Arhitectura de baza a unui calculator

Arhitectura de baza a unui calculator

Calculatoarele de tip PC (calculatoare personale) reprezinta cele mai raspandite si mai utilizate dintre calculatoare, datorita gradului de accesibilitate si pretului relativ scazut. Indiferent de tipul calculatorului, modul general de conceptie, de alcatuire si functionare este acelasi. Calculatorul este o masina programabila. Doua dintre principalele caracteristici ale unui calculator sunt:

Raspunde la un set specific de instructiuni intr-o maniera bine definita.

Calculatorul poate executa o lista preinregistrata de instructiuni, numita program.

Calculatoarele moderne sunt electronice si numerice.

Partea de circuite electrice si electronice precum si conexiunile fizice dintre ele se numeste hardware.

Totalitatea programelor precum si datele aferente acestor programe poarta denumirea de software.

Fig.1.1 Configuratia standard pentru utilizator

Partea hardware a unui calculator este formata din totalitatea componentelor sale fizice. Toate calculatoarele de uz general necesita urmatoarele componente hardware:

memorie: Permite calculatorului sa stocheze, cel putin temporar, date si programe.

dispozitive de stocare externe: Permit calculatoarelor sa stocheze permanent programe si mari cantitati de date. Cele mai uzuale dispozitive de stocare externa sunt HDD (hard disk drives), FDD (floppy disk drive) si CD-ROM (Compact Disk-Read Only Memory) sau CD-R/W (Compact Disk-Read/Write).

dispozitive de intrare : In mod uzual sunt reprezentate de tastatura (keyboard) si de mouse. Aceste dispozitive reprezinta calea uzuala de introducere a datelor si instructiunilor care gestioneaza functionarea unui calculator.

dispozitive de iesire: Reprezinta modalitatea prin care calculatorul transmite utilizatorului uman rezultatele executiei programelor. Ecranul monitorului sau imprimanta sunt astfel de dispozitive uzuale.

unitatea de procesare si control (UPC) : Este partea principala a unui calculator deoarece este componenta care executa instructiunile. In mod uzual aceasta unitate de procesare si control este reprezentata de un microprocesor care se plaseaza pe placa de baza (mainboard) a calculatorului impreuna cu memoria interna RAM. In plus fata de aceste componente orice calculator este prevazut cu o magistrala (bus) prin care se gestioneaza modalitatea de transmitere a datelor intre componentele de baza ale calculatorului. Magistrala reprezinta o colectie de trasee electrice care leaga microprocesorul de dispozitivele de intrare/iesire si de dispozitivele interne/externe de stocare a datelor. Putem distinge magistrala de date, magistrala de adrese si magistrala de comanda si control.

In figura 1.2 este prezentata interactiunea dintre componentele HARD principale ale unui calculator.

Calculatoarele pot fi in general clasificate dupa dimensiuni sau putere de calcul. Nu se poate face insa la ora actuala o distinctie neta intre urmatoarele categorii de calculatoare:

PC (Personal Computer): Un calculator de dimensiuni mici, monoutilizator (single-user), bazat pe un microprocesor. In plus acesta este dotat standard cu tastatura, mouse, monitor si dispozitive periferice de stocare a datelor.

Fig. 1.2 Arhitectura minimala a unui sistem de calcul

statii de lucru (workstation): Un calculator monoutilizator de mare putere. Aceasta este asemanator unui PC dar are un microprocesor mai puternic si un monitor de inalta calitate (rezolutie mai mare).

minicalculator (minicomputer): Un calculator multiutilizator (multi-user) capabil sa lucreze simultan cu zeci sau chiar sute de utilizatori.

mainframee microprocesoarelor asa cum le stim noi azi. In 1974 Intel a prezentat pentru prima oara circuitul Intel 8080 care a fost folosit in sistemele Altair si IMSAI. Curand dupa aceea au aparut procesoarele Motorola 6800 si 6502 de la MOS Technology. Doi dintre proiectantii de la Intel au parasit firma, creand corporatia ZILOG care a produs chipul Z80 (compatibil cu 8080 dar cu set de instructiuni mai puternic si de doua ori mai rapid.

Cipul Intel 4004 a fost primul procesor comercial, lansat la sfarsitul anului 1971. La un pret de circa 200$ si ingloband 2300 de tranzistori, cipul 4004 dezvolta mai multa putere de calcul decat ENIAC, primul calculator electronic, cu 25 de ani in urma. Fata de cele 18.000 de tuburi cu vacuum ce ocupau 900 metri cubi, procesorul 4004 putea dezvolta 60.000 de operatii pe secunda. Aceasta inventie a contribuit la revolutionarea domeniilor de aplicatii ale computerelor, dand startul unui adevarat galop de inovatii tehnologice. Urmatorul pas a fost in 1980, cand IBM a inclus un procesor Intel in arhitectura primului PC.

Astazi PC-urile sunt pretutindeni in jurul nostru. Un copil care lucreaza la o masina ce incorporeaza un procesor Pentium Pro beneficiaza de mult mai multa putere de calcul decat dispunea guvernul SUA in perioada lansarii primelor echipaje umane catre Luna.

Intr-un numar aniversar al publicatiei Communications of the ACM, Gordon Moore, co-fondator al companiei Intel, era optimist in privinta evolutiei PC-urilor si a microprocesoarelor: 'complexitatea microprocesoarelor, care se masoara prin numarul de tranzistori pe cip, s-a dublat aproape constant la fiecare 18 luni, de la aparitia primului prototip 4004. Aceasta evolutie exponentiala a determinat o continua crestere a performantelor PC-urilor si o scadere a costului procesului de calcul. Pe cand in 1991 un PC bazat pe procesorul Intel 486 costa aproape 225$ pentru o performanta de un milion de instructiuni pe secunda (MIPS), astazi, un sistem desktop ce utilizeaza un cip Pentium Pro este evaluat la circa 7$ pe MIPS. Nu se intrevede nici o dificultate care sa franeze aceasta rata de dezvoltare'.

2 Memoria

Microprocesorul are capacitatea de a memora date care urmeaza a fi prelucrate, cat si rezultatele intermediare. Se observa ca rolul sau principal este de a prelucra si transmite informatiile si rezultatele si deci capacitatea sa de memorare este mica neputand stoca programe. De aceea, un calculator necesita si o memorie care sa gazduiasca date si programe.

Memoria este formata din punct de vedere fizic din cipuri ce stocheaza informatia sub forma a doua niveluri de tensiune ce corespund valorilor 0 si 1 din sistemul de numeratie. Celulele de baza ale memoriei (ce pot avea valoarea 0 sau 1) se numesc biti si ele reprezinta particulele cele mai mici de informatie din calculator. Pentru citirea informatiilor nu se folosesc biti in mod individual ci acestia sunt grupati intr-o succesiune. Astfel o succesiune de 8 biti formeaza un octet (sau un byte) aceasta reprezentand unitatea de masura a capacitatii de memorie. Deoarece reprezentarea numerelor in calculator se face in baza 2 si nu in baza 10, asa cum suntem obisnuiti in mod normal sa lucram, si multiplii unui byte vor fi puteri ale lui 2, astfel:

1 KB=2¹⁰B=1024 B

1 MB=2¹⁰KB=1 048 576 B

1 GB=2¹⁰MB=2³⁰ B

Abrevierile K (kilo), M (mega), G (giga) se scriu de obicei cu litere mari si reprezinta mii, milioane si, respectiv, miliarde.

Memoria unui calculator are doua componente: memoria principala (interna) si memoria secundara (externa). Memoria interna este memoria ce poate fi accesata in mod direct de catre microprocesor si in care sunt incarcate programele inainte de a fi executate de catre microprocesor. Daca primele procesoare puteau accesa doar 1 MB de memorie astazi un procesor Pentium poate accesa peste 256 MB. Memoria principala este formata din doua tipuri de circuite: cip-uri ROM si cip-uri RAM.

Circuitele de tip ROM (Read Only Memory) au memorate programele care controleaza initial calculatorul (sistemul de operare). Aceste memorii pot fi doar citite (continutul lor nu poate fi modificat). Inscrierea continutului acestor memorii se face de catre fabricant, iar operatiunea de inscriere cu programe se mai numeste "arderea memoriilor".

Circuitele de tip RAM (Random Acces Memory ) sunt memorii la care utilizatorul are acces si al caror continut se sterge la deconectarea calculatorului. In memoria RAM informatia este stocata temporar. De exemplu, programele de aplicatii curente si datele asociate acestor aplicatii sunt incarcate in memoria RAM inainte de a fi prelucrate de catre microprocesor.

Deoarece capacitatea de memorie a unui calculator nu poate fi atat de mare incat sa poata pastra toate programele pe vrem sa le executam, a aparut necesitatea existentei unor memorii externe, care sa fie solicitate la nevoie. Rolul acestora il joaca discurile si ele pot fi asemanate cu cartile dintr-o biblioteca pe care le putem consulta ori de cate ori avem nevoie de anumite informatii.

Primele discuri aparute pentru PC-uri, numite si dischete, floppy disk-uri sau discuri flexibile, permiteau stocarea a maximum 160 KB de informatie. Astazi mai exista doar dischete cu diametrul de 3.5 inch cu capacitatea de 1,44 MB. Existenta acestora pare a fi pusa insa in pericol de aparitia CD-urilor reinscriptibile a caror capacitate de memorare depaseste 700 MB iar evolutia tehnologica, din ce in ce mai rapida, da semne ca lucrurile nu se vor opri aici.

Dischetele folosesc metode magnetice de memorare a informatiei motiv pentru care ele se mai numesc si suporturi magnetice de informatie.

Principala componenta a unui calculator utilizata pentru memorarea programelor o reprezinta hard discul. Acesta poate fi asemanat cu o discheta de mare capacitate, integrata intr-o unitate incapsulata. Initial, putine PC-uri prezentau hard discuri, dar cum preturile acestora au scazut considerabil, iar performantele si capacitatile au crescut, in prezent toate calculatoarele prezinta acest dispozitiv. In clipa de fata, capacitatea de memorare a unui hard disc a depasit valoarea de 40 de GB.

3 Echipamentele periferice

Comunicarea om-masina se realizeaza cu ajutorul echipamentelor periferice prin intermediul carora utilizatorul poate programa sau da anumite comenzi calculatorului sau poate vizualiza rezultatele obtinute de catre anumite programe. Principalele echipamente periferice ale unui calculator sunt urmatoarele: tastatura, mouse-ul, scanner-ul, monitorul si imprimanta. Ele pot fi grupate in echipamente de intrare - cele prin care calculatorul primeste informatii sau comenzi (tastatura, mouse, scanner) - si echipamente de iesire - cele prin care calculatorul transmite informatii in exterior (monitor, imprimanta). In continuare sunt prezentate cateva caracteristici ale fiecarui echipament.

Tastatura - este principalul dispozitiv de intrare al calculatorului prin intermediul caruia se transmit comenzi catre unitatea centrala. Cuplarea la calculator a tastaturii se face prin intermediul unui cablu de conectare.

Din punct de vedere al dispunerii tastelor, tastatura se aseamana destul de mult cu cea a unei masini de scris dar are si parti care o individualizeaza.

Primele tastaturi au avut 83/84 de taste, pentru ca, ulterior, ele sa fie imbogatite prin dublarea tastelor existente sau adaugarea altora noi, ajungandu-se la 101/102 taste.

Din punct de vedere al functionalitatii lor ele pot fi impartite in patru categorii:

taste alfanumerice;

taste cu scopuri speciale;

taste directionale si numerice;

taste functionale.

Tastele alfanumerice contin literele, cifrele si semnele de punctuatie si ocupa partea centrala a tastaturii. Actionarea unei astfel de taste determina aparitia caracterului corespunzator pe ecranul calculatorului. Tastele cu scopuri speciale sunt asezate in acelasi bloc cu tastele alfanumerice si determina efectuarea anumitor actiuni fara inscrierea de caractere pe ecran. Tastele de miscare se afla situate in partea dreapta a tastaturii si ele functioneaza in doua moduri, care pot fi comutate prin actionarea altei taste, aflate deasupra lor, pe care scrie NumLock. Daca ledul corespunzator acestei taste este aprins, modul de lucru este numeric, in caz contrar fiind comutat pe semnificatia directionala. Tastele functionale sunt un grup de 12 taste situate in partea de sus a tastaturii avand pe ele litera F urmata de un numar intre 1 si 12. Actionarea acestor taste determina efectuarea unor operatii specifice de la program la program.

Mouse-ul - este tot un echipament de intrare mai usor de manevrat decat tastatura dar care poate efectua mai putine operatii. Totusi, foarte multe aplicatii (in special aplicatiile grafice) nu mai pot fi concepute fara mouse. Un mouse are aspectul unei bucati de sapun, usor manevrabil, avand dedesubt o bila pozitionabila, cu sensibilitate si viteza reglabile.

Miscarea maouse-ului pe o suprafata plana este corelata cu deplasarea pe ecran a unui cursor cu o forma deosebita: cruciulita, sageata, etc. Declansarea unei actiuni se face prin pozitionarea cursorului in zona corespunzatoare si apasarea unuia dintre butoanele aflate pe partea posterioara. Initial un mouse avea doua sau trei butoane. Acum exista mouse-uri cu 5 butoane si 2 rotite ce indeplinesc o serie de functii corespunzatoare unor taste speciale.

Folosirea mouse-ului usureaza mult munca utilizatorilor, nemaifiind necesar ca acestia sa memoreze numarul relativ mare de comenzi corespunzator fiecarui produs, ca in situatia in care se foloseste numai tastatura. Utilitatea mouse-ului este si mai evidenta in cazul aplicatiilor grafice. De altfel, WINDOWS este un sistem de operare creat special pentru lucrul cu mouse-ul.

Scanner-ul - reprezinta dispozitive care se cupleaza la un PC si cu care, prin intermediul unui software adecvat, se pot capta imagini, fotografii, texte etc., in vederea unei prelucrari ulterioare. Astfel se pot manevra imagini foto, se pot crea efecte grafice speciale, care nu se pot obtine prin metode traditionale. Dupa captare, imaginea poate fi prelucrata, mutata, marita, micsorata, rotita, colorata, umbrita, suprapusa cu alta imagine etc.

Cu un software de recunoastere optica a caracterelor datele sau documentele tiparite pe coli de hartie pot fi transformate in fisiere, putandu-se realiza chiar o stocare a lor sub forma de arhiva.

Monitorul - Sistemul video este format din doua parti: un adaptor (placa) video si un monitor sau display. Adaptorul video reprezinta dispozitivul care realizeaza legatura (interfata) cu calculatorul si se afla in interiorul acestuia. El va fi corespunzator tipului de monitor video care ii este atasat. Adaptorul video realizeaza o rezolutie orizontala si una verticala. Rezolutia reprezinta numarul de elemente, in cazul de fata puncte - pixeli - care pot fi afisate pe ecran. De exemplu, un monitor VGA, in mod video, are o rezolutie de 640 x 480 pixeli.

Standardul VGA (Video Graphics Array) a fost introdus de catre IBM o data cu calculatoarele PS/2, iar modurile video VGA reprezinta un superset al standardelor video anterioare, CGA (Color Graphics Adapter) si EGA (Enhanced Graphics Adapter). Cea mai importanta imbunatatire adusa de standardul VGA a fost rezolutia superioara a caracterelor in modul text, precum si posibilitatea de a afisa 256 de culori la un moment dat.

Monitorul, denumit uneori si display, permite vizualizarea datelor introduse de la tastatura sau rezultate in urma executiei unor comenzi sau programe, fiind incadrat in categoria echipamentelor periferice de iesire. Ca piesa principala, monitorul contine un tub de vacuum, similar cu cel de la televizor si trei tunuri de electroni (corespunzatoare celor trei culori fundamentale).

Standardele video MDA, CGA si EGA folosesc monitoare digitale. Datele care descriu culorile pixelilor sunt trimise de adaptorul video la monitor sub forma unor serii de semnale digitale care sunt echivalente unor serii de biti.

Standardul VGA a introdus un nou tip de monitor care utilizeaza semnale analogice pentru transferul informatiilor privind culoarea de la adaptorul video la monitor. Daca semnalele digitale prezinta niveluri care indica prezenta sau absenta unui bit, semnalele analogice pot prezenta orice valoare intre una minima si una maxima.

Imprimanta - Reprezinta un dispozitiv care poate fi atasat unui calculator, cu scopul tiparirii de texte si grafica, putand fi considerata un fel de masina de scris automata. Pana in prezent au fost realizate un numar destul de mare de tipuri de imprimante pentru PC-uri, ele diferind atat prin performante, cat si prin modalitatile tehnice de ralizare. Fiecare dintre ele prezinta avantaje si dezavantaje, ideal fiind a o folosi pe cea care corespunde cel mai bine tipului de lucrari executate. In functie de modul in care este realizata imprimarea se disting urmatoarele tipuri de imprimante:

imprimante matriceale cu 9, 18 sau 24 de ace - realizeaza imprimarea prin impactul acelor peste o banda de hartie;

imprimante cu jet de cerneala - functioneaza prin pulverizarea fina a unor picaturi de cerneala pe hartia de imprimat;

imprimante laser - ce utilizeaza o raza laser sau mici diode luminiscente care incarca electrostatic un tambur de imprimare, corespunzator caracterului care urmeaza a fi imprimat;

imprimante rapide de linii - ce imprima mai multe linii odata, fiind folosite mai mult la sisteme de calcul de dimensiuni mari.

Calitatea imprimarii creste de la primul la ultimul tip prezentat, dar in mod corespunzator si pretul echipamentului.