Arhitectura sistemelor de calcul

PREZENTARE GENERALA

     Un sistem de calcul este un ansamblu de componente hardware (ecipamente fizice,dispozitive) şi componente software (echipamente logice: sistem de operare şi programe specializate)  ce oferă servicii utilizatorului pentru coordonarea şi controlul executării operaţiilor prin intermediul programelor. Echipamentele fizice asigura comunicarea omului cu sistemul de calcul precum si prelucrarea automata a informatiei. Echipamentele logice sunt de fapt programe necesare pentru prelucrarea datelor si afisarea rezultatelor.

        Orice sistem de calcul pentru a realiza funcţiile sale de bază trebuie să execute următoarele operaţii:

                       - introducere date (citire) - I

                       - memorare informatii (date initiale, instructiuni, rezultate, programe) in unitatea de M (memoria interna)

                       - prelucrare date si instrucţiuni (procesare) – P (sa comande executia operatiilor in unitatea de comanda si sa execute operatiile in unitatea de calcul)

                       - ieşire date (scriere) -  O

Primul model arhitectural pentru un sistem de calcul a fost descris de John Newmann ca avand 7 blocuri componente:

1. Dispozitiv periferic I - echipamente de introducere a datelor in vederea prelucrarii;
2. Dispozitiv periferic E - echipamente de redare a rezultatelor prelucrarii
3. Canal de intrare-iesire - canale prin intermediul carora este dirijat fluxul de informafii ce se transfera de la dispozitivele periferice de intrare, respectiv catre dispozitivele periferice de iesire;
4. Unitatea aritmetico-logica(UAL) - primeste datele din memorie, executa operatiile aritmetice si logice si  depune rezultatul in memorie;
5. Unitatea de comanda si control(UCC)- preia instractiunile din memorie, le interpreteaza si trimite comenzi catre UAL sau M dar si comenzi de transfer catre dispozitivele periferice;
6. Memoria interna - pastreaza datele si instructiunile programelor in locatii codificate binar identificate prin adrese de memorie;
7. Memoria externa - pt. stocarea datelor si programelor ce depasesc capacitatea memoriei interne;

Unitatea centrala de prelucrare

UCP (Central Processing Unit)– “creierul calculatorului” este implementat cu ajutorul unui microprocesor. Are rolul de a prelucra informaţiile şi de a controla activitate celorlalte echipamente.
Componentele UCP sunt:

1. UCC – Unitatea de Comandă şi Control care are rolul de a controla activitateatuturor dispozitivelor fizice ale calculatorului de a decodifica şi de a executa instrucţiuni;
2. UAL – Unitatea Aritmetico - Logică care execută operaţiile elementare aritmetice şi logice;
3. Coprocesorul matematic – care execută operaţiile de calcul complexe (ex.:radicali, funcţii trigonometrice etc.);
4. Regiştri – sunt zone de stocare temporară a informaţiei încorporate în microprocesor care pot fi citite şi scrise rapid;
5. Ceasul intern – este un cristal de cuartz care vibrează la aplicarea unei tensiuni electrice; frecvenţa ceasului este exprimată în cicluri/secundă = Hertz (Hz) şi este o măsură a performanţei procesorului.

Dispozitivele periferice: clasificare

Echipamentele periferice sau de intrare-iesire  asigură comunicarea între utilizator şi calculator. Există o categorie de dispozitive I/E utilizată exclusiv de către calculator.

Dispozitivele de intrare-iesire au următoarele funcţii:

• asigurarea schimbului de informaţii între calculator şi utilizator;
• extinderea capacităţii de memorare a calculatorului prin memoriile externe.

După funcţia care o îndeplinesc în sistem, distingem:

  Dispozitive de intrare(input device): Sunt dispozitive utilizate pentru a transmite calculatorului informaţii si comenzi prin operaţia de citire(read). Acestea preiau informaţia sub diverse forme(text, sunete, imagini), o transformă în secvenţe de biţi şi o introduc în memorie. Exemple: tastatura, mouse-ul, scannerul, microfonul, aparat foto digital, camera video;

  Dispozitive de ieşire(output device): Sunt dispozitive folosite de calculator pentru a comunica utilizatorului rezultatele operaţiilor comandate si informaţii despre starea sistemului,prin operaţia de scriere(write). Acestea preiau din memorie informaţia sub formă de biţi, o transformă într-o formă accesibilă(text, sunete, imagini) şi o prezintă utilizatorului. Exemple:monitorul, imprimanta, difuzoarele, plotterul;

 Dispozitive de intrare şi ieşire(input-output device): Sunt dispozitive utilizate pentru a realiza comunicaţia in ambele sensuri prin operaţii de citire(read) si scriere(write). Exemple: modemul, placa de reţea;

Dispozitive periferice de intrare

Dispozitivele periferice de intrare au rolul de a permite introducerea datelor în calculator. Vom discuta despre urmatoarele dispozitive:

1. Tastatura unui calculator este asemănătoare cu cea a unei maşini de scris obişnuite şi are rolul de a permite introducerea datelor în calculator prin apăsarea tastelor. Conţine trei categorii mari de taste:

a) Tastele alfanumerice – conţin: taste alfabetice (A–Z), numerice (0–9) şi tastele cu caractere speciale (“.”, “,”, “/” etc.). Pentru a obţine litera mare se tastează Shift şi litera mică în acelaşi timp sau se blochează tasta specială Caps Lock (se aprinde ledul corespunzător). Caracterele speciale scrise pe tastele numerice se obţin în acelaşi mod ca literele mari(Shift + tasta). Caracterele numerice se mai pot obţine prin utilizarea tastaturii numerice aflate în partea dreaptă având grijă să fie acţionată tasta specială Num Lock (se aprinde ledul corespunzător).

b) Tastele funcţionale – sunt dispuse pe primul rând al tastaturii, au scris pe ele F1…F12 şi au diferite funcţii în diferite produse soft.

c) Tastele speciale – sunt folosite, în general pentru:

- Esc (Escape) – întreruperea unei acţiuni;

- Tab – saltul la următoarea zonă;

- Ctrl (Control) şi Alt – sunt utilizate în combinaţie cu alte taste pentru obţinerea diferitor efecte (Ex.: Ctrl+Alt+Del = resetează calculatorul);

- Caps Lock – blocarea tastaturii alfabetice pe litere mari (Capitals);

- Backspace – ştergerea caracterului aflat înaintea poziţiei curente a cursorului;

- Enter – încheierea mesajului dat calculatorului;

- Print Screen – preluarea imaginii ecranului;

- Scroll Lock – oprirea defilării ecranului;

- Pause – oprirea/pornirea execuţiei unui program;

- Num Lock – utilizarea tastaturii numerice ca atare (led aprins) sau ca tastatură specială(led stins);

- Tastele speciale de navigare:

o Insert – mod de suprascriere;

o Delete – ştergerea caracterului pe care se găseşte cursorul;

o Home – mută cursorul la începutul rândului;

o End - mută cursorul la sfârşitul rândului;

o PageUp - mută cursorul la începutul paginii anterioare;

o PageDown - mută cursorul la începutul paginii următoare.

2. Mouse-ul – este dispozitivul ce controlează mişcarea cursorului pe ecranul monitorului şi permite selectarea sau activarea unor obiecte de pe ecran prin acţionarea unor butoane. În general mouse-ul este format din: carcasă, bilă, butoane şi circuite electrice.

Clasificarea acestor dispozitive se poate face în funcţie de:

- numărul de butoane – de la 2 la 5 sau mai multe;

- tipul portului prin care se conectează – serial sau paralel;

- compatibilitate: Microsoft, Genius, Logintech etc.;

- tehnologia folosită în transmiterea semnalului: mecanic, optic, radio.

3. Trackball – dispozitiv de indicare asemănător mouse-ului. Practic este un mouse răsturnat utilizat în special la calculatoarele portabile. Mişcarea cursorului se realizează prin rotaţia bilei.

4. Creion optic (light pen) – un dispozitiv asemănător unui creion ce are în vârf un senzor optic.

5. Tableta grafică (graphics tablet) – dispozitiv ce permite introducerea facilă a desenelor şi schiţelor. Este alcătuită dintr-un creion cu vârf electronic şi o plăcuţă electronică, capabilă să detecteze mişcările creionului şi să le transmită calculatorului.

6. Scanner – dispozitiv ce permite digitizarea imaginilor şi introducerea lor în
calculator. În funcţie de modul de utilizare şi dimensiune sunt:
- fixe – imaginea e plasată pe o suprafaţă de scanare (ca la xerox);
- mobile – de dimensiuni mici şi se deplasează pe imaginea ce urmează a fi
digitizată (cititorul de coduri de bare).
7. Joystick
8. Microfon
9. Camera video, aparat de fotografiat digital
10. GIS (Georaphic Information System) – permite introducerea de date geografice
preluate, în general, de la sateliţi.

Microprocesorul

Microprocesoarele diferă între ele prin numărul de instrucţiuni pe care le pot executa, viteza de execuţie şi cantitatea de memorie pe care o pot folosi. Ele sunt caracterizate de tip, frecvenţă de lucru şi lungimea cuvântului.  

Tipul microprocesorului defineşte apartenenţa microprocesorului la o familie de microprocesoare care au caracteristici comune. Aceste caracteristici determină performanţele calculatorului: viteza de lucru,setul de instrucţiuni care sunt înţelese şi executate de procesor etc. Fiecare tip de microprocesor este caracterizat printr-o arhitectură internă. Pe calculatoarele IBM-PC, cât şi pe cele compatibile IBM se întâlnesc microprocesoarele din familiile INTEL 80x86, unde x=0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, Cu cât x este mai mare, cu atât microprocesorul este mai performant (de exemplu, 80686) va putea înţelege şi executa instrucţiunile unui program scris pentru un microprocesor mai puţin performant (de exemplu, 80486). Procesoarele folosite de calculatoarele IBM-PC sau compatibile IBM-PC sunt produse de firme ca Intel, AMD, Cyrix, etc. Familia din care acestea fac parte se stabileşte prin compararea performanţelor cu familiile de procesoare Intel: 286, 386, 486, Pentium, PentiumII, PentiumIII, PentiumIV. În cadrul aceleiaşi familii, microprocesoarele sunt compatibile între ele. Frecvenţa de lucru a microprocesorului se măsoară în megahertzi (MHz), adică în milioane de impulsuri pe secundă. De exemplu, dacă un microprocesor are frecvenţa de 900 MHz înseamnă un semnal cu 900 de milioane de impulsuri pe secundă. Cu cât această frecvenţă este mai mare, cu atât microprocesorul este mai performant, deoarece ea este direct proporţională cu viteza cu care microprocesorul execută instrucţiunile, deci cu viteza de lucru a calculatorului. Pentru sistemul de operare Windows XP , care este un mare consumator de resurse, se recomandă un procesor cu o frecvenţă de cel puţin 500 MHz. Cuvântul microprocesorului reprezintă numărul de biţi întotdeauna multiplu de octeţi care pot fi prelucraţi la un moment dat de către microprocesor (de exemplu 8 biţi,16 biţi,32 biţi,64 biţi). Cu cât cuvântul are mai mulţi biţi, cu atât viteza de lucru a microprocesorului este mai mare şi el este mai performant. Toate aceste elemente determină viteza de lucru a microprocesorului, adică determină cât de repede execută microprocesorul o instrucţiune. Viteza se măsoară în milioane de instrucţiuni pe secundă - MIPS sau MFLOPS. Un calculator performant are o viteză de execuţie de ordinul a 2-30 MIPS.