Evolutia sistemelor de calcul - Structura von Neumann a sistemelor de calcul secventiale

INTRODUCERE

Evolutia sistemelor de calcul

Sistemele de calcul au evoluat si evolueaza odata cu dezvoltarea tehnologiei de realizare a circuitelor electronice. Totusi performantele unui sistem de calcul pot fi imbunatatite, fara schimbarea tehnologiei, doar prin modificarea arhitecturii sistemului.

Arhitectura defineste modul de organizare, de interconectare a unitatilor (blocurilor) constitutive ale sistemului, precum si unitatile insasi. Ea reprezinta un concept diferit de cel al schemei bloc; schema bloc reprezinta un mod particular de realizare hardware, in timp ce arhitectura defineste doar din punct de vedere functional unitatilse componente ale sistemului.

Un sistem de calcul (SC) este un sistem fizic care prelucreaza automat informatia codificata sub forma de valori discrete, conform unui program ce indica o succesiune determinata de operatii aritmetice si logice.

Un sistem de calcul este un ansamblu alcatuit din doua componente principale:

componenta hardware (echipamentele fizice componente);

componenta software (programele si structurile de date).

Un sistem de calcul modern este cu adevarat un ansamblu de procesoare, memorii, unitati functionale, retele de interconectare, dispozitive periferice, canale de interconectare precum si compilatoare, sisteme de operare, limbaje de programare, programe utilitare si de aplicatie.

Structura von Neumann a sistemelor de calcul secventiale

Structura de baza a calculatorului secvential, cu program memorat, stabilita de John von Neumann in 1945, este reprezentata in figura 2.1 si cuprinde cinci unitati functionale:

unitatea de intrare ( UI );

unitatea de memorare ( M );

unitatea de iesire ( UE );

unitatea aritmetico-logica ( UAL );

unitatea de comanda ( UC ).

Modelului lui John von Neumann de constructie a calculatoarelor s-a impus de la inceputurile masinilor de calcul electronic si este pana in prezent singurul model functional. Acest model defineste calculatorul ca pe un ansamblu format din doua componente centrale: unitatea de comanda si memoria interna.

Unitatea de memorie reprezinta unitatea functionala a unui calculator in care se stocheaza informatia (date si programe). Memoria unui calculator este formata din:

memoria interna (principala) pastreaza programele si datele ce se utilizeaza la un moment dat si este realizata cu circuite electronice de memorie;

memoria externa (secundara) pastreaza toate celelalte programe si date ce trebuie sa se afle la dispozitia sistemului de calcul, iar implementarea memoriei externe se face prin echipamente fizice (periferice) de memorie, cum ar fi de exemplu banda magnetica, discuri magnetice de diferite tipuri, unitati de caseta magnetica.

Figura 2.1. Structura von Neumann

Unitatea de comanda (UC) este cea responsabila cu administrarea si prelucrarea informatiilor in timp ce memoria interna serveste la depozitarea acestora.

Unitatea aritmetico-logica (UAL) realizeaza prelucrarea informatiei preluate din memorie, iar rezultatele se depun din nou in memorie sau sunt furnizate in exterior. UAL realizeaza doua categorii de operatii:

aritmetice (adunare, scadere, inmultire, impartire);

logice ( SI logic, SAU logic, SAU-EXCLUSIV NEGATIE

Acest ansamblu unitate de comanda plus memorie interna comunica cu exteriorul prin intermediul unitatilor de intrare si de iesire.

Unitatea de intrare permite introducerea informatiei in calculator. Acestea sunt furnizate de dispozitivul periferic de intrare si transferate spre unitatea comanda, prin intermediul tastaturi, cititor de cartele. UI realizeaza totodata conversia reprezentarii informatiei din forma externa accesibila omului (numere, texte, imagini) in format intern binar. Formatul intern este rezultatul utilizarii in constructia calculatoarelor a circuitelor electronice care prezinta la iesire numai doua stari stabile (niveluri de tensiune). Conventional cele doua stari se reprezinta prin cifrele binare (biti) "0" si "1". Ca exemplu de unitati de intrare se pot enumera: tastatura, cititor de cartele, cititor de banda de hartie, cititor optic de caractere, etc.

Unitatea de iesire realizeaza trimiterea, in exteriorul sistemului de calcul, a rezultatelor prelucrarilor efectuate de unitatea de comanda. In cazul in care rezultatele sunt destinate:

utilizatorului uman, unitatea de iesire executa conversia din format intern (binar) in format direct accesibil omului (cifre, texte, grafice, imagini);

actionarii unor echipamente, unitatea de iesire, prin intermediul unor circuite speciale numite convertoare numeric-analogice genereaza semnale necesare actionarii de echipamente.

Generatii de sisteme de calcul

In timpul dezvoltarii sistemelor de calcul s-au remarcat cateva caracteristici care au determinat clasificarea acestora in cateva grupuri numite generatii, in perioade de timp care nu sunt strict delimitate si se suprapun.

Clasificarea sistemelor de calcul in generatii este determinata de tehnologia folosita, arhitectura sistemului, modul de prelucrare a datelor si limbajele utilizate. Aceste generatii de calculatoare sunt urmatorele:

Generatia I - tuburile cu vid (1945-1955) se caracterizeaza prin:

calculatoare cu relee electromagnetice si tuburi electronice interconectate cu fise,    tuburi ce implicau un consum mare de putere;

cablaj prin fire;

structura de tip serie;

set de 10-20 de instructiuni simple;

periferie redusa (lector/perforator de banda);

o singura memorie lenta si de capacitate mica (tambur magnetic pentru 1000-4000 cuvinte);

viteza de calcul mica (sute-mii de operatii pe secunda) iar raportul intre timpul pentru o inmultire si timpul pentru o adunare era t_inmultire/t_adunare =20/1

prelucrarea datelor pe biti (bit cu bit), utilizarea limbajelor binare de programe programele fiind scrise direct in cod masina.

Generatia II - tranzistoarele (1955-1965), fiind determinata de o tehnologie si o structura organizatorica noua, ceea ce a condus la marirea performantelor. Principalele caracteristici sunt:

calculatoare cu diode si tranzistoare cu Si si Ge interconectate prin cablaj imprimat; prin inlocuirea tuburilor electronice cu dispozitive semiconductoare (diode si tranzistori) calculatoarele au dimensiuni mult mai mici, puterea disipata este mai mica, siguranta in functionare este mai mare si astfel se elimina fenomenele de radiatie si cuplajele parazite;

construirea memoriilor cu ferite (in anul 1959); acestea ofereau un timp de acces de 2-12ms (de 1000 de ori mai repede decat tamburul magnetic);

raportul t_inmultire/t_adunare =10/1;

tipizarea circuitelor, ceea ce a usurat activitatea de organizare si intretinere;

echipamente periferice simple: tambur magnetic, banda magnetica, disc magnetic, dispozitive de imprimare, echipamente de trasare si echipamente de afisare pe tub catodic;

prelucrarea datelor pe loturi ("batch") si utilizarea limbajelor de programare mai evaluate cum era FORTRAN si COBOL,

Generatia III - circuitele integrate (1965-1980) avea urmatoarele caracteristici:

utilizarea circuitelor integrate pe scara simpla (pana la 10 tranzistoare pe cip) SSI si MSI conectate pe circuite imprimate pe mai multe niveluri (straturi);

utilizarea memoriilor semiconductoare, cu timp de acces pentru memoria interna de 0.5-1.75ms;

creste viteza de calcul, astfel t_inmultire/t_adunare =2.5;

memorii externe de mare capacitate, reprezentate prin discuri de masa (capacitati mai mari de 1Moctet);

dezvoltarea perifericelor a avut doua tendinte, prima a fost de a perfectiona perifericele existente si a doua de a realiza echipamente noi, in special pentru prelucrarea de date din documente primare (la inceput pentru operatii bancare);

spre sfarsitul acestei perioadfe s-a remarcat asa numita generatie 3.5 care utiliza circuite integrate pe scara larga ( MSI ), memorii cu circuite integrate, microprocesoare pe 8-16 biti, microprogramare. Apar astfel minicalculatoarele;

utilizarea limbajelor de programare evaluate, utilizarea multiprocesarii (separarea programelor in task-uri si operatii de I/O), aparitia sistemelor de operare si a memoriilor virtuale.

Generatia    IV circuite VLSI (1980-1990) a carei principale caracteristici sunt:

utilizarea circuitelor integrate pe scara larga LSI ("Large Scale Integration") si a circuitelor integrate pe scara foarte larga VLSI ("Very Large Scale Integration"), in care un cip contine mii de tranzistori pe un cm³ de siliciu, cu timpi de comutare de 1-5 ns si timpi de acces de 10ns; a inceput era calculatoarelor personale;

noi tipuri de memorii MOS, bule magnetice, holografice;

dezvoltarea de noi echipamente periferice legate de sesizarea primara a datelor;

utilizarea microfilmelor pentru inregistrarea afisajelor de pe tuburile electronice;

daca minicalculatoarele faceau posibila existenta unui calculator in fiecare departament al unei companii, microcalculatoarele au facut posibil ca fiecare individ sa aiba propriul lui calculator; cele mai puternice calculatoare personale utilizate in afaceri, universitati sau institutii guvernamentale sunt uzual numite workstation; de obicei ele sunt interconectate in retele pe zone geografice intinse;

are loc o intrepatrundere intre industria de calculatoare si cea de telecomunicatii;

aparitia calculatoarelor "pipe-line" si a sistemelor multiprocessor, aparitia supercalculatoarelor;

utilizarea limbajelor de programare de nivel inalt orientate pe prelucrarea vectorilor de date;

aparitia conceptelor de multimedia si de programare orientata pe obiecte

S-a constatat ca sistemele de calcul cu organizare conventionala prezinta performante modeste fata de cerintele impuse de prelucrarea datelor nenumerice (propozitii, simboluri, vorbire, informatie grafica, imagini). De asemenea componentele au atins viteza limita de functionare. Au aparut o serie de dificultati in elaborarea software-ului de sistem si a celui de aplicatie in diferite domenii. A aparut astfel necesitatea realizarii unei noi generatii de calculatoare.

Generatia V - prelucrare masiva paralela (dupa 1990) are urmatoarele caracteristici:

grad mare de modularizare si densitate ridicata de integrare si "impachetare"; utilizarea circuitelor realizate in tehnologie ULSI si 3D;

evolutia procesoarelor ia un avant puternic, frecventa de lucru creste de la 100MHz la peste 3 GHz, arhitectura microprocesorului este imbunatatita prin specializare, memorie cache, paralelism ("pipe-line"), optimizarea algoritmilor;

prelucrare masiva paralela;

sisteme multiprocessor, aparitia microprocesoarelor specializate (de exemplu prelucrarea digitala a semnalelor);

aparitia si dezvoltarea serviciului www (Wold Wide Web) initiat de Laboratorul CERN din Geneva in colaborare cu mai multe universitati americane;

interactivitatea serviciului www este asigurata prin introducerea tehnologiei Java.

arhitectura    de baza a acestor calculatoare cuprinde trei componente:

interfata inteligenta permite dialogul pe baza de limbaj natural, voce, imagini, informatie grafica;

componenta pentru rezolvarea de probleme(inferenta) realizeaza rationamente logice cu ajutorul carora descopera cunostintele utile noi si relevante, construind astfel o secventa a rationamentului ce conduce la solutia problemei;

baza de cunostinte cu un volum imens in care cautarea se va face extrem de rapid.

Actual se lucreaza la punerea la punct a unor calculatoare ultrarapide, masini pentru traducere automata, dispozitive perfectionate pentru extragerea si memorarea imaginilor. Calculatoarele vor fi conectate la retele locale, conectate la randul lor in retele globale, formand un adevarat sistem informational cu aspectul unei retele telefonice.