Arhitectura unui sistem de calcul

Arhitectura unui sistem de calcul

Modelul de baza pentru arhitectura unui sistem de calcul a fost introdus de savantul american John von Neumann, ca rezultat al participarii sale la constructia calculatorului ENIAC, in anii 1944 1945. Acest model este cunoscut in literatura de specialitate ca arhitectura von Neumann.

Dupa cum se observa in Figura1, un sistem de calcul este format din 3 unitati de baza, care sunt conectate intre ele prin 3 cai separate de comunicatie, numite magistrale mai des se foloseste termenul englezesc - bus .

Figura 1

Informatiile vehiculate in sistemul de calcul se impart in 3 categorii:

- date care trebuie prelucrate

instructiuni care indica prelucrarile ce trebuie efectuate asupra datelor

(adunare, scadere, comparare etc.)

- adrese care permit localizarea diferitelor date si instructiuni

Simplist spus, sarcina unui sistem de calcul este de a executa instructiuni grupate in secvente coerente, care urmaresc un obiectiv bine stabilit, numite programe) asupra datelor; adresele joaca un rol auxiliar, dar nu mai putin important.

Unitatea de memorie are rolul de a stoca atat instructiunile, cat si datele asupra carora vor opera instructiunile operanzii . Instructiunile unui program trebuie aduse in memorie anterior inceperii executiei programului respectiv. De asemenea, unele date se vor afla in memorie inaintea pornirii prelucrarii, iar rezultatele prelucrarii se vor memora in timpul executiei programului. Aceasta memorie, realizata in diverse tehnologii de a lungul evolutiei calculatoarelor, constituie suportul fizic necesar desfasurarii operatiilor executate de CPU. Structural, memoria este formata dintr-un numar mare de celule independente numite si locatii , fiecare celula putand memora o valoare.

Pentru organizarea si regasirea informatiilor in memorie se folosesc asa-numitele adrese. O adresa este de fapt un numar care identifica in mod unic o locatie de memorie. Cu alte cuvinte, fiecarei locatii ii este asociat un numar unic (adresa sa), in asa fel incat sa nu existe doua locatii diferite cu aceeasi adresa. Pentru accesarea unei informatii din memorie se furnizeaza adresa acelei informatii, iar circuitele de control al memoriei vor furniza continutul locatiei care reprezinta informatia ceruta. Similar se petrec lucrurile si la scrierea in memorie.

Tehnologic, unele dispozitive de memorie pot retine informatia numai cand sunt alimentate electric si avem de a face cu asa-zisa memorie volatila), in timp ce altele pastreaza informatia si atunci cand nu sunt alimentate electric, formand memoria nevolatila. Aceasta din urma este folosita in mod special la stocarea programelor pentru initializarea calculatorului si a sistemului de operare.

Unitatea centrala de prelucrare CPU) are rolul de a executa instructiunile. Din acest motiv, CPU reprezinta componenta cea mai importanta a sistemului de calcul si poate controla activitatea celorlalte componente.

Dispozitivele de intrare/iesire I O - input/output , numite si dispozitive periferice, permit transferul informatiei intre CPU, memorie si lumea externa.

Functional, aceste dispozitive de I O pot fi adresate (apelate) de catre CPU similar cu memoria, ele dispunand de asemenea de cate un set de adrese. In mod clasic, schimbul de informatii cu exteriorul se face sub controlul CPU, dar exista tehnici, care vor fi amintite mai tarziu, prin care accesul la memorie se poate face si cu o interventie minima a CPU (asa-numitele transferuri DMA - Direct Memory Access .

Cele mai utilizate periferice sunt: monitorul, tastatura, mouse-ul, discul dur, mediile de stocare portabile discheta, CD, DVD etc. , imprimanta.

Busul de date este acea cale care leaga cele 3 blocuri functionale o parte a sa poate sa iasa si in exteriorul sistemului) si pe care se vehiculeaza datele propriu zise numere sau caractere) sau instructiunile programului.

Busul de adrese este calea pe care sunt transmise de CPU adresele catre memorie, cand se face o operatie cu memoria (citire sau scriere , sau se vehiculeaza adresele dispozitivului de I O in cazul unui transfer cu un periferic.

Busul de comenzi vehiculeaza semnalele de comanda si control intre toate aceste blocuri si astfel permite o sincronizare armonioasa a functionarii componentelor sistemului de calcul. In marea majoritate a cazurilor, semnalele de comanda sunt emise de catre CPU si servesc la controlul functionarii celorlalte componente.

Arhitectura de tipul von Neumann a fost o inovatie in logica masinilor de calcul, deosebindu se de cele care se construisera pana atunci prin faptul ca sistemul trebuia sa aiba o cantitate de memorie, similar creierului uman, in care sa fie stocate atat datele, cat si instructiunile de prelucrare programul . Acest principiu al memoriei a reprezentat unul din fundamentele arhitecturale ale calculatoarelor. Diferenta fundamentala consta in stocarea in memorie nu numai a datelor, ci si a programelor.

A inceput astfel sa apara din ce in ce mai clar care este aplicabilitatea memoriei. Datele numerice puteau fi tratate ca si valori atribuite unor locatii specifice ale memoriei. Aceste locatii erau asemanate cu niste cutii postale care aveau aplicate etichete numerotate. O astfel de locatie putea contine o variabila sau o instructiune. A devenit posibil ca datele stocate la o anumita adresa sa se schimbe in decursul calculului, ca urmare a pasilor anteriori. Astfel, numerele stocate in memorie au devenit simboluri ale cantitatilor si nu neaparat valori numerice, in acelasi mod in care algebra permite manipularea simbolurilor x si y fara a le specifica valorile. Cu alte cuvinte, se putea lucra cu entitati abstracte.

Calculatoarele ulterioare si mai tarziu microprocesoarele au implementat aceasta arhitectura, care a devenit un standard. In ciuda vechimii sale, arhitectura von Neumann nu a putut fi inlocuita pana azi.

Unitatea centrala

Elementele fizice ale calculatorului sunt alcatuite, din punct de vedere constructiv, din componente electronice.

Placa de baza contine mai multe circuite si conectorii care asigura functionarea calculatorului. Pe placa de baza se conecteaza toate celelalte componente: microprocesorul, memoria RAM si memoria ROM, precum si alte placi (placa video, placa de sunet, etc.), tastatura, mouse, etc. Pe placa de baza se gasesc:

Slot-uri: dispozitive care permit montarea componentelor interne (slot pentru procesor, slot AGP pentru placa video, etc.);

porturi: seriale, paralele, USB, la care se conecteaza componentele externe (tastatura, mouse, memorie flash, camera foto digitala, etc.);

componente integrate (de exemplu, placa de sunet).

Placile de baza se aleg in functie de procesor. Daca procesorul si placa de baza nu sunt compatibile, calculatorul nu va porni.

Microprocesorul (CPU) are forma unui singur circuit integrat care este atasat la placa de baza cu ajutorul mai multor pini. In componenta sa intra memoria cache, cea mai rapida memorie care retine datele care sunt cel mai des accesate de pe disc, sau din fisiere. Microprocesorul are cea mai mare influenta asupra vitezei de lucru a uni calculator.

Principalele caracteristici ale unui procesor sunt:

viteza de lucru care este determinata de frecventa impulsurilor pentru circuitele integrate ale calculatorului, de dimensiunea registrilor interni si a magistralei de date, de dimensiunea memoriei cache si de modelul constructiv (X86, Pentium, etc.);

setul de instructiuni pe care il poate executa;

capacitatea maxima de memorie pe care o poate accesa.

Memoria interna este alcatuita din mai multe locatii de memorie, dimensiunea uzuala a unei locatii fiind de un octet. Fiecare locatie este identificata printr-un numar unic, adresa sa.

Din punct de vedere functional, exista mai multe tipuri de memorii:

memorie RAM (Random Accces Memory) permite atat scrierea in memorie, cat si citirea datelor din memorie. La oprirea calculatorului, datele din memoria RAM se pierd (fac exceptie memoriile RAM nevolatile). Memoria RAM este utilizata pentru stocarea datelor si a rezultatelor in timpul operatiilor de prelucrare a informatiilor. Viteza sa se masoara in nanosecunde.

Memoria ROM (Read-Only Memory) permite numai operatia de citire, continutul acestei memorii fiind inscris prin procesul de fabricatie, nu poate fi schimbat. Este utilizata pentru memorarea informatiilor necesare functionarii sistemului.

Placa video asigura afisarea imaginilor pe monitor. Este a doua componenta, dupa procesor, care determina viteza calculatorului. Placa video se fixeaza de placa de baza printr-un slot AGP (cel mai frecvent) sau PCI.

Caracteristicile memoriei video sunt:

memoria proprie folosita pentru a atenua diferenta dintre viteza mare a procesorului si viteza placii video;

interfata - tipul portului prin care se conecteaza la placa de baza si viteza de transfer a datelor prin interfata.

Placa de sunet este, de cele mai multe ori, integrata in placa de baza. Placile de sunet separate sunt mai performante decat placile de sunet integrate, dar, pentru aplicatii audio obisnuite (muzica in format mp3, filme sau jocuri), o placa de sunet inclusa in placa de baza este suficienta.

Placa de retea permite conectarea calculatorului intr-o retea de calculatoare si   folosirea resurselor retelei. Placa de retea este necesara daca vrem sa avem acces la Internet prin cablu TV.

Modem-urile sunt dispozitive care convertesc un semnal binar in unul analogic. Viteza lor se masoara in kilobiti pe secunda. Se folosesc pentru a conecta calculatoarele intre ele prin intermediul unei linii telefonice (comunicarea presupune existenta modemurilor compatibile, cate unul pentru fiecare calculator).

Memoria externa

Memoria externa (auxiliara) este alcatuita din suporturi elecromagnetice: discuri flexibile si discuri dure. Unul din principalele dezavantaje ale sale este faptul ca este mai lenta fata de memoria interna. Principalele avantaje sunt ca este mai ieftina, iar suportul pe care se inregistreaza poate fi extras din calculator si dus in alta parte, eventual la alt calculator.

Trebuie sa facem distinctia intre unitatea de disc, care este dispozitivul care gestioneaza un disc si discul propriu-zis, care este suportul de memorare.

Discurile magnetice (flexibile sau dure) functioneaza dupa urmatorul principiu: discul este acoperit cu un strat de oxid magnetic pe ambele fete, este rotit in jurul axei sale, iar transversal este parcurs de un cap de citire/scriere. Astfel, intr-un timp scurt, capul de citire/scriere se plaseaza pe locul dorit.

Un disc este organizat in piste (tracks) circulare, succesive, pistele fiind impartite in sectoare. Localizarea pistelor si sectoarelor nu este permanenta in structura fizica a discului magnetic. Ele sunt marcate printr-un proces numit formatare. Formatarea duce la pierderea tuturor datelor de pe disc.

Caracteristicile unui disc magnetic sunt:

capacitatea de memorare, masurata in Mo sau Go;

viteza de acces la date, adica timpul de raspuns intre momentul unei cereri de acces si momentul obtinerii datelor;

rata de transfer - cantitatea medie a datelor transferate in unitatea de timp;

timpul de cautare - timpul necesar deplasarii capetelor de citire/scriere de la o pista la alta.

a.       Hard-disk ul (discul dur) este componenta in care sunt stocate sistemul de operare, fisierele instalate si programele utilizatorului. Hard-disk-ul este o memorie nevolatila. Este alcatuit din mai multe discuri de aluminiu (numite platane), acoperite cu oxid de fier, suprapuse pe acelasi ax. Fata superioara a primului disc si cea inferioara a ultimului disc nu sunt utilizate. Exista un cap de citire/scriere pentru fiecare fata. Capetele sunt montate pe un sistem de brate si se misca solidar. Capetele de citire/scriere functioneaza aproape simultan si asigura o viteza de transfer a informatiei mult mai mare decat cea a discurilor flexibile.

Caracteristicile hard-disk-ului sunt:

capacitatea de stocare (cantitatea de date care poate fi memorata, care se masoara in GB)

viteza de rotatie (cu cat aceasta este mai mare, cu atat citirea si scrierea datelor este mai rapida, iar calculatorul este, si el, mai rapid). Rata de transfer a hard-disk-urilor este de ordinul megaoctetilor pe secunda.

b.      Discheta (floppy-disk) este un disc magnetic flexibil, portabil. Capacitatea sa de stocare este foarte mica, dar si timpul de acces este redus. O discheta are dezavantajul ca se deterioreaza repede. Dischetele se rotesc in unitate cu o viteza de 300 sau 360 rot/min. Capul de citire intra in contact direct cu pistele. Rata de transfer este de cativa kiloocteti pe secunda.

c.       CD-ROM-ul (Compact Disk - Read-Only Memory) permite citirea datelor de pe CD, sau citirea CD-urilor audio. Caracteristica principala a unui CD-ROM este viteza de rotatie care este proportionala cu viteza de citire. Capacitatea de memorare este de aproximativ 700Mo. CD-urile sunt realizate dintr-un material reflectorizant acoperit cu o pelicula protectoare transparenta. Inregistrarea de informatii pe CD se face prin crearea unei variatii pe suprafata reflectorizanta. Citirea lor se face cu un fascicul laser care determina aceste variatii, uzura discului fiind mult mai redusa decat la cele magnetice. Dezavantajul este ca CD-urile pot fi doar citite si nu scrise.

d.      CD-R (CD - Recordable) este asemanator cu un CD-ROM, dar poate, atat sa citeasca CD-uri, dar sa le si scrie.

e.       CD-RW (CD - Rewritable) pentru discuri optice care pot fi rescrise.

f.        DVD-ROM (Digital Versatile Disk- Read-Only Memory) a aparut ca o extensie a CD-ROM-ului, avand aceleasi proprietati, dar o capacitate de stocare mult mai mare (pana la 4,7GB). DVD-ROM-ul tinde sa inlocuiasca CD-ROM-ul avand o mai mare capacitate de stocare a datelor.

g.       Memoria Flash USB este usor de folosit, este mai rezistenta decat discheta, are viteza mare de transfer si capacitatea sa de stocare este de pana la 2GB.

h.       Streamer-ul este o caseta magnetica asemanatoare unei casete video. Poate fi scrisa sau citita. Capacitatea de memorarea este de sute de Mo, dar are viteza de lucru mica in raport cu discurile optice, iar accesul la date este secvential.

i.         Unitatile de memorare amovibile - au capacitati de memorate mari (sute de Mo) si viteze de acces satisfacatoare. Sunt cu suport magnetic (folosesc o tehnologie asemanatoare cu floppy-disk si hard-disk) si cu suport magneto-optic (imbina tehnologiile traditionale de inregistrare magnetica cu cele realizate cu ajutorul laserului).

Dispozitivele periferice

a) Dispozitive periferice de intrare

Tastatura (keyboard) este cel mai utilizat dispozitiv periferic. De la tastatura putem introduce date, comenzi, etc.

Tastele se impart in mai multe categorii:

taste caracter - sunt amplasate in partea stanga a tastaturii si sunt pozitionate ca la masina de scris. Aici se afla caracterele alfabetului, semnele de punctuatie si caracterele speciale. Simbolurile din partea de sus a tastelor se obtin astfel: se apasa simultan tasta care contine simbolul respectiv si tasta Shift.

taste functionale (F1, F2, , F12) se afla in partea stanga, sus, a tastaturii. Apasarea unei astfel de taste duce la executarea unei comenzi.

taste de pozitionare si editare - sunt pozitionate in dreapta tastelor caracter si au urmatoarele intrebuintari:

sagetile - determina modificarea pozitiei cursorului in directia respectiva;

Page Up si Page Down - afiseaza continutul ecranului anterior, respectiv urmator;

Delete - sterge caracterul care urmeaza cursorului;

End - muta cursorul la sfarsit de linie/pagina/document;

Home - muta cursorul la inceput de linie/pagina/document;

Insert - comuta intre modul de lucru in inserare sau suprapunere;

Pause - opreste afisarea pe ecran;

Scroll Lock - opreste "defilarea" textului pe ecran;

Print Screen - tipareste ecranul curent;

BackSpace - sterge caracterul din stanga cursorului.

taste numerice - sunt situate in partea dreapta a tastaturii. Acest bloc de taste se activeaza/dezactiveaza prin apasarea tastei Num Lock.

taste speciale

Shift, CTRL, ALT - taste de alternate, CTRL si ALT impreuna cu alte taste pot genera comenzi;

Enter - sfarsit de rand sau de comanda;

ESC - se renunta la meniul curent;

Tab - trece cursorul la rubrica urmatoare;

tasta cu simbolul Window - deschide meniul START.

In mod obisnuit, tastatura are 102 sau 103 taste. Exista si tastaturi cu butoane suplimentare pentru multimedia si Internet, sau tastaturi wireless (fara cablu, legatura cu unitatea centrala facandu-se prin unde radio).

Mouse-ul este un dispozitiv periferic de intrare cu doua sau trei butoane cu ajutorul caruia se poate deschide un meniu, se poate selecta o optiune a unui meniu, se poate selecta un text. Mouse-ul poate avea unul sau doua butoane Scroll care sunt folosite pentru deplasarea rapida in cadrul unui document mare, sau a unei pagini Web.

Tipuri de mouse

mouse mecanic - are o bila grea care se roteste in toate directiile si senzori care detecteaza sensul de miscare al bilei;

mouse optic - deplasarea se face cu ajutorul unui laser si este mai rapid si mai precis decat un mouse cu bila, dar este mai scump;

mouse wireless - conexiunea cu unitatea centrala se face prin unde radio.

Scanner-ul - este un dispozitiv care poate converti imagini si texte in fisiere de un tip specific, pentru a fi apoi afisate si prelucrate cu ajutorul calculatorului. Caracteristici principale: rezolutia de scanare, numarul de culori, viteza de scanare, compatibilitatea cu programele de prelucrare a imaginilor. Scanerele dispun de soft-uri de recunoastere a caracterelor, fisierul rezultat in urma scanarii unui text putand fi si unul de tip text (nu grafic) care va putea fi apoi prelucrat cu editoarele de texte.

Ecranul tactil (touchpad) este o suprafata sensibila la atingere. Prin schimbarea pozitiei degetului pe aceasta suprafata se schimba pozitia cursorului. Se foloseste, in special, la calculatoarele portabile (laptop). Una din solutiile tehnologice consta intr-un ansamblu de fire conductoare dispuse uniform pe acest ecran, parcurse de curent electric.

Joystick-ul este un dispozitiv utilizat pentru jocurile pe calculator. Rolul sau este de a deplasa cursorul pe ecran. El are doua sau mai multe butoane si un ax central. Modele mai noi au si un mic motor care simuleaza, de exemplu, rezistenta pe care o opune mansa unui avion.

TrackBall este asemanator cu mouse-ul, numai ca bila este deasupra si se roteste cu degetul. Pe langa bila mau sunt amplasate si butoane. Fata de mouse are avantajul ca necesita mai putin spatiu.

Tableta grafica este alcatuita dintr-o tablita si un creion al carui varf emite un camp magnetic. Desenand cu creionul pe tablita, vom obtine acelasi desen pe ecran.

Cititorul de coduri este un dispozitiv dedicat culegerii unor informatii scurte (valori de coduri numerice sau alfanumerice).

b) Dispozitive periferice de iesire

Monitorul (display) este perifericul de iesire care face legatura vizuala dintre utilizator si calculator.

Monitoarele se deosebesc dupa tipul de afisare a imaginilor:

monitoare cu tub catodic (Cathodic Ray Tube -CRT);

monitoare cu cristale lichide (Liquid Crystal Display -LCD);

monitoare cu plasma (Plasma Display Panel - PDP).

Principalele caracteristici ale monitorului sunt:

rezolutia - marime care se masoara in pixeli (pixel = punct intr-o imagine). Cu cat rezolutia este mai mare, cu atat calitatea imaginilor afisate pe monitor este mai buna;

definitia - este diametrul unui pixel. Cu cat valoarea este mai mica, imaginea este mai clara si mai putin obositoare;

frecventa - marime care se masoara in hertzi. Frecventa reprezinta numarul de imagini noi care apar pe monitor intr-o secunda. Cu cat este mai mare a valoare, cu atat este mai odihnitor pentru ochi;

dimensiunea diagonalei ecranului - se masoara in inch;

cantitatea de radiatii emise de monitor - este invers proportionala cu calitatea monitorului. Cantitatea de radiatii arata cat sunt de sanatoase monitoarele pentru vedere. Ultima generatie de monitoare este cu radiatie redusa (low radiation);

numarul de culori

Imprimanta este un dispozitiv care transfera pe hartie texte sau imagini.

Dupa modul de imprimare exista mai multe categorii de imprimante:

matriceale - Fiecare caracter imprimabil este descris cu o matrice de puncte (57). Fiecarui punct din matrice ii va corespunde un ac care, pentru caracterele unde este necesar, va lovi hartia si o panglica tusata (ribbon). Sunt destul de lente si zgomotoase;

cu cap-margareta - functioneaza dupa un principiu similar masinii de scris. Pentru fiecare caracter exista cate un desen reliefat al caracterului respectiv, dispus pe un cap. Un brat va lovi acest cap, astfel atingand banda tusata si hartia aflata sub aceasta;

cu jet de cerneala - imprima proiectand picaturi fine de cerneala pe hartie, calitatea imprimarii fiind foarte buna;

laser - functioneaza dupa principiul copiatoarelor. O raza laser polarizeaza electrostatic mai mult sau mai putin un cilindru special pe care apoi se depune mai mult sau mai putin toner (un fel de praf de carbune) care se va depune pe hartie. Calitatea imprimarii este mai buna decat la imprimantele cu jet de cerneala, dar sunt mai scumpe.

Plotter-ul este un trasator de curbe, avand un dispozitiv de scriere montat pe un brat, a carui deplasare poate fi comandata cu valori numerice sau analogice de un calculator. Curbele trasate sunt continue, fara deformari specifice imprimantelor. Este folosit pentru realizarea de desene tehnice, harti, postere.