Denumirea informatică de arhitectură se referă la structura si componentele fizice ale unui sistem de calcul. Cunoasterea acestora este indispensabilă pentru a întelege cum functionează un calculator.
Calculatoarele electronice sunt capabile să rezolve probleme complexe. Pentru a da rezultatele unei probleme, trebuie să li se furnizeze datele asupra cărora se operează (date initiale) si succesiunea ordonată de operatii ce se execută asupra datelor (algoritm) sub forma unui program. Un program este alcătuit din instructiuni într-un limbaj de programare, adică descrie un algoritm de calcul într-un limbaj pe care calculatorul îl "întelege" (poate fi tradus în limbajul specific masinii).
Modelul din figura poate fi valabil atât pentru utilizatorii profesionisti care îsi proiectează programe de prelucrare proprii, cât si pentru utilizatorii are folosesc produse soft consacrate 939j920j pentru realizarea prelucrărilor dorite (există o gamă foarte largă de programe pe care utilizatorii le pot folosi pentru a-si usura munca de obtinere a rezultatelor dorite). În plus, orice calculator "întelege" si este capabil să execute anumite comenzi de bază, incluse în sistemul de operare (a se vedea explicatia de mai jos si sisteme de operare).
Pentru a întelege structura fizică a unui calculator, este util să urmărim mental schema de mai sus. Vom vedea ulterior că de fapt partea dintr-un sistem de calcul care îl face accesibil unei game largi de utilizatori nu este partea sa fizică - hardware, pe care urmărim s-o descriem în continuare, ci tocmai partea de programe care i se atasează - software. Componentele soft indispensabile pentru exploatarea eficientă a calculatorului alcătuiesc sistemul de operare.
Astfel, orice calculator trebuie să fie capabil să memoreze informatii (date initiale, rezultate, programe) în unitatea de memorie (memoria internă), să comande executia operatiilor prin unitatea de comandă si să execute operatiile prin unitatea de calcul [Fre86]. Unitatea de comandă si unitatea de calcul alcătuiesc împreună unitatea centrală sau procesorul calculatorului. Conexiunile dintre aceste componente urmăresc buna functionare a calculatorului. Pentru a realiza legătura dintre calculator si utilizator, apar dispozitive de introducere a datelor si extragere a rezultatelor; acestea se mai numesc echipamente de intrare-iesire sau dispozitive periferice.
Functionarea fizică a calculatorului se bazează în general pe două stări electronice posibile, cărora le corespunde unitatea elementară de informatie 0 sau 1 (1 bit - BInary Digit). Toate informatiile "circulă" în calculator sub formă de 0 si 1, într-o reprezentare bine determinată.
Unitatea de memorie (memoria internă)păstrează datele initiale, rezultatele intermediare si finale ale problemei, împreună cu programul care descrie operatiile ce se execută.
Ca si realizare fizică, există diferite tehnici care corespund evolutiei calculatoarelor: memorii din ferite, semiconductoare, circuite integrate.
Un element de memorie trebuie să poată reproduce două stări fundamentale, corespunzătoare lui 0 si 1, numit element bistabil [Fre86]. Memoria este organizată pe succesiuni de elemente bistabile care formează locatii de memorie; în fiecare locatie se memorează o dată. Orice locatie se poate identifica prin pozitia ei, dată de un număr numit adresă de memorie. O dată, memorată la o anumită adresă, se va regăsi într-un program prin intermediul numelui care i s-a atribuit, respectiv al variabilei căreia i-a fost atribuită ca valoare. Deci numele unei variabile dintr-un program conduce la adresa locatiei unde se memorează data corespunzătoare; ea poate primi, în timpul executiei programului, mai multe valori, cea curentă fiind ultima introdusă în locatie (scrierea în memorie distruge vechiul continut). Folosirea variabilelor în programe le conferă generalitate, în sensul că algoritmul de calcul se descrie generic, pentru orice seturi de date. De exemplu, rezolvarea unei ecuatii de gradul al doilea va fi descrisă cu variabilele a, b, c, cărora li se va putea da diferite seturi de valori la diferite executii ale programului, astfel putând fi rezolvată orice ecuatie concretă de gradul al doilea.
O adresă de memorie poate fi exprimată absolut, adică de la începutul memoriei sau relativ la o altă adresă. Memoria calculatorului poate fi privită ca o multime finită si ordonată de locatii.
Numărul de elemente bistabile dintr-o locatie determină lungimea locatiei. Locatia de lungime minimă este un octet (8biti). Pentru a retine date mai lungi, se pot combina mai multi octeti consecutivi: 2O, 4O, 6O, 8O sau 10O (se observă că lungimea locatiilor de memorie se exprimă mai simplu în octeti decât în biti).
Principii de memorare a datelor
Pentru retinerea informatiilor dorite aflate la un anumit moment în memoria internă, se folosesc suporturile externe (discheta, discul magnetic); operatia corespunzătoare de înregistrare a informatiilor se numeste salvare.
Unitatea centrală sau procesorul înglobează unitatea de comandă si unitatea de calcul. Conform principiului von Neumann, unitatea centrală a calculatoarelor clasice execută, la un moment dat, o singură instructiune masină.
Unitatea de calcul efectuează operatiile aritmetice si logice cerute de programe, adică toate calculele necesare.
Cel mai important dispozitiv de calcul este sumatorul binar [Fre86], care realizează o adunare în baza 2. Un sumator cu mai multe pozitii poate efectua, de exemplu, adunarea:
anan-1...a0+
bnbn-1...b0
-----------
snsn-1...s0
Optional, poate exista un dispozitiv de calcul specializat în calculele cu numere reale, numit dispozitiv de calcul în virgulă mobilă (flotantă). Exemple de asemenea dispozitive sunt coprocesoarele 80287, 80387 asociate respectiv procesoarelor 80286, 80386 ale ceva mai vechilor calculatoare de tip PC (Personal Computer).
În afară de dispozitivele de calcul propriu-zile, unitatea de calcul mai contine niste locatii de memorie cu viteză de acces foarte mare, care se folosesc pentru operatiile cerute de instructiunile masină ale programului care se execută. Aceste locatii se numesc registri si se folosesc pentru:
Observatie Numele orientative de registri sunt valabile pentru calculatoarele mai noi (mini- si microcalculatoare, vezi tipuri de sisteme de calcul).
Unitatea de comandădescifrează instructiunile masină ale programului, indică unitătii de calcul operatiile de efectuat si dispozitivelor periferice - operatiile de intrare / iesire. Astfel, componentele sale sunt: decodificatorul de instructiuni si generatorul de comenzi [Fre86].
Dispozitivele periferice asigură introducerea în calculator a informatiilor de pe suporturi externe si extragerea informatiilor din calculator si depunerea lor pe suporturi externe. Există diferite tipuri de dispozitive periferice în functie de suporturile pe care le prelucrează.
Suporturile de înregistrare sunt medii materiale capabile să păstreze, permanent sau temporar, informatii. Suporturile pot fi reutilizabile (cele magnetice) sau nereutilizabile (de exemplu, hârtia).
Suporturile magnetice, înregistrând informatie, contribuie la cresterea capacitătii de memorare a unui sistem de calcul. De aceea, se spune că ele alcătuiesc memoria externă a unui sistem de calcul. Spre deosebire de memoria internă, continutul celei externe nu se pierde o dată cu întreruperea curentului electric. În plus, memoria internă este cea cu care lucrează direct unitatea centrală, deci, dacă este necesar să fie prelucrate informatii din memoria externă (dischetă, disc magnetic), acestea se vor transfera întâi în memoria internă a calculatorului. Discul magnetic (hard-disk-ul) nu trebuie confundat cu memoria internă chiar dacă se găseste în interiorul calculatorului.
Dispozitivele de intrare asigură citirea informatiilor de intrare (date si programe) de pe medii externe si introducerea lor în memoria calculatorului în reprezentări interne adecvate fiecărui tip de dată.
Dintre dispozitivele de intrare folosite astăzi amintim: tastatura, mouse-ul, creionul optic, scanner-ul (dispozitiv specializat în introducerea de imagini), cititorul de disc compact (CD-ROM), unitatea de dischetă (asigură citirea sau scrierea informatiei pe dischetă, deci este un dispozitiv de intrare-iesire), dispozitivul de citire-scriere pe hard-disk (disc magnetic), unitatea de ZIP. Aceasta din urmă este un dispozitiv de citire-scriere care prelucrează un suport magnetic asemănător cu o dischetă, dar cu o capacitate mult mai mare - 100 MO - , în timp de dischetele obisnuite au 1.44 MO. Capacitatea uzuală a unui CD (Compact Disk) este de 650 MO, ceea ce îl face foarte util în retinerea de programe si informatii audio. Pentru înregistrarea informatiilor multimedia ce contin imagini video, care ocupă un spatiu mai mare (de exemplu, pentru codificarea unui film în format MPEG sunt necesari aproximativ 4GO [Tan97]), se utilizează uzual un suport optic de capacitate mai mare, DVD-ROM-ul (Digital Versatile Disk).
Dintre dispozitivele periferice de intrare mai vechi amintim: cititorul de cartele - cartela era un suport din hârtie mai rigidă, cititorul de bandă de hârtie - informatiile se înregistrau pe bandă prin perforatii, unitatea de bandă magnetică - dispozitiv de intrare-iesire care prelucra o bandă magnetică asemănătoare celei de magnetofon, dar de dimensiuni mai mari, unitatea de disc magnetic - un volum de disc magnetic era format din mai multe discuri suprapuse, între care se putea deplasa dispozitivul de citire-scriere al unitătii (cap de citire-scriere), casetofonul (mai ales pentru calculatoare personale familiale), terminalele de teletransmisie - dispozitiv de intrare-iesire pentru minicalculatoare.
Dispozitivele de iesire asigură depunerea informatiilor din memoria internă pe suporturi externe. Ele se vor trece din reprezentarea internă într-o formă accesibilă omului. Dispozitivele de iesire diferă si ele în functie de suportul folosit.
Dintre dispozitivele de iesire folosite astăzi amintim: monitorul , a cărui interfată fizică cu calculatorul foloseste o placă video, imprimanta, plotter-ul (pentru reprezentări grafice), unităti de dischetă, hard-disk si ZIP (dispozitive de intrare-iesire), inscriptor de CD (care permite si citirea CD-urilor). Sistemele multimedia mai sunt dotate cu placă de sunet si difuzoare dar la ele se pot cupla si alte dispozitive de introducere sau extragere de imagini si sunete.
Dintre periferice de iesire vechi amintim: perforatorul de cartele, perforatorul de bandă de hârtie, unitătile de bandă magnetică si disc magnetic, casetofonul, terminale de teletransmisie (minicalculatoare).
Pentru conectarea unui dispozitiv periferic la un sistem de calcul, trebuie să existe o interfată fizică (de exemplu, placa video pentru monitor, placa de sunet pentru difuzoare etc.) si una logică. Aceasta din urmă este un program care asigură utilizarea perifericului prin intermediul sistemului de operare (partea de programe a sistemului de calcul) si se numeste driver.
Discheta (discul flexibil sau floppy disk-ul, prescurtat FD) este un disc dintr-un material flexibil pe care este depus un strat de substantă usor magnetizabilă, cu două suprafete utile. Discul magnetizabil este protejat de o anvelopă dintr-un material plastic, ale cărei dimensiuni au evoluat de la 8 x 8 inch si 5 1/4 x 5 1/4 inch la 3 1/2 x 3 1/2 inch, pentru dischetele cu anvelopă rigidă care se folosesc în prezent (1 inch = 2.54 cm).
Discheta are un sistem de antrenare care face posibilă rotirea ei în unitate iar anvelopa are o deschidere care permite capului de citire-scriere al unitătii să opereze asupra dischetei, în zona dorită. O dischetă este organizată pe piste concentrice, fiecare pistă fiind împărtită în sectoare. Deci o operatie de citire-scriere va fi efectuată asupra unui sector.
Densitatea de înregistrare a evoluat cronologic de la densitate simplă (SD, Simple Density) si dublă (DD, Double Density) la densitatea înaltă (HD) folosită astăzi, a cărei realizare tehnică este mai preformantă decât precedentele. Fiecare tip de dischetă, în functie de dimensiune si densitatea de înregistrare, are un anumit număr de piste si de sectoare pe pistă. Acestea se stabilesc la formatare, operatia de pregătire a dischetei pentru înregistrare de informatii. Astfel, se poate determina capacitatea de înregistrare a dischetei ca numarul de piste * numarul de sectoare pe pistă * numărul de octeti pe sector. Primele dischete (cu densitate simplă) folosite la PC-uri aveau o capacitate de 360 KO, în timp ce capacitatea uzuală este în prezent de 1.44 MO.
Pentru operatia de formatare (care determină stergerea vechiului continut al dischetei), sistemele de operare pentru mini- si microcalculatoare oferă o comandă specială - format.
Hard-disk-ul (HD) sau discul fix este un disc magnetic cu o constructie tehnologică foarte precisă, o capacitate de memorare si o viteză de acces foarte mari, care se încorporează în calculator, constituind o memorie externă foarte utilă (pentru calculatoarele de tip PC). Corespunzător pistelor de pe dischetă, pe discul fix apar cilindri, care sunt formati din piste concentrice. Primele hard-disk-uri aveau o capacitate de câtiva zeci de MO, astăzi ajungându-se la zeci de GO.
Înaintea de aparitia discurilor magnetic fixe, calculatoarele personale se utilizau exclusiv cu ajutorul dischetelor, fapt care avea câteva inconveniente: spatiul de memorie externă destul de limitat nu permitea folosirea unor programe prea complexe si imposibilitatea folosirii calculatorului fără o dischetă pe care să se afle nucleul sistemului de operare (vezi Sistemul de operare DOS).
Pe de altă parte însă, trebuie spus că după aparitia hard-disk-urilor, s-a dezvoltat si industria programelor de tip virus, menite să producă anomalii în exploatarea calculatorului, acestea găsindu-si un teren fertil de proliferare în conditiile în care continutul discurilor magnetice se păstrează si în absenta curentului electric, spre deosebire de memoria internă. Programele virus se instalează în memorie, de unde pot infecta fisiere de pe suporturile magnetice si distruge informatii.
Ca o reactie la virusii informatici, au apărut curând programe antivirus, care detectează si elimină programele virus si pot oferi facilităti suplimentare de protectie, cum ar fi semnalarea aparitiei unui program care ar putea fi un virus sau chiar blocarea actiunii acestuia. Uzual, în momentul în care se creează un virus - de obicei prin "perfectionarea" unuia deja existent - se pune la punct si "antidotul", care are la bază caracteristicile virusului creat. Fiecare program antivirus recunoaste si elimină o anumită listă de virusi; cum programele de tip virus evoluează continuu, este recomandat ca si antivirusii instalati pe calculator să fie actualizati periodic. Este de remarcat faptul că ultimele programe antivirus sunt de dimensiuni mari si se instalează cel mai adesea de pe CD-uri.
Pentru ca un calculator să poată fi exploatat în mod eficient, partea esentială a sistemului său de operare (numită uzual nucleu) trebuie să se găsească în memoria internă, pentru a fi permanent disponibilă si lansată în executie.
Imprimanta realizează tipărirea pe hârtie, sub formă de sucesiuni de caractere sau de reprezentări grafice, a informatiilor transmise din memoria internă a calculatorului. Tipurile de imprimante diferă, marcând evolutia lor tehnologică: imprimante cu tambur, cu rozetă, matriceale, cu jet de cerneală, laser, ultimele fiind rapide si de o mare acuratete.
O imprimantă trebuie să contină un dispozitiv de antrenare a hârtiei, un dispozitiv de imprimare si un modul propriu de memorie care să permită retinerea temporară a unei cantităti bine determinate din informatia transmisă spre tipărire. Primele tipuri de imprimante foloseau o hârtie specială, de dimensiuni standard, cu găurele pentru antrenare, numită listing, dar astăzi se foloseste hârtie obisnuită, sau chiar alte tipuri de suporturi de imprimare, cum ar fi folia transparentă. Tipărirea se poate realiza atunci când există o legătură de comunicare activă între calculator si imprimantă - se spune ca imprimanta este on line.
După cum se poate observa în figura între unitătile functionale care compun calculatorul se stabilesc legături [Fre86] caracterizate prin transfer de date sau doar de semnale
Viteza de lucru a perifericelor diferă în functie de performantele lor tehnologice (foarte mică la dispozitivele exclusiv mecanice) dar este mult mai mică decât a unitătii centrale, care functionează pe principii exclusiv electronice. Printr-o analogie umană, noi gândim adesea mult mai repede decât putem scrie.
După ce unitatea de comandă cere perifericelor executia unei operatii de intrare-iesire, ea asteaptă un timp îndelungat (fată de timpii ei de lucru) pentru terminarea operatiei. Astfel, apare un gol în activitatea unitătii de comandă. Problema a fost rezolvată prin introducerea unui bloc auxiliar de comandă care să preia controlul asupra operatiilor de intrare-iesire efectuate cu ajutorul perifericelor după initierea lor de către unitatea de comandă.
Prin intermediul procesorului auxiliar care controlează operatiile cu perifericele se permite cuplarea, indirectă, la unitatea centrală, a mai multor dispozitive periferice. Această unitate functională a calculatoarelor a apărut odată cu generatia a doua de calculatoare (vezi Un istoric al aparitiei calculatoarelor), sub numele de de canal de intrare-iesire. Rolul său a fost preluat la sistemele de calcul medii mari de unitatea de schimburi multiple (USM), la minicalculatoare - de dispozitivul de control al magistralei de comunicatii iar la microcalculatoare - de o extensie a magistralei.
În timp ce procesorul specializat în operatii de intrare-iesire controlează schimbul de date între memorie si periferice, blocul de comandă poate superviza executia altor operatii, dintr-un alt program. Modul de lucru cu o unitate centrală si mai multe programe rezidente în memorie spre executie se numeste multiprogramare sau multitasking.
Programele aflate în memoria internă a unui calculator care functionează în regim de multitasking se găsesc în diverse stări: pot astepta terminarea unei operatii de intrare-iesire, pot astepta să fie lansate în executie iar un singur program este prelucrat la un moment dat de unitatea centrală [Boi94]; politica de servire a acestor programe este stabilită de algoritmii implementati în sistemul de operare.
După terminarea unei operatii de intrare-iesire, unitatea de comandă este anuntată, printr-un semnal numit întrerupere, că citirea sau scrierea s-a încheiat, astfel încât poate continua executia programului respectiv.
Noua unitate componentă a sistemului de calcul poate fi încorporată [Fre86] în schema generală a unui calculator conform figurii:
|
