Βασικά στοιχεία αρχιτεκτονικής Υ/Σ

Με τον όρο υπολογιστικό σύστημα, αναφερόμαστε σε ένα σύστημα το οποίο αποτελείται από μια Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας, μνήμη και συσκευές εισόδου και εξόδου. Γενικά, στόχος μας όταν σχεδιάζουμε ένα τέτοιο σύστημα είναι να το χρησιμοποιήσουμε για την εκτέλεση υπολογισμών ή για να ελέγξουμε άλλες συσκευές.

Ένα υπολογιστικό σύστημα στο οποίο ως Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (ΚΜΕ) χρησιμοποιείται ένας μικροεπεξεργαστής (micro-processor) ονομάζεται μικροϋπολογιστικό σύστημα. Ένας μικροεπεξεργαστής είναι ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα γενικού σκοπού, το οποίο μπορεί να προγραμματιστεί.  Η επεξεργασία των δεδομένων γίνεται σε μια σειρά από βήματα, κάθε ένα από τα οποία ονομάζεται εντολή. Οι εντολές που εκτελούνται από το μικροεπεξεργαστή είναι εντολές σε γλώσσα μηχανής. Μια εντολή σε γλώσσα μηχανής είναι μια σειρά από δυαδικά ψηφία όπου είναι κωδικοποιημένο το είδος της εντολής. Οι εντολές της γλώσσας μηχανής είναι αποθηκευμένες στην κύρια μνήμη, από όπου τις ανακαλεί και τις εκτελεί ο μικροεπεξεργαστής.

Η κύρια μνήμη είναι ένας χώρος στον οποίο ο υπολογιστής φυλάει δεδομένα ή εντολές προς εκτέλεση. Η κύρια μνήμη αποτελείται από λέξεις μνήμης (memory words), κάθε μια από τις οποίες αποτελείται από έναν αριθμό δυαδικών ψηφίων. Ο αριθμός αυτός ονομάζεται μήκος λέξης της μνήμης. Κάθε θέση προσδιορίζεται από έναν αριθμό που ονομάζεται διεύθυνση (address). Για να διαβάσουμε από ή να γράψουμε ένα δεδομένο σε μια θέση μνήμης πρέπει να γνωρίζουμε τη διεύθυνσή της.

Η κύρια μνήμη του υπολογιστή χωρίζεται σε δύο μέρη: στη μνήμη από την οποία ο μικροεπεξεργαστής μπορεί να διαβάσει μόνο (Read Only Memory, ROM) και στη μνήμη στην οποία η ΚΜΕ μπορεί και να γράψει και να διαβάσει, την οποία ονομάζουμε μνήμη τυχαίας προσπέλασης (Random Access Memory, RAM). 

Οι λειτουργίες με τις οποίες ο μικροεπεξεργαστής επικοινωνεί με τη μνήμη RAM είναι η εγγραφή και η ανάγνωση.
Στην εγγραφή, η μνήμη δέχεται τη διεύθυνση στην οποία θα γίνει η εγγραφή και τα περιεχόμενα που θα γραφούν στη θέση αυτή. Η διεύθυνση της θέσης μνήμης στην οποία θα πραγματοποιηθεί η εγγραφή τοποθετείται στον καταχωρητή διευθύνσεων του μικροεπεξεργαστή, ενώ το δεδομένο τοποθετείται στον καταχωρητή δεδομένων του μικροεπεξεργαστή. Στη συνέχεια, η διεύθυνση της θέσης μνήμης μεταφέρεται μέσω ειδικού διαδρόμου (του διαδρόμου διευθύνσεων, όπως θα δούμε σε επόμενη παράγραφο) ενώ το δεδομένο μέσω άλλου διαδρόμου (του διαδρόμου δεδομένων) και πραγματοποιείται η εγγραφή. Στην ανάγνωση, τα περιεχόμενα της θέσης μνήμης που υποδεικνύει ο καταχωρητής διευθύνσεων του μικροεπεξεργαστή μεταφέρονται στον καταχωρητή δεδομένων του μικροεπεξεργαστή.

Η διεύθυνση της θέσης μνήμης μεταφέρεται μέσω του διαδρόμου διευθύνσεων, πραγματοποιείται η ανάγνωση της μνήμης και το δεδομένο (το περιεχόμενο της θέσης μνήμης) μεταφέρεται μέσω του διαδρόμου δεδομένων στον καταχωρητή δεδομένων του μικροεπεξεργαστή. Η μνήμη ROM περιέχει πληροφορίες βασικές για τη λειτουργία του υπολογιστή, τις οποίες έχει τοποθετήσει εκεί ο κατασκευαστής.

Τα βασικά χαρακτηριστικά της κύριας μνήμης είναι το μήκος λέξης, η χωρητικότητα και ο χρόνος προσπέλασης.

Το μήκος λέξης είναι το πλήθος των δυαδικών ψηφίων κάθε λέξης της μνήμης (ίδιο για όλες τις λέξεις). Το μήκος λέξης είναι πολλαπλάσιο του byte και είναι συνήθως 1, 2, ή 4 byte (8, 16, ή 32 δυαδικά ψηφία). Πολύ συχνά, το μέγεθος λέξης της μνήμης είναι ίσο με το μήκος λέξης στο οποίο μπορεί να εκτελέσει πράξεις ο μικροεπεξεργαστής.

Με τον όρο χωρητικότητα αναφερόμαστε στο μέγεθος της μνήμης, με άλλα λόγια στο πλήθος των bytes που μπορεί να χωρέσει. Συνήθως το μέγεθος αυτό μετράται σε πολλαπλάσια του byte, τα πιο γνωστά από τα οποία είναι τα Kilobyte, Megabyte και Gigabyte.

Ο χρόνος προσπέλασης είναι ο χρόνος που περνάει από τη στιγμή που ο μικροεπεξεργαστής ζητάει από τη μνήμη το περιεχόμενο μιας θέσης, μέχρι τη στιγμή που η μνήμη δίνει το περιεχόμενο αυτό στο μικροεπεξεργαστή. Ο χρόνος προσπέλασης μετράται σε nanoseconds (1 nanosecond ισούται με 1 δισεκατομυριοστό του  δευτερολέπτου, 1ns=10-9 sec) και είναι ένα μέτρο της ταχύτητας της μνήμης. Ένας άλλος τρόπος με τον οποίο μετράμε την ταχύτητα της μνήμης είναι η συχνότητα λειτουργίας της, με άλλα λόγια πόσες φορές μπορούμε να προσπελάσουμε τη μνήμη (για ανάγνωση ή εγγραφή) στη μονάδα του χρόνου (δευτερόλεπτο).

Με τον όρο μονάδες εισόδου αναφερόμαστε στο σύνολο των συσκευών ή διατάξεων, που επιτρέπουν τη μετατροπή πληροφοριών (κείμενο, εικόνα, ήχο, video κ.λπ.) σε ψηφιακή αναπαράσταση, ώστε να εισαχθεί στον υπολογιστή (πχ. πληκτρολόγιο, ποντίκι, σαρωτής). Οι μονάδες εξόδου μετατρέπουν την πληροφορία από ψηφιακή αναπαράσταση σε κείμενο, ήχο κ.λπ (πχ. οθόνη, εκτυπωτής). Οι μονάδες που χρησιμοποιούνται και για την είσοδο αλλά και για την έξοδο δεδομένων ονομάζονται μονάδες εισόδου και εξόδου (πχ. modems, κάρτες ήχου και video). Μια συσκευή εισόδου-εξόδου μπορεί να συνδεθεί στο σύστημα μέσω μιας θύρας εισόδου-εξόδου (I/O port). Οι θύρες μπορούν να θεωρηθούν ως εξωτερικοί καταχωρητές τους οποίους μπορεί να προσπελάσει ο μικροεπεξεργαστής.

Ένας διάδρομος είναι μια ομάδα αγωγών που χρησιμοποιείται για την επικοινωνία μεταξύ των μονάδων του υπολογιστή. Ένας διάδρομος χωρίζεται λειτουργικά σε τρία μέρη: το διάδρομο δεδομένων (data bus), το διάδρομο διευθύνσεων (address bus) και το διάδρομο ελέγχου (control bus).

Μέσω του διαδρόμου δεδομένων μεταφέρονται τα δεδομένα που θέλουμε να γράψουμε ή να διαβάσουμε κάθε φορά (πχ. τα δυαδικά ψηφία που συνθέτουν το περιεχόμενο μιας θέσης μνήμης, ενός καταχωρητή του μικροεπεξεργαστή, ή δεδομένα από κάποια άλλη μονάδα). Όταν γράφουμε, μεταφέρονται δεδομένα από το μικροεπεξεργαστή προς τη μνήμη RAM ή προς τις μονάδες εξόδου. Όταν διαβάζουμε, μεταφέρονται δεδομένα από τις μνήμες RAM ή ROM και από τις μονάδες εισόδου.

Μέσω του διαδρόμου διευθύνσεων μεταφέρονται δυαδικά ψηφία που σχηματίζουν τη διεύθυνση μιας θέσης μνήμης ή τη διεύθυνση μιας συσκευής εισόδου-εξόδου, δηλαδή προσδιορίζουν πού θα γραφτεί ή από πού θα διαβαστεί ένα δεδομένο.

Μέσω του διαδρόμου ελέγχου ο μικροεπεξεργαστής πληροφορεί τη μνήμη ή τις περιφερειακές συσκευές για την ενέργεια που προτίθεται να κάνει (π.χ. να διαβάσει ή να γράψει δεδομένα).

Αξίζει να σημειωθεί ότι κάθε χρονική στιγμή μόνο δύο συσκευές μπορούν να επικοινωνούν μέσω του διαδρόμου. Έτσι, αν κάποια στιγμή επικοινωνεί μέσω του διαδρόμου ο μικροεπεξεργαστής με τη μνήμη, μια μονάδα εισόδου δε μπορεί να στείλει δεδομένα, αλλά πρέπει να περιμένει να ολοκληρωθεί η επικοινωνία μεταξύ του μικροεπεξεργαστή και της κύριας μνήμης.

Γενικά, σε ένα μικροϋπολογιστικό σύστημα ο μικροεπεξεργαστής ελέγχει και συντονίζει μεταφορές και πράξεις στα δεδομένα σύμφωνα με τις εντολές που διαβάζει από κάποιο πρόγραμμα που βρίσκεται στη μνήμη.