Μάθημα : Β' ΕΠΑΛ - Βασικά Θέματα Πληροφορικής

Ανάλυση των αναλογικών και ψηφιακών συστημάτων καθώς και των όρων Δεδομένα και Πληροφορίες.

Αναλογικά και ψηφιακά συστήματα.

ΑΝΑΛΟΓΙΚΟ ΜΕΓΕΘΟΣ: Ένα μέγεθος το οποίο μπορεί να πάρει οποιαδήποτε τιμή σε μια περιοχή τιμών.

(π.χ. η ταχύτητα ενός οχήματος, το βάρος ενός ανθρώπου κ.ά.)

ΨΗΦΙΑΚΟ ΜΕΓΕΘΟΣ: Ένα μέγεθος το οποίο μπορεί να πάρει συγκεκριμένες τιμές (διακριτές) σε μια περιοχή τιμών.

(η θέση ενός διακόπτη ρεύματος κ.ά.)

ΔΥΑΔΙΚΟ ΜΕΓΕΘΟΣ: Ένα ψηφιακό μέγεθος το οποίο μπορεί να πάρει δύο μόνο διακριτές τιμές. (0 ή 1)

Εισαγωγή στο δυαδικό σύστημα και στις βασικές μετατροπές.

Οι υπολογιστές χρησιμοποιούν το ΔΥΑΔΙΚΟ σύστημα (με βάση το 2) για να αναπαραστήσουν και να επεξεργαστούν οποιαδήποτε πληροφορία.

Πίνακας των βασικών συστημάτων αρίθμησης.

Μετατροπή από το δυαδικό σύστημα αρίθμησης στο δεκαδικό.

Μετατροπή από το δεκαδικό σύστημα αρίθμησης στο δυαδικό.

Το δεκαεξαδικό σύστημα αρίθμησης.

Η κωδικοποίηση χαρακτήρων είναι το κλειδί που μετατρέπει τον κάθε χαρακτήρα σε ένα συγκεκριμένο αριθμό (code point) και στη συνέχεια σε δυαδική μορφή βάσει του κώδικα που χρησιμοποιείται κάθε φορά.

Οι δύο πιο διαδεδομένοι κώδικες για την αναπαράσταση χαρακτήρων είναι ο κώδικας ASCII και ο κώδικας UNICODE.

Κάνοντας κλικ ΕΔΩ, μπορείτε να δείτε ένα παράδειγμα χρήσης του κώδικα ASCII.

ΚΩΔΙΚΑΣ ASCII

ΚΩΔΙΚΑΣ UNICODE

Η συμπίεση δεδομένων (data compression), είναι η διαδικασία περιορισμού του μεγέθους ενός αρχείου, ώστε να χρειάζεται λιγότερο χώρο για την αποθήκευση ή τη μετάδοση του.

Αλγόριθμος κωδικοποίησης Ziv-Lempel.

Ο αλγόριθμος κωδικοποίησης Ziv-Lempel βασίζεται στο γεγονός ότι σε πολλά αρχεία (κυρίως αρχεία κειμένου) επαναλαμβάνονται συχνά ακολουθίες δεδομένων (π.χ. η λέξη "και").

Για να μην αποθηκεύονται επανειλημμένα, γίνεται αντικατάσταση τους με μια αναφορά στο σημείο που εμφανίστηκαν την τελευταία φορά.

Έτσι έχουμε ως αποτέλεσμα την εξοικονόμηση χώρου αποθήκευσης.

Συνήθως με αυτή την μέθοδο, το μέγεθος των αρχείων κειμένου μειώνεται στο ένα τέταρτο (1/4) του αρχικού μεγέθους. 

Οι δυο βασικότερες μέθοδοι συμπίεσης δεδομένων είναι η ΑΠΩΛΕΣΤΙΚΗ και η ΜΗ ΑΠΩΛΕΣΤΙΚΗ.

Με την απωλεστική μέθοδο τα δεδομένα μετά την αποσυμπίεση τους παρουσιάζουν απώλεια.

Παράδειγματα: Εικόνες (JPEG), ήχος (MP3), βίντεο (MPEG)

Αντίθετα με την μη απωλεστική παραμένουν ακριβώς τα ίδια.

Παραδείγματα: Βάσεις δεδομένων, πηγαίος κώδικας, έγγραφα, λογιστικά φύλλα κ.ά.

Οι ψηφιακές εικόνες ενός υπολογιστή μπορεί να είναι: 

• Ψηφιογραφικές ή χαρτογραφικές (bitmap graphics)
• Διανυσματικά γραφικά (vector)

Οι ψηφιογραφικές εικόνες οργανώνονται ως ένα ορθογώνιο πλέγμα από χρωματιστές ψηφίδες που ονομάζονται εικονοστοιχεία (pixels).

Το κάθε εικονοστοιχείο (pixel) είναι το μικρότερο στοιχειώδες κομμάτι μιας ψηφιογραφικής εικόνας, η οποία μπορεί να αποτελείται από εκατομμύρια pixels (Megapixels). Παραδείγμα: εικόνες από ψηφιακή κάμερα κινητού τηλεφώνου.

Τα διανυσματικά γραφικά αποτελούνται απο γεωμετρικά σχήματα που περιγράφονται με μαθηματικό τρόπο, με τη βοήθεια συντεταγμένων, γωνιών και αποστάσεων. Παράδειγμα: σχέδια Clipart.

Τα τρία βασικά μοντέλα για την περιγραφή χρωμάτων στον υπολογιστή είναι τα:

• RGB (Red - Green - Blue)
• CMY ή CMYK (Cyan - Magenta - Yellow)
• HSB (Hue - Saturation - Brightness)

Τα βασικά χαρακτηριστικά μιας εικόνας είναι:

1. Η Ανάλυση της εικόνας - μέγεθος σε pixels π.χ. 8 Megapixels ή η ανάλυση σε pixels per inch (ppi). Ο όρος dpi (dots per inch) αναφέρεται στην ανάλυση του εκτυπωτή.
2. Το βάθος χρώματος - μετριέται σε bits.
3. Το μέγεθος του αρχείου - εξαρτάται από το πλήθος των pixel και το χρωματικό βάθος. 

Το πιο διαδεδομένο πρότυπο συμπίεσης εικόνων είναι το JPEG (Joint Photographic Experts Group), με απώλεια δεδομένων.

Επίσης γνωστό είναι το πρότυπο GIF (Graphic Interchange Format), ένας αλγόριθμος συμπίεσης χωρίς απώλεια που δημιουργήθηκε για την διακίνηση εικόνων στον Παγκόσμιο Ιστό (World Wide Web).

Ένα εξαιρετικά χρήσιμο εργαλείο επεξεργασίας εικόνας, το οποίο είναι και δωρεάν, είναι το GIMP. Μπορείτε να το κατεβάσετε κάνοντας κλικ ΕΔΩ.

Οι πιο συνηθισμένοι τρόποι εισαγωγής εικόνων σε έναν υπολογιστή είναι:

• Σάρωση.
• Φωτογράφιση με φωτογραφική μηχανή ή κινητό τηλέφωνο.
• "Σύλληψη" εικόνας, μέσω του πλήκτρου Ptrscr (PrintScreen) και μετά επικόλληση σε κάποιο αρχείο.
• "Σύλληψη" κινούμενης εικόνας (βίντεο) είτε από συσκευή, είτε στον ίδιο τον υπολογιστή με χρήση ειδικών προγραμμάτων καταγραφής.(π.χ. VSDC Free Screen Recorder κ.ά.) 

Με την χρήση ενός Σαρωτή (Scanner) μπορούμε να ψηφιοποιήσουμε μια έντυπη εικόνα σε κείμενο.

Απαραίτητη είναι η χρήση κατάλληλου λογισμικού αναγνώρισης οπτικών χαρακτήρων OCR (Optical Character Recognition).

Με αυτόν τον τρόπο μπορούμε εύκολα να έχουμε κείμενα σε ψηφιακή μορφή, τα οποία είναι χειρόγραφα, προέρχονται από τόμους βιβλίων ή άλλες πηγές.

Τα ηχητικά σήματα μεταδίδονται μέσω του αέρα. Δύο βασικοί παράγοντες του ήχου είναι οι αλλάγες του πλάτους (ένταση) και της συχνότητας (τόνος).

Αναλογική Ηχογράφηση. Καταγράφονται οι μεταβολές της πίεσης του αέρα (ήχος) μέσω της μεμβράνης του μικροφώνου σε μεταβαλλόμενη ηλεκτρική τάση.

Αναπαραγωγή. Μέσω μιας συσκευής εξόδου (π.χ. ηχεία, ακουστικά) μετατρέπεται η μεταβαλλόμενη ηλεκτρική τάση σε μεταβολή της πίεσης του αέρα (ήχος).

Η ψηφιοποίηση του ανολογικού σήματος από το μικρόφωνο γίνεται με ολοκληρωμένα κυκλώματα που λέγονται αναλογοψηφιακοί μετατροπείς (ADC). Η αντίστροφη διαδικασία γίνεται από έναν ψηφιοαναλογικό μετατροπέα (DAC) ώστε ένα μεγάφωνο να αναπαράγει ήχο.

Ρυθμός δειγματοληψίας. Είναι ο αριθμός των δειγμάτων/δευτερόλεπτο και μετριέται σε KHz. Όσο μεγαλύτερος τόσο πιο ποιοτικό θα είναι το σήμα.

Στον παρακάτω πίνακα διακρίνουμε διάφορους τύπους αρχείων ανάλογα με τον μορφότυπο (format) τους.

Παρατηρούμε πως κάποια είναι τύπου ''Lossless" (συμπιεσμένα με μη απωλεστική συμπίεση) ενώ κάποια είναι "Lossy" (συμπιεσμένα με απωλεστική συμπίεση).

Προγράμματα επεξεργασίας ήχου;;;;; (αναζήτηση στο Διαδίκτυο)

To κινούμενο σχέδιο (animation) είναι η διαδικασία με την οποία προστίθεται το στοιχείο της κίνησης σε μία εικόνα.

Κυριότερες χρήσεις συναντάμε στην ψυχαγωγία (κινηματογράφος - τηλεόραση-πολυμεσικές εφαρμογές-videogames) αλλά και στην προσομοίωση διαδικασιών ή μοντέλων για εκπαιδευτικούς ή επαγγελματικούς σκοπούς. 

Οι κινηματογραφικές ταινίες παράγονται με ταχύτητα ανανέωσης 24 εικόνων (πλαισίων) ανά δευτερόλεπτο

(frames per sec, fps).

Η παραγωγή ταινιών βίντεο βασίζεται σε ανανέωση
της εικόνας με συχνότητα 25-30 fps (25 fps για PAL/SECAM στην Ευρώπη ή 30 fps για NTSC
στις ΗΠΑ), ενώ για τη δημιουργία αποτελεσματικού animation απαιτούνται τουλάχιστον 15 fps.

                 2D Animation ----------------------------------------------------------------------> 3D Animation

Χρησιμοποιούνται animations που απεικονίζουν κίνηση είτε στο επίπεδο (2D animation)
είτε στο χώρο (3D animation).

Η τρισδιάστατη σχεδίαση δημιουργεί αντικείμενα πιο φυσικά στην πραγματικότητα και μάλιστα σε τέτοιο βαθμό ώστε να φαίνονται

σαν να είναι παρμένα από φωτογραφίες.

To animation τριών διαστάσεων (3D animation) αποτελεί τη βάση για τη δημιουργία τίτλων παιχνιδιών και περιπέτειας.

Η δημιουργία ενός τρισδιάστατου αντικειμένου με υφή και σκιάσεις, στο οποίο ανατίθενται χαρακτηριστικά
κίνησης είναι ιδιαίτερα δύσκολη και χρονοβόρα.

Η δημιουργία τρισδιάστατου animation απαιτεί μεγάλη υπολογιστική ισχύ και γίνεται με ειδικά εργαλεία όπως το Extreme 3D, 3D Studio,
Swivel 3D κ.λ.π.

Περιλαμβάνει τρία βασικά βήματα:

• Μοντελοποίηση (modeling)
• Προσομοίωση κίνησης (animation)
• Φωτορεαλιστική απεικόνιση (rendering)

Containers και Codecs

Η δομή των αρχείων βίντεο είναι πολύπλοκη γιατί συνδυάζουν πολλά διαφορετικά είδη πληροφορίας (π.χ. ροή βίντεο, ροή ήχου, μεταδεδομένα, υπότιτλους κ.α.).

Ενώ η επέκταση ενός αρχείου στατικής εικόνας μας δίνει πληροφορία για το είδος του περιεχομένου, δεν συμβαίνει το ίδιο και με τις επεκτάσεις των αρχείων βίντεο. Ο μορφότυπος αρχείου βίντεο (π.χ. MOV) είναι απλά ένα "δοχείο" (container), που θα μπορούσε να περιέχει ένα πολύ χαμηλής ποιότητας web βίντεο, ή ένα πολύ-υψηλής ποιότητας 3-D βίντεο και υψηλής ποιότητας πεντακάναλο ήχο.

Μέσα σε κάθε container αρχείου βίντεο υπάρχουν τα δεδομένα ροής βίντεο και ήχου. Τα δεδομένα αυτά δημιουργούνται από μικρά προγράμματα που ονομάζονται κωδικοποιητές (codecs) τα οποία κωδικοποιούν - αποκωδικοποιούν (Encode - Decode) ή συµπιέζουν - αποσυµπιέζουν (Compress - Decompress) ψηφιακές ροές δεδομένων.

Επομένως ο μορφότυπος ενός αρχείου βίντεο (container) - όπως για παράδειγμα .MOV, .AVI, .MP4 - είναι ένας τρόπος για να πακεταριστούν τα δεδομένα για αποθήκευση. Ο κωδικοποιητής (codec) - όπως για παράδειγμα H.264 - είναι η μέθοδος για κωδικοποίηση και αποκωδικοποίηση του βίντεο στο εσωτερικό του “πακέτου” (container).

Χαρακτηριστικά ενός σήματος βίντεο

• Μέγεθος του πλαισίου (Frame size): το ύψος και πλάτος (σε pixels) για κάθε πλαίσιο
  (frame).
  Στο SD (Standard definition) βίντεο, το μέγεθος του πλαισίου είναι γενικά 720x576 pixels, δηλαδή 414.720 pixels συνολικά ανά πλαίσιο. Αντίστοιχα στο FHD (Full High Definition) βίντεο οι διαστάσεις είναι 1920x1080, δηλαδή 2,07 megapixels ανά πλαίσιο και στο 4K UHD (Ultra High Definition) οι διαστάσεις είναι 3840x2160, δηλαδή 8,29 megapixels.
• Λόγος διαστάσεων (aspect ratio): είναι η αναλογία του πλάτους προς ύψος. Για παράδειγμα 4:3 (standard Video), 16:9 (widescreen)
• Ρυθμός αναπαραγωγής πλαισίου ανά δευτερόλεπτο (frame rate, fps): Αριθμός πλαισίων που προβάλλονται ανά δευτερόλεπτο ώστε να δίνεται η αίσθηση της κίνησης. Το frame rate μετριέται συνήθως σε frames per second (π.χ. 15 fps, 24 fps, 25 fps, 30 fps, …).
• Βάθος χρώματος (Color Depth): Ο αριθμός των bits που χρησιμοποιείται για την αναπαράσταση του χρώματος για κάθε pixel. (Με τιμή χρωματικού βάθους 24 bit έχουμε ένα βίντεο με πραγματικό χρώμα).
• Ρυθμός μετάδοσης ή Ρυθμός δεδομένων βίντεο (Bitrate): Ο ρυθμός δεδομένων ενός αρχείου βίντεο είναι το μέγεθος της ροής δεδομένων κατά την αναπαραγωγή του βίντεο και μετριέται σε kilobits ή megabits ανά δευτερόλεπτο (Kbps ή Mbps).

Δειγματοληψία του ήχου (audio sample rate)

Οι τεχνικές συμπίεσης video (compress/decompress, codec) που χρησιμοποιούνται είναι οι:

• Χωρική συμπίεση (Ενδοπλαισιακή, Intraframe) αναλαμβάνει τη συμπίεση κάθε πλαισίου (frame) ξεχωριστά.
• Χρονική συμπίεση (∆ιαπλαισιακή, Interframe) εφαρμόζεται σε μια ακολουθία πλαισίων
  µε κωδικοποίηση των διαφορών ανάμεσα σε αυτά και στηρίζεται στο γεγονός ότι οι περισσότερες πληροφορίες παραμένουν σταθερές από το ένα πλαίσιο στο άλλο.

Επεξεργασία βίντεο

Η επεξεργασία βίντεο - το οποίο έχει συλληφθεί αναλογικά (π.χ. S-Video, TV-in) ή ψηφιακά (USB, Firewire) - γίνεται με τη χρήση κατάλληλου υλικού και λογισμικού. Μετά τη σύλληψη,κωδικοποίηση - συμπίεση και αποθήκευση ενός βίντεο σε ψηφιακή μορφή μπορείτε να το επεξεργαστείτε και να το διαμορφώσετε σε κατάλληλη μορφή για τη χρήση που προορίζεται.

Κάποια δημοφιλή προγράμματα επεξεργασίας βίντεο είναι τα παρακάτω:

• Free Windows Movie Maker from Microsoft
• Avidemux
• VideoSpin
• VirtualDub
• OpenShot
• VSDC Video Editor
• Video Pad Editor
• Kdenlive
• Blender LightWorks

Κωδικοποίηση – Διανομή – Αποστολή βίντεο

Ο όρος "native" χρησιμοποιείται για να περιγράψει τη μορφή που η κάμερα καταγράφει και αποθηκεύει τα ψηφιακά δεδομένα.

Η συμπίεση (κωδικοποίηση) βίντεο είναι η διαδικασία μετατροπής του ψηφιακού βίντεο σε μορφή κατάλληλη για μετάδοση ή αποθήκευση. Το ασυμπίεστο "Raw" ψηφιακό βίντεο απαιτεί συνήθως ένα μεγάλο bitrate, (για παράδειγμα, περίπου 216 Mbits για 1 δευτερόλεπτο ασυμπίεστου βίντεο Standard Definition) και η συμπίεση είναι απαραίτητη για την αποθήκευση και μετάδοσή του.

Ο ρυθμός δεδομένων (bitrate κωδικοποιημένου βίντεο) αναφέρεται στην ποσότητα των bit που χρησιμοποιούνται ανά μονάδα χρόνου αναπαραγωγής βίντεο μετά τη συμπίεση (κωδικοποίηση). Μετριέται σε kilobits ή megabits ανά δευτερόλεπτο (Kbps ή Mbps) και επηρεάζει
το μέγεθος του αρχείου και την ποιότητα του βίντεο.

Η συμπίεση ενός αρχείου για μελλοντική χρήση γίνεται είτε με συμπίεση δεδομένων χωρίς απώλεια (lossless data compression) είτε με συμπίεση δεδομένων με απώλεια (lossy data compression).

Οικογένεια MPEG
MPEG-1 (1993): Το πρώτο πρότυπο κωδικοποίησης για βίντεο συγχρονισμένο με ήχο. Είχε στόχο να κωδικοποιήσει βίντεο στο bitrate του CD (1.5 Mbps). Χαμηλή ποιότητα εικόνας και ήχου. Η ανάλυση πλαισίου καθορίζεται στα 352x240 (NTSC) ή 352x288 (PAL) pixels με ρυθμό ανανέωσης πλαισίων από 24 έως 30 fps.
MPEG-2 (1995): Χρησιμοποιείται στην ψηφιακή τηλεόραση (μέχρι πρόσφατα) και τα DVD. H βασική ανάλυση πλαισίου είναι 720x480 pixels (NTSC) ή 720x576 pixels (PAL).
MPEG-4 (1998) και επέκταση Advanced Video Coding MPEG-4 AVC (H.264): Πολύ ευέλικτο 

πρότυπο που προσφέρει υψηλή ποιότητα με μεγάλη συμπίεση (ίδια ποιότητα στο μισό σχεδόν bit rate σε σχέση με το MPEG-2). Όταν χρησιμοποιείται με υψηλό bitrate, παρέχει εξαιρετική ποιότητα (για παράδειγμα Blu-ray disc).

High Efficiency Video Coding HEVC (Η.265) (2013): Nέο πρότυπο συμπίεσης βίντεο. Αναπτύχθηκε με στόχο να παρέχει συμπίεση διπλάσιας αποτελεσματικότητας σε σχέση με το προηγούμενο πρότυπο H.264 / AVC. Η αποτελεσματικότητα της κωδικοποίησης έγκειται στη
δυνατότητα να κωδικοποιήσει (encode) το βίντεο στο χαμηλότερο δυνατό bitrate, διατηρώντας παράλληλα ένα ορισμένο επίπεδο ποιότητας.

Μπορεί να υποστηρίξει 8Κ UHD (Ultra High Definition Television) και ανάλυση πλαισίου μέχρι
7680x4320 pixels.

Μετάδοση βίντεο στο Διαδίκτυο

Ο όρος πολυμεσική ροή (streaming media) στο Διαδίκτυο αφορά σε μία ροή πακέτων δικτύου που περιέχουν πολυμεσικά δεδομένα, δηλαδή βίντεο ή/και ήχο. Η πολυμεσική ροή προέρχεται από ένα εξυπηρετητή μετάδοσης ροών (media streaming server) και κατευθύνεται προς ένα τελικό χρήστη ο οποίος λαμβάνει συνεχώς και αναπαράγει στον τοπικό του υπολογιστή πολυμεσικό περιεχόμενο. 
Οι τεχνολογίες ροών χρησιμοποιούνται για την ακρόαση ραδιοφώνου και την παρακολούθηση τηλεόρασης μέσω Διαδικτύου (IPTV), την αναμετάδοση εκδηλώσεων, καθώς και για την παρακολούθηση βίντεο κατόπιν αιτήσεως (video on-demand).
Ροή κατά απαίτηση (On demand Streaming): Ο τελικός χρήστης όχι μόνο επιλέγει αλλά ακούει ή βλέπει το περιεχόμενο –που είναι αποθηκευμένο στον εξυπηρετητή - οποτεδήποτε το ζητήσει (on demand). Επιπλέον, μπορεί να παγώσει τη μετάδοση και να συνεχίσει αργότερα, να προχωρήσει ή να επιστρέψει σε άλλο σημείο του περιεχομένου. (π.χ. NETFLIX)

Ζωντανή μετάδοση ροών (Live Streaming): Μετάδοση σε πραγματικό χρόνο γεγονότων στο Διαδίκτυο με την μορφή πολυμεσικής ροής.

H εικονική πραγματικότητα (virtual reality) είναι η ψηφιακή αναπαράσταση ενός τρισδιάστατου αλληλεπιδραστικού περιβάλλοντος
στον υπολογιστή στο οποίο ο χρήστης με τη μορφή ενός εικονικού χαρακτήρα (avatar) μπορεί να "εμβυθισθεί" και πλοηγηθεί.

Ο χρήστης έχει την ψευδαίσθηση ότι συμμετέχει στον περιβάλλον αντί να είναι εξωτερικός παρατηρητής του περιβάλλοντος αυτού.

Το περιβάλλον μπορεί να είναι η προσομοίωση ενός πραγματικού κόσμου ή ένας φανταστικός χώρος στο οποίο ο χρήστης βιώνει τις τρεις διαστάσεις (ύψος, πλάτος και βάθος) ενώ επιπλέον υπάρχει και επικοινωνία με ήχο σε πραγματικό χρόνο μεταξύ των χρηστών.

Ένα ενδιαφέρον βίντεο για την Εργασία του Μέλλοντος (πηγή: Youtube) μπορείτε να δείτε με κλικ ΕΔΩ.

Η επαυξημένη πραγματικότητα (Augmented Reality) επιτρέπει την "ζωντανή" απεικόνιση ενός φυσικού περιβάλλοντος του οποίου όμως η πραγματικότητα είναι "εμπλουτισμένη" με την προβολή πληροφοριών ή και εικονικών προσώπων. Η τεχνολογία αυτή χρησιμοποιήθηκε πρώτη φορά σε κινητά τηλέφωνα όπου ο συνδυασμός της κάμερας με το σύστημα GPS επιτρέπουν την προβολή επιπλέον κειμένου, εικόνας, ήχου και video για τη συγκεκριμένη γεωγραφική θέση που βρίσκεται ο χρήστης.

Σύνδεση και πλοήγηση σε multi-user εικονικό περιβάλλον.  Κατάλληλα λογισμικά για την δημιουργία εικονικών κόσμων και σύνδεση και πλοήγηση σε αυτούς είναι τα: Second Life και OpenSim.

Τρισδιάστατη Εκτύπωση και Σάρωση - 3Δ Εκτύπωση

Η τρισδιάστατη εκτύπωση είναι μια εφαρμογή η οποία πηγάζει από τη βιομηχανική κατασκευή πρωτότυπων μηχανολογικών προϊόντων, που είναι σχεδιασμένα εξ’ ολοκλήρου σε ηλεκτρονικούς υπολογιστές. Μέσω των συσκευών τρισδιάστατης εκτύπωσης, γίνεται εφικτή η κατασκευή λειτουργικών πρωτοτύπων, των οποίων η μορφή διαφέρει ελάχιστα από αυτή των σχεδίων.

Τα διαθέσιμα είδη τρισδιάστατων εκτυπωτών χωρίζονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες: τους εκτυπωτές εναπόθεσης ύλης και τους εκτυπωτές λιθογραφίας.

Η διαφοροποίηση μεταξύ αυτών των δύο μεθόδων υλοποίησης έγκειται στον τρόπο με τον οποίο δημιουργείται το υλικό αντίγραφο των τρισδιάστατων δεδομένων, αφού κατά την τρισδιάστατη εκτύπωση το μοντέλο χτίζεται από το μηδέν σε πολλά στρώματα το ένα πάνω από το άλλο, ενώ κατά την τρισδιάστατη λάξευση το μοντέλο λαξεύεται κυριολεκτικά στο πρωτογενές υλικό.

Τρισδιάστατη Εκτύπωση και Σάρωση - 3Δ Σάρωση

Tρισδιάστατος σαρωτής είναι οποιαδήποτε συσκευή μπορεί να συλλέξει τρισδιάστατες συντεταγμένες από μία δεδομένη περιοχή πάνω στην επιφάνεια ενός αντικειμένου, η οποία πληρεί τα παρακάτω χαρακτηριστικά:

• Ακολουθεί μια αυτοματοποιημένη διαδικασία που βασίζεται σε κάποιο πρότυπο.
• Επιταχύνει τη διαδικασία, ώστε να πραγματοποιείται σε πραγματικό (σχεδόν) χρόνο.
• Δύναται να διακρίνει χρωματική πληροφορία της εκάστοτε επιφάνειας σε συνδυασμό με την τρισδιάστατη γεωμετρία της.

Η τρισδιάστατη σάρωση είναι ένα σημαντικό νέο εργαλείο για την τεκμηρίωση αντικειμένων και τη μεταφορά τους στον ψηφιακό κόσμο.

10.1 Δομή υπολογιστών και διακίνηση της πληροφορίας

Βασικές μονάδες υλικού του υπολογιστή που συνδέονται μεταξύ τους και καθεμία εκτελεί διαφορετική λειτουργία είναι: (ΕΡ. 1 σελ. 120)
Μονάδες Εισόδου: χρησιμοποιούνται για να επικοινωνεί ο Η/Υ με το εξωτερικό περιβάλλον ώστε να δέχεται δεδομένα για επεξεργασία αλλά και προγράμματα που κατευθύνουν την
επεξεργασία αυτή.
Κεντρική ή Κύρια Μνήμη (ΚΜ / Main Memory): εκεί αποθηκεύετονται προσωρινά (μνήμηRAM) α) το πρόγραμμα όταν βρίσκεται σε κατάσταση εκτέλεσης, β)το σύνολο ή μέρος των δεδομένων που χρησιμοποιούνται κατά την εκτέλεση του προγράμματος καθώς και γ) τα αποτελέσματα της επεξεργασίας.

Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (ΚΜΕ / Central Processing Unit – CPU ή μικροεπεξεργαστής/ microprocessor): επεξεργάζεται δεδομένα σύμφωνα με το πρόγραμμα που υπάρχει στην Κεντρική Μνήμη, ελέγχει τη ροή των δεδομένων από και προς την Κεντρική ή Βοηθητική μνήμη, στέλνει αποτελέσματα στη μονάδα εξόδου.
Μονάδες Εξόδου: παρουσιάζουν ενδιάμεσα δεδομένα ή αποτελέσματα σε μορφή που έχει
επιλέξει ο χρήστης ή ελέγχουν τις λειτουργίες πολύπλοκων μηχανημάτων.
Βοηθητική Μνήμη ή Περιφερειακή Μνήμη: τη διαχειρίζεται ο χρήστης για μακρόχρονη αποθήκευση δεδομένων και προγραμμάτων

10.2 Σύντομη Ιστορία των Ηλεκτρονικών Υπολογιστών

Ιστορία Υπολογιστών από Wikipedia---> κλικ ΕΔΩ.

Μουσείο Τεχνολογίας Υπολογιστών (πηγή ΕΠΑΛ & Ε.Κ. ΚΑΣΤΟΡΙΑΣ)----> κλικ ΕΔΩ.

10.3 Λογικές πράξεις και άλγεβρα Boole

Μία πρόταση που μπορεί να χαρακτηριστεί αληθής ή ψευδής, ονομάζεται Λογική πρόταση.

π.χ. Το 5 είναι φυσικός αριθμός (αληθής).
Το 5 είναι άρτιος αριθμός (ψευδής).

Με μεταβλητές που οι δυνατές διακριτές τιμές τους είναι μόνο δυο, ασχολείται η Δυαδική Λογική.

Στη δυαδική λογική, υπάρχουν λογικές πράξεις (τελεστές) που μπορούν να εκτελούν συγκεκριμένη λειτουργία σε μια πρόταση (πράξη ΝΟΤ) ή συνδυάζουν μεταξύ τους δυο ή περισσότερες προτάσεις (π.χ. AND, OR).
NOT, (ΟΧΙ, άρνηση, αντιστροφή ή συμπλήρωμα): αντιστρέφει την τιμή της λογικής πρότασης. π.χ. Α-->Έξω βρέχει. (ψευδής)
ΝΟΤ Α-->Έξω δεν βρέχει. (αληθής) 

ΑΝD, (KAI, σύζευξη, λογικός πολλαπλασιασμός): δύο ή περισσότερες προτάσεις που συνδέονται με το ΑND σχηματίζουν αληθή πρόταση όταν όλες οι επιμέρους προτάσεις είναι αληθείς. π.χ. Α-->Το 3 είναι διαιρέτης του 10 (ψευδής)
Β-->Το10 είναι διαιρέτης του 100 (αληθής). Α AND Β-->Το 3 είναι διαιρέτης του 10 και το 10 είναι διαιρέτης του 100 (ψευδής).

ΟR, (H’, διάζευξη, λογική πρόσθεση): δυο ή περισσότερες προτάσεις που συνδέονται με το ΟR σχηματίζουν αληθή πρόταση όταν τουλάχιστον μια από τις επιμέρους προτάσεις είναι αληθής. π.χ. Α-->Το 10 διαιρείται με το 5. (αληθής)
Β-->Το 10 διαιρείται με το 3. (ψευδής)
Α OR Β-->Το 10 διαιρείται με το 5 ή το 10 διαιρείται με το 3. (αληθής)

ΧΟR, (ΑΠΟΚΛΕΙΣΤΙΚΟ Η’, αποκλειστική διάζευξη): δυο προτάσεις που συνδέονται με XOR σχηματίζουν αληθή πρόταση όταν η μία είναι αληθής και άλλη ψευδής, δηλ. δεν αληθεύουν ταυτόχρονα και δεν είναι ταυτόχρονα ψευδείς.
π.χ. Α-->Στη Χίο θα πάμε με πλοίο.  Β-->Στη Χίο θα πάμε με αεροπλάνο.
Α ΧΟR Β-->Στη Χίο θα πάμε με είτε πλοίο είτε με αεροπλάνο. (Δεν θα πάμε ταυτόχρονα και με τα δύο)!

Ακολουθεί ΠΙΝΑΚΑΣ ΑΛΗΘΕΙΑΣ με όλους του πιθανούς συνδυασμούς για δυο μεταβλητές ( Α & Β):

Συνοπτικά οι λογικές πράξεις στη δυαδική λογική φαίνονται στον πίνακα που ακολουθεί:

Όπως για μια λογική πρόταση υπάρχουν δύο πιθανοί χαρακτηρισμοί (αληθής ή ψευδής) έτσι και ένα ψηφιακό κύκλωμα στο υλικό του υπολογιστή μας, μπορεί να λειτουργεί με σήματα δυο μόνο καταστάσεων: υψηλής τάσης που βαφτίζουμε «κατάσταση 1» και χαμηλής τάσης που βαφτίζουμε «κατάσταση 0». Άρα για να μελετήσουμε τη λειτουργία των ψηφιακών κυκλωμάτων και να σχεδιάσουμε καινούρια, δανειζόμαστε τις αρχές και τους κανόνες της δυαδικής λογικής.

Αξιώματα και Θεωρήματα της Άλγεβρας Boole:

10.4 Λογικές Πύλες

Σε ένα υπολογιστικό σύστημα, διάφορα κυκλώματα, εκτελούν τεράστιο πλήθος πολύπλοκων λειτουργιών με εκπληκτικά γρήγορο ρυθμό. Στον υπολογιστή τα βασικά δομικά στοιχεία των ψηφιακών κυκλωμάτων του είναι οι λογικές πύλες (logic gates).

Για να υλοποιηθεί μια λογική πράξη υπάρχει συγκεκριμένος τύπος λογικής πύλης που κατασκευάζεται από συγκεκριμένο συνδυασμό τρανζίστορς. Κάποια κυκλώματα κατασκευάζονται από πολύ λίγες πύλες ενώ άλλα όπως οι μικροεπεξεργαστές περιέχουν μερικά εκατομμύρια πυλών.

Τις τελευταίες δεκαετίες, καθώς το μέγεθος των τρανζίστορς μικραίνει, όλο και μεγαλύτερος αριθμός λογικών πυλών χωρά σε έναν μικροεπεξεργαστή. Αυτός είναι και ο βασικός λόγος που
η πολυπλοκότητά των μικροεπεξεργαστών αλλά κυρίως η ταχύτητα επεξεργασίας αυξάνονται.

Κάθε λογική πύλη έχει …
• συγκεκριμένο αριθμό εισόδων. Σε κάθε είσοδο μπορεί να εφαρμοστεί είτε μια χαμηλή τάση π.χ. 0V (κατάσταση 0) είτε μια υψηλότερη τάση π.χ. 5V (κατάσταση 1).
• μια έξοδο που ανάλογα με τις τάσεις στις εισόδους και τον τύπο της πύλης θα βρεθεί είτε στην χαμηλή τιμή τάσης π.χ. 0V (κατάσταση 0) είτε στην υψηλότερη π.χ. 5V (κατάσταση 1).
• συγκεκριμένο σύμβολο που χρησιμοποιείται κατά την ψηφιακή σχεδίαση έτσι ώστε να μη χρειάζεται να μπαίνουμε στη διαδικασία να σχεδιάζουμε τα τρανζίστορς που περιέχει.

Στον παραπάνω πίνακα φαίνονται οι σχηματικές αναπαραστάσεις των λογικών πυλών και οι αντίστοιχοι πίνακες που περιγράφουν τη λειτουργία τους. Αυτοί λέγονται πίνακες αλήθειας.
Κάθε πίνακας αλήθειας περιέχει:
- όλους τους πιθανούς συνδυασμούς εισόδων μιας πύλης
- την έξοδο που προκύπτει από την πύλη, για καθέναν συνδυασμό εισόδων
Πίνακα αλήθειας κατασκευάζουμε και όταν θέλουμε να περιγράψουμε τη λειτουργία πολυπλοκότερων κυκλωμάτων που περιέχουν συνδυασμό λογικών πυλών.

11.1 Συνδυαστικά κυκλώματα

Οι πολύπλοκες λειτουργίες που υλοποιούν τα κυκλώματα του υπολογιστή τελικά δεν είναι παρά συνδυασμοί λογικών πράξεων. Έτσι και τα κυκλώματα που χρησιμοποιούνται για να υλοποιηθούν αυτές οι πολύπλοκες λειτουργίες δεν είναι παρά συνδυασμοί λογικών πυλών. Μια μεγάλη κατηγορία τέτοιων κυκλωμάτων είναι τα συνδυαστικά κυκλώματα (combinational circuits).

Η λειτουργία ενός συνδυαστικού κυκλώματος μπορεί να περιγραφεί με τρεις τρόπους:
1ος τρόπος: σχηματική αναπαράσταση όπου απεικονίζονται οι πύλες με τα σύμβολά τους, οι διασυνδέσεις μεταξύ τους και φυσικά οι είσοδοι και οι έξοδοι.

2ος τρόπος: λογική συνάρτηση δηλ. λογική έκφραση που συνδέει τις εισόδους με τις εξόδους του κυκλώματος απεικονίζοντας τις λογικές πράξεις που γίνονται σ’ αυτό. Για το κύκλωμα του προηγούμενου σχήματος που έχει εισόδους A,B και C η λογική συνάρτηση είναι:

Q= (A•B)’•(A+B)’•C   ή αξιοποιώντας τα θεωρ. De Morgan
=(A’+B’) •A’•B’•C       ή με επιμεριστική ιδιότητα
=A’•A’•B’•C+B’ •A’•B’•C
= A’•B’•C+A’•B’•C
= A’•B’•C

3ος τρόπος: πίνακας αλήθειας όπου φαίνονται οι τιμές των εξόδων του κυκλώματος (εδώ της Q) για κάθε συνδυασμό των εισόδων. Αν έχουμε μια από τις τρεις διαφορετικές περιγραφές, μπορούμε να συμπεράνουμε τη μορφή των άλλων δυο.

Παράδειγμα 1:

Παράδειγμα 2 (σχολ. βιβλίο σελ.128):

Παράδειγμα 3 (σχολ. βιβλίο σελ.129):

11.2 Ημιαθροιστής – Πλήρης αθροιστής

Για την πρόσθεση δύο bits (έστω Α και Β) χρησιμοποιούμε συνδυαστικό κύκλωμα που λέγεται ημιαθροιστής (half adder). Το κύκλωμα θα πρέπει να δίνει στην έξοδο ένα bit για το άθροισμα (S) και ένα bit για την περίπτωση που προκύπτει κρατούμενο (C). Για να προσθέσουμε 2 bits μαζί με πιθανό κρατούμενο (έστω D, E, F) χρειαζόμαστε ένα λίγο πιο πολύπλοκο κύκλωμα, τον πλήρη αθροιστή (full adder) που δίνει πάλι στην έξοδο ένα bit για το άθροισμα (S) και ένα bit για νέο κρατούμενο (C).
Το όνομα του ημιαθροιστή προέρχεται από το γεγονός ότι δύο κυκλώματα ημιαθροιστών μπορούν να συνδυαστούν κατάλληλα ώστε να υλοποιηθεί ένας πλήρης αθροιστής.

11.3 Ακολουθιακά κυκλώματα

Τα ακολουθιακά κυκλώματα εκτός από λογικές πύλες περιλαμβάνουν και επιπλέον στοιχεία μνήμης (δυαδικά κύτταρα), όπου μπορεί να αποθηκευτεί ένα λογικό 0 ή 1. Η έξοδός τους εξαρτάται τόσο από τις εισόδους του συστήματος όσο και από την αποθηκευμένη τιμή στα στοιχεία μνήμης. Η αποθηκευμένη τιμή των στοιχείων μνήμης είναι με τη σειρά της συνάρτηση των προηγούμενων εισόδων. Έτσι οι έξοδοι των ακολουθιακών κυκλωμάτων εξαρτώνται όχι μόνο από τις τωρινές αλλά και από τις προηγούμενες εισόδους.

Ένα ακολουθιακό κύκλωμα μπορεί να χαρακτηριστεί σύγχρονο (synchronous) όταν η εφαρμογή των εισόδων του, η εκτέλεση των διάφορων λειτουργιών και η λήψη της εξόδου του γίνεται σε καθορισμένες χρονικές στιγμές. Ο καθορισμός των χρονικών στιγμών γίνεται με τη χρήση ενός παλμού ρολογιού(clock pulse).

Ο παλμός ρολογιού διανέμεται παντού στο σύστημα και χρησιμοποιείται έτσι ώστε τα στοιχεία μνήμης να επηρεάζονται από τις εισόδους τους μόνο τις στιγμές που φθάνουν αυτοί οι παλμοί ρολογιού.
Στα ασύγχρονα (asynchronous) ακολουθιακά κυκλώματα, οι διάφορες λειτουργίες δε γίνονται σε προκαθορισμένες χρονικές στιγμές (δεν υπάρχει παλμός ρολογιού), αλλά εκτελούνται σε κάθε χρονική στιγμή ανάλογα με τη σειρά που αλλάζουν οι είσοδοι.

11.4 Flip-Flops

Σε ένα σύγχρονο ακολουθιακό κύκλωμα, εκεί δηλαδή όπου χρησιμοποιείται παλμός ρολογιού για να συγχρονίζονται οι λειτουργίες, τα στοιχεία μνήμης λέγονται flip- flops. Το flip-flop χρησιμοποιείται ως κύτταρο μνήμης γιατί είναι ένα κύκλωμα που μπορεί να διατηρηθεί σε μία κατάσταση έως ότου κάποιο κατάλληλο σήμα εισόδου το κάνει να αλλάξει κατάσταση (αποθήκευση 1 bit πληροφορίας).
Τα flip-flops έχουν συνήθως δυο εξόδους, μια για την τιμή του bit που είναι αποθηκευμένο μέσα τους και μια για το συμπλήρωμά τους. Δυαδικές πληροφορίες μπορούν να μπουν στο flipflop με διάφορους τρόπους και έτσι έχουμε διάφορους τύπους flip-flop.

Το RS flip-flop
Το βασικό flip-flop ονομάζεται RS (Reset-Set), είναι ένα ασύγχρονο ακολουθιακό κύκλωμα και κατασκευάζεται από δυο πύλες NOR όπως φαίνεται στο σχήμα:

Έχει δυο εξόδους Q και Q’ (συμπλήρωμα της Q) και δυο εισόδους S (set, θέση) και R (reset, επαναφορά). Όταν Q=1 και Q’=0 λέμε ότι έχουμε κατάσταση θέσης (set) ενώ όταν Q=0 και Q’=1 έχουμε κατάσταση μηδενισμού (clear).

11.5 Απαριθμητής

Γνωρίσαμε τo flip-flop ως βασική μονάδα μνήμης. Η μνήμη RAM του υπολογιστή, όπου αποθηκεύονται οι εντολές και τα δεδομένα κατά την εκτέλεση των προγραμμάτων και οι καταχωρητές της Κεντρικής Μονάδας Επεξεργασίας αποτελούνται από flip-flops.
Όμως, τα flip-flops έχουν και μία άλλη βασική εφαρμογή: είναι το βασικό στοιχείο από το οποίο αποτελείται κάθε απαριθμητής (ή μετρητής/ counter). Πρόκειται για το ακολουθιακό κύκλωμα που παράγει μια προδιαγεγραμμένη ακολουθία εξόδων (μετράει μια σειρά διακριτών τιμών) όταν εφαρμόζονται παλμοί στην είσοδό του. Οι παλμοί εισόδου προέρχονται είτε από ρολόι είτε από άλλη εξωτερική πηγή σε ίσα ή ακανόνιστα χρονικά διαστήματα. Η ακολουθία
εξόδων μπορεί να είναι η δυαδική σειρά μέτρησης ή κάποια άλλη σειρά.

Έτσι ο απαριθμητής μπορεί να μετρά χρόνο αλλά και καταστάσεις ή γεγονότα.
Στον υπολογιστή μας ο απαριθμητής μετρά το χρόνο εκτέλεσης ενός προγράμματος. Γενικά σε ψηφιακό κύκλωμα μπορεί να κάνει μετρήσεις που σχετίζονται με την εσωτερική κατάσταση λειτουργίας του κυκλώματος ή με εξωτερικά γεγονότα που το κύκλωμα επεξεργάζεται, όπως για παράδειγμα, πόσα αυτοκίνητα περνούν από ένα δρόμο μίας διασταύρωσης, όσο διαρκεί ο φωτεινός σηματοδότης.

Μια χρήσιμη εφαρμογή του είναι και η διαίρεση συχνότητας. Η απλούστερη περίπτωση είναι ο δυαδικός απαριθμητής που όταν αποτελείται από n flipflops παράγει έξοδο με n bits άρα μετρά από το 0 ως 2n-1 και ξαναρχίζει από το 0.

12.1 Ψηφιοποίηση σήματος

Σήμα: λέμε το σύνολο τιμών φυσικού μεγέθους (εξαρτημένη μεταβλητή) που αλλάζει σε σχέση με το χρόνο ή το χώρο ή, με οποιαδήποτε άλλη μεταβλητή ή μεταβλητές (εξαρτημένη μεταβλητή).

Π.χ: Το σήμα ομιλίας αντιστοιχεί στις μεταβολές της ακουστικής πίεσης σε σχέση με το χρόνο και προέρχεται από τις κινήσεις των φωνητικών χορδών. Το σήμα εικόνας αντιστοιχεί στις μεταβολές τις φωτεινότητας σε σχέση με δυο χωρικές μεταβλητές. Άλλα σήματα σχετίζονται με τους σεισμούς, την ιατρική (π.χ. καρδιογράφημα, εγκεφαλογράφημα), το χρηματιστήριο (δείκτες), την μέτρηση της ανεργίας κ.λ.π.

Έχουμε αναφερθεί στο 1ο κεφάλαιο στα ΑΝΑΛΟΓΙΚΑ και στα ΨΗΦΙΑΚΑ σήματα.

Ψηφιοποίηση: λέμε τη μετατροπή ενός αναλογικού σήματος σε ψηφιακό (συνήθως δυαδικό). Τότε το σήμα, από συνεχής συνάρτηση του χρόνου μετατρέπεται σε σειρά διακριτών αριθμητικών τιμών.

Χάρη στους υπολογιστές και τις νέες τεχνολογίες, η καταγραφή, η μετατροπή αναλογικού σήματος σε ψηφιακό, η επεξεργασία και η αξιοποίηση σημάτων είναι μια αρκετά εύκολη υπόθεση και σε πολλές περιπτώσεις σχετίζεται όχι μόνο με τη διευκόλυνσή μας αλλά και με την ίδια την ποιότητα ζωής μας. Π.χ: στην ιατρική επιστήμη, στη ψηφιοποίηση βιβλίων, ήχου κ.ά.

12.2 Μετατροπείς D/A και A/D (Ερ. 2 σελ.147)

Ένα σύστημα που δέχεται ως είσοδο μια αναλογική τάση (Volts) και τη μετατρέπει σε δυαδική λέξη (bits) λέγεται μετατροπέας Α/D (Analog to Digital Converter, ADC).

Μία από τις κοινές τεχνικές υλοποίησης ενός A/D μετατροπέα χρησιμοποιεί την αναλογική τάση για να φορτίσει έναν εσωτερικό πυκνωτή και στη συνέχεια μετράται ο χρόνος που χρειάζεται για να αποφορτιστεί κατά μήκος μιας εσωτερικής αντίστασης. Ο μικροεπεξεργαστής ελέγχει τον αριθμό των κύκλων ρολογιού που πέρασαν πριν αποφορτιστεί ο πυκνωτής και αυτός είναι ο αριθμός που επιστρέφεται σε bits μόλις o ADC είναι πλήρης.

Ο μετατροπέας D/A Digital to Analog Converter, DAC) δέχεται ως είσοδο μια δυαδική λέξη (bits) και δίνει στην έξοδό του αναλογικό σήμα (Volts). Περιλαμβάνει λογικές πύλες, ηλεκτρονικούς διακόπτες, τελεστικούς ενισχυτές, αντιστάσεις.

12.3 Χαρακτηριστικά των μετατροπέων D/A και A/D

Βασικά χαρακτηριστικά του μετατροπέα D/A είναι:
○ το εύρος τιμών της τάσης εξόδου (π.χ. +/-5 Volts, 0-10 Volts)
○ τo μήκος της δυαδικής λέξης που δέχεται στην είσοδό του (π.χ. 8 bits)

Για τον μετατροπέα A/D μας ενδιαφέρουν κυρίως:
○ το εύρος τιμών της τάσης εισόδου (π.χ. +/-5 Volts, 0-10 Volts)
○ το μήκος της δυαδικής λέξης που παράγει στην έξοδό του (π.χ. 8, 10, 16, 24 bits). Το μέγεθος αυτό λέγεται και ανάλυση του μετατροπέα A/D.
○ ο ρυθμός μετατροπής A/D (π.χ. 10 kHz, 50kHz, 2MHz)

12.4 Η κάρτα ήχου και το modem

(ΕΡΩΤΗΣΗ: Ποιές δύο χαρακτηριστικές συσκευές γνωρίζετε, οι οποίες χρησιμοποιούν μετατροπείς DAC & ADC;)

Κάρτα ήχου

Οι σύγχρονες μητρικές θεωρείται πια δεδομένο ότι έχουν ενσωματωμένη την κάρτα ήχου που διαθέτει διπλή είσοδο μικροφώνου, ήχο περιβάλλοντος 5.1, εσωτερικές υποδοχές για διασύνδεση μπροστινών υποδοχών, εξόδους ψηφιακού ήχου και άλλα (ανάλογα με το μοντέλο της μητρικής). Καλύπτουν άριστα όλες τις ανάγκες του μέσου χρήστη χωρίς να επιβαρύνουν το σύστημα.

Μια χαρακτηριστική κάρτα ήχου περιλαμβάνει ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα ήχου που περιέχει ένα ψηφιακό-σε-αναλογικό μετατροπέα (DAC) ο οποίος μετατρέπει τις καταγεγραμμένες ή τις παραγόμενες ψηφιακές κυματομορφές ήχου σε αναλογική μορφή. Αυτό το σήμα οδηγείται σε ένα (τύπου ακουστικού) βύσμα όπου μπορεί να συνδεθεί ένας ενισχυτής, ακουστικά ή άλλη παρόμοια συσκευή. Οι πρώτες κάρτες ήχου είχαν μόνο ένα ή δύο κανάλια ψηφιακού ήχου και δεν μπορούσαν να εγγράφουν και να αναπαράγουν ήχο συγχρόνως. Οι περισσότερες κάρτες τώρα είναι full-duplex. Αυτό σημαίνει ότι περιλαμβάνουν περισσότερα από ένα ολοκληρωμένα κυκλώματα ήχου, ώστε να διαχωρίζουν την επεξεργασία συντεθειμένων ήχων από την ψηφιακή αναπαραγωγή ήχου.

Οι περισσότερες κάρτες ήχου έχουν μια κύρια είσοδο (line in), από όπου μπορεί να εισαχθεί το ηχητικό σήμα, από τα όργανα καταγραφής ταινιών, κασετών ή παρόμοιων ηχητικών πηγών.
Η κάρτα ήχου μπορεί να ψηφιοποιήσει αυτό το σήμα (με ADC) και να το αποθηκεύσει (ελεγχόμενα από το αντίστοιχο λογισμικό υπολογιστών) στον σκληρό δίσκο του υπολογιστή προκειμένου να αναπαραχθεί ή να υποστεί επεξεργασία. Ένα άλλο χαρακτηριστικό βύσμα εξωτερικής σύνδεσης, είναι αυτό του "μικροφώνου", το οποίο συνδέεται με το μικρόφωνο ή οποιαδήποτε άλλη συσκευή εισόδου.

Για να χρησιμοποιηθεί μια κάρτα ήχου, το λειτουργικό σύστημα απαιτεί ένα υποτυπώδη οδηγό συσκευής (driver).

To modem και η εξέλιξή του
Από τα μέσα της δεκαετίας του ’90, που τα υπολογιστικά συστήματα συνδέθηκαν στο διαδίκτυο, το modem θεωρήθηκε απαραίτητο συστατικό τους με τη μορφή είτε εσωτερικής κάρτας είτε εξωτερικής συσκευής. Για περισσότερα σχετικά με την ιστορία, την εξέλιξη αλλά και τις ταχύτητες του Modem κάντε κλικ ΕΔΩ.

Ο "διαστημικός ήχος κλήσης" ενός παλιού Modem !!

Για τη σύνδεση στο διαδίκτυο χρησιμοποιήθηκε το έτοιμο δίκτυο των τηλεφωνικών γραμμών που μετέφεραν αναλογικό σήμα. Το ψηφιακό σήμα από έναν υπολογιστή έπρεπε να μετατραπεί σε αναλογικό (διαμόρφωση/modulation) ώστε να περάσει από τις τηλεφωνικές γραμμές και να ξαναγίνει ψηφιακό κατά τη λήψη του από άλλον υπολογιστή (αποδιαμόρφωση/ demodulation). Αυτή ακριβώς είναι και η λειτουργία του modem.

Η ταχύτητα μετάδοσης στη διασύνδεση δυο υπολογιστικών συστημάτων μετριέται σε bits ανά δευτερόλεπτο (bps). Τα πρώτα χρόνια, με τις συνδέσεις PSTN έφτανε στην καλύτερη περίπτωση τα 56Kbps όταν σήμερα η VDSL σύνδεση υπόσχεται έως 1000 φορές μεγαλύτερη ταχύτητα, δηλ. έως 50 Mbps, 100 Mbps ή ακόμα και 200 Mbps.

Στις μέρες μας, για προσωπική χρήση, ο ISP (Internet Service Provider, πάροχος υπηρεσιών Internet) μας προμηθεύει μια συσκευή που την ονομάζουμε router. Στην πραγματικότητα η συσκευή αυτή συνδυάζει: modem, router, switch και ένα wireless access point στην ίδια συσκευασία. Σε μεγάλες επαγγελματικές εγκαταστάσεις θα συναντήσουμε ξεχωριστά τις συσκευές αυτές, συχνά μάλιστα σε μέγεθος ντουλάπας!

13.1 Ολοκληρωμένα Κυκλώματα (Ο.Κ., IC, integrated circuit)

Ονομάζουμε ένα κύκλωμα συνδεδεμένων ηλεκτρονικών στοιχείων που συνθέτουν λογικές πύλες, κατασκευασμένο πάνω σε φύλλο ημιαγωγού, κατά κύριο λόγο πυριτίου.
Το φύλλο (ημιαγωγού) ονομάζεται στα αγγλικά τσιπ (chip), από το οποίο προκύπτει η εναλλακτική ονομασία του ολοκληρωμένου κυκλώματος. Όταν αυτό το φύλλο είναι της κλίμακας των μικρομέτρων ονομάζεται και μικροτσίπ.

Μπορεί τα Ο.Κ. να μην εξαλείφουν την ανάγκη των τυπωμένων κυκλωμάτων των πλακετών, περιορίζουν όμως να τον αριθμό εξαρτημάτων πάνω στις πλακέτες με αποτέλεσμα τη μειωμένη κατανάλωση ηλεκτρικής ισχύος, το μειωμένο κόστος παραγωγής, αλλά και την τελική μείωση του μεγέθους των συσκευών.
Σήμερα ένα Ο.Κ. μπορεί να περιέχει μερικά δισεκατομμύρια ηλεκτρονικών στοιχείων σε χώρο μεγέθους τετραγωνικού εκατοστού. Το πλάτος των αγώγιμων γραμμών του μπορεί να είναι λίγες δεκάδες νανόμετρα (δισεκατομμυριοστά του μέτρου ή αλλιώς εκατομμυριοστά του χιλιοστού). Ουσιαστικά, με τα Ο.Κ. δεν σημειώθηκαν σημαντικές αλλαγές στη βασική θεωρία των ηλεκτρονικών, γιατί εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται τα ίδια στοιχεία. Όμως, οι αλλαγές που έφεραν στη σχεδίαση, τη βιομηχανική παραγωγή, τη συντήρηση και την επισκευή συσκευών είναι τεράστιες και θεμελιώδους σημασίας.

Χωρίς τα Ο.Κ. δεν θα είχε γίνει δυνατή η κατασκευή μικροϋπολογιστών, κινητών τηλεφώνων και οποιασδήποτε άλλης ηλεκτρονικής συσκευής. 

Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα μπορεί να είναι γραμμικά (αναλογικά), ψηφιακά ή μικτού τύπου.

Τα αναλογικά επεξεργάζονται συνεχή σήματα χρησιμοποιούνται σε:
• διάφορων μορφών ενισχυτές,
• συγκριτές τάσης,
• πολλαπλασιαστές,
• ραδιοφωνικούς δέκτες
• ρυθμιστές τάσης
• αισθητήρες

Τα ψηφιακά ολοκληρωμένα τα συναντάμε κυρίως σε υπολογιστές. Αναφέρονται και ως κυκλώματα διακοπτών καθώς οι τάσεις εισόδου και εξόδου τους διαμορφώνονται σε δύο επίπεδα: υψηλή και χαμηλή τάση, που αντιστοιχούν στο λογικό 1 και στο λογικό 0. Λειτουργούν με βάση τη δυαδική λογική ώστε να επεξεργάζονται σήματα αντίστοιχα με 0 και 1. Μπορεί να περιέχουν μεταξύ άλλων:
• flip-flops
• λογικές πύλες
• ρολόγια
• απαριθμητές
• πολυπλέκτες
• κυκλώματα αριθμομηχανών
• κυκλώματα μνημών
• μικροεπεξεργαστές
• μικροελεγκτές
• αισθητήρες θερμοκρασίας
Τα μικτού τύπου Ο.Κ. συνδυάζουν αναλογικά και ψηφιακά κυκλώματα και είναι κυρίως δυο ειδών: α) αυτά που χρησιμοποιούνται για ανάκτηση πληροφορίας όπως A/D και D/A μετατροπείς και ψηφιακά ποτενσιόμετρα και β) Ο.Κ. χρονισμού.

13.2 Χαρακτηριστικά Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων

Από τη γέννησή του ως το 1969, το Ο.Κ. περιείχε το πολύ 10 στοιχεία (ισοδύναμα με πύλη κυκλώματα) πάνω σε ένα πλακίδιο. Τα Ο.Κ. αυτής της περιόδου χαρακτηρίστηκαν SSI (Small Scale Integration, Μικρής Κλίμακας Ολοκλήρωσης).

Όλες οι κλίμακες φαίνονται στην παρακάτω εικόνα:

Nόμος του Moore το 1965 (Gordon Μoore, ένας από τους συνιδρυτές της εταιρίας κατασκευής μικροεπεξεργαστών Intel):

" Η πυκνότητα των τρανζίστορ στα τσιπ (ο αριθμός των τρανζίστορ ανά μονάδα επιφάνειας) διπλασιάζεται κάθε περίπου ένα χρόνο. Με άλλα λόγια, το κόστος των υπολογιστών μειώνεται στο μισό σε αυτό το χρονικό διάστημα."

Οι κυριότερες συσκευασίες Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων φαίνονται στην παρακάτω εικόνα:

13.3 Η Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας

Η Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας - ΚΜΕ (αγγλικά: Central Processing Unit - CPU) είναι το κεντρικό εξάρτημα που επεξεργάζεται δεδομένα σε έναν ηλεκτρονικό υπολογιστή, ελέγχει τη λειτουργία του και εκτελεί βασικές λειτουργίες διασύνδεσης και μεταβίβασης εντολών.

Βασικές μονάδες της ΚΜΕ

Αριθμητική και Λογική Μονάδα (ΑΛΜ, Arithmetic Logic Unit, ALU): Είναι το «μυαλό» του υπολογιστή αφού εκτελεί όλες τις απαραίτητες πράξεις στα δεδομένα. Μια απλή ΑΛΜ συμπεριλαμβάνει οπωσδήποτε έναν αθροιστή καθώς και κυκλώματα εκτέλεσης λογικών πράξεων.
Καταχωρητές: Μονάδες για προσωρινή αποθήκευση δεδομένων μέσα στην ΚΜΕ. Υπάρχουν καταχωρητές γενικής χρήσης όπως ο συσσωρευτής αλλά και άλλοι όπως ο απαριθμητής προγράμματος και ο απαριθμητής εντολών, για
γενική χρήση.
Μονάδα ελέγχου: ρυθμίζει τη λειτουργία της ΚΜΕ διατηρώντας τη σωστή ακολουθία των διαδικασιών που απαιτούνται για οποιαδήποτε διαδικασία.
Διάδρομος μεταφοράς δεδομένων (data bus): σε αυτόν διακινούνται όλα τα δεδομένα μεταξύ ΚΜΕ και μνήμης.
Διάδρομος μεταφοράς διευθύνσεων (address bus): μέσω αυτού η ΚΜΕ επιλέγει τη θέση μνήμης όπου θα γράψει ή απ’ όπου θα διαβάσει δεδομένα.
Διάδρομος μεταφοράς σημάτων ελέγχου (control bus): μεταφέρει σήματα ελέγχου των υποσυστημάτων του υπολογιστή.

Μικροεπεξεργαστή λέμε μια Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας της οποίας όλα τα βασικά ηλεκτρονικά κυκλώματα βρίσκονται σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα. Ο πρώτος μικροεπεξεργαστής κατασκευάστηκε από την Intel το 1971. Ακολούθησε αλματώδης εξέλιξη στην τεχνολογία των μικροεπεξεργαστών.

Χαρακτηριστικά μικροεπεξεργαστών

Το πλήθος bits των καταχωρητών του (π.χ. 8, 16, 32, 64) χαρακτηρίζει τον επεξεργαστή ως προς τις δυνατότητες, την ακρίβεια επεξεργασίας και την ταχύτητα. Π.χ. οι πρώτοι επεξεργαστές είχαν καταχωρητές 8 bits και τους χρησιμοποιούσαν κατά ζεύγη για να επεξεργάζονται δεδομένα των 16 bits.

Τo πλήθος bits του διαδρόμου μεταφοράς δεδομένων προς και από την ΚΜ, χαρακτηρίζει τον επεξεργαστή ως προς την ταχύτητα μεταφοράς δεδομένων από τους καταχωρητές προς την ΚΜ και αντίστροφα. Οι σημερινοί επεξεργαστές έχουν διάδρομο δεδομένων 32 ή 64 bits.

Το πλήθος bits του διαδρόμου διευθύνσεων ΚΜ (π.χ. 16, 24, 32) χαρακτηρίζει το μέγιστο μέγεθος της κύριας μνήμης που μπορεί να χειριστεί ο επεξεργαστής. Έτσι, π.χ. διάδρομος των 32 bits δίνει στον επεξεργαστή τη δυνατότητα να χειρίζεται μνήμες μεγέθους μέχρι 2³²=1.099.511.627.776 bits ή 4.294.967.296 bytes.

Η ταχύτητα λειτουργίας (σε GHz) είναι η συχνότητα παλμού ρολογιού που συγχρονίζει τα ακολουθιακά κυκλώματα του μικροεπεξεργαστή. Για τους σύγχρονους (2015) μικροεπεξεργαστές η ταχύτητα λειτουργίας κυμαίνεται μεταξύ 2 και 4 GHz.

Κύκλος εντολής

Το σύνολο των ενεργειών που απαιτούνται για την εκτέλεση μιας εντολής, αποτελούν τον Κύκλο Εντολής.

Στον κύκλο εντολής διακρίνουμε δύο φάσεις:

▪ τον Κύκλο Aνάληψης Eντολής (Fetch Circle): η Μονάδα Ελέγχου διαβάζει την εντολή από την Κεντρική
Μνήμη, την αποκωδικοποιεί, βρίσκει τη σημασία της και μεταφέρει τα δεδομένα από την Κεντρική Μνήμη στην Αριθμητική και Λογική Μονάδα.
▪ τον Kύκλο Eκτέλεσης Εντολής (Execution Circle): η Αριθμητική και Λογική Μονάδα υλοποιεί την αριθμητική ή λογική εντολή εκτελώντας τις αντίστοιχες πράξεις με τα δεδομένα και καταχωρεί το αποτέλεσμα στην Κεντρική Μνήμη ή σε κάποιον καταχωρητή.

13.4 Σύγχρονες τάσεις- Μελλοντικές εξελίξεις

• Τεχνητή Νοημοσύνη (AI -Artificial Intelligence)

          Ο όρος τεχνητή νοημοσύνη αναφέρεται στον κλάδο της πληροφορικής ο οποίος  ασχολείται με τη σχεδίαση και την υλοποίηση υπολογιστικών συστημάτων που μιμούνται στοιχεία της ανθρώπινης συμπεριφοράς τα οποία υπονοούν έστω και στοιχειώδη ευφυΐα: μάθηση, προσαρμοστικότητα, εξαγωγή συμπερασμάτων, κατανόηση από συμφραζόμενα, επίλυση προβλημάτων κλπ. Οι εφαρμογές της τεχνητής νοημοσύνης είναι πολλές: εκπαίδευση, ιατρική, ρομποτική, έμπειρα συστήματα, σχεδιασμός νευρωνικών δικτύων, κ.λ.π. αλλά βρίσκεται πίσω και από τα ηλεκτρονικά παιχνίδια!

• Νανοτεχνολογία

      Οι εταιρίες κατασκευής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων και ειδικότερα μνημών και μικροεπεξεργαστών, χρησιμοποιώντας νανοτεχνολογία, προσπαθούν να πολλαπλασιάσουν το πλήθος των τρανζίστορς ανά μικροτσίπ. Πρόσφατα (Ιούλ. 2015), η ΙΒΜ δήλωσε ότι, χάρη στην περαιτέρω σμίκρυνση στην κλίμακα των επτά (7) νανομέτρων, θα είναι δυνατό να κατασκευασθούν τσιπάκια που θα περιέχουν πάνω από 20 δισεκατομμύρια τρανζίστορς! Σήμερα τα ισχυρότερα τσιπάκια έχουν τρανζίστορ των 14 νανομέτρων.

• Κβαντικός υπολογιστής

              Ονομάζεται μία υπολογιστική συσκευή που εκμεταλλεύεται χαρακτηριστικές ιδιότητες της κβαντομηχανικής, όπως την αρχή της «υπέρθεσης» και της «διεμπλοκής» καταστάσεων, για να φέρει εις πέρας επεξεργασία δεδομένων και εκτέλεση υπολογισμών. Σε έναν συμβατικό ψηφιακό υπολογιστή (κατά κανόνα ηλεκτρονικό), στοιχειώδης μονάδα πληροφορίας είναι το bit, ενώ σε έναν κβαντικό υπολογιστή το qubit . Ένα qubit μπορεί να αναπαραστήσει την τιμή 1, 0 ή οποιαδήποτε υπέρθεση αυτών των 2. Δύο qubits μπορούν να αναπαραστήσουν οποιαδήποτε υπέρθεση τεσσάρων δυνατών καταστάσεων, 3 qubits οποιαδήποτε υπέρθεση 8 καταστάσεων. Γενικά ένας κβαντικός υπολογιστής με n qubits μπορεί να βρίσκεται σε αυθαίρετη υπέρθεση έως 2ⁿ δυνατών καταστάσεων ταυτόχρονα, ενώ ένας κλασικός υπολογιστής μπορεί να βρίσκεται μόνο σε μια από αυτές τις καταστάσεις κάθε στιγμή.

Οι πιο προηγμένοι κβαντικοί υπολογιστές δεν έχουν προχωρήσει πέρα από τον χειρισμό περισσότερων από τα 16 qubits, που σημαίνει ότι είναι πολύ μακριά από την πρακτική εφαρμογή τους. Ωστόσο, η δυνατότητα παραμένει και οι κβαντικοί υπολογιστές μια μέρα θα μπορούσαν να εκτελέσουν, γρήγορα και εύκολα, υπολογισμούς που είναι απίστευτα χρονοβόροι για τους συμβατικούς υπολογιστές.