Cursul de fata are ca scop prezentarea primelor notiuni definitorii ale computerului:
definirea computerului si a termenilor specifici legati de computer;
explicarea modului de functionare al computerului;
arhitectura (componentele) computerului.
Observatie:
Majoritatea termenilor specifici computerului se vor prezenta în limba engleza (indicându-se corespondentul din limba româna). Astfel pe parcursul cursului de Limbaje de Programare se vor folosi o serie de termeni si notiuni în limba engleza ce vor fi întâlniti în mod concret pe parcursul lucrului cu computerul în cadrul lucrarilor de laborator.
Progresul tehnologic al ultimilor ani a impus în prim plan, printre multe alte elemente, si computerul. Mai exact tot mai multe domenii de activitate accepta interventia computerul ca instrument de usurare a muncii omului. Astfel tot mai multe activitati din viata de zi cu zi sunt preluate si rezolvate de computer. Evolutia tehnologica extraordinara din domeniul microelectronicii a facut posibila aparitia unor computere evoluate a caror performante sunt îmbunatatite de la luna la luna si care ofera un univers nou în privinta posibilitatilor de exploatare ale acestora.
Tot mai frecvent în viata de zi cu zi ne întâlnim cu o serie de termeni, notiuni, concepte referitoare la computer. Înainte de toate se va porni de la definirea acestuia.
Computerul reprezinta un aparat care accepta informatii (sub forma de date digitale - date codificate sub forma de 1 si 0) pe care le manipuleaza pentru a obtine 737o141h anumite rezultate. Aceasta manipulare se face pe baza unui program sau secventa de instructiuni care specifica cum vor fi procesate datele. Computerele complexe includ si posibilitatea ca respectivul program sa fie stocat (depozitat) pentru a rezista în timp. Programele sunt de doua tipuri:
programe invariabile si incluse în computer sub forma de circuite electronic logice (cum ar fi microprocesorul computerului)
sau alte programe pot fi oferite spre executie computerului de pe unitati de stocare specifice (de unde pot fi sterse, modificate, etc.).
Computerele moderne contin combinatii ale ambele tipuri de programe.
Componentele fizice care alcatuiesc un computer se numesc hardware.
Programele care indica computerului ce sa faca se numesc software.
Computerul este o masina programabila care este definita de doua caracteristici esentiale:
pentru un anumit set de instructiuni raspunde într-o maniera foarte bine definita. Prin instructiune se întelege o comanda elementara (de baza) a unui computer. Astfel setul de instructiuni al unui computer formeaza lista tuturor comenzilor elementare din limbajul masina al computerului;
poate executa o lista de instructiuni preînregistrate (un program). Fara programe computerele sunt nefolositoare.
Înca de la începuturi omul si-a pus problema descoperirii de noi mijloace pentru usurarea muncii de zi cu zi, munca necesara supravietuirii. O data cu evolutia în timp a societatii au început sa apara o serie de noi meserii ca raspuns al noilor activitati ce se impuneau ca necesare existentei omului. Imediat dupa ce s-au pus bazele primelor fundamente matematice omul a fost nevoit sa efectueze o serie de calcule. S-au dezvoltat astfel si meserii în acest sens. Ca si în celelalte domenii s-a pus problema usurarii activitatilor de calcule matematice din ce în ce mai laborioase.
Astfel în 1642 Blaise Pascal a creat prima masina de calculat.
El a creat aceasta masina pentru a-l ajuta pe tatal sau la calculul taxelor. Aceasta masina putea numai sa adune. I-au fost necesari 2 ani pentru realizarea acestei masini dar o data creata a reusit sa o produca în 50 de copii ce s-au vândut. Pascal a fost un mare matematician, fizician dar si teolog. Astazi exista si un limbaj de programare care îi poarta numele.
Acest motor a fost proiectat în scopul usurarii realizarii tabelelor matematice ce erau utilizate în industrie, navigatie si domeniul bancar. Babbage nu a putut sa realizeze niciodata acest proiect datorita lipsei de tehnologii care sa-i produca piesele componente la precizia dorita.
În cinstea sa astazi la London's Science Museum exista un exemplar al acestui motor diferential realizat în 1990 dupa proiectul amanuntit pe care inventatorul l-a lasat.
1884 Herman Hollerith, inventator american, realizeaza prima masina automata de calculat pe baza de cartele perforare
1926 Dr. Julius Lilienfield creeza conceptul primului tranzistor folosit pentru amplificare (vacuum tubes)
John Atanasoff, lector la IOWA State University, împreuna cu un doctorand, Clifford Berry, au pus bazele primului computer digital. Pentru prima oara s-a pus problema reprezentarii numerelor folosind condensatori pentru a stoca sarcini electrice.
A fost conceput de Howard Aiken, profesor la Harvard University. Computerul Mark I-ul a fost cel mai mare computer realizat pâna atunci, el putea sa adune, sa scada, sa înmulteasca sau sa imparta doua numere (pâna la 23 digits) în numai câteva secunde. Acest computer era compus din peste 750 000 piese si cântarea peste 5 tone.
1946 s-a realizat computerul ENIAC (the Electronic Numerical Integrator and Computer) cel mai puternic pâna la acea data (la University of Pennsylvania). Cântarea cca 30 tone.
1946 s-a realizat un alt computer, mai puternic, EDVAC (the Electronic Discrete Variable Computer). Arhitectura acestui computer si modul de stocare a programelor sunt asemanatoare cu cele ale computerelor de astazi.
1954 Apare primul limbaj de programare - limbajul FORTRAN. Limbajul a fost inventat de John Backus un angajat al IBM.
1958 Jack Kilbz (angajat al Texas Instruments) inventeaza primul circuit integrat.
1964 Tom Kurtz si John Kemeny (profesori la Dartmouth University) au creat limbajul de programare BASIC (Beginners All Purpose Szmbolic Instruction Language. A fost începutul programarii intuitive.
1970 compania Busicom a folosit în productie de serie circuitele integrate la constructia computerelor
1974 Marcian Hoff a proiectat primul microprocesor.
El a proiectat un circuitul 4004 (avea capacitate de 4 bits) ce continea peste 2 000 de tranzistoare. Proiectul lui Hoff a fost respins de companiile producatoare de atunci.
1974 Intel a realizat primul microprocesor 8080 (un cip de 8 bit)
Astfel o serie de alte companii ca Motorola si Zilog au început sa realizeze o serie de cipuri similare.
1975 s-a vândut primul computer Altair. Acesta era un computer cu procesor 8080 si putea fi asamblat de oricine. Costa 439USD. Bill Gates si Paul Allen au dezvoltat o versiune de BASIC pentru Altair punându-se astfel bazele companiei Microsoft
Începând din acest an au loc o serie de dezvoltari extraordinare, astfel dupa 1981 se pun bazele INTERNETULUI (comunicarii la distanta prin intermediul computerelor). Apar o serie de noi componente ale computerului cum ar fi componente specializate inter-conectarii (modemurile), apare scannerul, apare mouse-ul (ca urmare a aparitiei primelor programe cu interfata grafica). Tot dupa 1981 are loc o dezvoltare spectaculoasa de noi companii specializate în productia de programe sau componente de computer. Se constata si o cristalizare a unor mari concernuri cum ar fi Microsoft (cel mai mare producator de programe), AOL (America Online) cel mai mare furnizor de servicii Internet.
Arhitectura unui computer analizeaza comportamentul functional al computerului. Mai exact, în cadrul acestui subcapitol vom analiza componentele fundamentale ce alcatuiesc un computer, rolul lor si modul cum acestea interactioneaza între ele.
Mai întâi se va începe cu prezentarea configuratiei unui computer. În figura 1.1 se pot observa câteva elementele componente ale unui computer.
|
Figura 1.1 |
Dupa rolul functional computerul este alcatuit din urmatoare subsisteme:
CPU - Central Processing Unit - procesor;
Memory - memorie;
Input Devices - componente de intrare (ex: tastatura, mouse-ul, etc.);
Output Devices - componente de iesire (ex: monitorul, imprimanta, etc.)
Toate aceste componente sunt conectate la "Bus" - magistrala de comunicatie a computerului. Toate celelalte componente comunica între ele prin transmiterea de date prin bus (figura 1.2).
|
Figura 1.2 |
Conform figurii se poate constata ca fiecare componenta (ex. monitorul) comunica cu magistrala de comunicatie prin intermediul unui controlor specific componentei (în cazul monitorului controlerul se numeste placa video - video card).
Din punct de vedere fizic, computerul este alcatuit din o serie de componente palpabile (figura 1.1):
carcasa computerului (case): ce contine o multitudine de componente (ex: placa de baza, hard disk, floppy drive, CD-ROM, etc.)
monitorul computerului;
tastatura - keyboard;
mouse;
alte componete: imprimanta, scanner, etc;
|
Figura 1.3 |
Figura 1.4 |
Carcasa computerului, conform figurii 1.3, prezinta pe partea frontala o serie de elemente cum ar fi:
butonul - Power - de unde se porneste/opreste computerul;
butonul RESET - pentru restartarea computerului;
floppy drive - unitatea pentru disketa de 3,5inch;
CD-ROM drive - unitatea pentru CD - la unele computere poate lipsi;
o serie de leduri (beculete) care pot exista în dreptul butoanelor POWER (indica faptul ca computerul este pornit), RESET (se aprinde când se apasa butonul RESET indicând începerea procesului de restartare), etc.
Partea din spate a cutiei computerului contine o serie de elemente necesare conectarii computerului cu celelalte componente ale sale externe cum ar fi (figura 1.4):
power supply - zona sursei de alimentare cu tensiune a computerului unde se monteaza cablul de alimentare 220V - obligatoriu;
keyboard - conectorul pentru tastatura - obligatoriu;
mouse - conectorul pentru mouse - obligatoriu;
video card - conectorul pentru monitor - obligatoriu;
ethernet card - conectorul pentru conectarea în retea a computerului - poate lipsi;
modem - conectorul pentru linia telefonica (o mufa de intrare si o mufa de iesire) - poate lipsi;
sound card - conectori pentru echipamentele audio: boxe, microfon, etc - poate lipsi.
Interiorul cutiei unui computer contine o multitudine de elemente dintre care:
matherboard - placa de baza la care se conecteaza toate componentele computerului. Conectarea se face fie prin cabluri fie prin montare directa pe placa;
Hard Drive
Floppy Drive
Sursa de alimentare cu tensiune
Cabluri de interconectare
|
Figura 1.4 |
În continuare pentru a se întelege modul cum functioneaza un computer în ansamblul sau se vor prezenta o serie de elemente definitorii cu privire la principalele subsisteme si notiuni de baza ale computerului: Data, CPU, memory, Bus, Input/Output devices.
Înca de la definirea computerului s-a apelat la notiunea de date. Asa cum s-a definit anterior un computer este o masina care realizeaza o serie de procese în concordanta cu un anumit set de instructiuni. Aceste instructiuni folosite de computer sunt fie stocate (depozitate) permanent - sub forma de cipuri - fie sunt stocate temporar - (în memoria de tip RAM).
Principiul de functionare al uni computer este urmatorul:
Computerul primeste semnale de intrare de la utilizator prin intermediul tastaturii sau a altor componente de intrare. Aceste intrari sunt transferate în memoria RAM de unde urmeaza o serie de procese (processing): de calcul, comparare sau copiere. În functie de rezultatele procesarii computerul returneaza rezultatul corespunzator. Returnarea se face prin intermediul componentelor de iesire (output devices), fie prin afisare pe ecranul monitorului fie prin scriere pe un suport magnetic (disk), fie printr-un canal de comunicatie.
Datele reprezinta motivul principal pentru ca un computer sa functioneze. De ce se foloseste computerul? Pentru a se crea, manipula sau distruge date. Astfel daca se va discuta cu un inginer electronist despre date, acesta va vorbi despre date analogice sau digitale. Daca se va discuta cu un utilizator mediu de computere, acesta se va referi la fisiere si/sau extensiile acestora. Un utilizator avansat de computere va vorbi despre caractere ASCII sau bytes. Astfel pentru a putea întelege notiunea de date se vor prezenta în continuare câteva notiuni fundamentale cu privire la date:
notiunea de bit: este prescurtarea de la binary digit si reprezinta cea mai mica unitate a informatiei dintr-un computer si a fost descoperita de John Turkey în 1946. Un bit poate stoca numai una din valorile 0 sau 1. Pentru a da sens informatiei trebuie sa combinam mai multi biti consecutiv formându-se astfel o unitate mai mare de stocare a informatiei: byte-ul.
Din punct de vedere fizic bit-ul se reprezinta - în cele doua stari posibile (0 sa 1) - printr-un tranzistor sau condensator. El este stocat pe un suport magnetic (ex: hard disk) sau poate fi stocat în cadrul unui cip electronic sub forma de circuit electronic de joasa sau înalta tensiune.
Evolutia capacitatii de stocare a bit-ilor a crescut enorm în ultimii ani, astfel:
în 1955 densitatea bit-ilor era de cca. 2 000/inch2;
în 1995 densitatea bit-ilor era de cca. 250 000 000/inch2;
Viteza unui computer poate fi determinata prin numarul de bits pe care computerul îi poate procesa la un moment dat sau prin numarul de bits necesari pentru a-si reprezenta o anumita adresa în memoria computerului. Deci un bit este o unitate folosita pentru a masura câta memorie este necesara pentru a reprezenta o adresa într-un loc din memorie. De aici provine si clasificarea de 32 bits sau 16 bits.
Din punct de vedere grafic notiunea de bits se foloseste pentru a indica câti bits sunt necesari pentru a reprezenta un punct luminos pe ecran:
imagine de 1 bit - imaginea este monocrom;
imagine de 8 bits - imaginea suporta 256 de culori sau nuante de gri;
imagine de 24 sau 32 bits - imaginea contine milioane de colori true color.
Viteza de transmitere a bit-ilor/secunda a crescut si ea enorm în ultimii ani:
în 1955 viteza de transmiterea bit-ilor era de cca. 75/s;
în 1955 viteza de transmiterea bit-ilor era de cca. 5miliarde/s;
notiunea de byte: este o abreviere de la binary term , si reprezinta o unitate de stocare capabila sa depoziteze un singur caracter. Byte-ul este format din 8 biti. Urmatoarele unitatile de masura folosite pentru memorie sunt:
1 kilobytes - 1024bytes
1 megabytes (Mb) - 1 048 576 bytes
1 gigabytes (Gb) - 1 073 741 824 bytes
De exemplu o disketa de 1,44Mb poate stoca circa 1,4 milioane de carcatere.
notiunea de ASCII
ASCII - American Standard Code for Information interchange - este standardul pentru schimbul de date dintre computer si programe. Majoritatea programelor accepta ASCII si produc date ASCII. Un caracter ASCII este stocat într-un spatiu de 7 sau 8 bits consecutivi.
Astfel sau definit 128 de caractere ASCII:
0-31 - sunt asa numitele caractere de control (comenzi pentru componentele de intrare/iesire ale computerului)
32-64 - caractere repartizate reprezentarii cifrelor si a unor semne de punctuatie;
65-90 - caractere repartizate reprezentarii literelor majuscule ale alfabetului (A.Z) si a unor simboluri specifice;
91-128 - caractere repartizate reprezentarii literelor mici ale alfabetului (a.z) si a unor simboluri specifice;
Deci fiecarui caracter din codul ASCII îi corespunde o anumita combinatie de 0 si 1.
|
Figura 1.5 |
Procesorul este Dumnezeul computerului. El este miezul tuturor proceselor. Orice computer trebuie sa aiba un procesor.
Cuvântul procesor este o abreviere de la microprocesor. Din punct de vedere fizic procesorul este o componenta electronica (cip) rectangulara ce contine milioane de tranzistori care sunt aranjati dupa un anumit format (PGA - Pin Grid Array). Inainte de 1981 aranjamentul tranzistorilor era în doua linii a câte 20 de pini DIP (Dual Inline Package).
Cursa fabricarii celor mai rapide procesoare a afirmat câteva companii producatoare de procesoare:
Intel - liderul mondial;
Motorola
AMD - Advanced Micro Device;
Cyrix
IBM
Procesorul este compus din urmatoarele componente:
math coprocessor - coprocesor matematic - este o componenta menita sa îmbunatateasca viteza de calcule matematice. Este o componenta care pâna la procesorul 486 se livra ca cip separat;
clock speed - ceas electronic - este componenta care stabileste frecventa cu care se executa instructiunile. Viteza procesorului se masoara în milioane de cicluri pe secunda (MHz). Din punct de vedere fizic acest ceas este format dintr-un cristal de quart care vibreaza o data ce este conectat la tensiune electrica. Aceste vibratii sunt transmise sub forma de impulsuri electrice. La fiecare impuls trimis de ceas computerul trece la urmatoarea instructiune;
internal cache memory - memorie cache interna - este o memorie folosita numai de procesor, de tip RAM (Random Acces Memory), cu scopul de a stoca datele si instructiunile folosite de procesor. Majoritatea procesoarelor au 512Kb cache;
bus (external bus, data bus si address bus) - magistrale de comunicatii reprezentate de totalitatea legaturilor (circuitelor) care fac posibila comunicarea procesorului cu celelalte componente ale computerului,
Din punct de vedere logic procesorul este alcatuit din:
Timing and control circuits - reprezinta inima sistemului. Un astfel de circuit defineste ciclul de baza al computerului:
repeat (repeta):
v fetch next instruction from memory (adu urmatoarea instructiune din memorie)
v decode instruction (determina care circuite de date trebuie activate)
v fetch from memory any additional data that are needed (adu din memorie orice alte date necesare)
v execute the instruction (alimenteaza cu date circuitele de date activate)
until halt instruction has been executed (pâna când instructiunea HALT a fost executata)
Aritmetic Logic Unit (ALU) - este unitatea care contine circuitele ce manipuleaza datele. Sunt circuite de operatii aritmetice (adunare, multiplicare), de operatii de comparare si circuite logice care manipuleaza datele sub forma de bits.
High speed register storage - unitate ce este destinata stocarii unei cantitati mici de date sub forma de registri cu care lucreaza procesorul. Majoritatea procesoarelor au registri care pot stoca 32bits de date fiecare. Prin urmare procesorul, conform ciclului prezentat anterior, preia date din memoria principala a computerului, le stocheaza în registri, apoi le combina cu circuitele de calcul din ALU, rezultatele sunt stocate iar în registri pâna la ultimul pas al calcului când rezultatul final este trimis înapoi în memoria principala a computerului.
Înca din paragrafele anterioare s-a folosit notiunea de memorie. Astfel dupa ce s-au definit notiunile cuvenite referitoare la date se poate trece acum la definirea notiunilor principale referitoare la memorie.
Computerele au doua tipuri de memorie:
ROM - Read Only Memory - memorie permanenta
RAM - Random Access Memory -memorie temporara
Pentru a se întelege cât mai bine rolul fiecareia se va porni cu o comparatie. Dupa cum se stie omul poseda memorie temporara sau pe termen scurt si memorie pe termen lung. Pornind de la acest principiu si computerul functioneaza cu cele doua tipuri de memorie ROM si RAM.
Dupa cum s-a aratat computerele lucreaza cu date. La fiecare proces computerul foloseste date. Dupa ce procesul s-a încheiat computerul poate are nevoie sa stocheze datele obtinute. Astfel se justifica componentelor de stocare are computerului: storage devices.
Din punct de vedere fizic memoria ROM este reprezentata de o serie de componente de stocare a datelor cum ar fi: hard disk-ul, disketa, CD-ROM-ul, etc.
Memoria RAM este reprezentata printr-o serie de circuite electronice care ating doar doua stari: pornit (on) sau oprit (off) reprezentând 0 sau 1. Motivul pentru care aceasta memorie este temporara este acela ca aceste circuite necesita alimentare cu tensiune continua pentru a-si memora datele. Când tensiunea se opreste toate circuitele revin la starea initiala de OPRIT (off).
|
Figura 1.6 |
Hard disk-ul este cea mai rapida componenta de stocare a informatiilor pe care computerul o are la dispozitie. Hard diskul este rezident în computer (vezi figura ). El este componenta care stocheaza cele mai importante programe (sistemul de operare, etc) ale computerului.
Principiul de reprezentare a bit-ilor (0 sau 1) se face prin codare magnetica, adica prin distingerea starii magnetice a unui spot de oxid de pe suprafata unui disc. Dispunerea acestor spoturi este circulara, în final suprafata discului fiind compusa dintr-o multitudine de zgârieturi (tracks) concentrice. Un singur hard disk contine mai multe discuri cu acelasi numar de tracks -uri pe ambele fete. Pentru fiecare disc este nevoie de câte doua capete de citire/scrierea pentru fiecare fata a discului (read/write heads).
Hard diskul comunica cu celelalte componente prin intermediul unui controler. În prezent se fabrica doua standarde de hard disk-uri:
IDE - Integrated Drive Electronic - cu o viteza de transmitere a datelor între 4-16 Mbytes/s
SCSI - Small Computer System Interface - cele mai rapide, pâna la 80Mbytes/s dar si cele mai scumpe
|
Figura 1.7 |
Placa de baza a computerului contine o serie de componente electronice formate de la cupru pâna la siliciu.
Rolul placii de baza este de a uni toate componentele computerului si de a facilita comunicarea acestora între ele. Aceasta unire se face fie prin conectare prin intermediul cablurilor fie prin montare directa pe placa a altor componente. De asemenea placa de baza gazduieste o serie de componente ca:
CPU -procesorul;
expantion slots (PCI, ISA) - conector de montare a diverselor alte componente (placi de sunet, modem, etc.)
video components (AGP) - conector specific montarii placii video a computerului;
RAM slots - conector pentru montarea memoriei RAM (SIMM, DIMM);
ports - conectori pentru transmisia de date seriala sau paralela;
alte cipuri electronice
|
Figura 1.8 |
Tastatura este o componenta de intrare (input device) a computerului ce contine urmatoarele tipuri de taste:
taste alfanumerice - corespunzatoare literelor si cifrelor;
taste de punctuatie - cum ar fi: virgula, doua puncte, etc;
taste speciale - function key (F1.F12), control key, arrows key, Caps Lock key.
Tastele de o importanta deosebita sunt:
tasta ENTER (sau RETURN): se foloseste pentru a introduce comenzi sau pentru a deplasa cursorul la urmatoarea linie de text de pe ecran;
tasta SPACE: introduce un spatiu liber dupa ultimul caracter scris.
|
Figura 1.9 |
Este o componenta de intrare a computerului care controleaza deplasarea cursorului (caracterul ce se afiseaza intermitent pe ecran) sau pointerului (sagetii) pe ecranul monitorului. Mouse-ul contine unul doua sau trei butoane. Majoritatea contin doua butoane. Fiecare buton are o anumita semnificatie în functie de programul sau aplicatia care se ruleaza. Ca actiuni importante cu mouse-ul se definesc:
click - se apasa o singura data unul din butoane;
double click - se apasa de doua ori, foarte rapid, unul din butoane.
Notiunea de fisier provine din limbajul specific bazelor de date. Fisierul, metaforic vorbind, este o colectie de înregistrari.
În cazul computerelor un fisier reprezinta o multime de date capabile sa fie manipulate ca entitate (de exemplu mutarea unui fisier dintr-un director în altul). Unele sisteme de operare si aplicatii diferentiaza fisierele prin anumite sufixe cunoscute sub numele de extensii. De exemplu un program sau un fisier executabil este reprezentat printr-un fisier cu extensia "exe". Aceste extensii indica descriu tipul de date ce sunt continute de fisier. Astfel un fisier ce are extensia "Fisier Proba.txt" indica faptul ca respectivul fisier contine text. Trebuie precizat ca exista un numar impresionant de mare de tipuri de fisiere fiecare tip fiind caracterizat de o anumita extensie.
În cadrul sistemului unui computer un director reprezinta un grup (o multime) cu un anumit nume ce contine fisiere. Directoarele se deosebesc între ele prin denumire (adica se respecta o anumita conventie de denumire a directoarelor).
|
