μνήμη είναι γρηγορότερη, ακριβότερη και μικρότερη σε μέγεθος από την κύρια μνήμη.
Είναι υψηλής ταχύτητας SRAM μνήμη, που χρησιμοποιείται μεταξύ της KME και της κύριας μνήμης. Εντολές και προγράμματα μπορούν να λειτουργήσουν σε υψηλότερες ταχύτητες αν βρεθούν στην cache. Εάν δεν βρεθούν, μια νέα σειρά εντολών φορτώνεται από την κύρια μνήμη.

DDR SDRAM

Η DDR SDRAM δυναμική μνήμη τυχαίας προσπέλασης διπλού ρυθμού μεταφοράς δεδομένων είναι ένας τύπος μνήμης κατασκευασμένης με ολοκληρωμένο κύκλωμα που χρησιμοποιείται στους υπολογιστές. Έχει μεγαλύτερο ρυθμό μεταφοράς πληροφορίας σε σχέση με την μνήμη SDRAM μεταφέροντας δεδομένα και κατά την ακμή ανόδου και την ακμή καθόδου του σήματος του ρολογιού. Έτσι σχεδόν διπλασιάζεται ο ρυθμός μεταφοράς χωρίς να χρειάζεται αύξηση της συχνότητας του μπροστινού διαύλου.

Δυναμική μνήμη τυχαίας προσπέλασης

Δυναμική μνήμη τυχαίας προσπέλασης (DRAM) είναι ένας τύπος μνήμης τυχαίας προσπέλασης που αποθηκεύει μπιτ δεδομένων σε έναν ξεχωριστό πυκνωτή. Όμως επειδή το φορτίο των πυκνωτών εξασθενεί με το χρόνο , η πληροφορία που έχουμε αποθηκευμένη εξασθενεί γι' αυτό πρέπει περιοδικά να ξαναφορτίζεται ο πυκνωτής, εξού και ο όρος δυναμική.

Χώρος διευθύνσεων

Χώρο διευθύνσεων ονομάζουμε ένα σύνολο διευθύνσεων κάποιον οντοτήτων. Αυτές οι οντότητες μπορεί να είναι κελιά της κύριας μνήμης, της εικονικής μνήμης, θύρες εισόδου/εξόδου, οι υπολογιστές ενός δικτύου. Έτσι για παράδειγμα δεδομένου μιας ΚΜΕ και τους εύρους του διαύλου διευθύνσεων της, πχ έστω 8 μπιτς, λέμε ότι ο χώρος διευθύνσεων μνήμης της ΚΜΕ είναι 2⁸ = 256. Δηλαδή η ΚΜΕ μπορεί να 'δει' να απευθυνθεί σε 256 ξεχωριστά κελιά μνήμης.

Σκληρός Δίσκος

Ο σκληρός δίσκος είναι ένα μαγνητικό αποθηκευτικό μέσο - συσκευή που χρησιμοποιείται στους ηλεκτρονικούς υπολογιστές, στις ψηφιακές βιντεοκάμερες, στα φορητά mp3 players, επιτραπέζια ψηφιακά βίντεο, κονσόλες παιχνιδομηχανών, ψηφιακούς επίγειους και δορυφορικούς τηλεοπτικούς δέκτες κ.τ.λ. Ένας σκληρός δίσκος αποθηκεύει μεγάλες ποσότητες δεδομένων και η συνήθης χωρητικότητα των σκληρών δίσκων που κυκλοφορούν στο εμπόριο είναι 80 GB έως 1 ΤΒ. Για μεγαλύτερες χωρητικότητες που αγγίζουν τα 4 TB (terabyte) χρησιμοποιούνται κυκλώματα πολλαπλών σκληρών δίσκων, με τη μορφή συρταρωτής διάταξης. Η ταχύτητα προσπέλασης των δεδομένων είναι ταχύτερη από το DVD αλλά πολύ πιο αργή από την μνήμη του υπολογιστή.
Οι σκληροί δίσκοι χρησιμοποιούνται στους υπολογιστές για την αποθήκευση δεδομένων, κυρίως προγραμμάτων και αρχείων που είναι απαραίτητο να διατηρηθούν, σε αντίθεση με την μνήμη RAM όπου τα δεδομένα διαγράφονται με την διακοπή τροφοδοσίας ηλεκτρικού ρεύματος.

Τρόπος αποθήκευσης

Τα δεδομένα αποθηκεύονται στον σκληρό δίσκο ως ακολουθίες bit (αφού οι υπολογιστές λειτουργούν με το δυαδικό σύστημα).
Οι κεφαλές γράφουν κάθε bit αλλάζοντας το μαγνητικό πεδίο στην επιφάνεια των μαγνητικών δίσκων και το διαβάζουν απλώς αναγνωρίζοντας το μαγνητικό πεδίο. Κάθε bit δεδομένων καταλαμβάνει τον δικό του χώρο στην επιφάνεια του δίσκου, ωστόσο οι ακολουθίες bit που αποτελούν τα δεδομένα, δεν είναι απαραίτητο να εγγράφονται σειριακά στον δίσκο, αλλά είναι δυνατό να κατακερματιστούν και να εγγραφούν σε διάφορες θέσεις.

Είδη Σκληρών Δίσκων

Με βάση το πρωτόκολλο επικοινωνίας και το interface οι δίσκοι διακρίνονται σε: IDE, SATA, SCSI.

Αρχιτεκτονική Συνόλου Εντολών

Αρχιτεκτονική Συνόλου Εντολών (Instruction Set Architecture, ISA), είναι η λογική αφαίρεση ενός υπολογιστικού συστήματος στο επίπεδο της Γλώσσας Μηχανής (ή της Γλώσσας Assembly χωρίς τις κλήσεις του Λειτουργικού Συστήματος). Είναι το προγραμματιστικό μοντέλο (η εικονική μηχανή) που αντιλαμβάνεται ο προγραμματιστής που προγραμματίζει σε αυτό το (χαμηλότερο δυνατό) επίπεδο. Περιλαμβάνει το σύνολο εντολών, τις μεθόδους διευθυνσιοδότησης (προσπέλασης μνήμης), τη διαχείριση καταχωρητών, τη κωδικοποίηση διευθύνσεων και δεδομένων, το μηχανισμό κλήσης ρουτινών, τη διαχείριση εισόδου/εξόδου, τη διαχείριση των καταστάσεων και σημάτων διακοπής του επεξεργαστή. Πρόκειται ουσιαστικά για το σύνορο μεταξύ περιγραφής ενός υπολογιστικού συστήματος από πλευράς υλικού ή λογισμικού.

Μικροαρχιτεκτονική

Μικροαρχιτεκτονική (Microarchitecture), είναι το αμέσως χαμηλότερο επίπεδο, πιο συγκεκριμένο και λεπτομερές από το επίπεδο Αρχιτεκτονικής Συνόλου Εντολών. Περιλαμβάνει τη λεπτομερή περιγραφή του τρόπου σύνδεσης, λειτουργίας και χρονισμού των συστατικών μερών (του υλικού), έτσι ώστε αυτά να υλοποιούν (εκτελούν στη κυριολεξία) το σύνολο των εντολών. Δηλαδή τη πλήρη περιγραφή του κύκλου Ανάκλησης – Εκτέλεσης όλων των εντολών που υποστηρίζει ο υπολογιστής. Επίσης περιλαμβάνονται και θέματα Παραλληλισμού Επιπέδου Εντολής (Instruction Level Parallelism, ILP), δηλαδή αρχιτεκτονικές βελτιώσεις με στόχο την αύξηση της απόδοσης του επεξεργαστή.