Manipularea datelor

MANIPULAREA DATELOR

1. Unitatea centrala de prelucrare

Circuitele care realizeaza diferite operatii asupra datelor nu sunt conectate direct la celulele memoriei principale. Aceste circuite sunt grupate in unitatea centrala de prelucrare (central processing unit CPU). Unitatea centrala de prelucrare (CPU) se compune din:

unitatea aritmetico-logica (aritmetic/logic unit) contine

circuitele care realizeaza manipularea datelor ;

unitatea de comanda (control unit) contine circuitele

utilizate pentru coordonarea activitatii calculatorului.

Registri (registrele)

Unitatea centrala stocheaza temporar informatiile in celule de memorie specializate denumite registri; aceste celule sunt similare cu celulele memoriei principale a calculatorului.

Acesti registri pot fi calificati ca :

registri de uz general (general purpose registers)

registri speciali (special purpose registers).

Registrii de uz general servesc la stocarea temporara a datelor manipulate de CPU. Ei memoreaza intrarile circuitelor unitatii aritmetico-logice si furnizeaza spatiu pentru memorarea rezultatelor produse de aceasta. Efectuarea unor operatii, cu date stocate in memoria principala, unitatea de comanda trebuie sa transfere datele din memorie in registri de uz general, dupa care 'informeaza' unitatea aritmetico-logica in care registri sunt stocate datele, apoi activeaza circuitele adecvate din unitatea aritmetico-logica si-i comunica acesteia in ce registru sa depuna rezultatul operatiei.

Comentariu

Registrii stocheaza datele imediate necesare pentru realizarea unei operatii.

Memoria principala stocheaza datele care vor fi necesare in scurt timp.

Dispozitivele de stocare de masa sunt utilizate pentru stocarea pe termen lung a datelor.

Memoria cache (cache memory) este o memorie de mare viteza cu timpi de raspuns similari celor ai registrilor unitatii centrale de prelucrare. In memoria cache se stocheaza o copie a acelei portiuni din memoria principala care este utilizata in momentul respectiv. Astfel, transferurile de date care in mod normal s-ar fi facut intre registri si memoria principala se fac intre registri si memoria cache. Modificarile sunt apoi transferate in bloc in memoria principala in momentele libere.

Interfata C P U / Memorie

Transferarea cuvintelor binare intre unitatea centrala a unui calculator si memoria principala se realizeaza prin conectarea acestora printr-un grup de fire denumite magistrala (bus).

Unitatea centrala de prelucrare Memoria principala

Magistrala

Registri

Fig. 1. Arhitectura unitate centrala de prelucrare/memorie principala

Prin intermediul magistralei, unitatea centrala poate sa extraga (sa citeasca)/sa plaseze (sa scrie) date din/in memoria principala, furnizand adresa celulei de memorie dorite, impreuna cu un semnal de citire. Analizand acest mecanism, observam ca presupune atat implicarea unitatii de comanda cat si a unitatii aritmetico-logice.

In fig. .2 este prezentat in detaliu procesul adunarii a doua valori stocate in memorie.

Pasul 1. Se citeste din memorie una din valorile care trebuie

adunate si se plaseaza intr-un registru.

Pasul 2. Se citeste din memorie cealalta valoare care trebuie

adunata si se plaseaza intr-un alt registru.

Pasul Se activeaza circuitul de adunare, avand ca intrari

registrii utilizati in pasii 2 si 2.

Pasul 4. Se stocheaza rezultatul in memorie.

Pasul 5. Stop.

Fig. 2. Adunarea unor valori stocate in memorie

Instructiuni in cod masina

Instructiunile prezentate in fig. 2 reprezinta instructiuni executabile de catre unitatea centrala de prelucrare si poarta denumirea instructiuni in cod masina (machine instructions).

Cand ne referim la instructiunile cunoscute de un calculator, observam ca ele pot fi clasificate in trei categorii (grupe): instructiuni de transfer de date, instructiuni aritmetico-logice, instructiuni de control.

Instructiuni de transfer de date

Instructiuni care realizeaza deplasarea datelor dintr-un loc in altul, dar fara disparitia lor din pozitia initiala. Pasii 1, 2 si 4 din fig. 2 intra in aceasta categorie. Termenii transfer sau mutare sunt mai putin adecvati; mai exact ar fi copiere sau clonare.

Cererea de incarcare a unui registru de uz general cu continutul unei celule de memorie este desemnata de o instructiune LOAD, iar transferul continutului unui registru intr-o celula de memorie se face prin intermediul unei instructiuni STORE.

In fig. 2 pasii 1 si 2 reprezinta instructiuni LOAD, iar pasul 4 este o instructiune STORE.

O parte importanta a instructiunilor de transfer se refera la operatii (comenzi) intre dispozitive in afara CPU si a memoriei interne. Aceste instructiuni se ocupa de operatiile de intrare / iesire (input/ output - I/O) din calculator si uneori plasate intr-un grup distinct de instructiuni.

Instructiuni aritmetice si logice

Instructiunile care indica unitati de comanda sa solicite unitatii aritmetico-logice efectuarea unei anumite operatii. Pasul 3 din fig. 2 face parte din aceasta categorie de instructiuni.

Operatiile logice posibile de efectuat sunt: AND, OR si XOR. Operatii care realizeaza deplasarea la dreapta sau la stanga a continutului registrilor: SHIFT, ROTATE.

Instructiuni de control

Instructiuni care nu manipuleaza date, ci dirijeaza modul de executie al programelor. Pasul 5 din fig. 2 face parte din aceasta categorie ca un caz elementar.

Aceasta familie de instructiuni contine si instructiunile de salt (JUMP, BRANCH) care realizeaza actiune ca unitatea de comanda sa execute alta instructiune decat cea care urmeaza. Exista doua variante de instructiuni de salt: salt neconditionat si salt conditionat. Ca exemplu, pentru saltul conditionat prezentam secventa urmatoare:

Pasul 1. Se incarca (LOAD) un registru cu o valoare din memorie.

Pasul 2. Se incarca (LOAD) alt registru cu alta valoare din memorie.

Pasul Daca a doua valoare este zero salt (JUMP) la pasul 6.

Pasul 4. Se imparte continutul primului registru la continutul celui

de-al doilea registru si se depune rezultatul in al treilea

registru.

Pasul 5. Se stocheaza (STORE) continutul celui de-al doilea registru

in memorie.

Pasul 6. Stop.

Fig. Impartirea a doua valori stocate in memorie

Saltul conditionat se utilizeaza cand se doreste indeplinirea unei anumite conditii.

Primele calculatoare erau foarte putin flexibile, deoarece programul executat de fiecare dispozitiv era cablat in unitatea de comanda, ca o parte a sistemului.

Una din solutiile utilizate la primele calculatoare electronice, pentru a dobandi mai multa flexibilitate, a constituit-o proiectarea unitatilor de control, astfel incat diversele blocuri sa poata fi reconectate dupa nevoie. Acest lucru se poate realiza utilizand o placa de conexiuni realizate pe principiul placilor de comutare (utilizate in centralele telefonice).

2.- Alte instructiuni

Pentru a avea o perspectiva mai larga, sa studiem si alte alternative la arhitectura de calculator prezentata.

Arhitecturi CISC si RISC

Proiectarea unui limbaj-masina implica luarea multor decizii, una dintre ele fiind sa construim:

o structura complexa care sa poata decodifica si executa o larga varietate de instructiuni;

o masina mai simpla care sa dispuna de un set limitat de instructiuni.

Prima structura se numeste calculator cu set complex de instructiuni (complex instruction set computer - CISC), iar a doua optiune conduce la realizarea unui calculator cu set restrans de instructiuni (reduced instruction set computer - RISC).

Cu cat structura procesorului este mai complexa cu atat mai simpla este programarea, in timp ce in cazul calculatorului mai simplu aceeasi operatie ar necesita o secventa de mai multe instructiuni. Pe de alta parte, structurile complexe sunt mai greu si mai scump de realizat, utilizarea lor fiind mai costisitoare.

In prezent pe piata exista atat procesoare CISC cat si RISC. Procesorul Pentium (Intel Corporation) reprezinta un exemplu de arhitectura CISC; seriile de procesoare Power PC (dezvoltate de Apple Computer IBM si Motorola) urmeaza arhitectura RISC.

Prelucrare simultana

Exista o limita in ceea ce priveste dezvoltarea calculatoarelor foarte rapide, semnalele electrice se propaga prin circuite cu maximum viteza luminii. Chiar si viitoarele 'calculatoare optice' sunt afectate de aceasta limitare.

Deoarece lumina (unda electromagnetica) parcurge o distanta de aproximativ 30 de cm. intr-o nanosecunda (o miliardime de secunda), rezulta ca sporirea vitezei de executie (lucru) a unui calculator devine in ultima instanta o problema de miniaturizare. Intr-un efort de rezolvare a acestei probleme, cercetarea si-a indreptat atentia asupra conceptului de capacitate de transfer (throughput). Capacitatea de transfer se refera la cantitatea totala de operatii pe care le poate efectua calculatorul intr-un anumit timp.

Imbunatatirea capacitatii de transfer a unui calculator (fara cresterea vitezei de executie) este tangibila prin tehnica de prelucrare simultana (pipelining). Aceasta metoda se refera la posibilitatea ca in orice moment, in conducta (pipe) sa se afle mai multe instructiuni 'in lucru'. O instructiune este executata, alta este decodificata si inca o alta este extrasa din memorie.

Datorita 'prelucrarii' in acelasi timp a 3 instructiuni, capacitatea de transfer a calculatorului creste de 3 ori.

Calculatoare -multiprocesor

Alte solutii pentru cresterea capacitatii de transfer fac parte din categoria prelucrarii paralele (parallel processing), in care se utilizeaza mai multe procesoare pentru executarea operatiei curente. Argumentul in favoarea acestei abordari il reprezinta creierul uman.

Sustinatorii prelucrarii paralele se pronunta in favoarea calculatoarelor-multiprocesor, care contin, in opinia lor, configuratii cu un factor de utilizare mult mai ridicat.

- Instructiuni aritmetice si logice

Grupul operatiile aritmetice si logice contine instructiuni care solicita operatii aritmetice, logice si de deplasare.

Operatii logice

Operatiile logice AND (SI), OR (SAU), XOR (SAU echivalent) se pot extinde la operatii care combina doua siruri de biti pentru a produce o iesire de forma unui sir de biti, aplicand operatia elementara bit cu bit.

Exemplu 1 0 0 1 1 0 1 0

AND 1 1 0 0 1 0 0 1

1 0 0 0 1 0 0 0

1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0

OR 1 1 0 0 1 0 0 1 XOR 1 1 0 0 1 0 0 1

1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1

Operatia AND este utilizata la mascare (masscing).

Exemplu 0 0 0 0 1 1 1 1

AND 1 0 1 0 1 0 1 0 operand masca (mask)

In acest caz operandul denumit masca (mask) determina care parte a celuilalt operand va afecta rezultatul.

Deci operatia AND permite copierea unei parti a unui sir de biti, plasandu-se 0 in partea neduplicata.

Operatia OR poate fi utilizata si ea pentru a copia o parte a unui sir de biti, plasandu-se insa pe pozitiile neduplicate.

Una din utilizarile principale ale operatiei XOR o reprezinta compunerea complementului unui sir de biti, astfel:

1 1 1 1 1 1 1 1

XOR 1 0 1 0 1 0 1 0

0 1 0 1 0 1 0 1

Operatii de rotire si deplasare la nivel de bit

Operatiile de rotire si deplasare furnizeaza posibilitatea de deplasare a bitilor dintr-un registru si sunt folosite la rezolvarea problemelor de aliniere. Aceste operatii sunt clasificate dupa directia de miscare (stanga/dreapta), tinandu-se cont si daca procesul este circular.

Daca se face deplasarea catre un capat al sirului de biti, bitul de la capatul spre care se face deplasarea dispare, iar la celalalt capat al sirului apare un spatiu liber.

Operatiunile de deplasare se diferentiaza tocmai prin ceea ce se intampla cu acest bit suplimentar in urma deplasarii.

Una din tehnicile de deplasare este sa se plaseze bitul suplimentar in spatiul liber de la celalalt capat. Rezultatul este o deplasare circulara, denumita rotatie.

Alta tehnica de deplasare elimina bitul de la capatul sirului spre care se face deplasarea si completeaza cu 0 spatiul liber aparut la celalalt capat, adica realizeaza o deplasare logica (logical shift).

Se intalnesc adesea deplasari la dreapta care completeaza intotdeauna spatiul liber, cu valoarea bitului de semn; acestea se numesc deplasari aritmetice (arithmetic shift).

Operatii aritmetice (precizari suplimentare)

Aceste operatii pot fi adesea efectuate utilizand doar operatia de adunare, alaturi de negarea logica.

In cazul adunarii:

• daca valorile care trebuie adunate sunt stocate utilizandu-se notatia in complement fata de doi, operatia de adunare trebuie realizata ca o operatie de adunare in binar ;

daca operanzii sunt stocati utilizandu-se notatia in virgula mobila pentru adunare, trebuie mai intai efectuata extragerea mantiselor operanzilor, deplasarea acestora la stanga sau la dreapta in functie de valoarea campurilor exponentilor, verificarea bitilor de semn, adunarea propriu-zisa si apoi convertirea rezultatului in virgula mobila.

In cazul celor 2 operatii de adunare, din punctul de vedere al calculatorului intre ele nu exista nici o similitudine.

4. Comunicatia intre calculator si dispozitivele periferice

C o n t r o l e r e

Comunicatia dintre unitatea centrala de prelucrare a unui calculator si un dispozitiv periferic este controlata de un dispozitiv intermediar, denumit controler (controller). Fiecare controler gestioneaza comunicatia cu un anumit tip de dispozitiv periferic. Un controler corespunde fizic unei placi cu circuite electrice / electronice.

Controler-ul converteste mesajele si datele la forme compatibile cu caracteristicile interne ale calculatorului respectiv la cele ale dispozitivelor periferice atasate controlerului.

Controlerele sunt atasate la aceeasi magistrala care conecteaza unitatea centrala la memoria principala (vezi fig. 4.).

			Memoria principala

C  P U

Magistrala

Controler

Fig. 4. Conectarea controlerelor la magistrala unui calculator

Fiecare controler monitorizeaza semnalele transmise de unitatea centrala de prelucrare si raspunde atunci cand ii este adresat un semnal. Abilitatea (facilitatea) unui controler de a accede la memoria principala a calculatorului poarta numele de acces direct la memorie (direct memory access - D M A). Unitatea centrala poate trimite controlerului cereri codificate prin care sa-i ceara sa citeasca un anumit sector de pe disc si sa plaseze aceste date intr-o anumita zona de memorie precizata.

Apoi CPU poate continua executia altor operatii in timp ce controlerul efectueaza cererea solicitata. Dupa terminarea sarcinii atribuite, controlerul transmite prin magistrala calculatorului un anumit semnal catre CPU (astfel de semnale iau forma de intreruperi si vor fi studiate in cap. Sistemul de operare).

Un bloc de memorie utilizat pentru transferul datelor spre si dinspre dispozitivele periferice poarta numele de zona-tampon (buffer). Atasarea controlerelor in magistrala unui calculator mareste semnificativ complexitatea operatiilor de control al comunicatiei de-a lungul acestei cai principale de comunicatie.

Chiar in cazul unei proiectari foarte bune, magistrala principala poate deveni un punct critic, cunoscut sub numele de gatuirea von Neumann (von Neumann bottleneck), se datoreaza concurentei pentru accesul la magistrala intre unitatea centrala de prelucrare si controlere.

Comunicatia intre unitatea centrala si controlere

Comunicatia intre unitatea centrala de prelucrare si un controler este verificata la fel ca si comunicatia dintre CPU si memoria principala.

Practic, controlerul este reprezentat de un bloc de celule din memoria principala. Atunci cand CPU scrie un sir de biti intr-o celula de memorie din cadrul blocului de memorie (ex. instructiunea STORE), sablonul este transferat de fapt controlerului si nu memoriei. Similar, atunci cand CPU incearca sa citeasca date dintr-una din celulele de memorie (instructiune LOAD), ea primeste un sir de biti de la controler. Acest sistem de comunicatie, denumit mapare in memorie a operatiilor de intrare/iesire (memory mapped I/O) este reprezentata de fig. 5.

Memorie principala

C  P U

Magistrala

Dispozitiv periferic

Controler

Fig. 5. Reprezentarea principala a maparii in memorie a operatiilor de I / O

Blocul de adrese asociate unui controler este denumit port, el reprezentand 'poarta' prin care informatiile intra sau ies din calculator.

Intre controler si dispozitivul periferic pe care-l controleaza are loc o comunicare in ambele sensuri. Daca n-ar exista o cale de comunicatie in ambele sensuri intre calculator si imprimanta (de exemplu), imprimanta ar ramane foarte repede in urma.

Comunicatia seriala si paralela

Comunicatia dintre diferite parti ale unui sistem de calcul se efectueaza intr-una dintre cele doua forme elementare paralela sau periala. Este vorba de modul de transfer al sirurilor de biti.

In cazul comunicatiei paralele (parallel communication), toti bitii dintr-un sir sunt transferati simultan, fiecare pe o linie separata. In acest mod se realizeaza transferul rapid al datelor, dar este necesara o linie de comunicatie cu un numar mare de cabluri electrice.

Comunicatia seriala (serial communication) se bazeaza pe transmiterea sirului bit cu bit. Aceasta metoda este mai lenta, dar linia de comunicatie este mai simpla.

Un exemplu obisnuit il reprezinta liniile telefonice, informatiile digitale fiind convertite in semnale audio cu ajutorul unui dispozitiv numit modem (modulator-demulator). Datorita limitarilor impuse de caracteristicile sistemului telefonic existent, o astfel de comunicatie nu se poate realiza prin tehnicile de comunicatie paralela.

Viteza comunicatiei seriale se masoara in biti pe secunda (bps), iar domeniul de variatie se situeaza intre cateva sute de biti pe secunda si milioane de biti pe secunda.

O alta unitate folosita este rata band (band rate); ea se refera la viteza cu care se schimba starea liniei pe care are loc comunicatia.

Pentru cresterea eficientei transferurilor de date (inclusiv stocarea datelor) se poate folosi si compresia de date (data compression), respectiv reducerea numarului de biti necesar pentru reprezentarea informatiilor.

In cazul reprezentarii unor siruri de caractere se poate recurge la un cod Hoffman (cod dependent de frecventa). In cadrul acestui cod, lungimea unui sir de biti care reprezinta un caracter sa fie invers proportionala cu frecventa de utilizare a caracterului.

In acest fel se obtine o reprezentare mai scurta a textului decat daca am utiliza un cod de lungime uniforma (codul ASCII).

Eforturile de standardizare a tehnicilor de compresie a datelor au dus la includerea acestora in multe din modemurile existente in prezent pe piata. Atunci cand doua modemuri comunica intre ele utilizand scheme de compresie compatibile, modemul emitator comprima datele inainte de a efectua transmisia, iar modemul receptor decomprima datele dupa receptionarea lor.

Folosind asemenea solutii, modemurile pot obtine rate de transfer echivalente cu 56700 bps, chiar daca de fapt sunt transmisi numai 14400 biti pe secunda, la o rata band de 1200.

5. Intrebari si teste

I. Descrieti deosebirea dintre registrii si memoria cache a PC-ului (din punct de vedere al

functiunilor).

In registrii se memoreaza datele si in memoria cache se memoreaza instructiunile.

II. Care din afirmatiile despre instructiunile de transfer de date este adevarata:

manipuleaza date

dirijeaza modul de executie a programelor

realizeaza operatii de intrare / iesire respectiv in / din calculator

III. Cand structura (arhitectura ) unui procesor este mai complexa :

realizarea programelor pentru el este mai simpla (mai putine instructiuni)

preturile de realizare sunt mai mari

realizarea programelor pentru el este mai complexa (mai multe instructiuni)

IV. Care dintre afirmatiile despre instructiunile de control este falsa :

dirijeaza modul de executie al programelor

manipuleaza date

efectueaza anumite operatii aritmetice sau logice

V. Precizati deosebirea dintre instructiunile de transfer date si instructiunile aritmetico-logice

Instructiunile de transfer de date dau comenzi catre unitatile de stocare periferice ( hard disc discheta) pe cand instructiunile aritmetico logice sunt transmise catre procesor.

VI. Descrieti modul de lucru al instructiunii de control

Instructiunile de control sunt Instructiuni care nu manipuleaza date, ci dirijeaza modul de executie al programelor. Aceasta familie de instructiuni contine si instructiunile de salt (JUMP, BRANCH) care realizeaza actiune ca unitatea de comanda sa execute alta instructiune decat cea care urmeaza. Exista doua variante de instructiuni de salt: salt neconditionat si salt conditionat.

VII. Comparati instructiunile CISC si RISC (avantaje si dezavantaje)

Prima structura se numeste calculator cu set complex de instructiuni (complex instruction set computer - CISC), iar a doua optiune conduce la realizarea unui calculator cu set restrans de instructiuni (reduced instruction set computer - RISC). RISC fata de CISC are un set de operatii limitate; poate rasp decat la un nr limitat de comenzi. Procesoarele risc sunt proiectate pt anumite aplicatii, ele sunt dedicate. Un CISC este un procesor general ( poate fi folosit intr-un sis audio, imprimanta- are o versatilitate mai mare). RISC este proiectat efectiv pt o anumita aplicatie.