| Γενικά, ένας υπολογιστής είναι μία μηχανή η οποία χειρίζεται πληροφορία, που μερικές φορές ονομάζεται δεμομένα (data). Η πληροφορία μπορεί να πάρει διάφορες μορφές. Μπορούμε να δούμε αυτές τις διαφορετικές μορφές κάθε στιγμή που χρησιμοποιούμε έναν υπολογστή. Για παράδειγμα ένα κείμενο στην οθόνη του υπολογιστή (όπως τώρα αυτό), τα σήματα από τα πλήκτρα που πατάμε σε ένα πληκτρολόγιο, τα αρχεία που έχουμε στο σκληρό δίσκο κ.α. είναι μορφές πληροφορίας που υπάρχουν σε έναν υπολογιστή, ο οποίος τις διαχειρίζεται. |
| Αναλογική και ψηφιακή πληροφορίαΥπάρχουν δύο τρόποι για να αναπαραστήσουμε την πληροφορία. Η πληροφορία η οποία είναι συνεχόμενη, όπως κάθε κομμάτι πληροφορίας που μπορεί να αποκτηθεί από ένα απεριόριστο σύνολο τιμών, ονομάζεται αναλογική. Για παράδειγμα, ο χρόνος, η θερμοκρασία, η ταχύτητα του αυτοκινήτου κ.α, όλα αυτά έχουν μία συνεχόμενη περιοχή τιμών. Η ψηφιακή πληροφορία περιορίζεται από ένα περιορισμένο σύνολο τιμών. Για παράδειγμα, μία φωτεινή σηματοδότηση είναι κόκκινη, πορτοκαλί ή πράσινη. Ποτέ δεν είναι κάτι μεταξύ πράσινου και κόκκινου. Οι υπολογιστές χρησιμοποιούν μία μορφή ψηφιακής πληροφορίας που ονομάζεται δυαδική πληροφορία. Εδώ, η πληροφορία περιορίζεται μόνο σε δύο τιμές: ένα ή μηδέν. |
|
|
Αναπαράσταση δυαδικής πληροφορίας
|
Οι λόγοι που χρησιμοποιείται αυτή η πληροφορία είναι πολλοί:
- Απλότητα: Είναι ο απλούστερος, περισσότερο περιεκτικός και λιγότερο διφορούμενος τρόπος να εκφράσουμε πληροφορία σχετικά με κάτι: για παράδειγμα, μηδέν = κλειστό, ένα = ανοικτό, αυτή η ερμηνεία θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την κατάσταση ενός κυκλώματος φωτισμού σε ένα σπίτι.
- Επεκτασιμότητα: Είναι εύκολο να αναπτύξουμε και να επεκτείνουμε: μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε δύο δυαδικές τιμές μαζί για να αναπαραστήσουμε τις καταστάσεις δύο κυκλωμάτων φωτισμού που είπαμε πιο πριν.
- Σαφήνεια: Τα λάθη μειώνονται όταν μία τιμή μπορεί μόνο να είναι 0 ή 1. Ο υπολογιστής ξέρει ότι δεν υπάρχουν τιμές μεταξύ του 0 και του1, κάτι που είναι πολύ χρήσιμο όταν κάποια ηλεκτρικά σήματα γίνονται "βρώμικα", δηλαδή αλοιώνονται. Αν μία τιμή 0.95 φανεί στην γραμμή του modem, ο υπολογιστής ξέρει ότι είναι πολύ πιθανό αυτή να είναι το 1, αφού το 0.95 δεν είναι μία έγκυρη τιμή. Έτσι θα μεταφράσει το 0.95 σε 1 και δεν θα υπάρξει απώλεια δεδομένων.
- Ταχύτητα: Οι υπολογιστές παίρνουν εκατομύρια αποφάσεις σε ένα δευτερόλεπτο και αυτές οι αποφάσεις είναι ευκολότερο να παίρνονται όταν ο αριθμός των τιμών είναι μικρός.
|
|
|
Αναλογική & ψηφιακή πληροφορία
|
| Η ψηφιακή πληροφορία συχνά αναπαριστάται μόνο σε δυαδική μορφή, αλλά δεν πρέπει να είναι έτσι. Ένα καλό παράδειγμα είναι τα audio CDs, όπου αποθηκεύεται πληροφορία σαν ψηφιακά δείγματα. Το πλεονέκτημα της ψηφιακής δειγματοληψίας είναι ότι η πληροφορία είνα η ίδια κάθε στιγμή που διαβάζεται, έτσι δεν υπάρχει απώλεια στην ποιότητα με το πέρασμα του χρόνου, όπως συμβαίνει με τους συμβατικούς μαγνητικούς αναλογικούς δίσκους pick-up. |
|
|
Ψηφιακή δειγματοληψία αναλογικής πληροφορίας
|
Τα μαθηματικά των υπολογιστών (Δυαδικό σύστημα)Υπάρχουν διάφορα συστήματα αρίθμησης που έχουν το καθένα τα πλεονεκτήματα και τα μειονοκτήματα τους. Τα μειονεκτήματα πηγάζουν κυρίως από τον τρόπο απεικόνισης μεγάλων αριθμών και τα λάθη που προκύπτουν κατά την εκτέλεση των πράξεων. Το δεκαδικό σύστημα αρίθμησης είναι το πιο "οικείο" αφού έχουμε συνηθίσει να εργαζόμαστε με αυτό. Η βάση του συστήματος είναι το 10, ενώ η πραγματική αξία ενός αριθμού που βρίσκεται στο δεκαδικό σύστημα διαμορφώνεται από τα 10 ψηφία (0,1,2,..,9) σε συνδυασμό με την θέση τους μέσα στον αριθμό : 3423(10) = 3*1000 + 4*100 + 2*10 + 3*1.
Παρόλο που στην καθημερινή μας ζωή το δεκαδικό σύστημα έχει κυριαρχήσει, δεν μπορεί να χρησιμοποιειθεί από τους Η/Υ για τον εξής απλό λόγο : Για να γίνει η αναπαράσταση των 10 διαφορετικών ψηφίων χρειαζόμαστε δέκα διαφορετικές καταστάσεις (10 διαφορετικά επίπεδα τάσης). Αυτό βέβαια είναι υλοποιήσιμο αλλά το κύκλωμα που θα δημιουργηθεί θα έχει μεγάλο βαθμό πολυπλοκότητας και αυξημένο κόστος οπότε πρέπει να χρησιμοποιηθεί ένα πιο απλό σύστημα αρίθμησης.Από τα παραπάνω πηγάζει η ανάγκη της υιοθέτησης του δυαδικού συστήματος αρίθμησης για την εσωτερική αναπαράσταση των δεδομένων στους Η/Υ.
Το δυαδικό σύστημα αρίθμησης έχει βάση το 2 και διαθέτει 2 ψηφία, το 0 και το 1. Τώρα χρειαζόμαστε μόνο 2 διαφορετικές καταστάσεις (2 επίπεδα τάσης) για να αναπαραστίσουμε τα ψηφία του δυαδικού συστήματος. Η πραγματική αξία ενός αριθμού που βρίσκεται στο δυαδικό σύστημα διαμορφώνεται από τα 2 ψηφία (0,1) σε συνδιασμό με την θέση τους μέσα στον αριθμό, ενώ κατα αντιστοιχία αντί για μονάδες, δεκάδες, εκαντοντάδες, ... που έχουμε στο δεκαδικό σύστημα αρίθμησης υπάρχουν δυνάμεις του 2 δηλαδή μονάδες, δυάδες, τετράδες, οκτάδες, ...
10110000(2) =1*27 + 0*26 + 1*25 + 1*24 + 0*23 + 0*22 + 0*21 + 0*20.
Ο αριθμός 10110000 του δυαδικού συστήματος αποτελείται από μια 128-άδα (10110000), μηδέν 64-άδες (10110000), μια 32-άδα (10110000), μια 16-άδα (10110000), μηδέν 8-άδες (10110000), μηδέν 4-άδες (10110000), μηδέν 2-άδες (10110000) και μηδέν μονάδες (10110000). Στο παρακάτω σχήμα προσομοιώνεται ο τρόπος αναπαράστασης της πληροφορίας στο δυαδικό σύστημα με τη χρησιμοποίηση διακοπτών διακοπτών ON-OFF. |
|
|
Απεικόνιση ενός Byte με τη χρήση διακοπτών
|
Κάθε "0" ή "1" ονομάζεται bit. Η λέξη bit είναι σύντμηση των λέξεων binary digit (δυαδικό ψηφίο). Ο χαρακτηρισμός "δυαδικό" προέρχεται από το δυαδικό σύστημα αρίθμησης. Το bit αποτελεί την ελάχιστη μονάδα μέτρησης. Μια ομάδα αποτελούμενη από οκτώ bits ονομάζεται byte (ή ψηφιομάδα). Η μικρότερη ποσότητα πληροφορίας που μπορούμε να δούμε εμείς στον υπολογιστή καταλαμβάνει ένα byte μνήμης. Αφού κάθε bit μπορεί να πάρει 2 διαφορετικές τιμές (0 ή 1), κάθε byte που αποτελείται από 8 bits μπορεί πάρει 28=256 διαφορετικές τιμές. Η ποσότητα πληροφορίας του ενός byte είναι πολύ μικρή και συνεπώς χρησιμοποιούμε κάποια πολλαπλάσια της ποσότητας αυτής. Οι μονάδες που χρησιμοποιούνται είναι:
1 KB (Kilo Byte) είναι 210=1024 bytes
1 MB (Mega Byte) είναι 220=1024 KB
1 GB (Giga Byte) είναι 230=1024 MB
1 TB (Tera Byte) είναι 240=1024 GB |
| Λογισμικό και υλικόΌπως είναι γνωστό, ένας υπολογιστής αποτελείται από το υλικό μέρος (hardware) και το λογισμικό μέρος (software). Κατά κάποιο τρόπο η αναλογία μπορεί να θεωρηθεί ότι το υλικό είναι το σώμα και το λογισμικό είναι το μυαλό. Αν ο επεξεργαστής είναι ο "εγκέφαλος", τότε το λογισμικό είναι αυτό που κάνει τον εγκέφαλο να λειτουργεί και να σκέφτεται. Κάθε ένα και όλα όσα συμβαίνουν μέσα στον υπολογιστή, ελέγχονται από κάποιο είδος λογισμικού, είτε αυτό είναι το λειτουργικό σύστημα, ή οι εφαρμογές, ή οι οδηγοί των συσκευών κ.α. |
| Εντολές υπολογιστώνΈνας επεξεργαστής μπορεί να καταλάβει μόνο μερικές περιορισμένες εντολές, οι οποίες είναι συνήθως αρκετά στοιχειώδεις: για παράδειγμα, ο επεξεργαστής μπορεί να πολλαπλασιάσει δύο αριθμούς, ή να πάρει μία απόφαση βασισμένη στο αποτέλεσμα της σύγκρισης ενός αριθμού με κάποιον άλλο, ή να μεταφέρει τα περιεχόμενα μίας θέσης μνήμης σε μία άλλη. Όλα τα προγράμματα που χρησιμοποιούμε σε έναν υπολογιστή, έχουν γίνει από αυτές τις μαθηματικές αρχές, ακόμη και αυτά τα οποία είναι πολύ πολύπλοκα όσο και αν δεν μπορούμε να το πιστέψουμε. Το να κάνουμε τον υπολογιστή ικανό να εκτελέσει π.χ μία ενέργεια ταξινόμισης χαρακτήρων με αλφαβητική σειρά, κάποιος πρέπει να γράψει ένα πρόγραμμα το οποίο κατασκευάζεται από αυτές τις απλές αρχές του επεξεργαστή και εκτελεί τη λειτουργεία που χρειάζεται να γίνει. Μόλις γίνει αυτό, ο υπολογιστής μπορεί να κάνει αυτή τη δουλειά πάρα πολύ γρήγορα επειδή έχει πολύ μεγάλη ταχύτητα (μπορεί να εκτελεί εκατομμύρια εντολών ανά δευτερόλεπτο). Αν τώρα θελήσουμε να κάνουμε μία άλλη δουλειά, πρέπει να γράψουμε ένα άλλο, τελείως διαφορετικό πρόγραμμα, το οποίο θα δίνει εντολές στον υπολογιστή να κάνει τη δουλειά που αυτή τη φορά εμείς θέλουμε. Τα προγράμματα αυτά δεν είναι τίποτα άλλο από μία περιγραφή βημάτων, κάθε ένα από τα οποία μπορεί να περιέχει περισσότερες της μίας εντολές. Είναι λοιπόν σημαντικό να καταλάβουμε ότι κάθε λειτουργία που γίνεται σε έναν υπολογιστή, έχει πίσω της μία εντολή που διέταξε τον υπολογιστή να την εκτελέσει. |
| Γλώσσες υπολογιστώνΟι μόνες γλώσσε που ο υπολογιστής καταλαβαίνει, είναι η δυαδική γλώσσα μηχανής. Έτσι για παράδειγμα, αν εμείς πούμε στον υπολογιστή να προσθέσει τους αριθμούς 181 και 207, η εντολή μπορεί να είναι "01101001 00110100 10110101 11001101". Ωστόσο υπάρχουν γλώσσες που όπως λέμε είναι υψηλού επιπέδου και δρούν σαν ένας "συμβιβασμός" ανάμεσα στο τί καταλαβαίνει ο υπολογιστής και τί ο άνθρωπος. Οι γλώσσες αυτές δεν μοιάζουν φυσικώς με τις ομιλούμενες γλώσες, αλλά χρησιμοποιούν σύμβολα τα οποία είναι σχετικά εύκολο να τα μάθουμε. Για παράδειγμα, σε μία γλώσσα υψηλού, η εντολή του να προσθέσει δύο αριθμούς μπορεί να είναι "X = 181 + 207". Οι C, BASIC, PASCAL και FORTRAN είναι μερικά παραδείγματα τέτοιων γλωσσών. Πώς όμως καταλαβαίνει ο υπολογιστής τί να κάνει όταν διαβάζει μία εντολή όπως η προηγούμενη; Δεν μπορεί να καταλάβει άμεσα. Έτσι υπάρχει ένα ειδικό πρόγραμμα το οποίο ονομάζεται compiler (μετφραστής), το οποίο χρησιμοποιείται για να μεταφράσει τις εντολές τη υψηλού επιπέδου γλώσσας σε μορφή κατανοητή από τον υπολογιστή. |
|
|
Επικοινωνία ανθρώπου - υπολογιστή
Τι συμβαίνει όταν πατάμε ένα πλήκτροΓια να εξηγήσουμε πως δουλεύει ένας υπολογιστής, ας πάρουμε ένα απλό παράδειγμα. Ας υποθέσουμε ότι χρησιμοποιούμε έναν επεξεργαστή κειμένου και πληκτρολογούμε το γράμμα "Μ". Τι ακριβώς γίνεται όταν πατάμε το πλήκτρο "Μ";
- Το πληκτρολόγιο στέλνει ένα ηλεκτρικό σήμα στον υπολογιστή λέγοντας ότι ένα πλήκτρο πατήθηκε.
|
- Ο ελεγκτής του πληκτρολογίου ερμηνεύει αυτό το σήμα και αποφασίζει ότι το γράμμα που πατήθηκε ήταν ένα "Μ". Αποθηκεύει αυτό το "Μ" σε μια ειδική τοποθεσία μνήμης μέχρι ο επεξεργαστής να είναι έτοιμος να ασχοληθεί μαζί του.
- Ο ελεγκτής στέλνει ένα σήμα στον επεξεργαστή, το οποίο ονομάζεται διακοπή. Μία διακοπή λέει στον επεξεργαστή ότι κάποιες συσκευές του υπολογιστή έχουν πληροφορίες για να τις επεξεργαστεί και θέλουν την προσοχή του. Σε αυτή την περίπτωση ο ελεγκτής θέλει ο επεξεργαστής να κοιτάξει στο πλήκτρο που μόλις πατήθηκε.
|
- Ο επεξεργαστής συνήθως κάνει πολλά, μοιράζοντας τον χρόνο του σε πολλές απαιτήσεις. Έτσι πολλά γεγονότα πρέπει να περιμένουν τη σειρά τους. Ο επεξεργαστής εξυπηρετεί τις διακοπές βάσει της προτεραιότητάς τους. Όταν φτάνει η ώρα να ασχοληθεί με το πάτημα του κουμπιού, ο επεξεργαστής το κατευθύνει στο πρόγραμμα για το λειτουργικό σύστημα που χρησιμοποιούμε.
- Υποθέτοντας ότι χρησιμοποιούμε ένα λειτουργικό σύστημα πολυεργασίας, όπως τα Windows 95, το λογισμικό του λειτουργικού συστήματος αποφασίζει σε πιο παράθυρο πατήθηκε το πλήκτρο και στέλνει ένα μύνημα στο παράθυρο αυτό λέγοντας ότι ένα πλήκτρο πατήθηκε.
- Το παράθυρο αποφασίζει τι θα κάνει με αυτό το πλήκτρο που πατήθηκε. Εφόσον στην περίπτωσή μας έχουμε να κάνουμε με επεξεργαστή κειμένου και το πλήκτρο που πατήθηκε ήταν ένα γράμμα, ο επεξεργαστής κειμένου θα τοποθετήσει αυτό το γράμμα (Μ) στην περιοχή εργασίας, της μνήμης, για το αρχείο που έχουμε ανοίξει. Το γράμμα θα καταλάβει ένα byte από τη μνήμη του υπολογιστή. Διαφορετικά πλήκτρα, ο επεξεργαστής θα τα χειριζόταν με διαφορετικό τρόπο, για παράδειγμα αν πάτούσαμε ένα πλήκτρο που θα έκλεινε τον επεξεργαστή κειμένου.
- Το παράθυρο θα καλέσει μετά το λειτουργικό σύστημα να εκτυπώσει το γράμμα στην οθόνη.
- Το λειτουργικό συστήματα θα εμφανίσει το γράμμα στην οθόνη προσθέτοντάς το στη μνήμη της κάρτας γραφικών.
- Την επόμενη στιγμή που η κάρτα γραφικών θα ανανεώσει την οθόνη, ανατυπόνοντας ότι υπάρχει στην κάρτα γραφικων, το γράμμα θα εμφανιστεί στην οθόνη. Οι περισσότερες κάρτες ανανεώνουν την οθόνη απο 60 εώς 100 φορές το δευτερόλεπτο.
|
| Μολονότι θα γίνουν πάρα πολλά, όλα αυτά θα συμβούν ακαριαία, γιατί ο υπολογιστής λειτουργεί με πολύ μεγαλύτερη ταχύτητα από αυτή που ο άνθρωπος μπορεί να διακρίνει αμέσως. Παρόλη όμως την ψευδαίσθηση που δημιουργείται από την ταχύτητα του επεξεργαστή, πάρα πολλές δραστηριότητες πραγματοποιούνται μέσα στον υπολογιστή ακόμα και για την πιο απλή λειτουργία. |
|
|
