PROIECT DIDACTIC

Structura calculatorului

Data: 28-XII-2008

Clasa: a VIII-a

Disciplina: INFORMATICA-OPTIONAL

Titlul lectiei: Structura calculatorului.

Tipul lectiei: Dobândire de cunostinte

Profesor:  

Scoala Ungheni cu clasele a I-VIII-a

Introducere.

Lupta permanenta a omului cu timpul si necesitatea economica de a avea rezultate cat mai multe intr-un timp cat mai scurt, au dus la o explozie de inventivitate si creatie ce a atins apogeul in ultimele decenii ale secolului XX. In tehnica militara, caracterizata printr-o concurenta acerba intre marile puteri mo 454i87e ndiale, aplicarea noilor descoperiri stiintifice a devenit vitala. Acest proces a adus cu sine necesitatea prelucrarii unei cantitati imense de date ce a ajuns foarte repede sa depaseasca posibilitatile creierului uman. Introducerea simulatoarelor de zbor, calculul efectelor armelor nucleare, folosirea spatiului cosmic, sunt doar cateva exemple in care echipele de savanti si ingineri s-au trezit coplesiti de cantitatea de informatii ce trebuiau prelucrate. In acest context, aparitia calculatoarelor electronice a starnit foarte mult interes si dezvoltarea acestora a fost privita ca o prioritate.

Calculatorul electronic a fost conceput ca un sistem de calcul care sa imite procesul de gandire uman si care sa fie capabil sa efectueze rapid un numar mare de operatii matematice si sa stocheze rezultatele acestora pentru prelucrari ulterioare. Rezultatele la care s-a ajuns astazi in tehnica de calcul depasesc cu mult aceste deziderate, calculatorul devenind o unealta absolut necesara in toate sferele de activitate.

Hardware - Software

Functionarea calculatorului presupune existenta in sistemul de calcul a doua componente: hardware si software. Componenta hardware este alcatuita din totalitatea dispozitivelor electronice, magnetice, mecanice si optice existente in calculator. Practic, orice componenta ce poate fi atinsa de mana omului face parte din aceasta categorie. Software-ul reprezinta totalitatea informatiei schimbate intre om si calculator si se regaseste sub forma de comenzi, programe, sisteme de operare, aplicatii, lucrari si documente, etc. Cele doua componente sunt inseparabile iar interactiunea lor se regaseste in cele mai intime structuri ale sistemului de calcul.

Tipuri de calculatoare

Odata cu aparitia generatiei de calculatoare ce puteau fi instalate in spatii reduse si programate de catre utilizatorii obisnuiti, acestea au primit numele generic de "Personal Computer" sau PC. Aceasta categorie de calculatoare defineste astazi toate calculatoarele compatibile cu primele PC-uri produse de firma IBM, bazate pe procesoare INTEL sau compatibile cu acestea.

Alaturi de aceste calculatoare, se folosesc in tehnica de calcul computere ce folosesc procesoare specializate, cum ar fi calculatoarele Machintosh (Power PC), Sun SPARC (Scalable Processor Architecture), etc.

In functie de sfera de activitate in care sunt folosite, calculatoarele se pot clasifica in:

a)       Statia de lucru (workstations) - calculator dedicat unei activitati specifice cum ar fi grafica, proiectarea, prelucrarea video si audio, etc. Acesta este proiectat astfel incat sa indeplineasca rapid si optim functia sa de baza si acceptabil alte functii

b)       Calculatorul de birou (office computer) - dedicat activitatilor de birou. Acesta este proiectat sa indeplineasca functii multiple, specifice activitatilor de birou, cu o viteza si o fiabilitate acceptabila.

c)       Calculatorul casnic (home computer) - este proiectat pentru indeplinirea unei arii largi de functii, cu o viteza si o fiabilitate acceptabila, punand pe prim plan functia de divertisment (jocuri, filme, muzica, etc.)

d)       Server-ul - calculator ce indeplineste functia de coordonare a unei activitati intr-o retea. Dupa tipul de activitate pe care o coordoneaza serverul poate fi de fisiere(fileserver), de baze de date (database server), de Internet, de posta electronica (mail server), etc. Aceste activitati pot fi coordonate de catre un singur calculator sau de catre calculatoare separate din retea. Este important de retinut ca notiunea de server nu este data de sistemul hardware ci de software-ul dedicat retelei, instalat pe acest calculator. De obicei, acest software necesita masini rapide si fiabile, construite pe baza unor tehnologii cu un nivel ridicat de costuri.

e)       Laptop -ul sau notebook-ul - calculator portabil, proiectat sa serveasca persoanele aflate in permanenta miscare. Laptop-urile sunt in general proiectate pentru utilizarea software-ului de birou, dar pot fi realizate si modele dedicate activitatilor specializate (proiectare, prelucrare audio, servere, etc.)

Sistemul de calcul uman.

Pentru a intelege functionarea calculatorului electronic este suficient sa privim mai atent spre procesul de gandire uman, cu care se aseamana perfect.

Pentru a realiza un proces de gandire creierul uman foloseste informatii. Acestea sunt preluate de la organele de simt si din memoria acumulata in timp. Informatiile sunt aduse intr-o zona de memorie temporara, sunt prelucrate de creier si rezultatele calculelor se concretizeaza in actiuni sau sunt inregistrate in memoria permanenta.

Structura fizica si functionarea calculatorului

Din urmatoarea schema se poate observa ca structura calculatorului simuleaza perfect procesul de gandire uman:

In cele ce urmeaza va fi prezentat rolul fiecarei componente din structura calculatorului:

f)         Procesorul - este componenta care efectueaza calcule matematice logice cu ajutorul datelor din sistemul de calcul. Operatiile matematice necesare prelucrarii acestor date sunt executate de catre procesor sub forma de liste de instructiuni logice, numite programe.

g)       Memoria - este componenta ce pastreaza datele pe timpul prelucrarii lor de catre procesor. Ea este o componenta electronica, si din acest motiv, la incetarea alimentarii cu energie electrica, datele pastrate se pierd.

h)       Dispozitivele de stocare permanenta - sunt componente ce au ca functie pastrarea datelor pe o perioada mai lunga. Stocarea se face pe medii magnetice sau optice si datele raman inregistrate pana la stergerea lor. Cele mai importante dispozitive de stocare sunt hard-disk-ul, discheta si CD-ROM-ul.

i)         Placa de baza (motherboard) - este componenta care asigura conlucrarea celorlalte componente din sistem. Ea comanda magistrala de date prin care circula informatia intre elementele sistemului de calcul. Aceasta magistrala este o componenta virtuala, putand fi privita ca o "conducta" care strabate toate componentele din interiorul calculatorului. Conectarea fizica se face prin circuitele de pe placa de baza si prin cabluri de date care leaga dispozitivele de stocare de aceasta.

j)         Perifericele de intrare - sunt dispozitivele cu ajutorul carora se introduc date in calculator. Printre ele se numara tastatura, mouse-ul, scanner-ul, etc.

k)       Perifericele de iesire - sunt componentele care prezinta rezultatele procesului de calcul. Monitorul, imprimanta, boxele, etc. sunt astfel de componente.

l)         Perifericele mixte sunt acele dispozitive care permit atat intrarea cat si iesirea informatiei. Printre acestea se numara linia telefonica, cablul de retea, etc.

m)     Dispozitivele de conversie, numite si placi de extensie sau conversie, au rolul de a transforma in informatie digitala informatia specifica diverselor periferice si invers. Spre exemplu, pe linia telefonica circula un semnal modulat. Pentru a putea trimite si primi date pe linia telefonica, trebuie realizata conversia intre acest semnal si semnalul de tip digital din interiorul calculatorului. Cele mai importante placi de extensie sunt:

placa video - realizeaza conversia din semnal digital in semnal video RGB, care este primit si afisat de monitor.

placa de sunet - converteste semnalul digital in semnal sonor, preluat de boxe.

modemul - converteste semnalul digital in semnal modulat specific liniei telefonice si invers.

placa de retea - realizeaza transferul de date intre calculator si retea.

n)      Interfetele de conectare sunt dispozitive cu ajutorul carora sunt conectate la calculator periferice ca tastatura, imprimanta, scannerul, modem-urile externe, etc. De obicei sunt prezente sub forma de mufe, montate pe carcasa metalica a calculatorului.

Un proces de calcul efectuat de calculatorul electronic se compune din urmatoarele etape:

datele sunt introduse prin perifericele de intrare si convertite de placile de extensie in format digital.

procesorul preia informatia digitala si o aduce in memorie

procesorul copiaza de pe dispozitivele de stocare permanenta alte informatii necesare procesului de calcul, introduse anterior.

procesorul efectueaza operatiile matematice logice in memorie.

rezultatele calculelor sunt trimise spre placile de extensie pentru a putea fi preluate de perifericele de iesire si spre dispozitivele de stocare permanenta, daca este necesara pastrarea lor.

Caracteristici tehnice ale componentelor calculatorului:

In tehnica de calcul exista doi parametrii tehnici foarte importanti: viteza de lucru si capacitatea de stocare. Viteza de lucru se poate masura in cantitatea de informatie prelucrata sau transferata in unitatea de timp, iar capacitate de stocare in cantitatea de informatie ce poate fi inmagazinata de un anumit dispozitiv.

Pentru a masura informatia, trebuie cunoscute doua notiuni importante:

Bit-ul (notat "b"): este o functie logica ce poate lua valoarea 0 sau 1. Din punct de vedere al stocarii datelor bit-ul poate fi privit ca o casuta ocupata sau goala.

Byte-ul (octetul)(notat "B"): este o structura formata din 8 biti ce pot lua valoarea 0 sau 1.

Byte-ul este unitatea de masura a capacitatii de stocare a datelor. Datorita sistemului de numeratie binar, multiplii byte-ului vor fi puteri ale lui 2. Astfel:

1KB = 2¹⁰B = 1024B

1MB = 2²⁰B = 1048576B = 1024KB, s.a.m.d..

Componentele calculatorului au suferit o multime de imbunatatiri de-a lungul ultimilor ani, vitezele lor de lucru si capacitatile de stocare ajungand astazi la cifre astronomice. In continuare, iata cateva din caracteristicile tehnice ale celor mai importante componente din calculator.

Memoria. Cea mai importanta caracteristica a sa este capacitatea de stocare. In sistemele actuale aceasta variaza intre 16MB si 2GB. Memoria se prezinta in module de 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512 MB.

Tipuri de memorie:

RAM, este memoria folosita de catre procesor pentru prelucrarea datelor. RAM inseamna "random access memory" sau memorie cu acces aleator. Acest tip de acces la date presupune posibilitatea de a gasi in memorie orice informatie intr-un timp foarte scurt, apropiat de 0 si este opus accesului secvential care presupune parcurgerea unui sir de informatii neutile pentru a gasi informatia cautata (cazul benzii magnetice prezente in casetele audio sau video)

ROM, este o memorie folosita, in general, pentru a pastra informatii necesare functionarii componentelor hardware. ROM inseamna "read only memory" (memorie ce poate fi doar citita) si presupune posibilitatea citirii permanente a informatiilor stocate in memorie si imposibilitatea scrierii de informatii in afara catorva cazuri speciale (fabricatie, actualizari periodice, etc.)

Tipuri de memorie RAM:

Memoria SRAM (Static Ram) - este o memorie ce pastreaza datele pana la innoirea lor sau pana la oprirea alimentarii cu energie electrica. Sunt memorii rapide, scumpe, folosite in special pentru tampoanele de memorie (cache) necesare functionarii dispozitivelor hardware (procesor, harddisk, cd-rom, etc)

Memoria DRAM este tipul de memorie folosit efectiv in activitatea de calcul, asa cum a fost prezentata ea in schema de mai sus. DRAM inseamna Dynamic RAM si presupune pastrarea datelor in memorie prin reimprospatarea lor periodica (perioade de ordinul ms-ns).

Tehnologii DRAM:

FPM DRAM - este tipul de memorie folosit in calculatoarele din generatii mai vechi (386, 486). Timpul lor de improspatare este de cca 70ms

EDO (Extended data out) DRAM - memorii folosite in primele sisteme Pentium, cu timp de improspatare mai bun (cca. 60ns)

SDRAM (Syncronous DRAM) -   memorii rapide folosite in sistemele Pentium - Pentium III. Timpul lor de improspatare este de 8-12ms

DDR (double data rate) SDRAM - memorii SDRAM cu cantitate dubla de date transferate in unitatea de timp. Sunt memoriile favorite ale sistemelor de tip Pentium4 si Athlon.

Tipuri de module:

SIMM - single inline memory module, modul de memorie cu 72 contacte, folosite pentru memoriile FPM si EDO

DIMM - double inline memory module, modul de memorie cu 168 de pini, folosite pentru memoriile SDRAM si DDR

Dispozitivele de stocare permanenta

Harddisk - ul are capacitati de stocare ce variaza, in sistemele actuale, de la 1GB la 120GB. O alta caracteristica importanta a sa este viteza medie de transfer a datelor, ce poate varia intre 5 si 100 MB/s. Aceasta viteza este sensibil influentata de viteza de rotatie a discului ce poate fi de 3800, 5400, 7200 si 10000 RPM.

O alta caracteristica importanta a harddisk-ului este capacitate ade a schimba date cu memorie fara interventia procesorului. Acesta caracteristica se numeste "acces direct la memorie" (DMA). In cazul dispozitivelor de stocare permanenta, vitezele de transfer sunt foarte mari si de aceea, aceasta caracteristica a primit numele de "ultra DMA" sau UDMA.

UDMA are viteze de tranfer de 33 MB/s (UDMA2), 66MB/s (UDMA66) 100MB/s (UDMA100) si 133MB/s (UDMA133)

Discheta, destinata in special transportului informatiei de mici dimensiuni intre calculatoare, are o capacitate de stocare de max. 1,44 MB, iar viteza de transfer a datelor este de ordinul zecilor de KB/s.

CD-ROM-ul are capacitati de stocare de 600-800 MB. Din cauza citirii optice a informatiei, viteza de transfer este mai mica decat la hard-disk-uri, de cca. 1-3 MB/s. Viteza de rotatie a CD-ROM-ului este data in multiplii vitezei CD-ului audio, adica 1x, 2x, 4x, 6x, ...., 40x, 50x, ...

DVD-ROM-ul a aparut ca un urmas al CD-ROM-ului, avand capacitati de stocare de ordinul GB. Aceste capacitati erau necesare pentru a putea inregistra filme intregi pe un DVD, la maximum de calitate a imaginii si sunetului.

Placile de extensie:

Placa video este o componenta foarte importanta a sistemului de calcul. Ea poseda memorie proprie, iar placile moderne au chiar unitati de calcul proprii ce preiau calculele de tip grafic, eliberand astfel procesorul de aceasta munca. Aceste unitati de calcul se numesc acceleratoare grafice si sunt foarte importante pentru utilizatorii programelor de prelucrare grafica sau pentru cei pasionati de jocuri complexe. Marimea memoriei de pe placa grafica poate fi de 1, pana la 128 MB si influenteaza rezolutia imaginii afisate pe monitor (numar de puncte si numar de culori).

Placa de sunet are drept caracteristici importante stereofonia si calitatea sunetului redat. De asemenea, la placile de sunet moderne a aparut posibilitatea conectarii unui sistem de mai multe boxe ce permite o spatialitate reala a sunetului (sisteme dolby surround).

Modem-ul se caracterizeaza prin cantitatea de informatie ce o poate transfera prin intermediul unei linii telefonice. Aceasta se masoara in biti/sec. Uzual, vitezele pe linie telefonica normala sunt 9600, 14400, 33600 si, mai rar 56000 b/s. Pentru linii speciale se poate ajunge pana la 2 Mb/s.

Placa de retea are aceleasi caracteristici ca si modem-ul, dar viteza de transfer pe cablul de retea este de 10 sau 100Mb/s pentru retelele pe cablu clasic sau de ordinul GB pentru retelele pe fibra optica.

Monitorul. Caracteristica cea mai importanta a monitorului este lungimea diagonalei, masurata in inch. Aceasta lungime ia valori de 14" si chiar mai mari pentru monitoarele speciale. De asemenea, un rol important il joaca frecventa verticala de improspatare a imaginii pe monitor (40-150Hz), care este vitala in evitarea oboselii ochiului. Claritatea imaginii este data de distanta dintre doua puncte alaturate afisate pe ecran dot pitch). Ea poate lua valori intre 0,21 si 0,30 mm.

In ultima perioada s-au dezvoltat foarte mult tehnologiile LCD TFT, bazate pe cristale lichide. Acestea sunt mult mai putin obositoare pentru pchi, dar ofera performante grafice mai slabe. Costurile lor sunt inca ridicate, inaccesibile utilizatorilor casnici.

Procesorul. Caracteristica cea mai importanta a procesorului este viteza de calcul. Valoarea acestei viteze influenteaza decisiv viteza intregului sistem de calcul. Ea se masoara in milioane de operatii matematice (instructiuni) efectuate de procesor intr-o secunda - MIPS. Aceasta viteza este data de numarul de functii matematice incorporate in procesor precum si de numarul de utilizari al acestui set de functii in unitatea de timp. Frecventa de utilizare se masoara in multiplii de Hz, mai precis in MHz.

In functie de arhitectura procesorului, acesta cunoaste un set mai mare sau mai mic de operatii matematice. Frecventa suportata depinde exclusiv de rezolvarea problemei supraincalzirii cauzate de numarul imens de tranzistori incorporati in structura procesorului.

Frecventa procesorului este de obicei mai mare decat frecventa de circulare a datelor prin magistrala de date. Din acest motiv, la un ciclu de lucru al magistralei de date, procesorul poate realiza 2, 3, pana la 10 cicluri de lucru. Astfel apare necesitatea ca procesorul sa posede o memorie proprie numita cache in care sa pastreze datele cele mai des utilizate, pentru a nu avea timpi morti in procesul de calcul. Pentru a obtine o anumita frecventa a procesorului se aplica un factor de multiplicare frecventei magistralei de date.

Formula frecventelor este urmatoarea: FP=FBxM, unde FP este frecventa procesorului, FB este frecventa magistralei (bus-ului) de date iar M este un multiplicator.

Frecventele uzuale ale procesoarelor din sistemele actuale sunt prezentate in urmatorul tabel, pentru cei doi mari producatori prezenti pe aceasta piata, Intel si AMD:

Frecvente si latimi de banda specifice magistralei de date.

Magistrala de date este un sistem de conducte virtuale prin care circula datele intre componentele sistemului de calcul. Aceste "conducte" sunt caracterizate prin cantitatea de date ce poate incapea intr-o sectiune a conductei si prin frecventa cu care trec datele prin acea sectiune. Prima caracteristica poarta numele de "latime de banda" iar cea de-a doua de "frecventa" a "conductei" de date.

In continuare sunt prezentate principalele tipuri de "conducte de date" (numite generic bus-uri) si caracteristicile lor.

Bus-ul de procesor, este canalul de date ce leaga magistrala de date cu procesorul. El are o latime de banda de 64 de biti, iar frecventele de bus corespund cu cele din tabelul de mai sus, in functie de tipul de procesor

Bus-ul de memorie, este canalul de date ce leaga magistrala de date cu memoria RAM. Caracteristicile acestuia corespund, in general cu cele ale bus-ului de procesor

Bus-ul PCI, este canalul de date ce leaga magistrala de date cu dispozitivele de conversie conectate prin interfata PCI (peripheral component interconnect). Latimea sa de banda este de 32 biti iar frecventa de 33 MHz.

Bus-ul AGP (Advanced Graphic Port), este canalul de date ce leaga magistrala de date cu palca grafica. Este o versiune imbunatatita a bus-ului PCI, avand 32 biti latimea de banda si frecvente de 66 MHz (AGP), 2x66 MHz (AGP 2x), 4x66 MHz (AGP 4x), 8x66 MHz (AGP 8x)

Bus-ul ISA - Este precursorul bus-ului PCI, si conecteaza magistrala de date cu dispozitive de conversie prin interfata ISA (Industry Standard Architecture). Are o latime de banda de 16 biti si o frecventa de 8,3 MHZ

Bus-ul IDE (Internal Drive Electronics) - Este canalul de date ce leaga dispozitivele de stocare permanenta. Bus-ul IDE este bazat pe standardul PCI si poseda toate caracteristicile acestuia.

Interfete de conectare

Interfetele de conectare sunt dispozitive prin care se pot conecta la calculator diferite periferice.

Cele mai importante interfete sunt:

Interfata seriala (COM) (RS 232C), permite legarea la calculator a unui mouse, a unui modem sau a altor dispozitive externe. Presupune transferul serial (latime de banda 1 bit) al datelor. Conectorii folositi au 9(mouse) sau 25(modem) de pini si sunt prezenti pe carcasa oricarui calculator.

Interfata paralela (Centronics) permite legarea imprimantelor sau a scannerelor. Transferul este paralel (mai multe canale de date cu latimea de 1bit). Conectorii folositi au 25 de pini si sunt, de asemenea, prezenti pe carcasa calculatorului.

Interfata de tastatura - se regaseste in doua variante: AT sau DIN, cu mufa de conectare cu   5 pini, groasa si PS2, cu mufa de conectare cu 6 pini, subtire.

Interfata USB (universal serial bus), realizeaza conectarea cu dispozitive variate (tastatura, mouse, modem, imprimante,etc). Este o interfata relativ noua ce isi propune unificarea tuturor standardelor de conectare. Viteza de lucru cu interfata USB este mult mai mare si, de aceea imprimantele si scannerele conectate pot fi accesate mai rapid.

Interfata IR (InfraRed), presupune conectarea unei game largi de dispozitive periferice prin intermediul luminii infrarosii.

In conditiile ofertei foarte bogate de componente PC de pe piata, se recomanda ca inainte de cumpararea unui produs, acesta sa fie bine studiat si comparat cu altele similare. In acest scop pot fi lecturate articolele dedicate diverselor componente, publicate in revistele de specialitate sau pe Internet.