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;

UCC + UAL = UCP (unitatea centrala de prelucrare=procesor) si impreuna cu memoria interna rezulta UC(unitatea centrala)

Sistemele de calcul electronice sunt capabile sa rezolve probleme complexe.

Functionarea fizica a calculatorului se bazeaza pe 2 stari electronice posibile, carora le corespunde unitatea elementara de informatie 0 sau 1 (1 bit - Binary Digil). Toate informatiile circula in calculator sub forma de 0 si 1, intr-o reprezentare bine determinata. Bitul reprezinta nivelul minim de informatie - este o cifra binara. Bitii sunt grupati cite 8 pentru a forma 1 byte sau un octet. Astfel, informatia prelucrata de calculator este un sir de cifre binare.

UCC controleaza activitatea tuturor echipamentelor din sistem pe baza unei secvente de instructiuni reprezentand programul memorat. Programul se executa secvential parcurgandu-se etapele:

§         Se citeste instructiunea curenta

§         Se decodifica instructiunea

§         Se aduc datele din memorie

§         Se executa instructiunea

§         Se trece la instructiunea urmatoare

Informatiile principale pe care unitatea centrala de prelucrare le schimba cu exteriorul sunt: date (operanzi si rezultate), instructiuni, adrese, informatii de control. Toate acestea se transmit ca semnale electrice prin linii conductoare grupate in magistrale. In mod traditional magistralele externe procesorului sunt clasificate in;

§         Magistrala de date (Bus de date)

§         Magistrala de adrese (Bus de adrese)

§         Magistrala de control (Bus de control)

Magistrala (Bus) – este un canal de comunicatie intre dispozitivele unui calculator, permite transferul datelor si al instructiunilor. Magistralele sunt echipamente care realizeaza cuplarea dispozitivelor intre ele, permite transferul datelor si instructiunilor. Este formata din trasee de Cu prin care circula informatia (date, semnale de control, comenzi) sub forma de impulsuri electrice cu 2 niveluri de tensiune, corespunzator cifrelor binare 0 si 1.

Transmiterea informatiei se face in paralel adica pe fiecare linie conductoare se transmite cate 1 bit de informatie. Dimensiunea magistralei (nr. de linii conductoare) este f. importanta. Cu cat nr. de linii conductoare este mai mare cu atat mai multe date se pot schimba intre microprocesor si celelalte componente.

Magistralele pot fi de 32 biti, 64 biti etc.

UNITATEA CENTRALA(UC) - COMPONENTE SI FUNCTII

FUNCTII:.             

UC este construita modular fiind impartita in componente electronice si indeplineste 2 functii:

§  Functia de prelucrare a informaţiilor - efectuarea operatiilor aritmetice si logice

§  Functia de comanda si control – asigura:

-          Extragerea instructiunilor si a datelor de intrare din MI

-          Analiza instructiunilor

-          Executia comenzii pentru fiecare operatie

-          Depunerea datelor de iesire in memoria interna

-          operaţii de coordonare şi control pentru dispozitivele I/O. 

            

COMPONENTE:

Ø     componenta de memorare (memoria internă- MI); realizează memorarea datelor , instrucţiunilor ( programelor), rezultatelor intermediare, rezultatelor finale;

Ø      componenta de execuţie ( unitatea aritmetico-logică - UAL); realize calcule aritmetice şi logice cunoscute din matematică;

Ø     componenta de comandă - control ( UCC) ; realizează prelucrarea ordonată a instrucţiunilor programelor şi coordonează funcţionarea celorlalte componente, inclusiv a dispozitivelor I/O.

UC = UCP + MI, unde UCP = UCC + UAL

Coordonarea si controlul activitatilor sistemului de calcul sunt asigurate de procesor (UCP).

PERFORMANŢĂ: Orice sistem de calcul are puterea de procesare funcţie de memoria internă   şi de  microprocesorul cu care este înzestrat(UCP), acesta fiind constituit din   unitatea de comandă-control (UCC) şi unitatea de execuţie(UAL).

®M ODUL DE FUNCŢIONARE : pentru a fi executat pe calculator, un program  trebuie să se afle într-o anumită stare, numită executabilă, stare obţinuta din instrucţiunile sursă ale programului stocate în memoria externă care sunt executate secvenţial, adică pas cu pas, şi folosind memoria internă prin intermediul aşa-numitelor variabile definite conform structurilor de date oferite de limbajul de programare, au ca efect realizarea de operaţii conform unei logici care a fost implementată în instrucţiuni .

        Prin intermediul compilatorului limbajului de programare, instrucţiunile sursă ale programului sunt analizate sintactic şi semantic şi sunt transformate în aşa-numita formă obiect a programului, care mai departe va fi convertită în forma executabilă, ce este memorată în memoria internă, atunci când se doreste lansarea în execuţie a programului.

          Lansarea în execuţie a unui program se face prin intermediul sistemului de operare şi prin realizarea funcţiilor UC, astfel: ■forma executabilă a instrucţiunilor este stocată în memoria internă M;  ■conform cerinţelor programului, prin intermediul dispozitivelor de intrare(I), datele de intrare sunt stocate în memoria internă la comanda Ucc; ■ prin comanda Ucc, instrucţiunile stocate în memorie sunt prelucrate şi se dă comanda Ual pentru a prelua datele stocate în M în vederea realizării de calcule aritmetice şi logice; ■ prin operaţiile executate de Ual se obţin rezultate intermediare ce sunt temporar stocate în M pentru ca ulterior să fie utilizate în scopul obtţnerii rezultatelor finale ce vor fi socate in M ■ prin comanda Ucc, rezultatele finale stocate în M vor fi transmite dispozitivelor de ieţire (O). ¬

DIN PUNCT DE VEDERE FIZIC UC constituie cea mai importanta componenta a calculatorului. In interiorul ei se gasesc: procesorul, placa de baza ce contine procesorul, MI si placile de extensie (placa grafica, placa de sunet, placa de retea) amplasate pe placa de baza cu ajutorul unor sloturi. Tot in interiorui UC se gasesc si dispozitivele de stocare a informatiei sau ME:

§  Hard-discul – principalul mijloc de stocare a informatiei, caracteristici:

-   Hard-discurile comunica cu sistemul prin intermediul unei interfete: ATA-33, ATA-66, ATA-100, ATA-133, Serial ATA-150. Aceasta reflecta performanta teoretica a HDD-ului. Nr. reprezinta rata maxima de transfer in MB/s.

-   Turatia platanelor – cu cat aceasta este mai mare cu atat viteza este mai buna

-   Buffer (cache) – memorie intermediara, asemanatoare ca scop cu cea care intra in componenta procesorului

§  Floppy-discul – permite stocarea si transportul datelor pe alte sisteme de calcul cu ajutorul dischetei.

§  Compact-discul – permite stocarea unei cantitati mari de informatie de cca 700Mb.

MICROPROCESORUL(UCP), coordoneaza si controleaza activitatile sistemului de calcul,

interpreteaza programele, identifica comenzile si instractiunile din acesta, le decodifica, recunoaste diverse coduri si executa operatiile necesare. Microprocesorul îşi exercită funcţiile, şi anume prelucrează programele aflate în memoria internă,  prin utilizarea, coordonarea şi controlul: ■ memoriei interne; ■ dispozitivelor rapide (HD, FD, CD);■ dispozitivelor auxiliare ( diverse dispozitive I/O).

UCP este CONSTITUIT din:

·    unitatea de comandă - control (UCC);

·    unitatea de execuţie (operaţii aritmetice şi logice-UAL);

·    memorie proprie formată din 14 registre.

        Activitatea UCC şi UAL  are loc prin utilizarea celor 14 registre: 2 pentru comandă-control, 4 pentru date (informaţii) şi 8 pentru adrese. 

         Un registru este un element esenţial în procesul de prelucrare a informaţiilor provenite din activitatea de execuţie a programelor aflate în memoria internă a calculatorului. Acesta reprezintă o unitate de adresare a memoriei interne în cadrul procesului de adresare a conţinutului memoriei interne, proces prin intermediul căruia are loc accesarea informaţiilor stocate în memorie. Unitatea de adresare se numeşte cuvânt de memorie.

PERFORMANŢELE microprocesorului sunt funcţie de:

·    organizarea şi reprezentarea informaţiilor;

·    organizarea şi capacitatea memoriei interne (capacitatea cuvântului de memorie utilizat)- astăzi 1cuvânt=32biti=4b ;

·    tehnica de adresare a memoriei interne;

·    metodele de execuţie a operaţiilor în procesarea informaţiilor;

·    viteza de lucru (frecvenţa de lucru) în execuţia operaţiilor(măsurată în MHz)

·    spaţiul de memorie internă adresabil.

UAL realizează operatiile:

§  Operatii aritmetice si logice cu operanzi de intrare codificati pe n biti (+, -, *, /, AND, OR, NOT si XOR)

§  Furnizeaza indicatii privind transportul, imprumutul, sau alte caracteristici privind rezultatul operatiilor efectuate, prin intermediul unor valori binare numite indicatori de conditii.

Succesiunea de comenzi primita de UAL este generata de catre un automat cu algoritm de stare incorporat, numit Unitate de Control.

UCC(Unitatea de comandă-control) este utilizată de microprocesor pentru a programa execuţia secvenţială în timp a tuturor manevrelor necesare în vederea executării unei instructiuni (comenzi) aflată temporar în memoria internă. În acest scop, Ucc :

- generează semnalele de comandă pentru întregul sistem de calcul;

        - dirijează fluxul de date;

        - corelează viteza de lucru a unităţii centrale cu timpul de acces al memoriei ;

        - reglează acţiunile sale funcţie de un semnal de ceas a cărei frecvenţă este de ordinul  MHz-ilor.

       Comunicarea dintre microprocesor şi celelalte componente ale sistemului se face prin intermediul magistralelor externe. Efectuarea unor transferuri interne de date se realizează prin magistrala internă de date. La magistralele de date şi de comenzi pot fi cuplate circuite de I/O ce realizează legatura cu dispozitivele I/O.

 Memoria microprocesorului  formată dintr-un număr de registre are rolul de a păstra temporar date, adrese de memorie şi informaţii de stare şi control.     

Firme producătoare de microprocesoare: Intel, Motorola, AMD.

UNITATEA DE MEMORIE (STRUCTURA SI FUNCTII). Tipuri de memorie:

1.    MEMORIE DE TIP REGISTRU – se afla in interiorul microprocesorului, capacitate foarte mica (8,16,32,64 biti pt. 1 registru) dar acces foarte rapid.

2. MEMORIE INTERNA – pastreaza datele si instructiunile programelor in locatii identificate prin adrese sub forma de cifre binare grupate in octeti (byte), date care sunt mai apoi prelucrate de procesor. Unitatea de masura pentru memorie este byte (octet) si reprezinta o succesiune de 8 pozitii binare(8 biţi). Oricare ar fi tipul de memorie, aceasta este considerată constituită din celule de memorie (bytes), celula fiind cea mai mică parte a memoriei ce poate fi adresată direct şi care reprezintă unitatea de masură a memoriei, 1 celulă = 1 byte = 1 octet= 8 biţi. Capacitatea memoriei se masoara cu ajutorul unitatii de masura a informatiei: byte, kilobyte, megabyte, gigabyte, etc. Aceste valori sunt multipli ai byte-ului exprimate astfel: 1 GB = 1024 MB  (2¹⁰MB)  1MB= 1024 KB (2¹⁰KB)   1KB = 1024 bytes (2¹⁰bytes).

Din punct de vedere LOGIC, memoria internă a unui calculator este organizată în blocuri de memorie, 1 bloc = 64 Kb, aceste blocuri având destinaţii precise în stocarea informaţiilor pentru buna funcţionare a calculatorului sub un sistem de operare adecvat.

FIZIC, memoria RAM este un circuit integrat alcatuit din milioane de tranzistoare si condensatoare. Unitatea de memorie asigura functia de memorare cu ajutorul careia componenta hardware stocheaza datele si programele necesare. Se cunosc urmatoarele tipuri de MI:

1. Memoria RAM – citire si scriere, volatila, pastreaza programele SO si ale utilizatorului. Ea poate fi:

§          SRAM (static) – utilizeaza mai multi tranzistori (4-6) pt. o celula de memorie si este folosita in special in memoria CACHE. Memoriile cache sunt utilizate pentru a reduce decalajul dintre viteza microprocesorului şi aceea a memoriei principale prin copierea şi stocarea instrucţiunilor şi datelor ce vor fi folosite imediat de către procesor.)

§          DRAM (dinamic) – utilizeaza o pereche tranzistor/condensator pt. fiecare celula de memorie si necesita un refrash continuu deoarece tranzistorul se descarca foarte rapid. O celula stocheaza 1 bit. Celulele sunt dispuse pe o placa de Si alcatuind o matrice de linii si coloane la intersectia carora se afla adresa de memorie.

2. Memoria ROM - din care se poate citi dar in care nu se poate scrie, inregistrata de fabricant. Este o memorie al carei continut nu se pierde la scoaterea de sub tensiune a sistemului de calcul. Contine BIOS-ul ce este format din zone de date si rutine.Include:

§          ROM (Read Only Memory)

§          PROM (Programmable Read Only Memory)

§          EPROM (Eraseable Programmable Read Only Memory) – permite in plus stergerea datelor

§          Memoriile EEPROM (Electricaly Eraseable Programmable Read Only Memory) – pot fi atat citite cat si sterse in mod selectiv si programate de catre sistemul care le utilizeaza. Sunt lente, au fost inlocuite cu memoriile Flash mult mai rapide.  

§          Flash  

3. Memoria CMOS

§          Circuit special care contine informatii despre caracteristicile fizice ale calc.(configuratia calc., tipul şi capacitatea HDD, capacitatea memoriei interne, data calendaristica, parola de acces etc.). Aceste informatii pot fi schimbate de utilizator când se reconfigurează calculatorul.

§          capacitate foarte mica (64B)

§          Permite atat citirea cat si scrierea

§          Informatiile din memoria CMOS sunt utilizate de BIOS (Basic Input Output System) unui calculator

§          Nevolatila, alimentata de o baterie(are un accumulator propriu)

3.MEMORIE EXTERNA – sunt suporturi electromagnetice sau optice reutilizabile pe care informatia se pastreaza codificata in forma binara, mult mai lente decat memoria interna dar pot retine cantitati mari de date. Pot fi:

1. Pe suporturi electromagnetice (floppy-disk, hard-disk HDD) – material plastic (floppy-disk) sau Al (HDD) pe care este depus un strat de substanta feromagnetica. Substanta feromagnetica este magnetizata dupa 2 polaritati care corespund cifrelor binare 0 si 1. Discurile se rotesc in jurul unui ax pt. a permite dispoz. cu capete de citire/scriere sa acceseze o zona de pe suprafata discului. Suprafata discului este impartita in piste (cercuri concentrice) care la randul lor sunt impartite in arce de cer  egale (sectoare). Pistele care au aceeasi raza formeaza un cilindru. Locatia de memorare de pe disc care poate fi identificata printr-o adresa unica este sectorul, care are o capacitate de 512 octeti.{{{{mai multe info HDD, CD, DVD la COMPONENTELE UC!!!!!!}}}}}
2. Pe suporturi optice – discurile optice (discuri compact-CD si discuri DVD-disc video digidal) sunt construite din Al, lustruite, acoperite cu un strat de material plastic in care sunt practicate alveole. O unda laser baleiaza suprafata discului si reflecta lumina catre un senzor, in mod diferentiat, in functie de prezenta sau absenta unei alveole, stari carora li se asociaza cele 2 cifre binare 0 si 1. Suprafata discului este impartita in piste dar acestea sunt continue, in forma de spirala. Spatiul de memorare este divizat in blocuri care asigura crearea sistemului de adresare a unei locatii.
3. Pe suporturi electronice – cardurile de memorie flash. Prezenţa sau absenţa unui curent electric în anumite circuite, sau mofidicarea stării anumitor circuite(închis-deschis) poate fi de asemenea interpretată sub formă de biţi.

®Mediul sau suportul de stocare este componenta fizică a unui dispozitiv de stocare pe care ajung informaţiile să fie efectiv stocate. Ele pot reţine de la câteva sute de biţi până la mii de miliarde. Mediile de stocare pot fi:■ detaşabile (pot fi separate de dispozitivul de stocare şi folosite împreună cu un alte dispozitive compatibile)■ fixe (nu poat fi separate de restul componentelor ce alcătuiesc dispozitivul de stocare. Expl. HDD) ¬

CARACTERISTICILE PRINCIPALE ALE UNEI MEMORII SUNT:

§          Capacitatea memoriei – nr. total de biti ce pot fi memorati

§          Geometria sau modul de organizare a memoriei – lungimea unui cuvant(2B) si nr. de cuvinte memorate

§          Timpul de acces la memorie – se exprima in nanosecunde, timpul necesar pentru citirea sau scrierea unor informatii in memorie.

§          Puterea consumata – puterea consumata raportata al 1 bit de informatie adica raportul dintre puterea totala consumata de circuit si capacitatea acestuia

§          Volatitatea – o memorie este volatila daca informatia inscrisa se pierde in timp

Din punct de vedere fizic, memoria aflata pe placa de baza este constituita din citeva cipuri de capacitate 32Mb, 64Mb, 128Mb, 256M sau mai mult si reprezinta memoria principala a sistemului de calcul. Oricare ar fi tipul de memorie, aceasta este constituita din celule de memorie (bytes), celula fiind cea mai mica parte a memoriei ce poate fi adresata direct si reprezinta unitatea de masura a memoriei (1celula=1 byte=l octet=8 biti).

Memoria principala este numita si memorie interna sau operativa ea fiind adresabila, prin adresa lansata de UCP, la nivel de cuvant si este selectata si prin semnale de comanda de catre procesor. In memoria principala se stocheaza instructiunile programelor rulate de procesor si se pot scrie/citi date aferente programelor.

DISPOZITIVE PERIFERICE

Sistemul de intrare-iesire al calculatorului asigura comunicatia acestuia cu lumea inconjuratoare (utilizatorul) prin intermediul unor echipamente specializate numite dispozitive periferice. Acestea sunt de 3 tipuri:

1.    DISPOZITIVELE PERIFERICE DE INTRARE – transmit calculatorului informatii si comenzi cu ajutorul operatiei de citire (tastatura, mouse-ul, creionul electromagnetic, scanner-ul etc.) Principiul de functionare al perifericelor de intrare este:

§  Preia informatia

§  Imparte informatia primita in unitati folosind un algoritm propriu

§  Codifica fiecare unitate de informatie intr-o secventa de biti pt. a putea fi prelucrata

§  Transmite procesorului bitii obtinuti

Dispozitivele de intrare cuprind:

a.    Tastatura – permite introducerea manuala a datelor sau comenzilor. Contine 4 blocuri de taste: alfanumeric, de editare, numeric, functional.

b.    Mouse – faciliteaza operarea la calculator prin pozitionari, selectari de informatii, actionarea asupra unor obiecte de control si optiuni de meniu. Memorarea se realizeaza în fişiere sub formă de hărţi (bitmap) de puncte (pixeli). Se pot executa 4 operatii: indicare(prin interrmediul unui unui cursor grafic reprezentat pe monitor), clic, dublu clic, glisare.

c.    Scanner – introducerea informatiei sub forma de imagine. Imaginea este o suprafata de puncte, fiecare punct este definit printr-un cod de culoare obtinandu-se versiunea digitala a acesteia. Caracteristici scanner: rezolutie (nr. puncte/inch), nr. culori, viteza de scanare.

d.    Microfon si interfata pentru sunet – pentru captarea directa de dispozitii si mesaje, comentarii si rapoarte, interviuri, conferinte etc.

e.    Camera de luat vederi si interfata audio-video compatibila – inregistrarea imaginilor si transformarea lor in forma digitala

f.      Cititorul de CD (DVD) – preia, pe principii optice, informatiile de pe discuri compacte (optice)

g.    Digitizor - dispozitiv pentru preluarea (memorarea) de coordonate ale unor puncte ce reprezintă hărţi, scheme, planuri, etc. în vederea prelucrării lor de către diverse programe care să genereze imagini ce urmează apoi a fi procesate;

h.    Trackball. asemanator mouse-ului. Prin pozitia fixa pe care o are,ocupa mai putin spatiu si,cu ajutorul bilei,permite o mai mare libertate de miscare a cursorului pe ecran .

i.      Joystick-ul. Dispozitiv asociat de obicei jocurilor.Ergonomic,special proiectat pentru a oferi comoditate în manevrarea sa cu ajutorul mâinii.Datorita tehnologiei avansate utilizate la fabricarea sa,permite miscari compuse.

j.      Paleta grafica, creionul optic. Asemanator unui creion,având în varf un senzor optic. Ofera posibilitatea desenarii si scrierii direct în calculator prin intermediul unor monitoare speciale.

2.    DISPOZITIVE PERIFERICE DE IESIRE – comunica utilizatorului rezultatele operatiilor comandate si informatii despre starea sistemului cu ajutorul operatiei de scriere (monitorul, imprimanta, plotterul etc.). Dispozitivele de iesire primesc secventa de biti de la procesor si o decodifica astfel incat sa poata fi inteleasa de om.

Dispozitivele de iesire cuprind:

a.    Monitorul – alb-negru sau color, CRT(cu tub catodic) sau LCD(cu cristale lichide),  asigura afisarea informatiilor (ca interfata fizica se utilizeaza placa video). Caracteristici: diagonala, rezolutie (nr. pixeli/coloana), nr. culori. Fiecare culoare este codificata in binar. Fiecarui pixel i se atribuie un cod de culoare. Imaginile de pe ecran sunt alcatuite din 3 culori:, rosu, verde, albastru (RGB).

b.    Imprimanta – tiparirea (alb-negru sau color) a datelor, textelor si documentelor sau imaginilor. Caracteristici: viteza de tiparire (in pagini pe minut), rezolutia, dimensiunea maxima a hartiei.. Tipuri de imprimante: cu jet de cerneala, cu laser, termice, matriceale.

c.    Plotter – trasarea de schite, planuri, desene de specialitate alb-negru sau color, de mare precizie. Este format dintr-o masa pt. desenare si un brat care deseneaza.

d.    Inscriptorul de CD-uri – permite scrierea de informatii pe discurile compact optice

e.    Interfata audio – transmiterea sunetelor (memorate sau in curs de receptie) in retele locale sau la distanta. Se pot folosi dispozitive electronice de tipul amplificatoarelor de sunet, difuzoarelor (speaker pentru calculator).

f.      Videoproiector-care preia imaginile ce s-ar afisa pe monitor si le proiecteazapeunecran;

3.    DISPOZITIVE PERIFERICE DE INTRARE/IESIRE – realizeaza comunicatia in ambele sensuri, utilizator - calculator cat si invers cu ajutorul operatiilor de citire/scriere (modemul, placa multimedia, interfata de teletransmisie).