Arhitectura calculatorului personal

Calculatorul personal respectă modelul von Neumann, prezentat în subcapitolul Sisteme de calcul și componentele lor. Unitățile modelului sunt realizate ca echipamente distincte: microprocesorul, modulele de memorie, unitățile de stocare și dispozitivele periferice, legate între ele prin placa de bază.

Unitatea centrală

La calculatorul personal, unitatea centrală este carcasa în care sunt montate componentele principale ale calculatorului. Carcasa le protejează, le susține și, prin ventilatoare, le menține la o temperatură potrivită. În interiorul ei se află:

• placa de bază;
• microprocesorul, adică unitatea centrală de prelucrare;
• memoria internă;
• unitățile de memorie externă: hard diskul, unitatea SSD, unitatea optică;
• plăcile de extensie: placa video, placa de sunet, placa de rețea;
• sursa de alimentare.

Placa de bază

Placa de bază este placa principală a calculatorului, care interconectează toate componentele și distribuie energia electrică spre ele. Pe placa de bază se află:

• soclul (socket) în care se montează microprocesorul; tipul soclului determină ce microprocesoare pot fi folosite cu placa respectivă;
• sloturile de memorie, în care se introduc modulele de memorie RAM;
• sloturile de extensie (PCI, PCI Express), pentru placa video, placa de sunet sau placa de rețea;
• chipsetul, setul de circuite care coordonează transferul datelor între procesor, memorie și celelalte componente;
• cipul ROM, care conține BIOS-ul;
• conectorii pentru unitățile de stocare, de exemplu SATA, și porturile pentru dispozitivele periferice.

Celelalte componente din carcasă au următoarele funcții:

Unitatea centrală de prelucrare

Unitatea centrală de prelucrare (UCP, Central Processing Unit), numită și procesor, este componenta care execută instrucțiunile programelor, prelucrează datele și coordonează activitatea celorlalte componente ale sistemului de calcul. La calculatorul personal, ea este realizată ca microprocesor, adică un circuit integrat complex, montat în soclul plăcii de bază.

Funcțiile unității centrale de prelucrare în ansamblul sistemului de calcul sunt:

• executarea instrucțiunilor programului aflat în memoria internă;
• efectuarea operațiilor aritmetice și logice asupra datelor;
• coordonarea celorlalte componente, prin semnalele transmise pe magistrala de comenzi;
• controlul transferurilor de date între memorie și dispozitivele de intrare-ieșire;
• tratarea cererilor de întrerupere venite de la dispozitivele periferice.

Parametrii microprocesorului

Perioada unui ciclu de ceas este inversul frecvenței: la o frecvență de 2 GHz, un ciclu durează 0,5 nanosecunde. Tipul soclului nu influențează viteza procesorului, dar determină plăcile de bază cu care acesta este compatibil.

Memoria internă

Memoria păstrează datele și programele sub formă de cifre binare. Unitatea de măsură a informației este bitul, care memorează una dintre cifrele 0 sau 1, corespunzătoare celor două stări ale unui circuit electric, deschis sau închis. Un grup de 8 biți formează un octet (byte), cea mai mică unitate de memorie adresabilă de procesor. Pentru capacitatea memoriei se folosesc multiplii octetului:

Memoria internă este memoria cu care procesorul lucrează direct: din ea citește instrucțiunile și datele și în ea depune rezultatele. Este realizată din circuite electronice, are viteză mare de acces și capacitate mai mică decât memoria externă.

Structura. Memoria internă este formată dintr-un șir de locații (celule) de memorie. Fiecare locație are o adresă unică, prin care procesorul o identifică, și un conținut, adică valoarea memorată în ea. Numărul de biți memorați într-o locație este lungimea cuvântului de memorie. Asupra memoriei se execută operațiile de selectare a unei locații, după adresa ei, de citire și de scriere.

Funcțiile memoriei interne sunt:

• păstrarea programelor aflate în execuție și a datelor cu care lucrează acestea;
• păstrarea rezultatelor intermediare și finale ale prelucrării;
• păstrarea programelor care pornesc calculatorul;
• accelerarea schimbului de date dintre procesor și memoria de lucru.

Memoria RAM

Memoria RAM (Random Access Memory) servește drept memorie de lucru a calculatorului. În ea se încarcă sistemul de operare, driverele, programele lansate în execuție și datele cu care acestea lucrează. Memoria RAM are următoarele caracteristici:

• permite atât citirea, cât și scrierea datelor;
• este volatilă: conținutul ei se pierde la oprirea alimentării, de aceea datele se salvează în memoria externă;
• are acces aleator: orice locație poate fi accesată direct, prin adresa ei, fără parcurgerea celorlalte locații;
• se montează pe placa de bază, sub formă de module introduse în sloturi.

După tehnologia de realizare, memoria RAM poate fi:

• statică (SRAM) — păstrează informația cât timp este alimentată, până la rescriere; este foarte rapidă, dar are un cost mult mai mare;
• dinamică (DRAM) — informația trebuie reîmprospătată de mai multe ori pe secundă, altfel se pierde.

O memorie RAM de capacitate mai mare permite calculatorului să prelucreze volume mai mari de date și să lucreze simultan cu mai multe programe. Când memoria RAM se umple, sistemul lucrează mai încet.

Memoria ROM

Memoria ROM (Read Only Memory) poate fi doar citită și își păstrează conținutul și fără alimentare, deci este nevolatilă. Datele din ea sunt înscrise de producător. Ea este un cip de pe placa de bază și conține BIOS-ul (Basic Input Output System). BIOS-ul este un set de programe care, la pornirea calculatorului:

• verifică funcționarea componentelor și a dispozitivelor de intrare-ieșire;
• verifică memoria RAM și îi determină dimensiunea;
• inițiază încărcarea sistemului de operare din memoria externă în memoria RAM.

BIOS-ul oferă și rutinele prin care sistemul de operare comunică cu componentele hardware. Pentru ca el să poată fi actualizat, s-au realizat memorii ROM care pot fi rescrise:

• PROM — poate fi programată o singură dată;
• EPROM și EEPROM — pot fi șterse și reprogramate de mai multe ori;
• memoria flash — poate fi rescrisă de utilizator, printr-un program special.

Configurația hardware, data și ora se păstrează într-o memorie CMOS, alimentată permanent de o baterie aflată pe placa de bază.

Memoria cache și memoria video

Memoria cache este o memorie foarte rapidă, cu conținut temporar, în care se păstrează datele și instrucțiunile folosite cel mai frecvent. Ea se află între procesor și memoria RAM: când procesorul găsește datele în memoria cache, nu mai așteaptă transferul lor din memoria RAM, care este mai lentă.

Memoria video se află pe placa video și păstrează starea fiecărui punct al imaginii afișate pe ecran. Cu cât rezoluția și numărul de culori sunt mai mari, cu atât imaginea ocupă mai multă memorie video.

Caracteristicile memoriei

Memoria RAM și memoria ROM se deosebesc astfel:

Ierarhia memoriilor

Memoriile unui calculator se ordonează după viteză și capacitate:

Cu cât un nivel este mai rapid, cu atât costul pe unitatea de memorie este mai mare. Programele și datele păstrate în memoria externă sunt copiate în memoria RAM înainte de a fi prelucrate.

Memoria externă

Memoria externă, numită și memorie secundară, păstrează programele și datele pe termen lung, pentru utilizarea lor ulterioară. Față de memoria internă, memoria externă:

• este nevolatilă: datele nu se pierd la oprirea calculatorului;
• are capacitate mult mai mare și un cost mai mic pe unitatea de memorie;
• este mai lentă;
• are acces indirect: procesorul prelucrează datele din memoria externă numai după ce le aduce în memoria RAM.

Memoria externă servește la:

• păstrarea permanentă a sistemului de operare, a programelor și a datelor;
• transportul datelor de la un calculator la altul;
• realizarea copiilor de siguranță (backup) și recuperarea datelor pierdute (restore).

Se deosebesc suportul de memorare, pe care se înregistrează datele, de exemplu un disc, și unitatea care citește sau scrie datele pe suport, de exemplu unitatea de DVD.

Tipuri de memorie externă

După tehnologia de memorare, dispozitivele de stocare sunt: