Modelul structural al unui Calculator Numeric

Modelul structural al unui Calculator Numeric

Atat functional, cat si prin constructie calculatorul este un sistem logic. O caracteristica esentiala a unui astfel de sistem este posibilitatea de a descrie functionarea acestuia independent de detaliile de realizare fizica concrete.

Sistemul din figura de mai jos poate fi interpretat ca realizand o aplicatie (transformare) din domeniul de intrare in domeniul de iesire, comportarea sa fiind materializata in relatiile dintre intrari, iesiri si timp.

Prin rafinari succesive ale acestui model foarte general se pot obtine modele functionale sau constructive cu diferite grade de detaliere. Sistemul are un set de terminale de intrare 'I' si un set de terminale de iesire 'E'.

Fiecare terminal poate fi considerat in una din cele doua stari:

-activ : valoarea 1

-inactiv :valoarea 0.

O combinatie de unitati si zerouri formeaza un vector binar. Cutia neagra poate fi instruita ce sa faca aratand care este vectorul de iesire pentru un vector de intrare fixat. Dupa ce se repeta acest experiment pentru mai multi vectori I/E (perechi de vectori de intrare - iesire) ar fi de dorit ca automat cutia neagra sa arate vectorul corect la iesire cand se fixeaza un vector dat la intrare. Ideal ar fi ca daca exista o regula clara de corespondenta intre vectorii de intrare si cei de iesire, C.N. sa extraga aceasta regula si s-o pastreze in conexiunile interne astfel incat sa genereze vectorul de iesire corect pentru un vector pe care nu l-a mai avut la intrare inainte. In acest model C.N. apare ca un sistem definit prin multimea perechilor de intrari-iesiri care se afla permanent intr-o anumita stare, definita ca un marcaj (sau conexiuni) atasat unei submultimi de perechi de intrari-iesiri care satisfac anumite conditii de consistenta. Aceasta submultime va fi considerata un subsistem.

In general nu este practic sa se enumere toate perechile de I/E care definesc un astfel de sistem preferandu-se caracterizarea acestuia printr-o relatie de intrare-iesire, adica printr-un algoritm sau o ecuatie care se poate utiliza pentru generarea tuturor perechilor de I/E care-i apartin.

Un astfel de sistem nu implica intotdeauna un vector unic de iesire precum un vector de intrare. Dimpotriva, unui vector de intrare ii va corespunde un numar de vectori de iesire posibili, fiecare continand un raspuns posibil al vectorului de intrare dat. Aceasta neunicitate a raspunsului la o intrare data reflecta dependenta  iesirii atat de intrare cat si de starea initiala (sau starea precedenta). Aceasta neunicitate a dependentei iesirii de intrare arata ca un astfel de sistem este mai degraba  o relatie decat o functie sau un operator.

Este necesara introducerea unor nivele intermediare in cutia neagra formate din unitati functionale capabile sa extraga diferite caracteristici ale vectorilor de intrare, care eventual, sa genereze iesirea corecta. Este necesara prevederea unui subsistem de intrare care asigura preluarea datelor din mediul extern si aducerea lor la o forma standard de intrare in vederea prelucrarii. Dupa prelucrare, datele trebuie transmise spre mediul extern in forma ceruta, ceea ce implica necesitatea unui subsistem de iesire. Se obtine, in acest mod, un model structural al unui C.N., prezentat in fi gura de mai jos.

Subsistemul de intrare trebuie sa asigure atat conversia in semnale electrice a datelor reprezentate pe diferite suporturi in mediul extern cat si transformarea acestor semnale in vectori binari cu structura ceruta de subsistemul de prelucrare.

In mod similar subsistemul de iesire trebuie sa asigure operatii similare, in ordine interna, pentru rezultatele trimise spre mediul extern.

Subsistemul de prelucrare trebuie sa asigure reprezentarea interna, stocarea si prelucrarea datelor si schimbul de informatii cu subsistemul de I/E. Se obtine astfel structura unui C.N. cum este reprezentata in figura de mai jos.

Subsistemul de prelucrare, impreuna cu interfata de I/E formeaza calculatorul propriu-zis.

Subsistemul de prelucrare constituie nucleul central al C.N., motiv pentru care, va fi denumit

UNITATEA CENTRALA (UC). UC este formata dintr-un subsistem de memorie interna si

o Unitate Centrala de Prelucrare. Memoria este organizata in general, pe doua nivele.

memorie de capacitate mica si viteza mare, asociata direct UCP sau chiar facand parte din

aceasta, formata din registre rapide si o memorie mai lenta, de capacitate mare. UCP are atat

rolul de a asigura functiile pentru prelucrari aritmetice si logice de baza cat si coordonarea

transferului informatiilor intre elementele componente.

Conexiunile efective intre diferite elemente functionale ale  UCP, intre UCP si memorie, intre UC si interfetele de I/E se pot face in diferite moduri, obtinandu-se in mod

corespunzator diferite structuri de C.N.

Astfel daca se considera fluxul informatiilor intre UC si interfetele de I/E se obtin trei tipuri de transferuri de I/E :

- Subsistem de I/E cu transfer programat;

- Subsistem de I/E cu transfer prin acces direct la memorie;

- Subsistem de I/E cu transfer prin canal de I/E.

1.2.1 CN cu sistem de I/E cu transfer programat

Schema bloc este aratata in figura de mai jos:

In aceasta schema de organizare datele de I/E circula direct prin registrele UCP sub controlul UC din UCP. Transferul se efectueaza cuvant cu cuvant si pentru fiecare cuvant transferat UCP executa o secventa de instructiuni, numita program de I/E. Solutia este in general simplu de implementat si ca resurse hardware si ca efort de programare dar se preteaza numai la echipamente cu volum de date si rata de transfer scazute.

1.2.2. CN cu sistem de I/E cu transfer prin DMA

In cazul unor echipamente periferice cu viteza de transfer ridicata, discuri si benzi magnetice de exemplu, programul care se executa pentru fiecare cuvant transferat poate sa fie prea lung, ceea ce ar duce la pierderea unor cuvinte. Pe de alta parte, volumul de date fiind ridicat,

UCP ar fi ocupata mult numai cu transferul datelor de I/E. In astfel de situatii se utilizeaza transferul prin acces direct la memorie. Fluxul informatiilor in acest caz este aratat in figura de mai jos.

1.2.3. CN cu sistem de I/E cu transfer prin canal
de I/E

Un grad si mai mare de independenta dintre UCP si subsistemul de I/E se obtine prin prevederea unui procesor specializat, numit canal de I/E, capabil sa execute transferul prin acces direct la memorie, a unei inlantuiri de blocuri si sa rezolve unele situatii de eroare aparute in cadrul transferului, fara interventia UCP.

Schema bloc este aratata in figura de mai jos.