Sisteme de calcul

Sisteme de calcul

Definitie

     Un sistem de calcul este un ansamblu de componente hardware (dispozitive) si componente software (sistem de operare si programe specializate)  ce ofera servicii utilizatorului pentru coordonarea si controlul executarii operatiilor prin intermediul programelor.

        Orice sistem de calcul (computer system)  pentru a realiza functiile sale de baza trebuie sa execute urmatoarele operatii:

               - introducere date (citire) - I

               - memorare date si instructiuni (reprezentare) - M

               - prelucrare date si instructiuni (procesare) - P

               - iesire date (scriere) -  O

         Functionarea unui sistem de calcul are loc dupa urmatoarea schema de principiu:

            Din punct de vedere hardware(tehnologic) partea cea mai importanta a unui sistem de calcul (SC) este unitatea centrala de prelucrare (UC) (Central Processing Unit) constituita din memorie (M) si microprocesor (P), acestea fiind  produse ale microelectronicii. Pentru realizarea serviciilor sale un SC este inzestrat cu dispozitive de intrare/iesire(I/O), unele fiind doar de intrare, altele fiind doar de iesire, iar altele fiind si de intrare si de iesire.  Dispozitivele ce au functii si de intrare si de iesire sunt:

        unitatea de hard disk (HD) -  dispozitiv de memorare cu acces rapid la informatii, incorporat in SC, si care contine programele SO  si programe specializate (PS) in concordanta cu preferintele utilizatorului;

        unitatea de floppy disk (FD) - dispozitiv de memorare cu acces lent la informatii si care permite utilizarea unei dischete ( de regula, de dimensiune 3,5 inc.), disc magnetic de memorare ce poate sa stocheze si sa pastreze pe timp nelimitat informatii sub forma de programe si date de volum nelimitat;

        monitorul - dispozitiv de afisare (display) alfanumerica si grafica alb/negru si color si care este o interfata grafica in dialogul om-calculator.

     Dispozitivele de intrare (citire) (I) ce pot exista in configuratia unui SC sunt:

        tastatura (keyboard) - dispozitiv cu taste numerice si alfanumerice pentru introducerea de comenzi si date ce vor fi prelucrate de programele SO si PS;

        CD-ROM - dispozitiv de memorare de mare capacitate cu acces rapid la informatii si care stocheaza -in vederea citirii- programe si fisiere de volum foarte mare;

        mouse - dispozitiv mobil care prin intermediul unui cursor grafic reprezentat pe monitor poate sa indice selectarea unor simboluri grafice sau butoane logice ce vor avea ca efect executatea unor operatii specifice programelor SO si PS;

        scanner - dispozitiv pentru preluarea (memorarea) de imagini de pe suport hartie, memorarea realizandu-se in fisiere sub forma de harti (bitmap) de puncte (pixeli);

        digitizor - dispozitiv pentru preluarea (memorarea) de coordonate ale unor puncte ce reprezinta harti, scheme, planuri, etc. in vederea prelucrarii lor de catre diverse programe care sa genereze imagini ce urmeaza apoi a fi procesate;

        camera TV - dispozitiv pentru preluarea pe suport film a unor imagini reale si care urmeaza a fi prelucrate.

           Dispozitivele de iesire (scriere)(O) ce pot  exista in configuratia unui SC sunt:

      imprimanta grafica - dispozitiv ce utilizeaza suport hartie sau folie de plastic pentru realizarea de reprezentari grafice;

      plotter - dispozitiv tip masa de desen sau planseta pentru realizarea de desene;

      film - dispozitiv pentru preluarea de imagini din memoria unui calculator;

      boxe audio - dispozitive pentru redarea sunetelor (dispozitive multimedia).

           Unitatea centrala de prelucrare (UC) 

      Arhitectura si functionare

Functii : - operatii de de prelucrare a informatiilor si controlul comunicatiilor ;

      - operatii de citire/scriere de informatii din/in memoria principala;

-  operatii de coordonare si control pentru dispozitivele I/O.

Componente: - componenta de memorare (memoria interna- M); realizeaza memorarea

                datelor (D), instructiunilor ( programelor- P), rezultatelor intermediare       

                (de lucru-L), rezultatelor finale (R);

              - componenta de executie ( unitatea aritmetico-logica - Ual); realizeaza   

         calcule aritmetice si logice cunoscute din matematica;

              - componenta de comanda - control ( Ucc) ; realizeaza prelucrarea 

         ordonata a instructiunilor programelor si coordoneaza functionarea

          celorlalte componente, inclusiv a dispozitivelor I/O.

Performanta: Orice sistem de calcul are puterea de procesare functie de memoria interna   si de  microprocesorul (P) cu care este inzestrat, acesta fiind constituit din   unitatea de comanda-control (Ucc) si unitatea de executie(Ual).

LUCRARE: Modelarea sistemelor LUCRARE: Proiect atestat tehnician mecatronist - microprocesoare- evolutii si tipuri

 Modul de functionare : calculatoarele actuale sunt construite pe baza modelului unui calculator de tip John von Neumann, si anume, un calculator are ca sarcina principala executia programelor utilizatorilor; pentru a fi executat pe calculator, un program  trebuie sa se afle intr-o anumita stare, numita “executabila”, stare obtinuta din “instructiunile sursa” (enunturi conform sintaxei si semanticei unui limbaj de programare) ale programului stocate in memoria externa de tip hard disk (HD), floppy disk (FD) sau compact disk (CD); instructiunile sunt executate secvential, adica “ pas cu pas”, si folosind memoria interna prin intermediul asa-numitelor variabile definite conform structurilor de date oferite de limbajul de programare, au ca efect realizarea de operatii conform unei logici. Aceasta logica a fost implementata in instructiuni in conformitate cu rationamentul pentru rezolvarea unei anumite probleme;

        Prin intermediul compilatorului limbajului de programare, instructiunile sursa ale programului sunt analizate sintactic si semantic si sunt transformate in asa-numita “forma obiect” a programului, care mai departe va fi convertita in “forma executabila”, forma ce este memorata in memoria interna, atunci cand se doreste lansarea in executie a programului.

          Lansarea in executie a unui program se face prin intermediul sistemului de operare si prin realizarea functiilor UC, astfel:

      forma executabila a instructiunilor este stocata in memoria interna M;

      conform cerintelor programului, prin intermediul dispozitivelor de intrare(I), datele de intrare sunt stocate in memoria interna la comanda Ucc;

      prin comanda Ucc, instructiunile stocate in memorie sunt prelucrate si se da comanda Ual pentru a prelua datele stocate in M in vederea realizarii de calcule aritmetice si logice;

      prin operatiile executate de Ual se obtin rezultate intermediare ce sunt temporar stocate in M pentru ca ulterior sa fie utilizate in scopul obttnerii rezultatelor finale ce vor fi socate in M ;

      prin comanda Ucc, rezultatele finale stocate in M vor fi transmite dispozitivelor de ietire (O).

       Microprocesorul (P)

  La baza functionarii unui calculator(SC) se afla microprocesorul(mP), inventat in anul 1971 de catre ing. M.F. HOFF de la firma INTEL, care a produs o adevarata revolutie in domeniul calculatoarelor si al informaticii, avand un impact deosebit in toate domeniile stiintifice, economice si sociale. Microprocesorul (mP) a fost  inventat ca urmare a rezultatelor obtinute in trei domenii speciale aparute si dezvoltate in secolul XX:

      sisteme cibernetice;

      programare;

      circuite integrate.

      Din acest motiv, microprocesorul poate fi considerat  un “calculator in miniatura” constituit din:

      unitatea de comanda - control (Ucc);

      unitatea de executie (operatii aritmetice si logice-Ual);

      memorie proprie formata din 14 registre(MP).

        Activitatea primelor componente (Ucc, Ual)  are loc prin utilizarea celor 14 registre: 2 pentru comanda-control, 4 pentru date (informatii) si 8 pentru adrese. 

         Un registru este un element esential in procesul de prelucrare a informatiilor provenite din activitatea de executie a programelor aflate in memoria interna a calculatorului. Acesta reprezinta o unitate de adresare a memoriei interne in cadrul procesului de adresare a continutului memoriei interne, proces prin intermediul caruia are loc accesarea informatiilor stocate in memorie. Unitatea de adresare se numeste cuvant de memorie. Performantele microprocesorului sunt functie de:

      organizarea si reprezentarea informatiilor;

      organizarea si capacitatea memoriei interne;

      tehnica de adresare a memoriei interne;

      metodele de executie a operatiilor in procesarea informatiilor;

      viteza de lucru (frecventa de lucru) in executia operatiilor.

       Formal, memoria interna este considerata o structura liniara (mi)i.>0, mi fiind  0 sau 1 cu semnificatia “stins”, respectiv “aprins” si reprezinta o pozitie binara, numita bit (binary digit). Prin urmare, o succesiune de biti poate fi utilizata pentru stocarea de informatii convertite in pozitii binare. Unitatea de masura pentru memorie este byte-ul (octet-ul) si reprezinta o succesiune de 8 pozitii binare, de exemplu 0 1 0 1 0 1 1 1

       1b = 8 biti  sau 1o = 8 biti. Multiplii byte-ului sunt:

       1 Kb = 1024 b = 210 b  ;   1 Mb  = 1024 Kb =220 b  ;   1 Gb  = 1024 Mb = 230 b. 

       Din punct de vedere logic, memoria interna a unui calculator este organizata in blocuri de memorie, 1 bloc = 64 Kb, aceste blocuri avand destinatii precise in stocarea informatiilor pentru buna functionare a calculatorului sub un sistem de operare adecvat.

       Un rol important in utilizarea memoriei interne si in procesul de prelucrare a informatiilor are conceptul de cuvant de memorie (word), acesta fiind de fapt o unitate de masura (unitate de adresare)  in sistemul de coordonate (adrese) atasat unei memorii interne avand o anumita organizare logica, de exemplu in blocuri. 

        In evolutia sistemelor de calcul, capacitatea cuvantului de memorie a fost variabila si a determinat cresterea performantelor acestora, in acest sens este cunoscuta clasificarea microprocesoarelor in generatii functie de capacitatea cuvantului de memorie utilizat:

      1 cuv. =  4 biti;

      1 cuv. =  8 biti = 1 b;

      1 cuv. =  16 biti  =  2 b;

      1 cuv. =   32 biti  = 4 b.

   In acest sens, pana in prezent sunt cunoscute urmatoarele generatii de microprocesoare:

      gen. 1 - P   tip 4004, 8008,       1w = 4 biti  ( dupa anul 1971 );

      gen. 2 - P   tip XT 8080,           1w = 8 biti ( dupa anul 1974 );

      gen. 3 - P   tip AT 8088, 8086, 80186,80286,     1w = 16 biti ( dupa anul 1978;  in 1981 apare PC ; in 1982 apar 80186, 80286);

      gen. 4 - P   tip AT 80386,          1w = 32 biti ( anul 1985 );

      gen. 4,5 - P  tip 80486, 80586(Pentium), 80860, RISC-I860, etc.,1w = 32 biti(dupa anul 1989; 80486 inglobeaza si coprocesorul matematic 80387;1993-586 ).

          Performanta microprocesorului este data si de viteza de lucru (frecventa de lucru-impulsuri la intervale foarte mici de timp), masurata in MHz si care determina realizarea unei viteze de executie  de cateva milioane de instructiuni/secunda. Daca primele microprocesoare aveau frecventa de lucru de 4MHz(P 8088), 8MHz(P 80186), 16MHZ(P 80286), 30 MHz(P 80386) , astazi microprocesoarele actuale lucreaza cu o frecventa de ordinul 400/500 MHz sau 700/900 MHz, aceasta datorandu-se faptului ca modernizarea lor este tot timpul in atentia proiectantilor si fabricantilor de microprocesoare, dar si pentru ca acestea incorporeaza asa-numitul coprocesor matematic ce mareste viteza de lucru la executia operatiilor aritmetice cu numere reale.

        Performanta microprocesorului este determinata si de spatiul de memorie interna pe care il poate adresa. Daca primele microprocesoare erau construite sa adreseze un spatiu de memorie de 256Kb, 640Kb, sau 1Mb, astazi exista microprocesoare ce sunt proiectate sa adreseze un spatiu de memorie de  32Mb, 64Mb.

            Concluzie. Performanta microprocesoarelor este determinata de:

      capacitatea cuvantului de memorie utilizat;

      viteza de lucru (frecventa de lucru);

      spatiul de memorie interna adresabil.

          Din punct de vedere al comunicatiilor informatiilor in functionarea unui sistem de calcul, se disting 3 tipuri de informatii (magistrale-trasee de cupru ce genereaza informatii binare si prin care se realizeaza comunicarea P cu celelalte componente ale SC) :

      informatii ce reprezinta valori  (date; pe 16 biti);

      informatii ce reprezinta adrese (coduri; pe 20 biti);

      informatii ce reprezinta control (comenzi).

            Microprocesorul isi exercita functiile, si anume prelucreaza programele aflate in memoria interna,  prin utilizarea, coordonarea si controlul:

      memoriei interne;

      dispozitivelor rapide (HD, FD, CD);

      dispozitivelor auxiliare ( diverse dispozitive I/O).

Unitatea de comanda-control (Ucc) este utilizata de microprocesor pentru a programa executia secventiala in timp a tuturor manevrelor necesare in vederea executarii unei instructiuni (comenzi) aflata temporar in memoria interna. In acest scop, Ucc :

- genereaza semnalele de comanda pentru intregul sistem de calcul;

        - dirijeaza fluxul de date;

        - coreleaza viteza de lucru a unitatii centrale cu timpul de acces al memoriei ;

        - regleaza actiunile sale functie de un semnal de ceas a carei frecventa este de ordinul  MHz-ilor.

        Semnalele prin care microprocesorul realizeaza  comenzi de executie spre memorie sau spre alte componente ale sistemului se numesc semnale de comanda, iar semnalele prin care microprocesorul primeste informatii despre diferite componente ale sistemului se numesc semnale de stare. Comunicarea dintre microprocesor si celelalte componente ale sistemului se face prin intermediul magistralelor externe. Efectuarea unor transferuri interne de date se realizeaza prin magistrala interna de date. La magistralele de date si de comenzi pot fi cuplate circuite de I/O ce realizeaza legatura cu dispozitivele I/O.

        Memoria microprocesorului(MP) formata dintr-un numar de registre are rolul de a pastra temporar date, adrese de memorie si informatii de stare si control. Aceste registre sunt impartite in urmatoarele categorii:

      registre generale - in numar de 8 si clasificate in registe de date ( notate AX, BX, CX, DX), registre de pointer ( SP, BP), registre de index ( SI, DI);

      registre de segment(adresare) - in numar de 4 si notate prin CS(adresa de baza a segmentului de memorie care contine codul programului), SS(segmentul de stiva curent), DS(segmentul de date curent - datele si variabilele programului), ES (extrasegmentul curent);

      registrul pointer-ului de instructiune (IP- Instruction Program sau PC-Program Counter)- contine adresa de memorie a urmatoarei instructiuni ce trebuie executata;

      registrul indicatorilor de stare si control - contine informatii referitoare la natura rezultatului unei operatii aritmetice(13 indicatori pentru 80386 si 20 indicatori pentru microprocesorul 80486);

 Observatie.Microprocesorul 80386 utilizeaza in plus inca doua registre de segment FS si GS.

 Pentru a executa o instructiune, in sistemul de calcul au loc urmatoarele evenimente:

- P depune pe magistrala de date valoarea din registrul IP;

- P depune pe magistrala de comenzi comanda de citire din memorie;

- memoria interna preia de pe magistrala de date valoarea care a fost stocata din IP;

     - este cautata adresa data de aceasta valoare si se preia continutul ce va fi stocat pe  magistrala de date;

       - P depune pe magistrala de comenzi comanda de terminare a citirii din memorie;

- P citeste de pe magistrala de date valoarea stocata anterior si executa  instructiunea  codificata prin aceasta valoare;

       - valoarea din registrul IP este incrementata cu o unitate. 

     Fizic, microprocesorul este construit din circuite integrate (module) numite cip-uri (chips in engleza) care inglobeaza Ucc, Ual, MP  si se afla pe asa-numita placa de baza in interiorul unitatii de sistem ( system unit). Pe placa de baza se mai afla:

      cipuri de memorie;       circuite VLSI(Very Large Scale Integration)

      coprocesor matematic;           

      cip pentru generatorul de ceas;

      cip pentru sunet;

      cip pentru accesul direct la memorie;

      cipuri pentru controlul dispozitivelor I/O.

        Cele mai importante firme din lume producatoare de microprocesoare sunt:

Intel, Motorola, AMD, Cyrix/IBM, PowerPC, Digital Alpha, Sun Sparc,MIPS,ARM     

      Memoria interna (M)

    Memoria unui sistem de calcul este de mai multe tipuri:

 Din punct de vedere fizic, memoria aflata pe placa de baza a unui calculator este constituita din cateva cipuri de capacitate 4Mb, 8Mb, 16Mb, 32Mb sau maxim 64Mb ce reprezinta memoria principala a sistemului de calcul, ce include o memorie de baza de 640Kb de tip RAM. Oricare ar fi tipul de memorie, aceasta este considerata constituita din celule de memorie (bytes), celula fiind cea mai mica parte a memoriei ce poate fi adresata direct si care reprezinta unitatea de masura a memoriei, 1 celula = 1 byte = 1 octet= 8 biti.

         Celulele de memorie sunt folosite pentru stocarea diferitelor tipuri de informatii (numerice, alfabetice, grafice, sunete, etc.). Evident, in functie de natura informatiei , pentru un tip de informatie, se utilizeaza una sau mai multe celule de memorie. De exemplu, pentru reprezentarea in memorie a numerelor reale se utilizeaza 4, 6, 8 sau 10 celule (bytes), in cazul limbajului de programare Borland Pascal, determinand utilizarea mai multor domenii de valori reale: Single, Real, Double si Comp, Extended, domenii ce se deosebesc prin precizia de calcul pe care o ofera in acest mod.

         Prin urmare, limbajele de programare ofera metode si tehnici diferite pentru reprezentarea informatiilor, determinand precizii de calcul diferite, utilizatorul fiind acela care va decide, in functie de precizia de calcul dorita, limbajul de programare ce trebuie folosit sau programul de calcul ce trebuie apelat. Initial, in standardul Pascal era cuprins doar domeniul Real, celelalte au fost cuprise in conventia  IEEE (Institute for Electrical and Electronics Engineers).