Structura unui calculator electronic si modul de functionare a acestuia

Structura unui calculator electronic si modul de functionare a acestuia

Un sistem electronic de calcul constituie un ansamblu functional destinat prelucrarii automate a datelor furnizate de utilizatori in scopul obtinerii informatiilor. Pentru realizarea acestui obiectiv, acesta are nevoie atat de echipamente (componentele hardware), cat si de un set de programe (componentele software) care determina prelucrarile care se fac asupra datelor prin intermediul componentelor fizice ale sistemului de calcul.

Componentele unui sistem de calcul pot apartine uneia dintre urmatoarele categorii:

Hardware

Software

Hardware-ul reprezinta componenta fizica a unui sistem de calcul, adica ansamblul de echipamente care alcatuiesc sistemul de calcul. Ele sunt formate din calculatorul propriu-zis si echipamentele periferice si sunt folosite pentru culegerea, stocarea, prelucrarea, redarea si transmiterea rezultatelor.

Software-ul reprezinta ansamblul de programe care fac posibila realizarea functiei sistemului de calcul, de prelucrare a informatiilor, si care constituie suportul logic de functionare a unui sistem de calcul. Intr-o traducere mot à mot, software-ul inseamna "partea moale" a calculatorului, spre deosebire de hardware, "partea tare". Componenta software a unui sistem de calcul cuprinde la randul ei programe grupate in mai multe categorii, dupa natura problemelor pe care le rezolva. Comenzile sunt date echipamentelor prin intermediul unor programe speciale, numite programe de baza (software de baza). Ele formeaza sistemul de operare al calculatorului si sunt memorate pe suporturi magnetice sau optice, de unde sunt incarcate in memoria interna. O parte din programe sunt permanent rezidente in memoria interna si formeaza nucleul sistemului de operare. In afara celor doua elemente pentru realizarea prelucrarilor mai sunt necesare programele de aplicatii (software de aplicatii) care sunt specifice problemelor utilizatorilor si datelor supuse prelucrarii.

1. Componenta hardware a sistemului electronic de calcul

Termenul de calculator electronic se refera la un sistem de calcul care indeplineste urmatoarele conditii:

dispozitivele de lucru sunt realizate din circuite electronice;

are memorie interna capabila sa memoreze date si programe;

efectueaza prelucrari in mod automat pe baza unui program.

In functie de procedeul de reprezentare a informatiei si de suportul fizic al informatiei, calculatoarele se clasifica in:

calculatoare analogice;

calculatoare numerice;

calculatoare hibride.

In sistemele de calcul analogice , informatia este codificata sub forma unor marimi fizice (intensitatea curentului electric, tensiunea, etc). Aceasta teorie a dus la aparitia calculatoarelor analogice care au constituit o generatie raspandita pe la mijlocul secolului 20.

Spre deosebire de sistemele de calcul analogice, sistemele de calcul numerice codifica informatia sub forma discreta (numerica). Calculatorul numeric 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, avand la baza un algoritm de prelucrare. Datorita modului de realizare a componentelor constructive si a logicii de functionare a sistemelor de calcul numerice, informatia este reprezentata utilizand baza de numeratie 2. Codificarea binara folosita pentru reprezentarea interna a informatiei in sistemele de calcul determina natura componentelor constructive care actioneaza asupra acesteia. Unitatea elementara de reprezentare a informatiei este cifra binara, care poate lua doua valori: 0 sau 1. Aceasta pozitie binara furnizeaza o cantitate de informatie de 1 BIT. In functie de natura informatiei ce se codifica si de dispozitivele care manevreaza informatia in sistemele de calcul numerice, se utilizeaza mai multe moduri de codificare a informatiei. In toate cazurile insa este vorba de o reprezentare binara a informatiei.

Calculatoarele hibride imbina procesarea informatiilor reprezentate in forma numerica cu cele reprezentate in forma analogica, comunicarea intre componentele discrete si cele analogice ale calculatorului realizandu-se prin intermediul convertoarelor analogo-numerice si a celor numerico-analogice.

Dintre aceste trei categorii de calculatoare, de cea mai larga raspandire se bucura calculatoarele numerice datorita avantajelor lor: precizia reprezentarii si prelucrarii datelor, universalitatea claselor de probleme.

Structura unui calculator numeric a fost definita in anul 1945 de catre John von Neumann. Astfel, in proiectul primului calculator cu program memorat, cu prelucrarea secventiala a instructiunilor si datelor, memorate impreuna in aceeasi forma si accesibile in acelasi mod (EDVAC - Electronic Discrete VAriable Computer) sunt precizate urmatoarele componente ale unui calculator electronic: unitatea aritmetica, unitatea centrala de control, unitatea de intrare, unitatea de memorie, unitatea de iesire. Aceasta structura se regaseste, intr-o forma sau alta, si la calculatoarele actuale. Se considera ca aceste calculatoare sunt cu arhitectura von Neumann.

In structura unui calculator distingem doua categorii de componente:

unitatea centrala

echipamentele periferice.

UNITATEA CENTRALA constituie componenta de baza a sistemului de calcul si este formata din:

unitatea aritmetico-logica (UAL) capabila sa efectueze operatiile aritmetice si logice;

unitatea de comanda si control (UCC) care dirijeaza functionarea intregului ansamblu, dand comenzi celorlalte componente.

memoria interna care pastreaza programele si datele in curs de prelucrare.

ECHIPAMENTELE PERIFERICE asigura comunicatia calculatorului cu lumea inconjuratoare. Se disting urmatoarele categorii de echipamente periferice:

echipamente periferice de intrare care permit citirea datelor (introducerea datelor in sistem): tastatura, mouse, cititorul optic

echipamente periferice de iesire cu ajutorul carora se extrag rezultatele sub o forma accesibila omului: imprimanta, ecran de afisare etc.

echipamente periferice de stocare care dispun de unitati de memorie auxiliara capabile sa stocheze, sub o forma direct accesibila calculatorului, mari cantitati de date: unitati de disc magnetic, unitati CD-ROM etc.

echipamente periferice de comunicatie care permit transmiterea datelor la distanta prin intermediul liniilor de comunicatie: cuplor, modem, etc.

Structura de principiu a unui calculator electronic se prezinta astfel:

Fig. nr. Structura de principiu a unui calculator electronic

Functiile active, de prelucrare si control sunt realizate de UAL si UCC. De aceea se considera ca ele sunt componentele unitatii centrale de prelucrare (procesor). In literatura de specialitate se intalnesc si alte opinii cu privire la structura calculatoarelor electronice. Astfel, se considera ca unitatea centrala de prelucrare cuprinde memoria interna si procesorul (UCC+UAL).

La unitatea centrala de prelucrare se pot conecta diferite echipamente periferice, module de memorie, unitati de interfata si se obtin calculatoare avand diferite configuratii. Prin urmare, multimea tuturor componentelor care sunt asamblate si conectate pentru a realiza un sistem de calcul definesc configuratia sistemului de calcul respectiv.

Configuratia de baza reprezinta numarul minim de componente necesare pentru ca sistemul de calcul sa fie operational. Adaugarea unor componente suplimentare este oricand posibila pana la o limita admisa de unitatea centrala de prelucrare. Astfel, se poate realiza o configuratie ce corespunde cel mai bine necesitatilor utilizatorilor si posibilitatilor financiare ale acestora.

Chiar daca este vorba de calculatoare din clase diferite, ele se pot incadra in aceeasi arhitectura. Arhitectura este un concept mai general care defineste componentele sistemului de calcul din punct de vedere al functiilor, al performantelor si al compatibilitatii dintre ele. Arhitectura unui sistem de calcul defineste un ansamblu integrat de componente functionale, privite ca un tot unitar si avand ca scop realizarea unor functii la un anumit nivel de performanta.

Arhitectura discutata pana aici se refera la sisteme de calcul monoprocesor. Ele au cea mai mare raspandire. Elementele constitutive ale sistemelor monoprocesor sau chiar sistemele monoprocesor in intregime pot fi folosite ca blocuri functionale in realizarea unor organizari superioare. Este vorba de sisteme multiprocesor care presupun doua sau mai multe unitati de prelucrare identice sau diferite, fiecare considerandu-le pe celelalte la nivelul canalelor de intrare/iesire.

2. Componenta software a sistemului elctronic de calcul

Una din caracteristicile calculatoarelor electronice este efectuarea automata a prelucrarilor pe baza de program inregistrat. Programul este un ansamblu de instructiuni care realizeaza a anumita sarcina. Ansamblul programelor (software) permite utilizarea echipamentelor. Se disting trei mari categorii de software: software de baza, software de aplicatii, software intermediar.

Software-ul de baza (programele de baza) formeaza, in principal, sistemul de operare al calculatorului si este specific fiecarui tip de echipament. Asigura functionarea eficienta a resurselor fizice si logice ale sistemului. Calculatorul dispune de doua tipuri de resurse:

o resurse fizice, adica componentele hardware: procesorul, memoria interna, sistemul de intrare-iesire;

o resurse logice, adica componentele software: programele si datele.

Software-ul de aplicatii (programele de aplicatii) este specific problemelor rezolvate de utilizatori si este realizat fie de specialisti in programare, fie de utilizatori.

Odata cu extinderea utilizarii microcalculatoarelor a aparut un nou tip de software, numit software intermediar. Este vorba de instrumente software specializate (procesoare de texte, programe de calcul tabelar, programe de grafica etc.) care pot fi utilizate foarte usor si rapid in aplicatii.

Software de baza

Daca initial software-ul de baza se identifica cu sistemul de operare, odata cu noile evolutii in domeniu, apar diverse nuantari, incat putem distinge trei mari componente:

sistemul de operare propriu-zis;

programele utilitare;

programele de traducere.

Explicatia consta in faptul ca odata cu dezvoltarea si multiplicarea unei componente ea tinde sa devina independenta si trebuie tratata ca atare.

De obicei, software-ul de baza este pus la punct de firma constructoare a calculatorului si se livreaza odata cu acesta.

Sistemul de operare asigura exploatarea echipamentelor si difera in functie de tipul si marimea calculatoarelor. De obicei, un sistem de operare cuprinde:

incarcatoare de programe destinate introducerii in sistem a programelor de executat;

monitoare si supervizoare care asigura inlantuirea derularii lucrarilor, controleaza operatiile de intrare-iesire, semnaleaza incidentele de functionare;

programe care usureaza realizarea unor operatii curente cum sunt: formatare discuri, copiere fisiere, stergeri fisiere etc.

Calitatea sistemului de operare conditioneaza eficienta si performantele calculatorului. Un echipament foarte performant, dar cu un sistem de operare slab, va avea performante de utilizare mediocre.

Programele utilitare sunt programe specializate, livrate odata cu sistemul de operare sau separat de acesta, care extind o serie de facilitati ale sistemului de operare. Ele corespund unor functii bine definite ce se intalnesc frecvent. Numarul utilitarelor este azi impresionant si nu se poate face a clasificare riguroasa a lor. Dintre ele amintim urmatoarele tipuri:

utilitarele care extind suprafata cu utilizatorul (Norton Commander, Windows Explorer, Windows Commander, Dos Navigator)

utilitare care vin in sprijinul utilizatorului avansat, cum este, de exemplu, inginerul de sistem (Norton Disk Doktor, PC Tools, Norton Utilities etc.);

utilitare de arhivare-dezarhivare a datelor, utilizate pentru micsorarea dimensiunilor fisierelor fara pierderi de informatii (ARJ, PKZIP si PKUNZIP, WinRAR, WinZIP etc.);

utilitare de depistare si inlaturare a virusilor (numarul si varietatea acestora sunt impresionante - Norton Antivirus, Doctor Web, AVP, Virus Scan, Doctor Panda);

utilitare de optimizare a discurilor care optimizeaza amplasarea datelor pe disc in vederea reducerii duratei de acces la informatii (Disc Defragmenter, SpeedDisk);

utilitare de diagnosticare pentru determinarea configuratiei si testarea functionarii calculatorului (Check-It, Ndigs).

Programele traducatoare (translatoare) au rolul de a converti programele scrise de utilizatori intr-un anumit limbaj de programare (Basic, Fortran, Cobol, Pascal, C, etc.) in formate accesibile calculatorului (in cod-masina, respectiv in cod binar).

Pentru scrierea programelor sunt utilizate limbajele de programare, limbaje artificiale create de om care servesc la exprimarea, sub forma de instructiuni executabile de catre calculator, a algoritmului de rezolvare a unei probleme. Algoritmul indica modul de prelucrare a datelor initiale si modificarea lor pas cu pas pana la obtinerea rezultatelor finale. Exista cateva categorii de limbaje de programare: limbaje cod-masina (in care toate instructiunile sunt numerice - siruri de 0 si 1, fiind redactate plecand de la un cod binar propriu fiecarui calculator), limbaje de asamblare (limbaje orientate masina - instructiunile in limbaj de asamblare corespund instructiunilor in limbaj masina conform modelului de calculator utilizat; aceste limbaje permit utilizarea de abrevieri alfabetice - mnemonice, mai usor de memorat decat adresele scrise in binar), limbaje de nivel inalt sau evoluate (limbaje care nu depind de tipul calculatorului pe care ruleaza, nu corespund unei anumite familii de calculatoare si la care instructiunile sunt mai apropiate de limbajul uman (de exemplu, Fortran, Pascal, C, Cobol, Basic, Ada, Prolog, LISP, Algol, Java), limbaje de nivel foarte inalt, aparute in primul rand pentru utilizatorii nespecialisti, numiti si utilizatori finali si care se caracterizeaza prin neproceduralitate (utilizatorul trebuie sa-i spuna calculatorului ce sa faca si nu cum sa faca).

Programul scris intr-un limbaj de programare se numeste program sursa, iar limbajul sau, limbaj sursa. Codificarea programului este efectuata de traducator (translator). Fiecare instructiune a programului sursa este tradusa de translator intr-un grup de instructiuni cod-masina. In functie de destinatia functionala, translatorul poate fi asamblor, compilator sau interpretor.

Asamblorul este translatorul de programe scrise in limbaje de asamblare.

Prin compilare, programul sursa este tradus mai intai intr-un format obiect (program obiect). Acesta este un format intermediar care este completat cu module din biblioteci si consolidat prin editarea de legaturi (cu editorul de legaturi), din care rezulta programul in format executabil. Acesta poate fi oricand incarcat in memoria interna de la o anumita adresa si pus in executie.

Fig. nr. 2.2. Translatarea programelor prin compilare

Odata pus in format executabil, programul poate fi oricand incarcat si pus in executie. Deci, traducerea programului sursa se realizeaza o singura data, iar executia este independenta de fazele anterioare.

Interpretarea presupune traducerea instructiune cu instructiune a programului la fiecare executie a acestuia. De aceea este o modalitate mai putin eficienta decat compilarea.

Translatorul, ca program, este dedicat unui anumit limbaj sursa si unui anumit tip (familie) de calculatoare. De exemplu:

compilatoare: COBOL, FORTRAN, PASCAL, C.

interpretoare: BASIC.

Software-ul de aplicatii

Programele de aplicatii sunt proiectate pentru a rezolva probleme specifice utilizatorilor. Corespund urmatoarelor domenii de activitate:

contabilitate, gestiune stocuri, gestiune personal etc. Sunt aplicatii caracteristice informaticii clasice care prelucreaza informatii bine structurate.

elaborarea planurilor de investitii, planuri de marketing etc. Sunt aplicatii destinate sprijinirii procesului decizional si opereaza chiar cu informatii semistructurate sau slab structurate.

calcule tehnice: rezistenta materialelor, prelucrari statistice etc.

Un program de aplicatii poate fi realizat, in conditiile concrete ale unei intreprinderi sau poate fi cumparat "la cheie" de la o anumita unitate specializata. In ultimul caz este vorba de produse-program comercializate. Actualmente, piata produselor program este in plina dezvoltare, atat in privinta software-ului de aplicatii, cat si a instrumentelor software specializate.

Instrumentele software specializate, aparute odata cu microcalculatoarele, permit utilizatorilor sa-si rezolve problemele fara a cunoaste metodele informatice sau limbajele de programare. Sunt mijloace de lucru specifice utilizatorului final. In aceasta categorie se incadreaza: procesoarele de texte (WordPerfect, Word, AmiPro etc.), programele de calcul tabelar (Lotus 1-2-3, Excel, Quattro Pro etc.), programele de grafica (Corel Draw, Harvard Graphics, PowerPoint etc.) si instrumentele software integrate (Works, Symphony, Microsoft Office, Perfect Office).

3. Unitatea centrala - structura si functionare

Unitatea centrala a calculatorului cuprinde memoria principala, unitatea de comanda si control si unitatea aritmetico-logica. Intre componentele unitatii centrale, precum si intre acestea si echipamentele periferice se realizeaza permanent schimburi de date si comenzi, mediate fizic de conductorii electrici care vehiculeaza informatia sub forma de impulsuri. Unitatea de comanda si control coordoneaza functionarea intregului sistem, stabilind legaturi prin schimburi de informatii si transmiterea de ordine si comenzi.

Schema functionala a unui calculator electronic pune in evidenta foarte bine aceste legaturi ( fig. nr. 2.3.).

Fig. nr. 2.3. Schema functionala a unui calculator electronic

Oricare ar fi datele prelucrate, structurate, stocate etc., ele circula in sistem sub forma unor impulsuri electrice ce tranziteaza circuitele. Din ratiuni tehnice, circuitele electronice au doua stari distincte (deschis, inchis; doua nivele distincte de tensiune, etc.). Cele doua stari distincte corespund cifrelor binare 0 si 1. Toate caracterele (alfabetice, numerice, speciale etc.) vor fi reprezentate in sistem sub forma unor combinatii de cifre binare 0 si 1.

Toate componentele calculatorului functioneaza sub supravegherea unitatii de comanda si control, singura capabila sa decodifice instructiunile programelor. Unitatea de comanda si control este legata de celelalte componente prin circuite de comanda prin care circula comenzile tot sub forma impulsurilor electrice. Aceste impulsuri declanseaza sau opresc functionarea unitatilor de intrare-iesire, unitatii aritmetico-logice in functie de comenzile decodificate din programul executat. Instructiunile care formeaza programul de executat sunt preluate prin intermediul unitatii de intrare si stocate in unitatea de memorie. Din unitatea de memorie, instructiunile sunt preluate si decodificate de unitatea de comanda si control. Dupa citirea datelor de intrare si stocarea in memorie, unitatea aritmetico-logica, pe baza ordinelor primite de la unitatea de comanda si control executa operatiile de prelucrare indicate asupra operanzilor identificati tot de unitatea de comanda si control prin adrese. Rezultatele obtinute sunt stocate la adresele indicate in unitatea de memorie. Ulterior, ele pot fi vizualizate sau extrase sub comanda unitatii de comanda si control prin intermediul unitatii de iesire.

Unitatea centrala cuprinde UCC, UAL si unitatea de memorie. Schema functionala a unitatii centrale este urmatoarea:

Fig. nr. 2.4. Schema functionala a unitatii centrale

Memoria principala sau memoria interna reprezinta un dispozitiv capabil sa inregistreze informatiile pentru a le furniza apoi sub forma impulsurilor electrice unitatii aritmetico-logice pentru executarea comenzilor primite de la unitatea de comanda si control.

In ultimii ani memoriile semiconductoare domina si sunt utilizate la majoritatea arhitecturilor cunoscute. Informatia este memorata folosind circuite care permit sau nu trecerea curentului electric. Aceste memorii sunt volatile si pentru a nu se pierde informatia au nevoie de o baterie de alimentare proprie sau trebuie sa existe, la nivelul intregului sistem de calcul, un program de intrerupere la avaria de alimentare, care face apel la o baterie suplimentara (sursa de putere neintreruptibila - UPS) pentru salvarea datelor pe un suport de memorie nevolatila. Ele sunt incadrate in doua categorii, dupa tehnologiile de realizare:

memorii bipolare care utilizeaza circuite integrate LSI, VLSI (Large Scale Integration, Very LSI, Wafer Scale Integration) cu tranzistori bipolari;

memorii MOS (Metal Oxide Semiconductor) bazate pe tranzistori cu efecte de camp.

Din punct de vedere al memoriei nu este deosebit de importanta natura informatiei memorate, ci modul de stocare si mai ales regasirea acesteia. Fizic, memoria este constituita din elemente care pot avea doua stari stabile: 0 sau 1. Rezulta ca putem defini memoria ca pe o succesiune de dispozitive logice elementare, capabile sa retina fiecare o valoare binara, adica un bit de informatie.

Functional, memoria poate fi privita ca o insiruire de biti care se caracterizeaza prin valoare si prin pozitia (adresa) lor in aceasta secventa. Prin constructia sistemului de calcul, accesul la informatia din memorie se poate realiza la nivelul unui grup de biti numit locatie de memorie. Locatia de memorie este deci unitatea adresabila a memoriei. Fiecare locatie de memorie se caracterizeaza in mod unic prin adresa ei in memorie si prin cantitatea de informatie pe care o poate memora, masurata in numar de biti; de regula este vorba de un numar de 8 biti, adica de un octet sau de 1 Byte (1B).

In memoria interna pot fi reprezentate toate categoriile de date si informatii indiferent de natura (numerice, alfabetice) cu ajutorul codurilor interne de reprezentare (ASCII - American Standard Code for Information Interchange; EBCDIC - Extended Binary Coded Decimal Interchange Code, UNICODE - UNIversal CODE).

Caracteristicile memoriei sunt urmatoarele:

Lungimea cuvantului este unitatea elementara pentru memorarea si accesarea instructiunilor, operanzilor si adreselor. Ea depinde de tipul calculatorului: 8 biti (la primele microcalculatoare), 16 biti (la primele microcalculatoare IBM-PC), 32 biti, 64 biti

Capacitatea totala a memoriei exprima volumul de informatii care poate fi stocat si se exprima in octeti (bytes) sau multiplii acestora (un octet are dimensiunea de 8 biti si este aproximativ egal cu un caracter), dupa cum urmeaza:

1 Kilooctat (Ko) = 1 Kilobyte (KB) = 2¹⁰ octeti = 1024 octeti;

1 Megaoctet (Mo) = 1 Megabyte (MB) = 2²⁰ octeti = 1048576 octeti;

1 Gigaoctet (Go) = 1 Gigagabyte (MB) = 2³⁰ octeti;

1 Teraoctet (To) = 2⁴⁰ octeti;

1 Petaoctet (Po) = 2⁵⁰ octeti.

Timpul de acces

Orice acces la memorie este precedat de furnizarea de catre procesor a adresei de memorie, unde se va face operatia de scriere sau citire. Timpul de acces la memorie reprezinta intervalul scurs intre momentul furnizarii adresei de catre procesor si momentul obtinerii informatiei. Cand memoria este prea lenta in comparatie cu viteza de lucru a procesorului, pe durata accesului la o locatie de memorie apar, pentru procesor, timpi suplimentari de asteptare. Noile tehnologii de realizare a memoriei urmaresc o scadere a timpului de acces, astfel incat memoria sa lucreze sincron cu procesorul, fara a introduce stari de asteptare. Se exprima, de regula, in nanosecunde (1 ns = 10^-9 secunde).

Ciclul de memorie este intervalul de timp in care se realizeaza scrierea sau citirea unei unitati de informatie in/din memorie sau intervalul de timp dintre doua operatii succesive de scriere sau citire. Se exprima in microsecunde sau nanosecunde.

Costul memoriei interne este pretul memoriei raportat la capacitatea de memorare si depinde direct de tehnologia utilizata. Utilizarea memoriilor electronice a antrenat o importanta scadere a costului. Ca efect, calculatoarele au putut fi dotate cu memorii principale de capacitate mare.

Din punctul de vedere al accesului si al modului de functionare, memoria interna este structurata in:

memoria ROM;

memoria RAM.

Memoria ROM (Read Only Memory) este folosita pentru memorarea unor functii sistem sau a unor componente specifice echipamentului cu rol in lansarea sistemului de operare (de exemplu BIOS-ul). Contine circuite de memorie al carui continut este programat si nu poate fi schimbat de utilizator. Ele sunt folosite doar pentru citirea informatiilor (inscrise anterior), informatii ce sunt rezidente permanent in cadrul sistemului. Pentru obtinerea rezidentei permanente, memoria ROM trebuie sa fie de tip nevolatil, adica la pierderea tensiunii informatia sa nu fie distrusa.

In mod uzual, in modulele ROM sunt stocate comenzi de initializare si pornire a anumitor componente ale sistemelor de operare, compilatoare, interpretere, etc. De aceea, multe microcalculatoare sunt livrate cu programele de serviciu (BIOS, incarcator, interpretor, etc) incarcate in ROM.

Memoriile ROM au evoluat in timp, prin folosirea tehnicilor speciale de stergere selectiva si reprogramare astfel:

memorii programabile PROM (Programable ROM), care sunt livrate neinregistrate de producator, iar utilizatorul le poate incarca o singura data. Pot fi folosite pentru a inregistra un program specific utilizatorului cu o mare frecventa de utilizare;

memorii de tip EPROM (Erasable PROM), pot fi sterse si reprogramate de catre utilizator, insa stergerea nu poate fi selectiva, operatia distrugand intregul continut al celulei de memorie. Acest dezavantaj este eliminat de memoriile EEPROM;

memorii de tip EEPROM sau E²PROM (Electricaly Erasable PROM) care pot fi atat citite, cat si sterse in mod selectiv si reprogramate de catre sistemul care le utilizeaza.

memoriile EEPROM flash sunt memorii EEPROM speciale care permit scrierea/stergerea mai multor locatii de memorie printr-o singura operatie. Astfel ele sunt mult mai rapide decat memoria EEPROM obisnuita care opereaza cu fiecare locatie de memorie in parte.

Memoria RAM (Random Acces Memory), numita si memorie de lucru, memorie vie, dinamica, asigura stocarea datelor si programelor si constituie memoria de tip volatil, disponibila utilizatorului. Ea caracterizeaza capacitatea unui sistem electronic de calcul. Poate inregistra orice tip de date si este posibila stergerea acestora in scopul reutilizarii.

Fiind o memorie volatila, ea isi pierde continutul la intreruperea alimentarii cu energie electrica. Fizic, se prezinta sub forma unor placute (module) ce au in prezent capacitati de ordinul megaoctetilor sau gigaoctetilor (exista module de pana la 4 Go).

Unitatea aritmetico-logica (UAL) este unitatea de executie care efectueaza operatiile aritmetice si logice asupra operanzilor in conformitate cu o comanda, un cod de operatii, emis de UCC si furnizeaza rezultatul.

La iesire UAL furnizeaza:

rezultatul operatiei;

indicatorii de conditii (paritatea rezultatului, rezultatul egal cu zero) sau indicatorii de eroare (depasirea capacitatii de reprezentare de catre rezultat).

UAL comporta doua tipuri de dispozitive:

dispozitive de lucru, adica dispozitive aritmetico-logice (pentru operatii de adunare, scadere, negatie, reuniune, intersectie, etc.) sub forma unor circuite speciale care combina impulsurile electrice reprezentand informatia sub forma de cifre binare (dispozitiv aritmetic binar, in virgula mobila, zecimal);

componente de stocaj intermediar: registrele ca memorii specializate de capacitate limitata ce inregistreaza pentru fiecare operatie operanzii si rezultatele.

Unitatea de comanda si control (UCC) constituie "inima" calculatorului si asigura citirea instructiunilor din memoria interna si executia lor. Coordoneaza prin semnale de comanda functionarea tuturor celorlalte unitati ale calculatorului, girand schimburile de informatii intre ele.

In principiu UCC cuprinde urmatoarele elemente:

un registru de instructiuni unde se pastreaza instructiunea curenta, citita din memorie, pe toata durata executiei. Instructiunea va specifica de regula, un cod de operatie si una sau mai multe adrese de operanzi;

un registru contor de program care pastreaza adresa de memorie de unde a fost extrasa instructiunea in curs de executie (sau a instructiunii urmatoare din program) si permite inlantiurea instructiunilor;

un decodor de functii capabil sa recunoasca functia definita de instructiunea de executat;

un orologiu (ceas intern) care distribuie, in mod regulat, impulsuri pentru a sincroniza operatiile elementare de efectuat in cursul derularii unei instructiuni;

circuite de comanda care permit elaborarea si transmiterea comenzilor corespunzatoare operatiilor elementare.

Pe baza codului de operatie UCC furnizeaza semnalele de comanda pentru controlul unitatilor de I/E, UM, UAL pe durata fiecarei instructiuni in sincronism cu semnalul furnizat de orologiu.

Prin constructie, UCC este capabila sa interpreteze si sa execute un set de instructiuni care constituie setul de instructiuni elementare al calculatorului.

Dupa numarul de instructiuni implementate si complexitatea acestora, procesoarele se impart in:

Procesoare RISC (Reduced Instruction Set Computation, procesor cu set redus de instructiuni) reprezinta unitati centrale de prelucrare (CPU) la care numarul de instructiuni pe care le poate executa procesorul este redus la minim pentru a creste viteza de prelucrare. Sunt procesoare rapide, dedicate pentru sisteme puternice, servere, cu facilitati multiprocesor;

Procesoare CISC (Complet Instruction Set Computation, procesor cu set complet de instructiuni) reprezinta tipuri de unitati centrale de prelucrare (CPU) care pot recunoaste un set complet de instructiuni, suficient pentru a efectua direct calcule (circa 400 . Sunt cele mai raspandite, regasindu-si aplicabilitatea de la calculatoarele personale pana la servere.

Procesoare EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing) care permit executarea simultana a mai multor instructiuni (de exemplu, procesoarele Itanium).

Frecventa procesorului inseamna viteza acestuia exprimata in perioade de lucru (cicluri) pe secunda, date de frecventa ceasului intern (tact). Aceasta frecventa se exprima in MHz (Megahertz) sau, la ultimele modele, in GHz (Gigahertz). Daca procesoarelor mai vechi le trebuiau cateva perioade de ceas pentru a executa o instructiune, la ora actuala s-a ajuns la mai multe instructiuni pe o perioada de ceas.

Principii de functionare a calculatoarelor electronice

Un calculator electronic executa prelucrari pe baza unui program inregistrat in memoria interna. Programul constituie o secventa de instructiuni, scrisa intr-un limbaj de programare care defineste algoritmul de rezolvare a unei probleme.

Pentru a fi executate, aceste instructiuni trebuie sa fie transpuse in codul calculatorului. Se deruleaza astfel operatiile de interpretare sau compilare si editare de legaturi. Instructiunile scrise in limbajul de programare sunt transformate in instructiuni ce corespund setului de instructiuni specific calculatorului.

Instructiunile calculatoarelor numerice contin specificatii referitoare la operatia care trebuie efectuata de catre una din componentele calculatorului, adesea unitatea aritmetico-logica, si specificatii referitoare la adresa unui operand sau a unei instructiuni. In unele cazuri, o instructiune poate contine mai multe adrese: adresa primului operand, adresa celui de-al doilea operand si eventual adresa rezultatului.

Formatul cel mai simplu al instructiunilor cu o singura adresa se prezinta astfel:

m biti n biti

Campul COD OPERATIE specifica una din functiile ce se pot executa de catre unitatile sistemului. Daca acest camp contine "m" biti, se pot codifica 2^m instructiuni diferite care formeaza setul de instructiuni al calculatorului.

Campul ADRESA specifica o adresa de operand sau de instructiune. Daca acest camp contine "n" biti se poate opera un spatiu de adresare cu memoria de 2ⁿ cuvinte.

Pentru a fi executate, instructiunile trebuie transmise UCC sub forma unor cifre binare (in cod masina). Pentru a simplifica munca programatorilor, campurile pentru cod operatie si adresa au fost inlocuite in limbajele de asamblare cu mnemonice (simboluri) care pot fi traduse in mod automat cu ajutorul unui program, numit ansambler.

Limbajele masina si limbajele de asamblare sunt limbaje de nivel redus deoarece ele sunt intrepretate direct de catre calculator. Cu ajutorul lor se scriu programele de sistem necesare exploatarii eficiente a resurselor fizice ale calculatorului. Limbajele de programare evoluate permit scrierea programelor intr-un mod apropiat de limbajul natural, dar necesita traducerea in limbaj masina prin compilare sau interpretare.

Orice program, destinat unui calculator, trebuie sa cuprinda numai instructiuni ce corespund setului de instructiuni de baza.

Pentru executia unei instructiuni se parcurg urmatoarele etape (vezi fig. nr. 2.5.)

Fig. nr.2.5. Etapele executiei instructiunilor

Instructiunea se incarca in UCC, dupa citirea din MI;

UCC decodifica instructiunea si emite ordinul de pregatire a UAL;

Pe baza adreselor furnizate de UCC se face citirea datelor din memorie in UAL;

UAL efectueaza prelucrarea datelor;

Rezultatul obtinut este plasat in MI.

Schimbul de informatii intre componentele functionale ale sistemului de calcul se realizeaza prin intermediul magistralelor unitatii centrale de prelucrare, adica multimea conductoarelor folosite in comun de mai multe unitati functionale pentru realizarea unor sarcini.

Dupa semnificatia semnalelor transmise pe magistrala, acestea pot fi de adrese, de date sau de comenzi, dupa cum semnalele respective reprezinta adrese, date sau comenzi si informatii despre starea unitatilor interconectate.

Transferul de date poate fi realizat in mod paralel (magistrale paralele) sau serial (magistrale seriale). Magistralele paralele transmit toti bitii fiecarui cuvant concomitent pe mai multe conductoare paralele. Magistralele seriale transmit datele bit cu bit, unul dupa altul, pe un singur canal (doua conductoare).

Majoritatea calculatoarelor moderne folosesc mai multe magistrale. Acestea pot fi interne sau externe. Magistrala interna conecteaza componente interne ale calculatorului la unitatea centrala, iar cea externa, pe cele externe. Exemple de magistrale interne: PCI, PCI-X, AGP, PCI-Express, Hyper Transport. Magistrale externe: ATA, PCMCIA, SCSI, FireWire, Serial  ATA, USB.

Legarea unui echipament la magistrala se realizeaza de obicei printr-un conector fizic, numit port si printr-o componenta de interfata, numita adaptor sau controler. Porturile pot fi:

seriale, cand datele se transmit bit cu bit pe o singura cale (COM, USB, PS/2)

paralele, cand transferul se face concomitent pentru un numar de biti, pe mai multe linii, de obicei 8, 16 sau 32 (LPT)

cu infrarosii (IRDA) etc.

Fig. nr. 2.6. Conectarea echipamentelor periferice la sistemul de calcul

Arhitectura de baza a calculatorului asigura patru porturi COM (1-4) si trei porturi LPT (1-3). La portul COM puteti conecta tastatura, mouse-ul, un modem extern etc., la cel paralel imprimanta, scanner-ul, unitatea ZIP etc.

In ultimii ani se bucura de popularitate porturile USB (Universal Serial Bus). Treptat se extinde si folosirea porturilor FireWire.

Prin intermediul portului USB se pot conecta pana la 127 de periferice si nu este necesara oprirea calculatorului pentru a conecta/deconecta un periferic prin acest port. In prezent se utilizeaza mai mult standardele USB 1.1, standard de conectare plug'n'play^[4] ce ofera o viteza de transfer maxima de 12 Mb/s si USB 2.0, standard ce ofera o viteza de transfer maxima de 480 Mb/s. Sistemul USB a devenit popular pentru conectarea unor periferice precum: aparate de fotografiat numerice, tastatura, mouse, unitati de discuri flexibile pentru calculatoarele portabile, unitati de memorie flash, scanner si chiar imprimante.

Sistemul FireWire are functii similare sistemului USB, dar este mai rapid si este folosit pentru conectarea perifericelor externe ce necesita viteza relativ inalta de transfer a datelor (se utilizeaza preponderent pentru atasarea echipamentelor video numerice).

Adaptoarele sunt circuite integrate care permit procesorului sa comunice si sa conecteze echipamente periferice. Adaptoarele au rolul de pregatire a informatiei in forma ceruta de magistrala, in cazul preluarii informatiilor de la dispozitivele periferice sau invers. Este posibil ca un adaptor sa controleze mai multe dispozitive periferice de acelasi fel, caz in care adaptoarele au si rol de adresare a dispozitivelor periferice conectate. Spre exemplu, adaptorul SCSI (Small Computer System Interface) defineste o magistrala care poate conecta unul sau mai multe calculatoare cu echipamente periferice. Fiecare echipament periferic trebuie sa posede un controller (o interfata inteligenta locala), iar echipamentele conectate pot fi de tipul: unitati de disc CD-ROM, unitati de banda rapide.