Τεχνολογια Υπολογιστικων Συστηματων & Λειτουργικα Συστηματα
Γ Γενικου Λυκειου - ΕπιλογηΣ

­  ­

Σκοπός του κεφαλαίου αυτού είναι ­να παρουσιάσει την εξέλιξη των υπολογιστικών συστημάτων, τις κατηγορίες τους και τον ιεραρχικό τρόπο οργάνωσής τους καθώς και να ενημερώσει για τα ολοκληρωμένα κυκλώματα. Κάθε υπολογιστικό σύστημα αποτελείται από το υλικό (hardware) και το λογισμικό (software). Το υλικό (hardware) του υπολογιστή είναι το σύνολο των συσκευών που απαρτίζουν το υπολογιστικό σύστημα. Το λογισμικό (software) ορίζεται ως το σύνολο των προγραμμάτων, τα οποία μπορούν να εκτελεσθούν από το υπολογιστικό σύστημα. Το λογισμικό του συστήματος (το μεγαλύτερο μέρος του οποίου είναι το λειτουργικό σύστημα) λειτουργεί ως σύνδεσμος ανάμεσα στο χρήστη και στο υλικό ενώ το λογισμικό των εφαρμογών είναι τα προγράμματα που γράφονται για να καλύψουν τις ειδικές ανάγκες των χρηστών. Τα υπολογιστικά συστήματα χαρακτηρίζονται από πολυπλοκότητα και ιεραρχική οργάνωση η οποία είναι απαραίτητη εξαιτίας της πολυπλοκότητας.

­­­  ­­

Οι υπολογιστές αναπαριστούν όλα τα είδη πληροφορίας ως δυαδικά δεδομένα χρησιμοποιών­τας αριθμητικά συστήματα διαφορετικά από το γνωστό μας δεκαδικό (decimal) σύστημα και κυρίως το δυαδικό (binary). Ένα αριθμητικό σύστημα με βάση β χρειάζεται β διαφορετικά «ψηφία» για την παράσταση των αριθμών, που παίρνουν τις τιμές από 0 έως β-1. Τα ψηφία ενός αριθμού γραμμένου στο δυαδικό σύστημα ονομάζονται bits (binary digits, δυαδικά ψηφία). Στο δυαδικό σύστημα οι αριθμητικές πράξεις γίνονται όπως και στο δεκαδικό σύστημα. Η μνήμη κάθε υπολογιστή είναι οργανωμένη σε λέξεις (words), δηλαδή ομάδες των n bits (το n είναι συνήθως ένα πολλαπλάσιο του 8). Εκτός από αριθμούς, θέλουμε να παραστήσουμε στον υπολογιστή και σύμβολα, όπως είναι τα γράμματα, τα σημεία στίξης, τα αριθμητικά ψηφία. Τα σύμβολα αυτά ονομάζονται χαρακτήρες και όπως οι αριθμοί και όλες οι άλλες πληροφορίες, παριστάνονται στους υπολογιστές σαν μία σειρά από δυαδικά ψηφία. Μία κοινώς αποδεκτή αντιστοίχιση χαρακτήρων-δυαδικών ακολουθιών ονομάζεται σύνολο χαρακτήρων (character set) και συνήθως είναι καθορισμένη από κάποιο διεθνή οργανισμό προτυποποίησης. Συμπίεση (compression) μιας ακολουθίας δεδομένων, ονομάζουμε την ελάττωση του μεγέθους της ακολουθίας, ώστε να χρειάζεται λιγότερος χώρος για την αποθήκευση ή τη μετάδοσή της. ­

­­  ­­

Κάθε ηλεκτρονικός υπολογιστής αποτελείται από τουλάχιστον τέσσερα κύρια τμήματα, α) την αριθμητική-λογική μονάδα (arithmetic logical unit - ALU), β) τη μονάδα μνήμης (memory unit), γ) τη μονάδα εισόδου-εξόδου (Input-Output ή I/Ο unit) και δ) τη μονάδα ελέγχου (control unit). Στη μνήμη αποθηκεέονται πληροφορίες που μπορούν να ερμηνευθούν σαν δεδομένα ή σαν εντολές και για να εκτελεστεί ένα πρόγραμμα από τον υπολογιστή, πρέπει οι εντολές του προγράμματος να είναι αποθηκευμένες σε κάποιες από τις θέσεις της μνήμης. Ο σχεδιαστής κάθε υπολογιστή αποφασίζει και καθορίζει τις εντολές που θα μπορεί να εκτελέσει ο υπολογιστής, δηλαδή το ρεπερτόριο εντολών του (instruction set). Η επικοινωνία του ανθρώπου με τον υπολογιστή πραγματοποιείται με τις περιφερειακές μονάδες, μέσω της μονάδας εισόδου-εξόδου (ή μονάδας Ε/Ε). Υπάρχουν πολλών ειδών περιφερειακές μονάδες στους υπολογιστές: πληκτρολόγιο, οθόνη, ποντίκι, εκτυπωτής, κλπ.

­­  ­

Το υποσύστημα της μνήμης σε έναν υπολογιστή περιλαμβάνει όλες εκείνες τις μονάδες­ που έχουν τη δυνατότητα να αποθ­ηκεύουν δυαδικές πληροφορίες και να επιτρέπουν την αξιόπιστη ανάκτησή τους οποτεδήποτε αυτό ζητηθεί από τον επεξεργαστή. Οι πληροφορίες που είναι αποθηκευμένες σε μια μονάδα μνήμης είναι συνήθως οργανωμένες σε ομάδες δυαδικών ψηφίων. Κάθε ομάδα χαρακτηρίζεται από τα περιεχόμενά της και από τη διεύθυνσή της. Η κύρια μνήμη σε ένα υπολογιστικό σύστημα αποτελείται από τη μνήμη μόνο ανάγνωσης (ROM) και από τη μνήμη ανάγνωσης και εγγραφής (RAM), μιας και τα σύγχρονα υπολογιστικά συστήματα, για να καλύψουν διαφόρων επιπέδων ανάγκες σε ταχύτητα και χωρητικότητα μνήμης, επιστρατεύουν πολλαπλούς τύπους μνήμης. Η τεχνική κατά την οποία η απεικόνιση γειτονικών θέσεων του χώρου μνήμης γίνεται σε διαφορετικές ψηφίδες, αναφέρεται ως διαφύλλωση μνήμης (memory interleaving). Η λανθάνουσα μνήμη (cache memory) χαρακτηρίζεται από τη μεγάλη ταχύτητα προσπέλασης αλλά και το υψηλό κόστος κατασκευής με αποτέλεσμα μέρος της λανθάνουσας μνήμης να υλοποιείται μέσα στο κύκλωμα του ίδιου του επεξεργαστή.

­­  ­

Με τον όρο πρωτόκολλο επικοινωνίας διαδρόμου (bus communication protocol) αναφερόμασ­τε στο σύνολο των κανόνων που καθορίζουν τον τρόπο με τον οποίο γίνεται η ανταλλαγή σημάτων και δεδομένων μεταξύ δυο περιφερειακώ­ν μονάδων που είναι διασυνδεδεμένες μέσω του διαδρόμου αυτού. Ταχύτητα διαδρόμου ονομάζεται η ποσότητα των δυαδικών δεδομένων που μεταδίδονται σε μία μονάδα χρόνου. Χρόνος αδράνειας ονομάζεται ο χρόνος που χρειάζεται για τη μετάδοση του πρώτου τμήματος δεδομένων από το ένα σημείο του διαδρόμου στο άλλο. Εύρος διαδρόμου ονομάζεται το πλήθος των παράλληλων γραμμών που αποτελούν το διάδρομο. Oι διακοπές (interrupts) είναι τα σήματα που παράγονται όταν χρειάζεται να πραγματοποιηθεί κάποια διαδικασία εισόδου/εξόδου και απαιτείται η χρησιμοποίηση της κεντρικής μονάδας επεξεργασίας. Ο εκτυπωτής (printer) είναι το μέσο στο οποίο αποτυπώνονται σε χαρτί τα δεδομένα που είναι αποθηκευμένα στον υπολογιστή. Η οθόνη (screen) αποτελεί το βασικότερο μέσο επικοινωνίας του υπολογιστή με το χρήστη. Τα μαγνητικά μέσα αποθήκευσης είναι οι ταινίες (magnetic tapes) και οι δίσκοι (disks). H εγγραφή των ψηφιακών δεδομένων σε αυτά βασίζεται στη μόνιμη μαγνήτιση μιας μικρής περιοχής του μαγνητικού μέσου με την βοήθεια ενός ηλεκτρομαγνήτη. Οι οπτικοί δίσκοι (Compact Disk) είναι τα τελευταία χρόνια το πιο διαδεδομένο μέσο αποθήκευσης μεγάλου όγκου ψηφιακών δεδομένων, ειδικά για εφαρμογές πολυμέσων. Η δικτύωση μας δίνει τη δυνατότητα διασύνδεσης υπολογιστών με διαφορετικά λειτουργικά συστήματα και επικοινωνίας μεταξύ διαφορετικών εφαρμογών λογισμικού. Οι κάρτες δικτύου αποτελούν τις συσκευές μέσω των οποίων γίνεται η διασύνδεση ενός υπολογιστή σε ένα τοπικό δίκτυο.

­­  ­­­

Ο πρώτος προσωπικός υπολογιστής (personal computer, PC) παρουσιάστηκε από την εταιρεία­ IBM το 1981. Η μητρικ­ή κάρτα (motherboard) είναι ένα μεγάλο τυπωμένο κύκλωμα, το οποίο υλοποιεί τη βασική συνδεσμολογία ενός προσωπικού υπολογιστή. Στον προσωπικό υπολογιστή η κύρια μνήμη (main memory) είναι οργανωμένη σε ολοκληρωμένα κυκλώματα των 4, 8, 16 ή 32 Mbytes. Η μητρική κάρτα έχει υποδοχές πάνω στις οποίες συνδέονται τα κυκλώματα αυτά. Οι πιο πολλοί προσωπικοί υπολογιστές έχουν δύο διαφορετικούς τύπους λανθάνουσας μνήμης, που είναι γνωστοί σαν λανθάνουσα μνήμη «επιπέδου 1» (Level 1 ή L1 cache) και «επιπέδου 2» (Level 2 ή L2 cache). Σε κάθε μητρική κάρτα υπάρχει και η μνήμη ROM, η οποία περιέχει το βασικό σύστημα εισόδου-εξόδου του υπολογιστή (BIOS).

­­  ­

Το Λειτουργικό Σύστημα (ΛΣ) είναι ένα σύνολο προγραμμάτων που λειτουργ­εί ως σύνδε­σμος ανάμεσα στα προγράμματα του χρήστη και το υλικό και καθορίζει τον τρόπο λειτουργίας του υπολογιστικού συστήματος, ελέγχοντας και συντονίζοντας τη χρήση των μονάδων του από τα διάφορα προγράμματα εφαρμογής των χρηστών. Τα περισσότερα Λειτουργικά Συστήματα είναι οργανωμένα σε επίπεδα, με το κατώτερο επίπεδο μόνο να επικοινωνεί απευθείας με το υλικό του υπολογιστή, και τα προγράμματα του χρήστη να χρησιμοποιούν μόνο το ανώτερο επίπεδο. Μια διεργασία είναι ένα πρόγραμμα ή ένα αυτόνομο τμήμα προγράμματος υπό εκτέλεση. Οι όροι πρόγραμμα και διεργασία διαφοροποιούνται από το γεγονός ότι το πρόγραμμα είναι παθητική οντότητα ενώ η διεργασία είναι ενεργητική. Η διαδικασία εναλλαγής από τη μια διεργασία στην άλλη, δηλαδή η μεταγωγή περιβάλλοντος, απαιτεί την καταγραφή πληροφοριών για τη διεργασία που διακόπτεται ώστε να μπορεί να συνεχιστεί αργότερα σωστά η εκτέλεσή της. Ένας τρόπος για να αναπαραστήσουμε γραφικά τα ταυτόχρονα προγράμματα είναι να χρησιμοποιήσουμε το γράφο προβαδίσματος (precedence graph). Στα ταυτόχρονα προγράμματα η ύπαρξη δεδομένων που χρησιμοποιούν από κοινού πολλές διεργασίες (και τουλάχιστον μια από αυτές γράφει στα δεδομένα), εισάγει το ζήτημα της ακεραιότητας των δεδομένων αυτών. Το τμήμα κώδικα μιας διεργασίας το οποίο διαβάζει ή γράφει χρησιμοποιούν από κοινού χρησιμοποιούμενα δεδομένα ονομάζεται κρίσιμο τμήμα. Όταν μια διεργασία εκτελεί τον κώδικα του κρίσιμου τμήματός της, καμία άλλη δεν μπορεί να εκτελεί το δικό της κρίσιμο τμήμα, έχουμε δηλαδή το φαινόμενο του αμοιβαίου αποκλεισμού (mutual exclusion). Οι σηματοφορείς είναι ένας μηχανισμός που λύνει με απλό και λειτουργικό τρόπο το πρόβλημα του κρίσιμου τμήματος.

­­ 

Η ενότητα του Λειτουργικού Συστήματος (ΛΣ) που λαμβάνει διάφορες αποφάσεις σχετικά με την ανάθεση της Κεντρικής Μονάδας Επεξεργασίας (ΚΜΕ) στις διάφορ­ες διεργασίες ονομάζεται χρονοδρομολόγηση ΚΜΕ (CPU scheduling). Η ζωή μιας διεργα­σίας είναι ένας συνεχής κύκλος από εκτέλεση στην ΚΜΕ και αναμονή για ολοκλήρωση μιας λειτουργίας Εισόδου/Εξόδου (Ε/Ε). Συνήθως σε ένα ΛΣ υπάρχει ο μακροχρόνιος χρονοδρομολογητής, ο οποίος επιλέγει μια ομάδα διεργασιών για να εκτελεστούν ταυτόχρονα, και ο βραχυχρόνιος χρονοδρομολογητής που επιλέγει μια συγκεκριμένη διεργασία και της αναθέτει την ΚΜΕ. Η μεθοδολογία την οποία χρησιμοποιεί κάθε χρονοδρομολογητής (βραχυχρόνιος, μεσοχρόνιος ή μακροχρόνιος) βασίζεται στον αλγόριθμο χρονοδρομολόγησης (scheduling algorithm) τον οποίο εφαρμόζει. Ο αλγόριθμος αυτός περιγράφει με σαφήνεια τον τρόπο με τον οποίο ο χρονοδρομολογητής θα επιλέξει μια διεργασία για να την προωθήσει στην ΚΜΕ ή να την απομακρύνει από αυτή και πόσο χρόνο θα απασχολεί κάθε διεργασία την ΚΜΕ. Ανάλογα με το σκοπό για τον οποίο θα χρησιμοποιηθεί ένα υπολογιστικό σύστημα, επιλέγονται τα κριτήρια που ταιριάζουν στο σκοπό αυτό και ο αλγόριθμος χρονοδρομολόγησης που τα ικανοποιεί.

­­  ­

Κάθε μονάδα ενός υπολογιστή που χρησιμεύει για τη μόνιμη ή προσωρινή αποθήκευση δεδομένων ανήκει στη μνήμη (memory) του υπολογιστή. Στην κύρια ή κ­εντρική μνήμη (main memory) του υπολογιστή αποθηκεύονται τα προγράμματα που εκτελεί η ΚΜΕ και τα δεδομένα για τα προγράμματα αυτά. Στη δευτερεύουσα ή περιφερειακή μνήμη (secondary memory) τα δεδομένα αποθηκεύονται μόνιμα. Η κατανομή της κύριας μνήμης μπορεί να είναι στατική (static allocation) ή δυναμική (dynamic allocation). Η κεντρική μνήμη του υπολογιστή αποτελείται από διαδοχικές θέσεις, με μέγεθος η κάθε μια π.χ. 16 ή 32 bits, που ονομάζονται λέξεις (words). Κάθε λέξη της μνήμης έχει τη δική της διεύθυνση, με την οποία αναφέρονται τα προγράμματα σε αυτή. Στη μέθοδο της σελιδοποίησης, η εικονική μνήμη διαιρείται σε ίσα και συνεχόμενα μέρη, τα οποία ονομάζονται σελίδες (pages). Η σελιδοποίηση είναι η πιο κοινά χρησιμοποιούμενη μέθοδος για τη διαχείριση της εικονικής μνήμης, γιατί συνήθως υποστηρίζεται από το υλικό των υπολογιστών. Οι στρατηγικές τοποθέτησης σελίδων που χρησιμοποιούνται περισσότερο είναι η στρατηγική του πρώτου ταιριάσματος (first fit), η στρατηγική του καλύτερου ταιριάσματος (best fit) και η στρατηγική του χειρότερου ταιριάσματος (worst fit). Δυο άλλες μέθοδοι που χρησιμοποιούνται, αλλά όχι τόσο ευρέως, είναι η κατάτμηση και η κατατμημένη σελιδοποίηση όπου η δεύτερη είναι συνδυασμός κατάτμησης και σελιδοποίησης.

­­ 

Ένα αρχείο (file) αποτελείται από ένα σύνολο δεδομένων αποθηκευμένων στη δευτερεύουσα μνήμη. Η βασική ιδιότητα των αρχείων, η οποία τα διαφοροποιεί από τις διάφορ­ες πληροφορίες που είναι αποθηκευμένες στην κύρια μνήμη του υπολ­ογιστή, είναι ότι είναι μόνιμα, δηλαδή εξακολουθούν να υπάρχουν και όταν η διεργασία που τα δημιούργησε έχει τερματιστεί ή ακόμα και όταν ο υπολογιστής είναι εκτός λειτουργίας. Οι διεργασίες αναφέρονται στο αρχείο με το όνομά του, και μπορούν να εκτελέσουν σε αυτό διάφορες λειτουργίες με πιο σημαντικές την ανάγνωση και την εγγραφή δεδομένων.Το Σύστημα Αρχείων (file system) είναι το τμήμα εκείνο του ΛΣ που αναλαμβάνει να οργανώσει και να διαχειριστεί τα δεδομένα των αρχείων. Το σύστημα αρχείων του ΛΣ χρειάζεται διάφορες πληροφορίες για κάθε αρχείο, οι οποίες ονομάζονται χαρακτηριστικά (attributes - properties). Γίνεται κατανομή των αρχείων σε διαφορετικούς καταλόγους ή ευρετήρια (directories) για να αναφερθεί ο χρήστης σε ένα αρχείο χρειάζεται το όνομα του αρχείου και τον κατάλογο όπου αυτό βρίσκεται.