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

Termenul unitate centrală are două sensuri.

În continuare, termenul este folosit în al doilea sens. 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

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 de memorie flash, care conține firmware-ul plăcii de bază (BIOS sau, la calculatoarele actuale, UEFI);
• conectorii pentru unitățile de stocare, de exemplu SATA, și porturile pentru dispozitivele periferice.

Celelalte componente din carcasă au următoarele funcții:

Unitatea centrală de prelucrare

La calculatorul personal, unitatea centrală de prelucrare este realizată ca microprocesor, adică un circuit integrat complex, montat în soclul plăcii de bază.

La procesoarele actuale, memoria cache este integrată în circuitul procesorului, de aceea apare printre componentele lui. Din punct de vedere funcțional, ea face parte din memoria internă, alături de memoria RAM și de memoria ROM.

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.

Pentru capacitatea memoriei se folosesc multiplii octetului:

În Sistemul Internațional de unități, prefixul kilo înseamnă 1000, deci 1 kB = 1000 B. Pentru multiplii de 1024, standardul IEC folosește simbolurile KiB (kibioctet), MiB, GiB, TiB. Producătorii de unități de stocare exprimă capacitatea în multipli de 1000, iar sistemul de operare Windows o afișează în multipli de 1024, de aceea un disc de 1 TB apare cu aproximativ 931 GB.

Memoria internă 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, prin memoria cache.

Memoria RAM

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 mult mai scumpă;
• 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

Datele din memoria ROM sunt înscrise de producător. Pe placa de bază, o astfel de memorie nevolatilă 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. La calculatoarele actuale, BIOS-ul a fost înlocuit de UEFI (Unified Extensible Firmware Interface), care îndeplinește aceleași funcții și permite pornirea de pe discuri partiționate GPT.

Memoriile nevolatile derivate din ROM se deosebesc prin posibilitatea de a fi programate:

• PROM — poate fi programată o singură dată, după fabricare, și nu mai poate fi rescrisă;
• EPROM și EEPROM — pot fi șterse și reprogramate de mai multe ori;
• memoria flash — poate fi rescrisă de utilizator, printr-un program special; în ea se păstrează BIOS-ul sau UEFI, care pot fi astfel actualizate.

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 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

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: