SISTEME ELECTRONICE DE CALCUL.
ELEMENTE FUNDAMENTALE ÎN STRUCTURA TIC
Pentru ca utilizatorul final sa-si realizeze aplicatiile dorite, folosind un software adecvat, el trebuie sa cunoasca si resursele fizice ale sistemului de calcul de care dispune. În felul acesta exploatarea tuturor componentelor sistemului de calcul va fi realizata la parametri optimi de eficienta
2.1 Structura functionala a unui sistem de calcul
Un sistem electronic de calcul (SEC) reprezinta un ansamblu de echipamente - hardware* care, împreuna cu un sistem de programe - software**, realizeaza prelucrarea automata a datelor. Aceste componente trebuie sa fie, prin conceptie, bine armonizate pentru ca ele sa functioneze la parametrii proiectati sau doriti de utilizator. Faptul ca "inteligenta" sistemului de calcul rezida majoritar în software, nu poate diminua rolul hardware-ului.
2.1.1 Resursele hardware
Elementele ce compun hardware-ul unui sistem electronic de calcul (figura 2.1), privite din punctul de vedere al rolului lor în procesul prelucrarii datelor si al modului în care acestea comunica între ele, sunt individualizate si grupate în: unitatea centrala, echipamentele periferice, unitatile de interfata si liniile de comunicatie (canale de intrare /iesire).
2.1.1.1 Unitatea centrala
Unitatea centrala este componenta de baza a oricarui calculator si este alcatuita din (figura 2.2): unitatea aritmetica si logica; unitatea de comanda si control si memoria interna.
Unitatea aritmetica si logica (UAL) are rolul de a efectua operatiunile aritmetice si logice în conformitate cu comenzile primite si este alcatuita din:
- dispozitive de lucru;
- dispozitive de stocare intermediara.
Dispozitivele de lucru, din punct de vedere fizic /material, sunt circuite care combina impulsurile electrice si reprezinta sub forma binara datele si informatiile. Ele realizeaza operatiile aritmetice si logice de baza (adunare, scadere, reuniune, intersectie etc.).
Dispozitivele de stocare intermediara sunt registre de memorie specializate, cu capacitate limitata si permit înregistrarea operanzilor si a rezultatelor aferente fiecarei operatii. Principalele registre, privite dupa functia pe care o îndeplinesc sunt: registrul de stare (indica starea UAL la sfârsitul fiecarei operatii), registrul de deplasare, registrul de complementare, registrul sumator si pentru operatii binare.
Figura 2.1 Structura functionala a unui SEC
instructiuni
comenzi
comenzi
comenzi
date
rezultate
Figura 2.2 Arhitectura unitatii centrale
Unitatea de comanda si control (UCC) trateaza o singura categorie de informatii - instructiunile. În acelasi timp, însa, ea lanseaza toate semnalele /comenzile care vor comanda functionarea întregului sistem, inclusiv schimbul de date si informatii din cadrul acestuia.
Unitatea de comanda si control se compune din urmatoarele elemente:
un registru de instructiuni în care se pastreaza, pe durata executiei, instructiunea extrasa din memorie;
un contor care pastreaza adresa instructiunii citite din memorie si eventual adresa instructiunii urmatoa 818b17i re;
un decodor de functii care recunoaste functia definita de instructiunea de executat;
un orologiu care distribuie ritmic impulsuri de sincronizare a diferitelor operatiuni elementare pe timpul executarii unei instructiuni;
circuite de comanda care influenteaza dispozitivele comandate, dupa ce au fost stabilite comenzile corespunzatoare operatiunilor elementare.
Prin constructie UCC este capabila sa interpreteze si sa execute un anumit numar de instructiuni care constituie setul de instructiuni al calculatorului.
Memoria interna /principala (main memory) este un dispozitiv capabil sa înregistreze informatiile si sa le restituie unitatii aritmetice si logice, sub forma de impulsuri electrice, executând ordinele primite de la unitatea de comanda si control. Calculatoarele pot manipula numai datele care se afla în memoria principala.
Parametrii care caracterizeaza memoria principala sunt: lungimea cuvântului, modul de organizare si adresare, capacitatea totala, timpul de acces, ciclul de memorie si costul.
Lungimea cuvântului este unitatea elementara pentru memorarea si accesarea instructiunilor, operanzilor numerici si adreselor. Acest parametru, în functie de tipul calculatorului, poate fi de 8, 16, 32, 64 biti. Cuvintele contin informatii referitoare la:
- adrese si date care sunt simple numere binare si care exprima o locatie de memorie, respectiv un numar (operand) care trebuie prelucrat, sau rezultatul unei prelucrari;
- instructiuni care reprezinta coduri numerice ale operatiunilor ce trebuie efectuate de procesor. O instructiune poate furniza simultan mai multe informatii (cod operatie, cod operand etc.).
Modul de organizare si de adresare a memoriei. Memoria interna este structurata pe celule binare, locatii, zone, partitii, în functie de caracteristicile tehnice ale acesteia. Bit-ul este unitatea de prezentare a informatiei în memorie (cu valoare 0 sau 1). Celula binara, reprezinta circuitul electronic capabil sa memoreze informatii de un bit. Octetul (byte-ul) reprezinta o succesiune de 8 biti care pot fi adresati individual în functie de adresa fiecaruia.
Memoria interna este organizata în parti de dimensiuni egale, numite locatii de memorie. O locatie de memorie are o adresa unica, iar continutul sau poate fi scris sau citit într-un singur ciclu de memorie. Aceasta înseamna ca memoria principala este adresabila, accesul la informatii fiind selectiv /direct. Locatiile de memorie sunt numerotate crescator, pornind de la 0 pâna la limita superioara. Aceste "etichete" se numesc adrese de memorie.
În mod obisnuit, memoria interna este privita ca o succesiune de locatii cu dimensiunea de 1 octet, continutul locatiei fiind tratat ca o entitate de informatie. O succesiune de mai multe locatii, formeaza o zona de memorie. Locatia de memorie, care desemneaza o informatie de 1 octet, nu trebuie confundata cu notiunea de cuvânt de memorie. Dimensiunea cuvântului de memorie este în strânsa legatura cu elementele constructive ale calculatorului si reprezinta unitatea elementara pentru memorarea si accesarea instructiunilor, operanzilor si adreselor.
Capacitatea totala indica volumul de informatii ce poate fi stocat si determina câte programe pot fi executate si câte date pot fi disponibile, la un moment dat.
Timpul de acces este intervalul dintre momentul în care s-a emis o cerere de acces pentru scriere sau citire si momentul de începere a operatiunii respective. Acest parametru se exprima în microsecunde sau nanosecunde , valorile fiind cuprinse între 7 si 700 ns.
Ciclul de memorie este intervalul de timp în care se realizeaza scrierea /citirea unei unitati de informatie în /din memorie. Parametrul poate fi definit si ca intervalul de timp între doua operatii succesive de scriere sau citire si se exprima în microsecunde sau nanosecunde.
Costul este un parametru economic, de ordin general si depinde direct de tehnologia utilizata pentru realizarea memoriei.
Din punctul de vedere al accesului si al modului de functionare, memoria interna este alcatuita din doua componente:
- memoria ROM;
- memoria RAM.
Memoriile ROM (Read Only Memory) sunt circuite al caror continut este programat la fabricare si nu poate fi schimbat de utilizator. Ele sunt folosite doar pentru citirea informatiei înscrise, informatia fiind rezidenta permanent în cadrul sistemului. În mod uzual, în modulele ROM sunt stocate comenzi de initializare si pornire a anumitor componente ale sistemului de electronic de calcul.
Memoriile ROM au evoluat în timp, prin folosirea tehnicilor speciale de stergere selectiva si reprogramare. Astfel, au aparut:
memoriile PROM (Programmable ROM ) care permit înscrierea o singura data a unor noi programe; aceste memorii sunt chip-uri vide pe care datele pot fi scrise cu un dispozitiv special numit programator de PROM (PROM programmer);
memoriile EPROM (Erasable PROM) care pot fi sterse prin expunere la o lumina ultravioleta si reprogramate de catre utilizator. stergerea nu poate fi selectiva si, în plus, necesita un dispozitiv special de scriere si stergere numit PROM programmer /PROM burner (programator PROM);
memoriile EEPROM (Electricaly Erasable PROM ) pot fi citite si sterse prin expunere la o încarcare electrica si apoi reprogramate de mai multe ori de catre utilizator
memoriile EEPROM flash reprezinta memorii EEPROM speciale care pot fi rescrise în timp ce se afla în calculator, fara a fi necesar cititorul de PROM (PROM reader).
Memoriile RAM (Random Access Memory) sunt memorii de lucru, accesibile utilizatorului, disponibile pentru scrierea si citirea repetata a datelor si programelor.
Memoria RAM este volatila, continutul ei pierzându-se la întreruperea alimentarii cu energie electrica. Memoriile RAM pot fi statice (SRAM), sau dinamice (DRAM).
Memoriile SRAM sunt si ele de doua tipuri: memorii bipolare si memorii MOS statice.
Memoriile RAM bipolare, realizate cu tranzistoare bipolare, permit citirea si scrierea informatiilor în memorie. În general, aceste memorii sunt mai rapide decât memoriile MOS (Metal Oxid Semiconductor) statice, dar consuma o putere mai mare. Sunt utile în cazul în care se urmareste o viteza de lucru mai mare. Memoriile MOS statice realizate cu tranzistoare MOS, sunt folosite în cazul în care se doreste obtinerea unei capacitati mari de memorie.
La memoriile DRAM, realizate cu tranzistoare MOS, functionarea se bazeaza pe înmagazinarea, în timp finit, a unei sarcini electrice pe un condensator. Aceasta sarcina se descarca în timp, fiind necesara reîncarcarea cel putin odata la doua milisecunde. Aceste memorii sunt utilizate la reîmprospatarea afisajelor alfa-numerice sau grafice pe monitoare.
2.1.1.2. Dispozitivele periferice
Dispozitivele periferice, conectate la CPU asigura interfata cu utilizatorul realizând, în principal, introducerea datelor, respectiv extragerea rezultatelor. Ţinând seama de aceste functii, echipamentele periferice si suporturile asociate acestora se pot grupa astfel:
echipamente periferice de intrare;
echipamente periferice de iesire;
echipamente periferice de intrare-iesire;
echipamente periferice si suporturi pentru stocarea datelor si informatiilor.
La rândul lor aceste echipamente pot fi grupate în:
echipamente periferice de intrare de baza (tastatura, mouse, trackball);
echipamente periferice de intrare speciale (scanner, digitizoarele, touchscreen etc.).
Tastatura reprezinta echipamentul periferic cel mai utilizat, facând parte din configuratia minima a oricarui calculator. Ele sunt utilizate pentru introducerea datelor. Desi nu exista o standardizare a tastaturilor, în general acestea contin trei mari grupe de taste: taste alfanumerice (litere si cifre); taste de punctuatie (virgula, punct etc.); taste speciale (taste functionale, taste de control, taste cu sageti, Caps Lock etc.)
Dupa modul de dispunere a caracterelor pe primul rând al tastelor alfanumerice, sunt folosite, cu precadere, tipurile AZERTY (european), QWERTY (anglosaxon), Dvorak, Dvorak-Dealy (la care dispunerea separata a tastelor pentru vocale si consoane asigura o tastare rapida a textelor). Pe lânga aceste tastaturi de tip IBM, pentru calculatoarele de tip Apple Macintosh, sunt folosite tastaturile ADB (numite astfel datorita conectarii la magistrala Apple Desktop Bus). De regula, tastaturile sunt cuplate la unitatea centrala prin intermediul unui cablu flexibil, ceea ce permite pozitionarea ei dupa cerinte. Au fost create si tastaturi wireless (fara fir). Noile modele transmit semnalul catre calculator prin impulsuri radio sau în spectru infrarosu, care permite o raza de actiune mai mare, comparativ cu semnalul radio.
Mouse-ul este un dispozitiv de introducere utilizat la sistemele de operare cu interfata grafica. Mouse-ul este folosit pentru selectarea unor optiuni din meniuri, manipularea unor obiecte (texte, grafice etc.) sau controlul miscarii cursorului (pointer-ului) pe ecranul de afisare. A fost inventat în 1963 de catre Douglas Engelbart si este considerat una dintre marile descoperiri ergonomice, datorita eliberarii utilizatorului de folosirea exagerata a tastaturii.
Exista mai multe criterii de clasificare a acestor echipamente periferice.
Din punct de vedere constructiv, mouse-urile pot fi:
mecanice - dispun de o bila metalica /de cauciuc ce se poate roti în toate directiile, senzorii încorporati detectând directia si deplasând cursorul pe ecran;
optice - folosesc un laser si o suprafata speciala prevazuta cu o grila, pentru detectarea miscarii mouse-ului; nu au nici o componenta mobila si au o acuratete mai mare în detectarea si interpretarea miscarilor; fiind mai rapide si mai precise decât cele mecanice;
opto-mecanice - folosesc o combinatie de tehnologii mecanice si optice, si nu necesita o suprafata speciala cu grila.
Dupa numarul de butoane, exista diferite tipuri. Maouse-ul clasic are doua butoane si functioneaza dupa principiul mecanic. La ora actuala exista mouse-uri din ce în ce mai complexe, care pot executa functii suplimentare, unele chiar programabile (cu rol de a prelua o comanda speciala). În plus, a aparut rotita de scroll care asigura realizarea acelorasi functii ca si cele ale barelor de derulare dintr-o fereastra Windows.
Dupa compatibilitate, se disting clasele: IBM, Genius, Logitech, Microsoft etc. Aceste firme au lansat pe piata pachete mouse /tastatura wireless care utilizeaza un singur senzor, proiectat pentru a interpreta semnalele de la ambele dispozitive. Cel mai important argument în favoarea modelelor wireless este legat de libertatea de miscare si lipsa cablurilor.
Trackball-ul este un dispozitiv ce ofera aceleasi facilitati ca si mouse-ul: tehnologie optica, rotita de scroll si numeroase butoane suplimentare. Avantajul fata de mouse consta în faptul ca sunt stationare, ceea ce înseamna ca nu necesita mult spatiu pentru a fi utilizate. Astfel, echipamentul poate fi plasat pe orice suprafata, inclusiv pe genunchi
Echipamente de scanare recunosc datele de pe anumite suporturi, citind simbolurile sau codurile cu ajutorul luminii (uneori si cu laser), sau recunoscând anumite zone magnetizate în prealabil.
Scanner-ul optic este un echipament ce permite preluarea /citirea de texte (siruri de caractere, semnaturi etc.) si /sau imagini (alb-negru sau color) tiparite pe hârtie si transformarea lor într-o forma accesibila calculatorului. Operatia de citire este asemanatoare celei realizate de ochiul uman, fapt pentru care aceste echipamente se numesc scannere optice. Scanner-ul functioneaza prin digitizarea unei imagini, transformând-o într-o harta de biti. Fiecare punct (pixel) este reprezentat prin 0 sau 1, în functie de culoarea punctului (alb sau negru). Pentru culori si nuante de gri se aplica acelasi principiu numai ca fiecare punct se reprezinta prin, pâna la 24 de biti. Matricea de biti poate fi afisata pe un ecran, stocata într-un fisier si manipulata prin programe.
Reprezentarea tuturor imaginilor prin harti de biti face imposibila editarea directa a textelor scanate. Aceasta operatie este posibila cu ajutorul unui sistem de recunoastere optica a caracterelor - OCR (Optical Character Recognition), care asigura traducerea imaginii în caractere ASCII. La ora actuala, majoritatea scannerelor comercializate sunt prevazute cu pachete OCR*.
Principalii parametri care diferentiaza scannerele sunt: tehnologia de scanare, rezolutia, adâncimea culorilor.
Cititoarele de coduri de tip bara sunt unele dintre cele mai întâlnite echipamente de scanare optica folosite pentru a identifica produsele si pentru a introduce pretul în casa de marcat. Cele mai utilizate coduri de tip bara standardizate sunt EAN-13 (European Article Numbering - 13), care foloseste 13 caractere (unul pentru tara de provenienta, cinci caractere pentru producator, sase caractere pentru produs si un caracter de control) si EAN - 8, o varianta simplificata, cu doar opt caractere.
Scanner-ul magnetic este un tip de scanner care recunoaste sabloane magnetice. Data, înregistrata sub forma magnetica, este "înteleasa" de un echipament periferic de scanare magnetica. Cele mai cunoscute scannere de acest tip sunt: cititoarele de benzi magnetice si cititoarele de caractere scrise cu cerneala magnetica. Principalele aplicatii în care se folosesc aceste sisteme se regasesc în domeniul bancar, gestiunea fiselor de pontaj a personalului etc. În domeniul bancar, cel mai utilizat sistem îl constituie automatele bancare - ATM (Automatic Teller Machine), care asigura eliberarea numerarului, la cerere, limitat la valoarea contului consultat.
Echipamente de intrare cu atingere
Acest tip de echipamente vine în sprijinul nespecialistilor, care pot astfel sa utilizeze resursele hard si soft, fara a cunoaste detalii legate de exploatarea lor. Utilizatorul poate sa introduca datele atingând o zona, fie cu degetul, fie cu un instrument special Echipamentele tactile pot fi cuplate la toate tipurile de calculatoare, dar sunt mai frecvent întâlnite la microcalculatoare. Fac parte :digitizoarele, touchpad-ul, lightpen-ul, touchscreen-ul.
Digitizoarele sunt dispozitive de intrare care permit introducerea desenelor si schitelor într-un calculator. O suprafata de digitizare consta într-o tablita electronica si un cursor sau un creion. Tablita contine o parte electronica ce permite detectarea miscarilor cursorului sau ale creionului traducând aceste miscari în semnale digitale pe care le transmite calculatorului. La rândul lui, cursorul (puck) este un mouse special care poate fi prevazut cu pâna la 16 butoane si cu o "fereastra" cu linii încrucisate pentru deplasari delicate. Creionul (stylus) se aseamana cu un stilou obisnuit, prevazut, în loc de cerneala, cu un cap electronic.
Touchpad-ul reprezinta o mica suprafata sensibila la atingere, folosita, cu precadere la calculatoarele portabile, ca dispozitiv de punctare. Practic prin deplasarea unui obiect (chiar si un deget) peste pad (suprafata sensibila) se realizeaza mutarea pointer-ului (punctatorului) pe ecran, controlându-se astfel miscarile cursorului.
Lightpen-ul (creionul luminos /optic) este un dispozitiv de intrare care foloseste un detector sensibil la lumina pentru selectarea obiectelor de pe un ecran de afisare.
Touchscreen-ul (ecranul tactil) reprezinta un ecran de afisare care este acoperit de o folie transparenta, sensibila la atingere si care are capacitatea de a detecta zona atinsa de utilizator. Un ecran tactil este folosit de obicei pentru a lansa în executie operatiunile disponibile sub sistemul de calcul curent.
Pentru vizualizarea datelor introduse si a rezultatelor prelucrarii acestora, în configuratia standard a oricarui sistem de calcul se regasesc echipamentele periferice de iesire. Cele mai folosite echipamente de acest tip sunt monitorul, imprimanta si plotterul.
Monitorul reprezinta un dispozitiv format dintr-un ecran (display screen - suprafata de afisare) si circuitele necesare realizarii imaginilor pe ecran. Monitorul este legat la placa video (placa grafica /adaptorul video), care se gaseste în interiorul calculatorului si care prelucreaza semnalele primite de la procesor, pentru a le transforma în imagini grafice. Ecranul monitorului reprezinta un dispozitiv de afisare ce permite vizualizarea dialogului om - calculator, deci a datelor introduse, a comenzilor lansate, a rezultatelor obtinute si /sau a mesajelor sistemului
Principalii parametri care caracterizeaza calitatea monitoarelor sunt: latimea de banda (cantitatea de date care poate fi transmisa într-o perioada fixata de timp), rata de reîmprospatare (numarul de cicluri de redesenare a ecranului pe secunda), rezolutia (densitatea punctelor pe ecran), definitia (distanta dintre doua puncte adiacente pe ecran.
Monitoarele se clasifica dupa: tipul semnalului folosit (analogic sau digital), marimea ecranului (14,15,16,17, 19, 21 inches), capabilitatile coloristice (monocrome, cu nuante de gri, color), tipul frecventei folosite (frecventa fixa, multiscanning, cu multifrecventa).
Performantele unui dispozitiv de afisare sunt dependente de adaptorul video utilizat. Acesta este o placa logica inserata în calculator pentru a-i conferi posibilitati de afisare. Cele mai multe adaptoare respecta standardele video, definite de IBM sau VESA . Adaptoarele ofera mai multe moduri video cele de baza fiind: modul text - monitorul poate afisa doar caractere ASCII; modul grafic - monitorul poate afisa orice imagine harta de biti
Imprimanta este un echipament periferic de iesire care reproduce pe hârtie sau pe un alt suport (folie transparenta), textul sau imaginile generate de calculator. Suportul este unul secvential ce poate fi parcurs într-un singur sens, fara posibilitatea de revenire, pentru rescrierea unor informatii. Structura generala a unei imprimante cuprinde: blocul de imprimare, care impresioneaza suportul prin diverse procedee; sistemul de avans /antrenare a hârtiei; sistemul logic de comanda (procesorul); panoul cu butoane si /sau led-uri; interfata.
Parametrii de caracterizare a performantelor unei imprimante sunt: rezolutia, viteza, dimensiunea hârtiei, capacitatea memoriei proprii, extinderea setului de caractere.
La clasificarea imprimantelor se au în vedere mai multe criterii: tehnologia utilizata la tiparire, modul de realizare a imprimarii, calitatea caracterelor tiparite etc.
În functie de tehnologia utilizata, imprimantele pot fi: cu cap rotitor, matriceale, cu jet de cerneala, cu laser si termice.
Imprimantele cu cap rotitor (daisy wheel) sunt similare unei masini de scris, folosind un disc de plastic sau metalic pe care sunt scoase în relief formele caracterelor Un ciocan preseaza discul pe o banda tusata imprimând hârtia prin tipariri LQ (Letter Quality). Aceste imprimante nu pot tipari grafica.
Imprimantele matriceale creeaza caracterele prin lovirea acelor (pinilor) pe o banda tusata. Fiecare pin imprima un punct, combinatiile de puncte formând caractere si imagini.
Imprimantele cu jet de cerneala functioneaza prin pulverizarea picaturilor de cerneala ionizata pe o foaie de hârtie pe care se creeaza formele dorite. Ele sunt imprimante fara impact, cerneala fiind adusa la starea de vapori prin vibratii sau prin încalzire si apoi pulverizata prin orificiile foarte fine ale capului de tiparire.
Principalele avantaje ale acestor imprimante sunt: pretul scazut; lipsa zgomotului; calitatea imprimarii (daca sunt folosite hârtie si cerneala de calitate); portabilitatea (datorita partilor mecanice de dimensiuni mai mici, comparativ cu ce cele ale imprimantelor laser); obtinerea de documente color complexe la preturi scazute (în cazul modelelor color).
Principalele dezavantaje sunt legate de viteza considerabil mai mica decât a imprimantelor laser si de calitatea deosebita care se cere hârtiei si cernelii.
Imprimantele cu laser*, numite si imprimante optice sau imprimante xerografice, folosesc aceeasi tehnologie ca si aparatele de fotocopiat si produc texte si grafica de foarte buna calitate. Aceste imprimante folosesc o raza laser si o oglinda rotitoare pentru a produce o imagine pe un tambur fotosensibil. Lumina laserului modifica încarcatura electrica de pe tambur de fiecare data când îl atinge, desenându-se imaginea paginii. Tamburul este apoi rotit peste un rezervor de toner care este cules de portiunile încarcate electrostatic. În final, tonerul este transferat pe pagina de hârtie printr-o combinatie de caldura si presiune. Una dintre caracteristicile esentiale ale imprimantelor cu laser este rezolutia care poate atinge peste 1200 dpi. Pot fi obtinute rezolutii mai mari prin folosirea unor tehnici speciale de îmbunatatire (resolution enhancement). La rândul lor, imprimantele laser pot fi: monocrome si color.
Plotter-ul numit si trasator, realizeaza desene de mare precizie (harti, desene tehnice etc.), pe hârtie sau un alt material, în functie de comenzile transmise de un calculator. Un plotter este alcatuit din: un modul de trasare, un bloc de control al trasarii, o unitate logica si o interfata cu calculatorul.
Echipamentele de redare a sunetelor sunt dispozitive care furnizeaza rezultatele prelucrarii sub forma de sunete. Intra aici boxele /difuzoarele (speaker) care se ataseaza la placa de sunet pentru a elibera sunetul înmagazinat sau generat de sistemul de calcul.
Echipamente de intrare - iesire
În configuratia calculatoarelor pot exista echipamente care asigura atât intrarea cât si iesirea datelor. Din aceasta categorie fac parte modemul si faxul.
Modemul (MOdulator - DEModulator) permite calculatorului sa transmita date prin liniile telefonice*. El converteste datele digitale (specifice calculatoarelor) în unde analogice (specifice liniilor telefonice) la transmitere si invers la receptie .
Faxul permite transmiterea si receptionarea imaginilor si textului pe /de pe liniile telefonice. Faxul functioneaza prin digitizarea unei imagini (împartirea imaginii într-o retea de puncte). Electronic fiecare punct este reprezentat de un bit care are valoarea 0 sau 1. Astfel, se obtine o harta de biti care, la receptor, printr-un alt aparat fax, este "tradusa" în puncte care recompun imaginea transmisa. Un aparat fax consta dintr-un scanner optic pentru digitizarea imaginilor, o imprimanta pentru tiparire si un telefon pentru realizarea conexiunii.
Fax modemul poate fi atasat unui calculator permitând transmiterea documentelor electronice sub forma de fax-uri. Fax modemurile sunt însotite de programe de comunicatie similare celor existente la modemuri. Aceste programe confera facilitati care nu sunt disponibile la faxurile obisnuite. De exemplu, printr-un fax modem se poate difuza simultan un document fax mai multor destinatari.
Echipamente periferice si suporturi pentru stocarea datelor si informatiilor
Echipamentele din aceasta categorie pot fi clasificate în: echipamente si suporturi magnetice; echipamente si suporturi optice; echipamente si suporturi magneto-optice.
Echipamente si suporturi magnetice
Suporturile magnetice pot fi neadresabile (benzi si casete) si adresabile (discuri).
Banda magnetica reprezinta o panglica din material plastic acoperita cu o pelicula fina de oxid feromagnetic ce constituie mediul de înregistrare. Caracterele sunt reprezentate prin combinatii de puncte magnetizate perpendicular pe axul benzii. Numarul de puncte determina numarul de piste (tracks), paralele cu axa longitudinala (de obicei 7 sau 9 piste). Bitii aflati pe aceeasi coloana formeaza un byte.
Echipamentele care asigura citirea /scrierea informatiei pe banda magnetica poarta numele de unitati de banda magnetica
Discurile magnetice. În configuratiile sistemelor electronice actuale, discul magnetic este suportul cel mai utilizat. Exista mai multe categorii de discuri, dar toate prezinta urmatoarele caracteristici comune:
discul este un suport rotund, plat, realizat dintr-un material plastic flexibil (discheta) sau un metal rigid (hard-discul), acoperit cu un strat magnetic pe care pot fi înregistrate informatii codificate binar;
operatiile de citire /scriere se realizeaza prin intermediul unor dispozitive speciale numite capete de citire /scriere;
discul este un suport adresabil;
înainte de a fi utilizat un disc trebuie formatat.
Procedura de formatare, aceasta consta în scrierea unor informatii care sa permita, ca la începutul operatiei, sa se stie unde sa se deplaseze capul de citire /scriere pentru a putea citi /scrie datele; divizarea suprafetei discului în piste si sectoare logice; crearea "repertoarului" pentru fisierele care vor fi memorate.
Discul este organizat în piste concentrice pe care vor fi scrise datele si în sectoare, pentru a permite reperarea locatiei în care sunt plasate înregistrarile. Acest amplasament este cunoscut prin: numarul fetei discului, numarul sectorului si numarul pistei
Astfel, pentru a "ajunge" la o înregistrare, este suficient sa se cunoasca aceste trei coordonate, pentru ca bratul /capul de citire sa se pozitioneze la începutul sectorului, de pe pista care contine data si sa o gaseasca citind secvential sectorul. Discul este un suport adresabil, accesul fiind selectiv (direct).
Fiecare înregistrare fizica este formata dintr-un anumit numar de sectoare succesive, ce constituie un bloc. Blocul se identifica prin adresa reala a primului sector si prin numarul de sectoare pe care le contine. Unitatea de transfer între suport si memoria interna este pagina, care cuprinde numai informatia utila dintr-un bloc.
Discurile magnetice, în functie de tehnologiile de realizare, sunt discuri flexibile, discuri dure, discuri amovibile.
Discul flexibil (Floppy Disk - FD)
Discul flexibil reprezinta un disc de dimensiuni mici si foarte maleabil, confectionat dintr-o folie de plastic, acoperita cu un strat de oxid magnetic. El este protejat de un plic flexibil (la dischetele de 8 sau 5.1/4 inch), sau rigid (la discheta de 3.1/2 inch). Discul flexibil este folosit pentru memorarea de programe si fisiere.
Capacitatea de stocare variaza de la 360KB la 2.88 MB si este în functie de densitatea liniara BPI (bit per inch) si de densitatea radiala TPI (track per inch), care este data de numarul de piste pe inch, de pe o fata a dischetei (tabelul 2.1.).
Tabelul nr. 2.1 Tipuri de discuri flexibile si caracteristicile acestora
|
a |
aa |
a |
Capacitate totala |
||
|
KO, MO |
Pagini text pp |
||||
|
5.25" DS/SD |
320 KO |
Pâna la 200 pp |
|||
|
5.25" DS/DD |
360 KO |
aprox. 240 pp |
|||
|
5.25" DS/DD |
720 KO |
aprox .500 pp |
|||
|
5.25" DS/HD |
1.2 MO |
aprox. 800 pp |
|||
|
DS/DD |
720 KO |
aprox. 500 pp |
|||
|
DS/HD |
1.2 MO |
aprox. 900 pp |
|||
|
DS/HD |
1.44 MO |
aprox. 1800 pp |
|||
|
3.5" DS/ED (EHD) |
2.88 MO |
peste 2000 pp |
|||
* în care:
DS (Double Side) - Dubla fata;
SD (Simple Density) - Simpla densitate;
DD (Double Density) - Dubla densitate;
HD (High Density) - Înalta densitate;
ED (Extended Density) - Densitate extinsa;
EHD (Extra High Density) - Densitate foarte înalta
Aparute oficial în 1956, hard discurile sunt rezultatul unui lung sir de inovatii. Hard discul este singura parte mecanica esentiala pentru functionarea unui calculator modern. Din aceasta cauza ea este mai lent, comparativ cu restul componentelor (excluzând floppy-ul si unitatea CD-ROM, care nu se folosesc continuu).
Hard discul este compus din mai multe discuri (platane) asemanatoare cu cele flexibile, fiecare fiind prevazut cu un cap propriu de citire /scriere pentru fiecare fata. La efectuarea operatiunii de citire /scriere, capetele "colaboreaza" între ele, functionând aproape simultan si asigurând o viteza de transfer a informatiei sporita. Discurile au acelasi numar de piste, toate pistele cu acelasi numar de ordine formând un cilindru. Numarul de cilindri este identic cu numarul de piste continute pe o fata a platanului. Înscrierea unui fisier pe acelasi cilindru conduce la economisire de timp, întrucât nu mai este necesara deplasarea de mai multe ori a capului de citire /scriere. Discurile dure stocheaza sistemul de operare a microcalculatoarelor, software-ul de aplicatii si fisierele de date, capacitatea lor de stocare crescând continuu de la o generatie la alta. Exista doua mari categorii de discuri dure: pack discuri si discurile hard (discurile Winchester).
Discurile pack reprezinta un grup de discuri închise într-o cutie de protectie amovibila. Ele sunt utilizate cu precadere în arhitecturile minicalculatoarelor si a mainframe-urilor. Pentru microcalculatoare, acest suport se prezinta sub forma de cartuse de discuri amovibile. Unitatile de disc fix înlocuibil combina cele mai bune caracteristici ale discurilor fixe cu cele ale discurilor flexibile.
Discurile Winchester* sunt utilizate pentru microcalculatoare si se prezinta sub forma unui dispozitiv care contine unul sau mai multe discuri rigide (acoperite cu un material magnetizabil), capete de citire /scriere, un mecanism de pozitionare a capetelor si un motor de antrenare a discurilor, toate într-o carcasa de protectie, închisa etans. Acest suport permite stocarea unei cantitati mult mai mari de date si asigura un acces rapid la acestea.
RAM disc (Random Accesss Memory Disk) se constituie într-o unitate de disc simulata, ale carei date sunt stocate, în memoria interna. Un program special permite sistemului de operare sa citeasca si sa scrie în dispozitivul simulat ca si cum ar fi o unitate de disc real. Discurile RAM sunt foarte rapide (aprox. 1000 de ori fata de unitatile de disc fix), fiind folosite pentru aplicatiile care necesita acces frecvent la datele de pe disc. Pe de alta parte, acestea consuma o parte din memoria sistemului. Deoarece discurile RAM îsi pierd continutul odata cu închiderea calculatorului, ultimele tipuri au fost prevazute cu un sistem de acoperire (backup ) cu baterii, care le face mai stabile.
Discul optic (compact discul - CD) constituie un mediu de stocare de pe care sunt citite si /sau scrise datele folosind un laser. Un CD este un disc metalic, fara proprietati magnetice, lustruit, acoperit cu un strat de material plastic care este citit optic cu ajutorul unui mecanism care foloseste o sursa de lumina de înalta intensitate (laser). Absenta unui contact fizic direct cu suportul evita uzura sa. Spre deosebire de discurile magnetice la care înregistrarea datelor se realizeaza pe piste concentrice, la discul optic stocarea datelor se face continuu, în spirala sub forma unor mici adâncituri. Fiecare adâncitura reprezinta cifra binara 1. Absenta adânciturii reprezinta cifra binara 0. Astfel, suprafata discului este acoperita cu biti care sunt organizati asemenea celor de pe disc sau banda. În schimb, acest suport poate stoca mult mai multe date decât mediile magnetice. Discurile optice permit conservarea si exploatarea datelor de natura diversa, fiind cele mai eficiente suporturi multimedia. Utilizarea lor presupune o unitate speciala. Exista trei tipuri de discuri optice: CD-ROM, WORM si EO.
CD-ROM (Compact Disk - Read Only Memory)
Discurile CD-ROM reprezinta un disc optic capabil sa înmagazineze pâna la 1 GO, cel mai întâlnit fiind cel de 650 MO, care echivaleaza cu aprox. 460 discuri flexibile de 1.44 inch, adica stocheaza peste 300.000 pagini text. CD-ROM-urile necesita un aparat special pentru înregistrarea datelor, iar acestea odata înregistrate nu mai pot fi sterse sau modificate. Pentru citirea unui CD este necesara o unitate CD-ROM player.
Unitatile CD-ROM se caracterizeaza prin: rata de transfer, timpul de acces si compatibilitatea cu standardele existente.
Rata de transfer (data transfer rate) reprezinta cantitatea de date ce poate fi citita si transmisa catre calculator într-o secunda (150 K pe secunda, 450 K /s, 900 K /s etc.).
Timpul de acces (seek time) indica timpul necesar unitatii pentru accesarea /gasirea unei informatii particulare (500 milisecunde, 800 milisecunde).
Compatibilitatea reprezinta abilitatea unei unitati CD-ROM de a exploata CD-uri comercializate de diferite firme si se bazeaza pe o serie de standarde. Cele mai cunoscute standarde respectate de producatorii de CD-uri sunt: Red Book, Yellow Book, Green Book, CD-ROM/XA, ISO 9660. Acestea sunt culegeri de specificatii elaborate de corporatiile Sony, Philips, Microsoft si sustinute de ISO.
Discurile WORM sunt asemanatoare discurilor CD-ROM, putând fi scrise o singura data si citite de un numar nelimitat de ori. Sunt dispozitive de stocare de mare capacitate, si întrucât nu pot fi sterse si reînregistrate sunt recomandate pentru stocarea arhivelor sau a altor volume mari de informatii care nu se schimba.
Prin tehnologia CD-R (Compact Disk Recordable) utilizatorul poate sa-si creeze propriile CD-ROM-uri daca dispune de o unitate speciala de scriere /gravare /ardere. Gravarea poate fi de tip mono sau multisesiune. Un disc astfel obtinut poate fi citit într-o unitate normala de CD-ROM.
Discurile reinscriptibile (CD-RW / Erasable CD)
Discurile reinscriptibile înlatura dezavantajul discurilor WORM care pot fi înregistrate o singura data. Ele se preteaza a fi folosite în aplicatiile în care este necesara modificarea repetata a informatiilor stocate. Discurile reinscriptibile pot fi scrise, citite, sterse si rescrise asemanator suporturilor magnetice.
Sistemele DVD (Digital Video Disk)
O generatie noua a tehnologiilor de stocare a datelor video, audio si informatice, o constituie discurile video digitale (DVD -urile). Din punct de vedere constructiv exista DVD-uri cu una sau doua fete, pe fiecare fata putând fi unul sau doua straturi, capacitatea de stocare fiind diferita. De exemplu, un disc video cu un singur strat si o singura fata permite stocarea a 4.7 GB de date, un DVD cu doua straturi si o singura fata are o capacitate de stocare de 8.5 GB, iar în cazul celor cu doua fete se ajunge la capacitate de stocare maxima de 17 GB.
Echipamente periferice si suporturi magneto-optice
Discurile magneto-optice sunt dispozitive de stocare cu stergere sau semistergere de capacitate foarte mare. Pentru înregistrarea datelor se utilizeaza o raza laser care încalzeste un punct extrem de mic de pe suprafata discului, astfel încât orientarea magnetica a suportului sa poata fi modificata de capul de citire /scriere. Unitatile magneto-optice combina tehnologiile discului magnetic cu tehnologiile CD-ROM. Desi sunt lente în comparatie cu hard discurile si scumpe în comparatie cu discurile obisnuite, ele se preteaza foarte bine pentru realizarea copiilor de siguranta.
Unitatile de interfata si liniile de comunicatie (magistrale /canale) asigura conectarea tuturor componentelor interne si externe ale unui sistem de calcul, fluxul datelor si al comenzilor, între componentele sistemului, în timpul prelucrarii, precum si fluxul de semnale pentru întretinerea sistemului în stare de functionare.
Dupa semnificatia semnalelor transmise, magistralele /canalele pot fi de adrese, de date sau de control, dupa cum semnalele respective reprezinta adrese, date sau comenzi si informatii despre starea unitatilor interconectate.
2.1.2 Resursele software
Cea de a doua componenta a unui sistem electronic de calcul, Software, include resursele logice care pot fi structurate în trei categorii:
- programe de baza;
- programe de aplicatii;
- programe intermediare.
Programele de baza (software-ul de sistem) asigura exploatarea eficienta a întregului sistem electronic de calcul. Din aceasta categorie fac parte sistemele de operare, programele utilitare si programele traductoare.
Sistemul de operare reprezinta componenta indispensabila functionarii oricarui calculator si actioneaza ca un intermediar între utilizator si resursele calculatorului.
Programele utilitare sunt programe specializate în realizarea unor operatii precis definite. Desi nu sunt obligatorii, sunt recomandate pentru a completa serviciile interne ale sistemului, sprijinind utilizatorul final în operatii precum gestionarea discurilor, dialogarea facila om-calculator etc. Din aceasta categorie, cele mai cunoscute sunt Norton Commander, Win Commnader, Windows Explorer, programele antivirus, programele de arhivare etc.
Programele traductoare au rolul de a traduce programele sursa, scrise de utilizator în limbaje de programare, în programe executabile de catre calculator. Traducerea poate fi realizata prin compilare sau prin interpretare.
Compilarea presupune parcurgerea urmatoarelor etape:
traducerea programului sursa într-un format obiect relocabil (binar translatabil);
editarea de legaturi prin completarea programului obiect cu module preluate din biblioteci (de sistem sau ale utilizatorului);
obtinerea programului executabil;
încarcarea si lansarea în executie în vederea obtinerii rezultatelor dorite.
Interpretarea presupune traducerea programului, instructiune cu instructiune, la fiecare executie a acestuia.
Programele de aplicatii sunt proiectate pentru a asigura automatizarea cerintelor utilizatorilor din domenii diverse. În general, ele raspund principalelor functii ale entitatilor social-economice (contabilitate, finante, marketing, resurse umane etc.). Aceste programe sunt folosite pentru:crearea bazelor de date cu diverse destinatii; gestiunea economico-financiara;realizarea aplicatiilor administrative; realizarea de aplicatii tehnico-stiintifice;proiectare si inginerie asistate de calculator;comunicatii si teletransmisii de date;dezvoltarea de software (crearea altor aplicatii) etc. În entitatile social-economice programele de aplicatii pot fi obtinute fie prin achizitionare de pe piata specializata, fie prin programarea /construirea cu resurse proprii.
Programele intermediare sunt instrumente adresate cu precadere utilizatorilor finali care exploatând microcalculatoare pot sa si rezolve singuri aplicatiile dorite. Intra în aceasta categorie procesoarele de texte (Word, Word Perfect, Ami Pro etc.), programele de calcul tabelar (Excel, Lotus etc.), programele de grafica (Coreldraw, Power Point etc.) si instrumentele soft integrate (Works).
Apelând un anumit soft, într-un sistem electronic de calcul, se pot efectua diverse prelucrari. Rezolvarea unei probleme presupune un algoritm care sta la baza unui program format dintr-o succesiune de instructiuni. Executarea unei instructiuni se deruleaza pe parcursul mai multor pasi sincronizati în timp (figura 2.3).
Figura 2.3 Executia unei instructiuni.
Semnificatia si succesiunea pasilor este urmatoarea:
citirea din memoria interna (MI) a instructiunii si încarcarea ei în unitatea de comanda si control (UCC);
decodificarea instructiunii si emiterea ordinului catre unitatea aritmetica si logica (UAL);
UCC transmite catre MI adresele datelor ce sunt citite si apoi încarcate în UAL;
UAL prelucreaza datele încarcate din MI;
UAL transmite catre MI rezultatele obtinute.
2.2 Arhitecturi si configuratii de calculatoare
Echipamentele hardware, privite din punct de vedere functional si facând abstractie de forma si amplasarea lor fizica formeaza arhitectura unui sistem electronic de calcul.
Conceptul de arhitectura are un grad mare de generalitate si vizeaza aspectele legate de performantele si compatibilitatile componentelor sale. Arhitecturile pot fi multicalculator sau multiprocesor.
Arhitecturile multicalculator sunt specifice sistemelor care includ cel putin doua calculatoare si asigura o disponibilitate înalta si o divizare a sarcinilor de prelucrare
Arhitecturile multiprocesor sunt specifice sistemelor de calcul care includ cel putin doua unitati centrale de prelucrare, identice sau diferite, care au acces comun la memoria interna. Se asigura astfel o marire a capacitatii de prelucrare prin executarea în paralel a unor sarcini distincte, concomitent cu echilibrarea si omogenizarea distributiei de sarcini.
O arhitectura trebuie sa îndeplineasca urmatoarele functii (figura 2.4):
functia de memorare - asigura pastrarea datelor si a programelor;
functia de prelucrare - realizeaza operatii aritmetice si /sau logice asupra datelor din memoria interna;
functia de comanda si control - supervizeaza prelucrarea automata a datelor;
functia de intrare /iesire - introduce datele si programele de aplicatii, de pe suporturi externe, în memoria interna si extrage rezultatele prelucrarilor, din memorie, pe un suport extern.
|
Date de iesire Date de intrare si programe Rezultate Date Comenzi Comenzi de intrare Comenzi |
Figura 2.4 Functiile sistemului electronic de calcul
În functie de cerintele de prelucrare si de optiunile utilizatorului, unitatea centrala poate fi cuplata cu un numar variabil de dispozitive /echipamente periferice si de unitati de interfata. Se obtine, astfel, configuratia sistemului respectiv (figura 2.5). Pentru ca un sistem sa fie operational trebuie sa existe o configuratie minima (de baza) în care sunt conectate un numar minim necesar de componente. Plecând de la configuratia minima, în functie de complexitatea lucrarilor de executat si de posibilitatile financiare, utilizatorul îsi poate adauga noi componente. Ţinând cont de limita maxima admisa de unitatea centrala de prelucrare se poate obtine o configuratia maxima
Figura 2.5 Configuratia unui SEC
Indiferent de configuratie, la executarea unui program de aplicatii, între componentele unui sistem electronic de calcul se realizeaza urmatoarele fluxuri informationale:
fluxul instructiunilor apare odata cu încarcarea, în memoria interna a programului, în format executabil, instructiunile acestuia fiind preluate de unitatea de comanda si control pentru decodificare si transformare în comenzi;
fluxul comenzilor se realizeaza între unitatea de comanda si control si celelalte componente ale sistemului, prin transmiterea comenzilor, pentru efectuarea operatiunilor de intrare (citire), de calcul (prelucrare), iesire (scriere) etc.
fluxul datelor se realizeaza pe parcursul executiei comenzilor pentru operatiuni de intrare-iesire.
2.3 Evolutia si clasificarea sistemelor de calcul
Constructia mijloacelor moderne de calcul trebuie privit în contextul dezvoltarii întregii societati umane. Aceasta dezvoltare a fost posibila numai datorita acumularii si folosirii informatiilor transmise de la o generatie la alta.
2.3.1 Evolutia sistemelor electronice de calcul
Intensificarea schimburilor comerciale a impus construirea unor aparate de calcul. Se presupune ca primul aparat de calcul a fost socotitorul cu bile, cunoscut la romani sub numele de abacus, iar la greci, tabla lui Pitagora. Un aparat asemanator - suanpan - era folosit, cu mult înaintea grecilor si romanilor, de catre chinezi.
Înca din primele secole ale e.n. au fost cunoscute calculatoarele mecanice: taxometrele si godometrele, care erau folosite pentru masurarea distantelor parcurse. Câteva secole mai târziu s-a înregistrat o performanta esentiala si anume, fixarea rezultatelor calculelor cu ajutorul cadranelor. Aparate asemanatoare se întâlnesc si azi: contoare de gaz si electricitate, apometre, contorul de turatii, pendulul etc.
La începutul secolului al XVII-lea din secolul trecut, matematicianul scoþian John Napier a creat un instrument de calcul cunoscut sub numele de "bastonaºele lui Napier". Napier a rãmas celebru mai ales prin inventarea logaritmilor naturali sau naperieni care s-au rãspândit pretutindeni, având utilizare atât în problemele teoretice cât ºi în cele aplicative.
Avantajele tabelelor de logaritmi au fost folosite de catre W. Oughtread, care, în 1622, a realizat prima riglã de calcul. Rigla de calcul poate efectua uºor nu numai înmulþiri ºi împãrþiri, ci ºi ridicãri la putere, extrageri de rãdãcini pãtrate sau cubice, calculul funcþiilor trigonometrice etc. In schimb, rigla de calcul realizeaza operaþiile de adunare ºi scãdere.
Apariþia masinilor mecanice de calculat este legatã de numele marelui savant francez Blaise Pascal. Din dorinta de a-si ajuta tatãl, care se ocupa cu strânegerea taxelor ºi impozitelor, tânãrul Pascal a realizat, în 1642, prima maºinã mecanicã cu care se efectuau adunari ºi scãderi. Maºina lui Pascal functiona dupa principiul contorului electric sau cel de kilometraj. Astfel, masina era formatã dintr-o serie de roþi dinþate, cuprinzând fiecare câte 10 dinþi numerotaþi de la 0 la 9 ºi un "ecran" pe care se puteau citi cifrele.
În 1671, marele matematician german Gottfried Wilhelm Leibnitz, aducând unele îmbunãtãþiri maºinii lui Pascal, a realizat o maºinã de calculat care fãcea, în plus, înmulþiri ºi împãrþiri. Leibnitz, prin studiile sale de matematicã ºi logicã poate fi considerat un precursor important în construirea maºinilor electronice moderne, el introducând simbolismul algoritmic ºi calculul infinit zecimal.
Realizarea primelor maºini de calcul, în serie, s-a produs abia în 1820. Alsacianul Charles Xavier Thomas din Colmar deschide, la Paris, o fabricã de maºini numite aritmometre. La baza construcþiei maºinilor de calcul mecanice stã principiul general conform cãruia, fiecare numãr este considerat ca o distanþã (liniarã sau unghiularã).
Automatizarea calculelor matematice s-a putut realiza atunci când în maºinã au fost introduse cartelele perforate, un suport de hârtie folosit pentru pastrarea codificata a datelor. Ideea folosirii cartelelor perforate apare în Franþa, în 1806, când inginerul Joseph Marie Jacquard inventeaza un sistem pentru controlul funcþionarii rãzboaielor de þesut ale textiliºtilor din Lyon.
Utilizarea cartelei perforate în tehnica de calcul a fost realizata de matematicianul englez Charles Babbage (1791-1871), profesor la Universitatea din Cambridge, care a imaginat o maºinã capabilã sã poatã calcula ºi tipãri tabele matematice cu ajutorul cartelelor perforate. Astfel, în 1822, C. Babbage a creat o maºinã diferenþialã care permitea calcularea tabelelor matematice pânã la a opta zecimalã. Mai târziu, în 1832, el a conceput o maºinã analiticã, mult mai puternicã decât prima, care trebuia sã efectueze automat cele mai diverse operaþii matematice. În proiectul sãu, maºina analiticã cuprindea, ca orice calculator electronic modern, trei elemente esenþiale:
un bloc de memorie (magazia) pentru înmagazinarea datele sub forma de perforatii în cartele de hârtie;
un bloc aritmetic (moara) pentru efectuarea calculelor;
un bloc de dirijare si control (comanda).
Masina era conceputa sa efectueze toate operatiunile aritmetice, pe baza unui program introdus în prealabil în masina, sa memoreze rezultatele intermediare pentru a fi folosite în calcule ulterioare si sa decida între doua actiuni, în functie de rezultat. Aceasta masina nu a putut fi construita datorita conditiilor tehnologice din acea vreme.
Programele pentru aceasta masina au fost realizate de catre Ada Augusta Byron, contesa de Lovelace, fiica celebrului poet englez Byron si asistenta lui Charles Babbage. Ada Augusta Byron este considerata primul programator din lume.
Cartelele perforate, ale lui Jaquard, l-au influentat si pe inginerul american (de origine germana) Hermann Hollerith, care din 1880, lucra ca statistician, la Biroul de Recensamânt al SUA. În 1887, el construieste masini care lucreaza pe baza de cartele perforate si care erau prevazute cu dispozitive speciale de perforat, sortat, numarat cartele, de tabulat etc. Aceste dispozitive au contribuit la cresterea substantiala a vitezei de lucru. Masinile cu cartele perforate au fost folosite pentru recensamântul populatiei SUA din anul 1890.
Hermann Hollerith simte valoarea comerciala a ideii sale si, în 1896, înfiinteaza firma Tabulating Machines Company, destinata construirii si vânzarii acestor masini. În 1911, Tabulating Machines Company fuzioneaza cu alte firme pentru a forma Computing Tabulating Recording Company. Aceasta firma, în 1924 îsi schimba numele în Industrial Bussines Machines Corporation (IBM), considerata si în prezent cea mai mare firma producatoare de echipamente de calcul din lume.
Este greu de precizat, cu exactitate, când a fost inventat primul calculator modern. În perioada 1930-1940 au fost realizate numeroase masini, dar cea mai mare parte dintre ele nu aveau toate caracteristicile care sunt astazi asociate unui calculator.
Primele dispozitive, asemanatoare calculatoarelor, au fost create în 1941, în Germania, de catre Konrard Zuse si se numeau Z3 si Z4. Acestea aveau multe parti electronice, dar memoria era mecanica.
O alta masina electromecanica de calcul a fost realizata de Howard Aiken si Claire Lake, cu asistenta financiara din partea firmei IBM, la Harward University, în 1943. Masina se numea Automatic Sequence Control Calculator (Mark I), utiliza relee si benzi din hârtie perforata si avea la baza principiile lui Charles Babbage. Ea a fost folosita pentru calculul traiectoriilor balistice.
Primul dispozitiv, în întregime electronic, a fost realizat de John Atanasoff si asistentul sau, Clifford Berry. Profesorul Atanasoff a dorit ca masina lui sa-i ajute pe studenti în rezolvarea anumitor tipuri de ecuatii. Din 1937, pâna în 1942, ajutat de C. Berry, Atanasoff realizeaza masina denumita Atanasoff - Berry Computer sau ABC.
ABC-ul a fost primul calculator electronic, dar nu universal. El rezolva doar anumite tipuri de ecuatii, neputând fi folosit si pentru alte probleme.
În aceeasi perioada, la Universitatea din Pennsylvania, profesorii John Presper Eckert si John W. Mauchly au început construirea unei masini bazate pe tuburi electronice. Proiectul, început în 1943, a fost terminat în 1946 sub numele de ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer). Aceasta masina era enorma: avea o greutate de 30 tone, continea 18.000 tuburi electronice, ocupa o suprafata de podea de 160 mp. Prelucra date cu o viteza de aproximativ 5.000 de operatii pe secunda, introducerea datelor si instructiunilor facându-se de la 40 de panouri cu fise, în câteva zile, iar verificarea dura, alte câteva zile. Acest calculator avea o fiabilitate foarte redusa si necesita înlocuirea frecventa a tuburilor care se ardeau repede.
Un nume de referinta în evolutia calculatoarelor este cel al matematicianului John von Neumann care înca din 1944 a lansat ideea programului înregistrat. Astfel, au aparut si notiunile de algoritm de rezolvare a unei probleme si de program de prelucrare a algoritmului. John von Neumann a recomandat constructorilor de calculatoare trei principii:
programele si datele sa fie codificate sub forma binara;
programele si datele sa fie pastrate în memoria calculatorului;
sa existe o unitate centrala de prelucrare care sa poata extrage, decodifica si executa instructiunile programului.
O buna parte dintre calculatoare, inclusiv cele actuale, sunt construite în conformitate cu principiul von Neumann, fiind compuse din unul sau mai multe procesoare, memorie interna, dispozitive de intrare-iesire pe suport magnetic, la care au fost adaugate ulterior orologii, terminale, interfete de retea etc.
Ca si predecesorii lor, Eckert si Mauchly formeaza, în 1947, o companie pentru construirea de calculatoare comerciale. Obiectivul lor a fost proiectarea si construirea unui calculator universal, UNIVAC I (Universal Automatic Computer).
Concomitent, în mai 1949, în Anglia, a fost realizat calculatorul EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Computer), de profesorul M. Wilkes, iar în SUA, a fost realizat calculatorul BINAC (Binary Automatic Computer). Doi ani mai târziu, a fost creat EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer). EDVAC poseda un sistem de comanda flexibil si un tip special de înmagazinare a datelor care îi confera viteze ridicate de calcul.
Comercializarea calculatoarelor începe în 1951, cu calculatorul UNIVAC I, vândut Biroului de Recensamânt al SUA. Începând cu UNIVAC I, calculatoarele s-au dezvoltat rapid, evolutia fiind marcata de existenta mai multor generatii de calculatoare.
Generatia I. Calculatoarele din aceasta generatie erau prevazute cu tuburi, relee electromagnetice, iar memoriile utilizau tamburi magnetic. Viteza de calcul ajungea la 10.000 operatii si instructiuni pe secunda. Programatorul îsi introducea programul (codificat binar sau hexazecimal) în memorie, de la o consola sau de la un panou. Apoi, îl lansa în executie, îsi vizualiza rezultatele si eventual îl depana. La noi în tara, primele calculatoare, din aceasta generatie, au fost CIFA produse la Institutul de Fizica Atomica din Bucuresti. Au urmat MECIPT I (Masina Electronica de Calcul - Institutul Politehnic Timisoara) si DACICC I (Dispozitiv Automat de Calcul - Institutul de Calcul Cluj).
Generatia a II-a. Aparitia, în 1948, a tranzistorului inventat de o echipa de cercetatori, de la Bell Laboratories, condusa de William Shockley, bazat pe semiconductori (din siliciu sau germaniu), a revolutionat construirea echipamentelor de calcul. Memoria principala era realizata din inele de ferita (materiale magnetice sintetizate). Ca urmare viteza de lucru ajunge la 100.000-200.000 de operatii pe secunda, iar capacitatea memoriei interne creste la 32 KO. Apar primele echipamente periferice: cititorul de cartele, imprimanta, unitati de banda magnetica. Pe linie de soft apar primele sisteme de operare (programe proprii ale sistemului de calcul care controleaza activitatea de introducere si extragere a datelor, executarea alternativa a programelor, programe pentru servicii standard de sortare si clasificare, programe standard de calcul al functiilor matematice) si limbajele de programare de nivel înalt, prin care se pun bazele ingineriei programarii.
În 1956, apare primul limbaj de nivel înalt, FORTRAN (FORmula TRANslator), orientat spre aplicatiile stiintifice, în 1958, ALGOL (ALGOrithmic Language), orientat pe calcule tehnico-stiintifice si din care a aparut ulterior limbajul PASCAL, iar în 1960, COBOL (Common Business Oriented Language), orientat spre calcule economice si permitând manipularea unui volum mare de date Dintre calculatoarele de generatia a II-a, produse în România, mai cunoscute sunt: MECIPT II, CET-500, DACICC-200.
Generatia a III-a. Inventarea în 1958 a circuitelor integrate* a determinat reducerea dimensiunilor si a costurilor, cresterea vitezei de prelucrare si reducerea necesarului de aer conditionat. Cel mai adesea circuitele integrate sunt clasificate în functie de numarul de tranzistori si alte componente electronice pe care le contin. Din acest punct de vedere exista urmatoarele clase de chip-uri:
pâna la 100 de componente - SSI (Small Scale Integration);
100 -3000 componente - MSI ( Medium Scale Integration);
3000-100000 componente - LSI (Larges Scale Integration);
100000 - 1000000 componente - VLSI (Very Large Scale Integration) ;
peste 1000000 componente - ULSI (Ultra Large Scale Integration);
peste 1000000 componente, într-o tehnologie tridimensionala - WSI (Wafe Scale Integration).
Calculatoarele din aceasta generatie aveau o viteza de calcul de 0,5.1 MIPS (1 MIPS = 1 Milion Instructiuni Pe Secunda), capacitatea memoriei interne fiind de 2 MO.
Din punct de vedere arhitectural, la aceste calculatoare a aparut Unitatea de Schimburi Multiple (USM), care are drept scop degrevarea UCP de transferul de date, dintre memorie si periferice. UCP initiaza transferul de date, dupa care acesta cade în sarcina USM. Aceste sisteme se mai numesc si mainframe-uri sau sisteme medii-mari. În aceasta perioada au aparut sisteme de operare din ce în ce mai evoluate. În 1965, IBM a propus: sistemul DOS (Disk Operating System) - orientat spre calculatoarele personale si sistemul de operare OS (Operating System) - orientat spre calculatoare puternice. Tot în aceasta perioada au aparut si limbajele de programare: Lisp, Pascal, PL/1, C, Basic.
Din generatia a III-a cele mai cunoscute sunt sistemele IBM System/360 care au fost lansate pe piata în 1964. La noi în tara, au fost realizate calculatoarele FELIX C-256, 512,1024, bazate pe licenta franceza IRIS-50 si minicalculatoarele din familiile INDEPENDENT (variantele I-100, I-102F, I-106) si CORAL (variantele CORAL-4011, 4021, 4030), proiectate de Institutul de Tehnica de Calcul si realizate de Fabrica de Calculatoare Electronice Bucuresti.
Saltul calitativ l-a reprezentat aparitia, în 1970, a microprocesorului, inventat de inginerul Marcian Ted Hoff de la firma Intel, la cererea firmei japoneze Busicom. Primul microprocesor functional (i4004) a fost lansat de catre Intel în februarie 1971 si avea aceeasi putere ca si calculatorul ENIAC. Puterea unui microprocesor consta în numarul de biti transmisi si prelucrati în paralel.
Dupa 1970, datorita progreselor microelectronicii (circuite LSI si VLSI) si a microprocesoarelor, a aparut o mare varietate de mini si microcalculatoare. Dintre minicalculatoare, cele mai cunoscute sunt cele de tip PDP-11 (pe 16 biti) si VAX-11 (pe 32 biti), produse de firma DEC (Digital Equipment Corporation).
Primul microcalculator cunoscut pe plan mondial a fost MICRAL, construit în Franta, în 1973 de catre André Trung Trong Thi, pe baza unui microprocesor Intel 8008.
În România, din aceasta generatie au fost realizate microcalculatoarele Cub-Z, TPD, aMIC, Prae, Junior PC etc.
Literatura de specialitate prezinta si generatia intermediara 3.5, inaugurata de IBM, prin System/370. Aceasta generatie prezinta îmbunatatiri în privinta largirii domeniilor de utilizare si a scaderii costurilor.
Generatia a IV-a. Calculatoarele din aceasta generatie se bazeaza pe componente microelectronice cu integrare pe scara foarte larga, set complex de instructiuni, modularitate, posibilitati de adresare extinse si de autodiagnosticare. Modul de exploatare a cunoscut modificari remarcabile prin introducerea bazelor de date si a sistemelor de gestiune a acestora, precum si prin dezvoltarea componentelor fizice si logice, pentru integrarea sistemelor de calcul în retele de calculatoare. Apar pachete de programe pentru procesarea de texte, gestiunea datelor, prelucrarea imaginilor si a sunetelor etc. Se dezvolta limbajele neprocedurale si cele orientate pe obiecte. Cu ajutorul acestor programe calculatorul reuseste sa dezvolte rationamente.
Realizarile moderne tind sa se polarizeze în jurul calculatoarelor ultrarapide, numite si supercalculatoare, care executa, în general, un set foarte redus de instructiuni, dar cu o viteza foarte mare, si a celor inteligente, care pot executa instructiuni complexe.
Prima familie de supercalculatoare a fost Cray, produsa de firma Cray Research. Dintre produsele acestei firme, cel mai popular model a fost Cray X-MP, aparut în 1982.
Calculatoarele din primele patru generatii sunt considerate ca având arhitectura de tip von Neumann, caracterizându-se prin prelucrarea secventiala a instructiunilor programelor stocate în memorie, împreuna cu datele de prelucrat. Structura de prelucrare este fixa, functiile fiind obtinute prin software.
Trecerea de la o generatie la alta, produsa în medie la un interval de sase ani, a însemnat de fiecare data un salt calitativ remarcabil, estimat în medie printr-o crestere de 10 ori a vitezei de prelucrare, de 20 de ori a capacitatii de memorie, de 10 ori a fiabilitatii, o reducere de 10 ori a costului componentelor si de 2,5 ori a întregului sistem de calcul
Generatia a V-a. În 1981, Japonia anunta lansarea proiectului pentru realizarea calculatoarelor din cea de a V-a generatie. Aceasta generatie se bazeaza pe dezvoltarea inteligentei artificiale si pe regândirea tehnologiilor hard si soft. Ca urmare, aceste calculatoare devin sisteme de procesare a cunostintelor - KIPS (Knowledge Information Processing Systems). Daca primele generatii de calculatore electronice au fost construite pentru calcule, aceasta generatie este destinata rationamentelor. Ele vor fi un instrument indispensabil de conducere pentru economisti deoarece, asa cum apreciaza Edward A. Feigenbaum aproape întreaga gândire a conducerii afacerilor se face prin inferenta simbolica si nu prin calcule.
Calculatoarele inteligente nu dispun de clasamente riguroase, deoarece, inteligenta este mai greu cuantificabila decât viteza. Japonezii au fost primii care au pus problema unor supercalculatoare inteligente, prin Fifth-Generation Computer System Project. Ei contureaza trei functii de baza pentru calculatoarele din aceasta generatie realizabile prin hard si soft.
Functia de inferenta si rezolvare de probleme. Problemele vor fi rezolvate cu o viteza cuprinsa între 10 -109 LIPS (Logical Inferance Per Second - inferenta logica pe secunda). Inferenta logica este o operatie a gândirii prin care se trece de la un enunt la altul, în mod deductiv sau inductiv direct (inferenta imediata), sau indirect (inferenta mediata). O inferenta presupune executarea pâna la 1000 de instructiuni calculator. Actualele calculatoare au o viteza de aproximativ 10 LIPS.
Functia de gestiune a cunostintelor. Calculatoarele din generatia a cincea vor regasi în câteva secunde cunostintele necesare unei inferente prin consultarea unei baze de cunostinte de capacitate mare (aprox. 1000 Gbyte).
Functia de interfata inteligenta om-calculator. Aceste calculatoare vor asigura comunicarea cu ajutorul vorbirii, a imaginilor si a limbajului natural.
Calculatoarele din generatia a cincea vor fi utilizate în: cercetare /proiectare asistata de calculator; instruire asistata de calculator; automatizare a activitatilor de birou etc.
Proiectul japonez a fost sustinut de guvern si o serie de firme japoneze prin finantarea programului ICOT (Institute for New Generation Computers Technology).
Reactiile cele mai importante la proiectul japonez s-au manifestat în SUA, prin finantarea de catre guvern a programului DARPA, si prin crearea si finantarea de catre 11 mari companii a corporatiei MCC (The Microelectronics and Computers Technology Corporation).
Literatura de specialitate prezinta evolutia calculatoarelor, pe generatii, si în functie de categoriile profesionale care au influentat cel mai mult dezvoltarea tehnicii de calcul:
1. generatia inventatorilor;
2. generatia tehnologilor /inginerilor;
3. generatia programatorilor;
4. generatia utilizatorilor.
Aceasta separare scoate în evidenta ordinea "intrarii în scena" a diferitelor categorii de specialisti si nu ordinea iesirii lor, pentru ca în realitate exista o strânsa colaborare între aceste categorii, evolutia rapida a informaticii, din ultimii ani, având la baza tocmai aceasta conlucrare.
2.3.2 Clasificarea sistemelor electronice de calcul
Exista mai multe criterii de clasificare a SEC, cele mai folosite fiind: modul de reprezentare a informatiilor, posibilitatile de prelucrare, pretul si viteza de operare, formatul instructiunilor executate, modul de organizare a memoriei, modul lor de utilizare.
Sistemele de calcul, dupa modul de reprezentare a informatiilor, se împart în:
calculatoare numerice;
calculatoare analogice;
calculatoare hibride.
Calculatoarele numerice sunt sisteme de calcul care primesc, prelucreaza si transmit date, respectiv informatii, codificate sub forma numerica binara. Datele de intrare pot fi prelucrate numai daca au fost formulate într-un model matematic, calculatorul operând cu numere în reprezentare discreta.
Calculatoarele analogice sunt sisteme de calcul în care pot fi prestabilite relatii matematice între variabilele continue ale sistemelor fizice. Aceste variabile pot fi de orice natura fizica masurabila (presiune, temperatura, tensiune etc.) si sunt preluate de calculator sub forma unor tensiuni electrice si redate utilizatorului printr-un dispozitiv indicator special.
Calculatoarele hibride sunt rezultatul cuplarii unui calculator numeric cu unul analogic. De regula calculatorul numeric utilizat are o capacitate redusa, dar o memorie suficienta pentru pastrarea datelor.
Ţinând seama de marime, posibilitati de prelucrare, pret si viteza de operare, literatura de specialitate clasifica sistemele de calcul în cinci categorii
supercalculatoare;
sisteme de calcul medii-mari (mainframe-uri);
minicalculatoare;
microcalculatoare;
calculatoare mici (palm PC-uri).
Supercalculatoarele sunt cele mai complexe puternice si scumpe sisteme de calcul. În arhitectura acestora se regasesc mai multe UCP care executa peste un miliard de instructiuni pe secunda. Astfel, sunt posibile prelucrarile de tip "masiv paralele". Numarul mare de procesoare si softul special utilizat determina cresterea performantelor cu trei ordine de marime la fiecare zece ani. Supercalculatoarele îsi canalizeaza întreaga capacitate de calcul în executarea unui numar restrâns de programe cu o viteza foarte mare. În 1980 cel mai rapid supercalculator lucra cu aproape un milion operatii în virgula mobila pe secunda (FLOPS - Floating Point Operations Per Second). Zece ani mai târziu vitezele au ajuns la un Giga-FLOPS, estimându-se ca în 2010 viteza sa ajunga la o mie Tera-FLOPS. Comparând vitezele supercalculatoarelor cu cele ale microcalculatoarelor, o secunda de lucru cu un supercalculator este echivalenta cu 50 de zile lucrate non-stop de întreaga populatie SUA, pe microcalculatoare.
Aceste sisteme sunt folosite în aplicatii complexe din domeniile: reactoare nucleare si simulari nucleare, proiectarea aeronavelor, exploatari petroliere, seismologie, criptografie, prognoza vremii, conservarea energiei etc.
SUA si Japonia sunt principalele tari în care se realizeaza cercetari si proiectari de supercalculatoare prin firmele: Cray Research, Fujitsu, ETA Systems, Sutherland, IBM, Sun, SGI (Silicon Graphics Inc.).
Mainframe-urile sunt plasate între supercalculatoare si minicalculatoare si dispun de mai multe UCP care opereaza cu viteze foarte ridicate permitând conectarea unui numar însemnat de unitati periferice de intrare-iesire. De regula, functioneaza non-stop, ceea ce implica un acces controlat la date si un sistem de protectie adecvat. Pot suporta de la câteva zeci, la mii de terminale. Dispun de memorie cache de mare viteza, circuite de detectare a erorilor. Sunt flexibile, scalabile si au securitate sporita. Mainframe-urile sunt destinate domeniilor ce necesita prelucrari sporite de date: administratiile publice, societatile bancare, conducerea marilor afaceri, marile spitale. Principalele firme producatoare sunt IBM, UNYSIS, NCR, HONEYWELL.
Minicalculatoarele sunt sisteme folosite pentru executarea unor programe de aplicatii specializate. Sunt utilizate în aplicatii multiutilizator de administratie, pentru automatizari industriale, pentru transmisii de date între sistemele dispersate geografic. Arhitectura minicalculatoarelor se bazeaza pe o structura modulara, interconectarea fiind flexibila si se realizata prin una sau mai multe magistrale. De asemenea, dispun de o structura diversificata în ceea ce priveste sistemul de intrare-iesire.
Dintre firmele producatoare, cele cu o cota foarte buna pe piata sunt: IBM, Wang, Texas Instruments, Data General, DEC, PDP, Hewlett Packard etc.
Microcalculatoarele sunt sisteme a caror UCP este implementata cu un microprocesor si care au o serie de avantaje fata de categoriile prezentate anterior:
sunt accesibile utilizatorilor finali care, chiar si fara o pregatire speciala, le pot exploata;
pot fi folosite în orice domeniu de activitate;
au un pret mai redus;
dispun de o structura modulara realizata în jurul unei magistrale;
se pot utiliza independent sau cuplate cu alte sisteme de acelasi tip sau diferite.
Palm PC-urile sunt sisteme de calcul miniaturizate care pot substitui un blocnotes, o agenda telefonica, un calculator de buzunar, un calendar, un ceas desteptator sau chiar un editor de texte. Ultimele modele pot efectua operatii mai complexe, precum cele oferite de programele de calcul tabelar, recunoasterea scrisului de mâna pe care îl transforma în formatul unui procesor de texte, transferul de fisiere în /din PC-uri, pot accesa reteaua Internet. În plus, ele permit cuplarea la modemuri fara fir, card-uri pager, recunoasterea vocii etc. Aceste facilitati necesita, însa un soft special. Principalii producatori sunt 3 Com (modelul Palm Pilot), Casio (modelul E-10 Casiopea), Philips (modelul Nino).
Dupa formatul instructiunilor executate, calculatoarele pot fi de tip monoadresa sau multiadresa. În primul caz instructiunea contine codul instructiunii si adresa operandului, care va prelua succesiv valorile operanzilor si rezultatul final (specifice calculatoarelor care dispun de acumulator). În cel de al doilea caz, pot fi folosite instructiuni cu doua, trei si patru adrese. Instructiunile cu patru adrese contin codul operatiei si câte o adresa pentru: primul operand, al doilea operand, rezultat si adresa instructiunii urmatoa 818b17i re. Deoarece marea majoritate a instructiunilor se executa secvential s-a renuntat la adresa instructiunii urmatoa 818b17i re, instructiunea devenind cu trei adrese. Calculatoarele care sunt prevazute cu registru instructiune acumulator, renunta si la celelalte adrese.
Dupa modul de organizare a memoriei, calculatoarele pot fi organizate pe caracter (când locatia este de un octet) si pe cuvânt (când locatia poate fi de 2, 4 sau 8 octeti).
Din punct de vedere al utilizarii, calculatoarele pot fi de buzunar, de birou, de proces si universale. Ultimele trei tipuri pot fi structurate la rândul lor, tinând seama de plasarea lor în anumite configuratii fizice, în calculatoare principale, frontale, satelit sau gazda.
2.4 Microcalculatoare
Microcalculatorul este un sistem de calcul a carui unitate centrala este implementata cu ajutorul unui microprocesor integrat. Datorita facilitatilor de structurare ale sistemului, oferite de microprocesor, în jurul unei magistrale, a numarului mic de componente necesare pentru implementarea unitatii centrale si a interfetelor, acest sistem de calcul are un pret mai mic decât al minicalculatoarelor, dar poate fi utilizat într-o gama deosebit de variata de domenii si aplicatii. Software-ul este simplu si foloseste, de obicei, limbaje de nivel înalt.
2.4.1 Componentele unui microcalculator
Ca orice sistem de calcul, microcalculatorul este alcatuit din unitate centrala, echipamente periferice si unitati de interfata pentru acestea si linii de comunicatii (magistrale). În acest paragraf sunt prezentate doar componentele care sunt diferite de cele care apar în configuratia generala a unui sistem electronic de calcul. La calculatoarele personale, majoritatea componentelor sunt standardizate. În plus, ele sunt structurate modular, astfel încât sa permita asamblarea cu usurinta sau adaugarea /eliminarea ulterioara, atunci când se doreste modificarea configuratiei sistemului respectiv.
Structura standard a unui microcalculator este prezentata în figura 2.6. Dupa cum se observa, pentru realizarea functiilor si operatiunilor specifice, la microcalculatoare unitatea centrala de prelucrare este alcatuita din microprocesor si memorie interna.
Figura 2.6 Structura unui microcalculator
2.4.2 Microprocesorul
Aparitia microprocesorului constituie un moment cu consecinte uriase în evolutia ulterioara a sistemelor de calcul.
Fizic, microprocesorul este construit din circuite integrate (module) numite cip-uri (chip-uri) care înglobeaza unitatea de comanda si control, unitatea aritmetica si logica si memoria proprie. Aceste componente se afla pe placa de baza (mather board), în interiorul unitatii de sistem ( system unit).
Microprocesorul este un "calculator în miniatura" constituit din:
unitatea de comanda si control (UCC);
unitatea aritmetica si logica (UAL);
memoria proprie (MP).
Microprocesorul este componenta de baza a unitatii centrale de prelucrare, reprezentând "creierul" unui microcalculator. Este realizat dintr-o capsula din ceramica sau material plastic, în interiorul careia se afla mai multe componente electronice, numarul acestora depinzând de tehnologia de fabricatie si de generatia din care face parte.
Primele microprocesoare sunt produse de firma Intel în 1971, dupa proiectul inginerului M. F. Hoff. Ele se numeau 4004 si 8008 si reprezinta microprocesoarele din generatia I, pe 4 si respectiv 8 biti. Primul microprocesor considerat "standard" este 8080, produs tot de firma Intel, în anul 1974. Acesta deschide seria generatiei a II-a de microprocesoare în care se includ Z-80, produs de firma Zilog si Intel 8085.
În 1977, apare primul microprocesor pe 16 biti-TI 9900, produs de firma Texas Instrumments. Tot firma Intel este cea care lanseaza primul microprocesor pe 16 biti, deschizând o noua generatie, a III-a, prin Intel 8086, lansat în 1978.
Consacrarea definitiva a produselor Intel o va face firma IBM, care, în 1981, anunta primele calculatoare personale, vestitele IBM PC-XT cu procesoarele Intel 8088/8086, dupa care sunt realizate modelele 80186/80188. Dupa aceste modele Intel produce prototipul generatiei a IV- a de microprocesoare: 80286. În acelasi timp firma IBM lanseaza si ea o noua generatie de calculatoare personale - IBM PC-AT (Advanced Technology) la care se foloseste procesorul Intel 80286.
Familia Intel continua cu I386, lansat 1985, care este primul microprocesor pe 32 de biti. Urmeaza, în 1989, modelul deosebit de performantul, Intel 486.
În 1993, se lanseaza primul microprocesor al generatiei a V-a, numit Pentium (Penta Silicium - generatia a cincea bazata pe siliciu). Este modelul care ar fi trebuit sa se numeasca I586 si care inaugureaza seria microprocesoarelor cu arhitectura puternic diferita.
Microprocesoarele cu aceste caracteristici sunt considerate microprocesoare de uz general având o arhitectura de tip CISC (Complex Instruction Set Computer - Calculator cu set complex de instructiuni), care suporta în jur de 200 de instructiuni.
Exista si arhitecturi de tip RISC (Reduced Instruction Set Computer) care se bazeaza pe procesoare cu set redus de instructiuni. Reprezentative pentru aceasta categorie sunt procesoarele SPARC (produse de diverse firme), i 860 (INTEL), M 88000 (Motorola) etc.
La ora actuala, datorita progreselor hard /soft, aproape ca nu mai exista diferente între tehnologiile CISC si RISC. De exemplu, Pentium, un procesor de tip CISC, traduce în mod automat instructiunile, în instructiuni de tip RISC, dupa care le executa. Pe de alta parte, toate procesoarele RISC au capatat extensii la setul de instructiuni (gen CISC) pentru a le mari eficacitatea (toate procesoarele au extensii speciale pentru multimedia).
În general, microprocesoarele sunt folosite ca:
unitate centrala de prelucrare;
unitate de prelucrare /decizie (circuite logice de comanda si conducere secventiala a unor dispozitive /procese complexe);
procesoare specializate într-un sistem de calcul multiprocesor.
În cazul în care este folosit ca unitate centrala de prelucrare, microprocesorul realizeaza urmatoarele functii: comanda transferurile de date între UAL si memorie, între memorie si periferice si între periferice; comanda citirea instructiunilor de program si a datelor din memorie;executa instructiunile de program citite; realizeaza operatiile aritmetice si logice elementare; emite /receptioneaza semnale de control spre /dinspre celelalte componente ale sistemului de calcul etc.
În esenta, plecând de la aceste functii, microprocesorul îndeplineste atât sarcini executorii cât si de comanda si control
În cadrul sarcinilor executorii microprocesorul preia secvential instructiunile /comenzile programului curent si le transforma în instructiuni elementare pe care le poate manevra. Împlicit, se asigura executia completa a programelor respectând algoritmul prestabilit de programator.
În cadrul sarcinilor de comanda si control, microprocesorul asigura comanda si gestionarea celorlalte componente ale sistemului: genereaza semnalele de comanda pentru întregul sistem de calcul; dirijeaza fluxul de date; coreleaza viteza de lucru a unitatii centrale cu timpul de acces al memoriei; regleaza actiunile sale în functie de un semnal de ceas.
Semnalele prin care microprocesorul realizeaza comenzi de executie, spre memorie sau spre alte componente ale sistemului, sunt semnale de comanda, iar semnalele prin care microprocesorul primeste informatii privind componentele sistemului sunt semnale de stare.
Un microprocesor este caracterizat prin urmatorii parametri:
viteza de lucru;
dimensiunea memoriei interne care poate fi adresata la un moment dat;
setul de instructiuni care poate fi executat;
fiabilitatea si costul de fabricatie
Viteza de lucru depinde de: frecventa ceasului intern; tipul microprocesorului; dimensiunea memoriei cache etc.
Frecventa ceasului intern. Ceasul intern are rolul de a genera si transmite pulsuri în calculator, în mod ritmic, la intervale de timp egale, bine definite, necesare pentru a comanda realizarea operatiunilor programate si sincronizarea tuturor functiilor calculatorului. Frecventa ceasului se masoara în MHz sau GHz.
Microprocesoarele actuale includ extensii multimedia - seturi de microinstructiuni care faciliteaza prelucrarea imaginilor si sunetelor - de genul celor realizate de Intel (MMX - MultiMedia eXtensions si SSE - Streaming SIMD Extensions) sau AMD (3DNow!).
Tipul microprocesorului. Pentru utilizator, o importanta deosebita o are posibilitatea microprocesorului de a raspunde unor prelucrari cât mai diverse si complexe. Acest deziderat este asigurat de microprocesoarele care pot executa o gama cât mai larga de instructiuni.
Odata cu aparitia microprocesorului 8086, firma INTEL a realizat si o unitate specializata în operatii în virgula mobila pentru a putea mari viteza de calcul a sistemului. Aceasta unitate a fost numita coprocesor, primul pe piata fiind INTEL 8087 destinat sa lucreze atât cu microprocesorul 8086 cât si cu 8088. Frecventa de ceas a coprocesorului trebuie sa fie aceeasi cu a microprocesorului pe care-l deserveste.
Dimensiunea memoriei cache. Toate microprocesoarele dispun de o componenta standard, care include un controller pentru memoria imediata (cache). Memoria cache este o zona de memorie foarte rapida, cu rolul de a pastra o parte din seturile de instructiuni si de date cu care se lucreaza în mod curent. Memoria cache poate lucra integral în ritmul procesorului, fiind accesata fara cicluri de asteptare.
Dimensiunea memoriei interne ce poate fi adresata la un moment dat. Valoarea maxima a memoriei adresabile este importanta, în primul rând pentru ca microprocesorul lucreaza mult mai rapid cu memoria interna decât cu memoria externa, iar în al doilea rând, pentru ca un program sa poata fi executat, el trebuie sa se afle stocat în memoria interna.
Setul de instructiuni ce poate fi executat. O instructiune sau o comanda transmisa de utilizator, prin program, contine o serie de informatii privind natura operatiei sau functiei ce trebuie executata, operanzii care participa la realizarea operatiunilor aritmetice si logice, locul unde se afla operanzii, sau unde se vor depune rezultatele prelucrarii, componentele sistemului ce trebuie activate pentru executarea operatiunilor etc.
Instructiunile din setul recunoscut de microprocesor pot fi grupate în: instructiuni aritmetice; instructiuni logice; instructiuni de transfer a datelor, de conversie, de intrare /iesire etc.; instructiuni de prelucrare; instructiuni de manipulare a informatiilor la nivel de bit; instructiuni de control al programelor, salt conditionat, salt neconditionat, iteratii si întreruperi
Fiabilitatea si costul de fabricatie. Fiabilitatea indica functionarea corecta, pe o perioada mai îndelungata a microprocesorului si raportata la costul acestuia, constituie criteriu de decizie în alegerea unui anumit tip de microcalculator.
Toate operatiunile aritmetice, logice, de adresare, de transfer etc. au loc pe baza unui dialog între microprocesor si memoria interna, pe de o parte, si între componentele functionale ale microprocesorului, pe de alta parte.
La ora actuala tehnologia microprocesoarelor se bazeaza pe pastila de siliciu. În viitor se prefigureaza utilizare unor noi tehnologii care vor folosi galiu arseniu, superconductori, tehnologii opto-electronice, nano si biotehnologii.
2.4.3. Memoria interna
Din punct de vedere fizic memoria se afla pe placa de baza a unui microcalculator, fiind constituita din chip-uri ROM si RAM (figura 2.7).
Memoriile ROM si RAM au fost analizate în paragraful 2.1.1.1, în continuare fiind prezentate doar memoriile speciale CMOS si Cache.
Memoria CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) reprezinta un tip de memorie RAM, de capacitate foarte mica, alimentata permanent de un acumulator (în momentul pornirii acesta se reîncarca), de pe placa de baza. Aceasta înseamna ca este volatila, pierzându-si continutul atunci când acumulatorul este îndepartat. Memoria CMOS este folosita pentru a pastra intacte informatiile privind configuratia sistemului.
Memoria cache (cache memory) reprezinta o zona speciala, constituita din circuite de memorie rapida, rezervata pentru stocarea informatiilor din RAM accesate cel mai frecvent.
Figura 2.7 Structura memoriei interne
Dintr-un alt punct de vedere, desi, atât microprocesoarele cât si memoriile cresc continuu în viteza, cresterea microprocesoarelor este cu 50 % mai rapida decât a memoriilor. Sincronizarea lor se realizeaza prin intermediul memoriilor tampon, numite memorii cache.
2.4.4 Magistralele microcalculatoarelor
Magistralele (bus-urile) reprezinta multimea liniilor folosite, în comun, de mai multe unitati functionale, pentru realizarea unei sarcini. Magistralele pot fi de date, de adrese si de comenzi.
Liniile folosite pentru transferul datelor între microprocesor, memorie si dispozitivele de intrare-iesire, formeaza magistrala de date. Aceasta magistrala este bidirectionala: pe ea intra /ies date, atunci când se efectueaza o citire din memorie, sau de la dispozitivele de intrare-iesire si respectiv o operatiune de scriere.
Magistrala de adrese este unidirectionala - adresele ies din microprocesor pentru a fi transmise catre circuitele de memorie si cele de intrare-iesire. Prin magistrala de adrese, microprocesorul coordoneaza functionarea microcalculatorului.
Magistrala de comenzi reuneste semnalele de la echipamentele periferice de intrare-iesire si de la microprocesor. Semnalele pot fi:
de control - prin care microprocesorul coordoneaza functionarea dispozitivelor de pe magistrala (read, write etc.);
de stare - prin care microprocesorul primeste reactii de la dispozitivele situate pe magistrala (cerere de întrerupere, cerere de suspendare a controlului magistralei etc.)
2.4.5 Interfete pentru echipamente periferice
Perifericele sunt acele componente care asigura si sporesc viteza comunicarii utilizator - sistem informatic, astfel încât datele care intra în sistem sa fie corecte, precise si inteligibile. În vederea compatibilizarii schimbului de informatii între microcalculator si echipamentele periferice se folosesc interfetele (circuite specializate). Interfetele sunt circuite specializate care permit schimbul de informatii cu echipamentele periferice, asigurând compatibilitatea dintre codurile de reprezentare a datelor specifice fiecarui echipament periferic si reprezentarea specifica unitatii centrale.
Interfetele sunt realizate, în marea lor majoritate din microprocesoare specializate numite controllere.
Figura 2.8 Conectarea echipamentelor periferice la sistemul de calcul
Interfetele cuprind circuite specializate pentru conectarea si comunicarea cu echipamentele periferice. Comunicarea se face prin canale de comunicatie numite porturi (figura 2.8).
2.4.6 Aparitia si evolutia microcalculatoarelor
În aprilie 1972, INTEL realizeaza microprocesorul 8008, iar în anul urmator, francezul André Truong Trong Thi creeaza primul microcalculator, MICRAL. Primul microcalculator personal, bazat pe microprocesorul 8080, cu frecventa de 0,5 MHz, si care prelucra 51 instructiuni/secunda, a fost Altair realizat în 1975. Acest microcalculator era furnizat în piese separate (kit), necesitând asamblarea componentelor. Sistemul era programat prin introducerea, bit cu bit, a sirului de instructiuni binare, rezultatele fiind afisate prin intermediul led-urilor. La scurt timp dupa Altair, Steve Jobs si Stephen Wozniak au realizat calculatorul numit Apple I, iar în 1977 ei creeaza modelul Apple II.
În 1981, patrunde pe piata IBM cu sistemul IMB-PC. Al doilea model a fost realizat în 1983 si s-a numit IBM-PC/XT (eXtended Technology - tehnologie extinsa). În fapt, acest calculator era un PC cu un disk de 10 MB. Urmatorul model, creeat în 1984, a fost IMB-PC/AT (Advanced Technology - tehnologie avansata), care avea un disc de capacitate mai mare si era mai rapid. Succesul firmei IBM s-a datorat, în principal, publicarii specificatiilor tehnice, astfel fiind posibila realizarea de catre alte firme a calculatoarelor compatibile IBM. Oricare alt calculator, care arata si functioneaza la fel cu modelul original, este denumit clona
În 1984, firma Apple produce modelul Macintosh, primul calculator cu interfata grafica exploatata de un mediu de programare (Finder) bazat pe utilizarea pictogramelor /icoanelor, a meniurilor derulante si a mouse-ului.
În 1987, IBM a lansat generatia de calculatoare personale PS/2 (Personal System /2). Spre deosebire de termenul PC, termenul PS/2 este protejat prin copyright.
Microcalculatoarele se deosebesc si dupa forma unitatii centrale, si pot fi:
DeskTop la care cutia UC este în forma paralelipipedica, cu baza mare în jos;
Mini- Midi- si Big-Tower (turn) la care cutia UC are forma unui turn ;
Laptop, denumit de unii producatori si powerbook (Apple) sau notebook, la care unitatea este sub forma de geanta diplomat, cu un ecran ultraplat.
Firma Compaq a fost cea care a fabricat pentru prima data un calculator compatibil IBM, ce poate fi transportat ca orice bagaj obisnuit (cântarea 11 kg.), motiv pentru care a fost botezat portabil. Primul laptop a fost produs de firma GRID Systems, la ora actuala principalii producatori fiind Campaq, IBM, Toshiba, DEC, Hewlett-Packard etc. Termenul laptop a înlocuit termenul portabil, când respectivul calculator, ca urmare a îmbunatatirilor aduse, a început sa scada în greutate, ajungând sa cântareasca aproximativ 4-5 Kg. Când a ajuns la 3 kg a aparut denumirea de calculator agenda (notebook). Primele notebook-urile au fost realizate de firma NEC, în anul 1988. La rândul lor calculatoarele notebook, prin perfectionarile aduse, au ajuns la dimensiuni miniaturale, numindu-se palmtop-uri. Ele cântaresc doar 1/2 kg. Principalii producatori sunt NEC, Hewlett-Packard, Sony etc.
Firma GRID, în 1990, lanseaza pe piata microcalculatoarele tablet la care datele pot fi introduse de pe o planseta speciala cu ajutorul unui pix sau stilou special. Ele necesita, în plus, un soft de recunoastere a scrisului sau a vocii. Principalii producatori sunt IBM, Fujitsu, Toshiba etc.
Exemple de teste grila
1. Resursele hardware cuprind urmatoarele :
a) [ ] unitatea centrala
b) [ ] echipamentele periferice
c) [ ] programele API(Application Programming Interface)
d) [ ] unitati de interfata si linii de comunicatie (canale de intrare /iesire)
2.Care din urmatoarele afirmatii sunt adevarate:
a) [ ] configuratia de baza reprezinta numarul minim de componente pentru ca sistemul sa fie operational
b) [ ] configuratia de baza reprezinta numarul maxim de componente pentru ca sistemul sa fie operational
c) [ ] unitatea centrala este formata din: unitatea aritmetica si logica, unitatea de comanda si control
3. Care din urmatoarele afirmatii sunt adevarate:
a) [ ] arhitectura CISC este specifica procesoarelor cu set complex de instructiuni
b) [ ] arhitectura RISC este specifica procesoarelor cu set complex de instructiuni
c) [ ] arhitectura CISC este specifica procesoarelor cu set redus de instructiuni
d) [ ] arhitectura RISC este specifica procesoarelor cu set redus de instructiuni
4.Echipamentele periferice si suporturile asociate acestora se pot grupa astfel
a) [ ] echipamente periferice de intrare
b) [ ] echipamente periferice de iesire
c) [ ] echipamente periferice de productie
d) [ ] echipamente periferice de intrare-iesire
e) [ ] echipamente periferice si suporturi pentru stocarea datelor si informatiilor
|
