Tematică științifică · 7.1
Sisteme de calcul și componentele lor
Calculatorul și sistemul de calcul, componenta hardware și componenta software, tipurile de sisteme de calcul, modelul von Neumann, magistralele și interacțiunea dintre componente la executarea unui program.
Un sistem de calcul prelucrează automat datele, după instrucțiunile unui program. Deși calculatoarele diferă mult ca dimensiuni, performanțe și utilizare, componentele lor și legăturile dintre ele urmează, la majoritatea calculatoarelor, modelul descris de John von Neumann.
Calculatorul și sistemul de calcul
Ca să prelucreze datele, calculatorul primește datele de intrare și programul, adică lista instrucțiunilor care arată cum se prelucrează acestea. În urma prelucrării, el furnizează utilizatorului rezultatele, numite date de ieșire.
Orice sistem de calcul are o componentă hardware și o componentă software.
Componenta hardware cuprinde echipamentele care prelucrează datele, de exemplu unitatea centrală, și pe cele prin care utilizatorul comunică cu calculatorul, de exemplu monitorul și tastatura.
Componenta software cuprinde:
- sistemul de operare — se încarcă la pornirea calculatorului, coordonează activitatea acestuia și repartizează resursele hardware între programele aflate în execuție;
- driverele — programe prin care sistemul de operare comunică cu un anumit echipament, de exemplu cu o imprimantă sau cu un scaner;
- programele utilitare — programe pentru administrarea, întreținerea și depanarea sistemului;
- programele de aplicație — programe destinate unui domeniu de activitate: procesoare de texte, programe de calcul tabelar, de baze de date, de prelucrare a imaginilor.
Funcționarea oricărui sistem de calcul se bazează pe următoarele operații asupra datelor:
- introducerea (citirea) datelor;
- memorarea (stocarea) datelor;
- prelucrarea (procesarea) datelor;
- extragerea rezultatelor, prin afișare, tipărire sau redare sonoră.
Tipuri de sisteme de calcul
După dimensiuni, putere de prelucrare, viteză de lucru și cost, sistemele de calcul se împart astfel:
| Tipul | Caracteristici | Utilizare |
|---|---|---|
| supercalculatoare | cele mai rapide și mai scumpe sisteme de calcul; au mai multe unități centrale de prelucrare, care lucrează în paralel, și memorie internă foarte mare | calcule matematice complexe, cu consum mare de timp și de memorie: prognoze meteorologice și geologice, dinamica fluidelor, fizica nucleară |
| calculatoare mainframe | viteză mare de operare, acces controlat la date, sistem de protecție a datelor, funcționare fără întreruperi; au nevoie de instalații speciale pentru a fi menținute în funcțiune | bănci, societăți de asigurări, companii mari |
| minicalculatoare | au apărut în anii ‘60 (de exemplu, PDP-8, în 1965); sunt sisteme interactive și multiutilizator, la care zeci sau sute de utilizatori lucrează simultan, prin terminale | prelucrări pentru mai mulți utilizatori, într-o instituție |
| microcalculatoare (calculatoare personale, PC) | au arhitectura construită în jurul unui microprocesor, cu rol de unitate centrală de prelucrare; cost redus, dimensiuni mici, ușor de folosit | acasă, la școală, în birouri; lucrează independent sau conectate într-o rețea |
Calculatoarele personale se construiesc în mai multe forme:
- desktop și tower — carcasa unității centrale este așezată orizontal, respectiv vertical, iar monitorul, tastatura și mouse-ul sunt echipamente separate;
- laptop și notebook — calculatoare portabile, cu ecranul cu cristale lichide, tastatura și touchpadul integrate; un acumulator le permite să funcționeze un timp limitat fără alimentare de la rețeaua electrică, iar notebookul are dimensiuni și greutate mai mici decât laptopul;
- tabletă — calculator de dimensiuni mici, la care datele se introduc prin atingerea ecranului sau cu un creion special; PDA (Personal Digital Assistant), calculatorul de buzunar cu aceeași modalitate de introducere a datelor, a ieșit din uz și a fost înlocuit de telefonul inteligent.
Generațiile de calculatoare
Evoluția calculatoarelor electronice se împarte în generații, după tehnologia din care sunt realizate circuitele lor:
| Generația | Tehnologia | Caracteristici |
|---|---|---|
| I | tuburi electronice cu vid | dimensiuni foarte mari; datele se introduceau prin cartele și benzi perforate; programarea se făcea în cod mașină; exemplu: ENIAC |
| II | tranzistoare | calculatoare mai mici, mai rapide și cu consum de energie mai mic; au apărut limbajele de programare FORTRAN și COBOL |
| III | circuite integrate | tastatura, monitorul și sistemul de operare au înlocuit cartelele perforate; mai multe programe pot fi executate în același interval de timp |
| IV | microprocesoare, din 1971 | calculatoarele personale, apărute în a doua jumătate a anilor ‘70 (de exemplu, Apple II, în 1977) și răspândite la începutul anilor ‘80 |
| V | în dezvoltare | inteligență artificială, recunoașterea vocii |
Modelul von Neumann
Modelul de bază al arhitecturii unui sistem de calcul a fost formulat în anii 1944–1945 de matematicianul John von Neumann.
După criteriile formulate de von Neumann, un calculator cu program memorat cuprinde următoarele unități.
La calculatorul personal, termenul unitate centrală desemnează și carcasa în care sunt montate placa de bază, procesorul, memoria și celelalte componente interne.
Interacțiunea dintre componente
Magistralele
Unitățile sistemului de calcul sunt legate prin magistrale (bus).
Magistrala sistemului cuprinde:
| Magistrala | Sensul transferului | Ce se transmite pe ea |
|---|---|---|
| magistrala de adrese | unidirecțională, de la procesor | adresa locației de memorie sau a portului de intrare-ieșire cu care procesorul lucrează în acel moment |
| magistrala de date | bidirecțională | datele și instrucțiunile care circulă între procesor, memorie și dispozitivele de intrare-ieșire |
| magistrala de comenzi (de control) | între procesor și celelalte componente | semnalele care stabilesc tipul operației: citire sau scriere în memorie, citire sau scriere la un port, cereri de întrerupere |
Numărul liniilor magistralei de adrese determină cantitatea maximă de memorie pe care procesorul o poate adresa. Cu 32 de linii de adresă se pot adresa 2³² locații de câte un octet, adică 4 GB de memorie. Numărul liniilor magistralei de date arată câți biți se transferă printr-o singură operație: 8, 16, 32 sau 64.
Executarea unei instrucțiuni
Procesorul execută programul instrucțiune cu instrucțiune. Pentru fiecare instrucțiune se parcurge un ciclu cu următoarele etape:
- Extragerea instrucțiunii. Unitatea de comandă și control citește din memorie instrucțiunea aflată la adresa păstrată într-un registru al procesorului, numit contor de program.
- Decodificarea. Unitatea de comandă și control stabilește ce operație trebuie executată și asupra căror date.
- Aducerea operanzilor. Datele necesare sunt transferate din memorie în registrele procesorului.
- Executarea. Unitatea aritmetico-logică efectuează operația, iar rezultatul este depus într-un registru sau în memorie.
Contorul de program trece apoi la adresa instrucțiunii următoare, iar ciclul se reia. Toate operațiile se desfășoară sincronizat, în ritmul impulsurilor generate de ceasul sistemului.
Circulația datelor la executarea unui program
- Programul și datele se află pe un suport de memorie externă sau sunt introduse prin dispozitivele de intrare.
- La lansarea în execuție, programul și datele sunt transferate în memoria internă, în locații identificate prin adrese. Procesorul nu prelucrează datele direct din memoria externă, ci comandă transferul lor în memoria internă.
- Unitatea de comandă și control preia pe rând instrucțiunile din memoria internă, le interpretează și comandă unității aritmetico-logice operațiile de efectuat.
- Rezultatele intermediare și finale se păstrează în memoria internă.
- Rezultatele sunt transmise, prin canalele de intrare-ieșire, dispozitivelor de ieșire sau sunt scrise în memoria externă, pentru utilizare ulterioară.
Legătura cu dispozitivele periferice
Procesorul nu comunică direct cu un dispozitiv periferic, ci cu controlerul acestuia.
Controlerul conține registre de date, de comandă și de stare, pe care procesorul le accesează prin porturile de intrare-ieșire. Pe partea de software, legătura este asigurată de driverul dispozitivului.
Controlerele au și rol de memorie tampon: dispozitivele periferice lucrează mult mai încet decât procesorul, iar datele se păstrează temporar în controler până când pot fi preluate.
Transferul datelor între procesor și dispozitivele periferice se realizează în modurile următoare.
Apariții la examen
| Examen | Varianta | Subiectul | Tema |
|---|---|---|---|
| Titularizare 2003 | 1 | itemii 2 și 3 | itemi cu alegere multiplă: dispozitive periferice; memoria internă comparată cu hard diskul |
| Titularizare 2004 | 1 | I.1 | structura generală a unui sistem de calcul, în cadrul prezentării unității de memorie |
| Titularizare 2005 | 2 | I.1 | structura generală a unui sistem de calcul, în cadrul prezentării unității de intrare-ieșire |
| Definitivat 2013 | 3 | I.2 | componentele unității centrale de prelucrare și trei funcții ale acesteia |
| Definitivat 2020 | 3 | I.2 | interacțiunea dintre un dispozitiv periferic și procesor |
| Titularizare 2025 | 3 | I.2 | integrarea unității centrale de prelucrare în ansamblul arhitectural |
| Titularizare 2026 | 1 | I.2 | modalitățile de interacțiune dintre dispozitivele de intrare și procesor |
Flashcarduri
Citește întrebarea și formulează răspunsul. Apoi întoarce flashcardul și verifică.
Un dispozitiv electronic care execută automat operații asupra datelor, conform unui set precis de instrucțiuni.
Ansamblul format din calculator, dispozitivele periferice atașate lui și programele cu care funcționează.
- componenta hardware este partea fizică: echipamentele mecanice, electrice și electronice;
- componenta software este partea logică: programele care conduc prelucrarea datelor și asigură funcționarea echipamentelor.
- sistemul de operare;
- driverele;
- programele utilitare;
- programele de aplicație.
- introducerea datelor;
- memorarea datelor;
- prelucrarea datelor;
- extragerea rezultatelor.
- supercalculatoarele;
- calculatoarele mainframe;
- minicalculatoarele;
- microcalculatoarele (calculatoarele personale).
- I: tuburi electronice cu vid;
- II: tranzistoare;
- III: circuite integrate;
- IV: microprocesoare;
- V: în dezvoltare (inteligență artificială).
Calculatorul construit după modelul von Neumann, în care instrucțiunile și datele se păstrează în aceeași memorie, iar instrucțiunile se execută una după alta, în ordinea citirii lor.
- unitatea de intrare;
- memoria;
- unitatea aritmetico-logică (UAL);
- unitatea de comandă și control (UCC);
- unitatea de ieșire.
- unitatea centrală de prelucrare (procesorul) este formată din UCC și UAL;
- unitatea centrală este formată din procesor și memoria internă.
- magistrala de adrese: adresa locației de memorie sau a portului, unidirecțional, de la procesor;
- magistrala de date: datele și instrucțiunile, bidirecțional;
- magistrala de comenzi: semnalele care stabilesc tipul operației.
- extragerea instrucțiunii, de la adresa din contorul de program;
- decodificarea;
- aducerea operanzilor;
- executarea.
Circuitul care leagă dispozitivul de magistralele sistemului și convertește datele din formatul dispozitivului în formatul magistralei și invers.
- intrare-ieșire programată: procesorul verifică starea dispozitivului și transferă datele cuvânt cu cuvânt;
- întreruperi: dispozitivul anunță procesorul că are date pregătite;
- acces direct la memorie (DMA): controlerul transferă datele direct în memoria internă, fără procesor.
Ai parcurs toate flashcardurile.
- Știu: 0
- De repetat: 0
Din tastatură: Spațiu întoarce flashcardul, ← și → trec la flashcardul precedent sau următor.
Hartă mentală
Pentru recapitulare, ascunde ideile, spune ce cuprinde fiecare ramură, apoi apasă pe titlul ei și verifică.
- controlerul
- porturile de intrare-ieșire
- intrare-ieșire programată
- întreruperi
- DMA
- magistrala de adrese, de date, de comenzi
- extragere, decodificare, aducerea operanzilor, executare
- contorul de program
- program memorat
- unitatea de intrare și de ieșire
- memoria
- UAL și UCC
- UCP, UC, dispozitive periferice
Sistemul de calcul
- date de intrare, program, date de ieșire
- componenta hardware
- componenta software
- introducere, memorare, prelucrare, extragere
- supercalculatoare
- mainframe
- minicalculatoare
- microcalculatoare: desktop, laptop, tabletă
- tuburi electronice
- tranzistoare
- circuite integrate
- microprocesoare
Test grilă
Bifează un răspuns la fiecare întrebare, apoi apasă „Vezi nota”. Răspunsurile corecte se arată după corectare.
Materialul acesta se citește pe educamp.ro și nu se tipărește.
Surse (7)
- Niță, A., Popescu, C., Chirilă, D. N., Niță, M., „Informatică și TIC. Manual pentru clasa a V-a”, Editura Corint Logistic, București, 2022
- Cosman, C. D., Coriteac, M. E., Opriță, P.-S., Merlan, D. N., Ungureanu, F., Stoian, A., Curta, I. V., „Informatică și TIC. Manual pentru clasa a V-a”, Editura Sigma, București, 2022
- Drăgoi, D. D., Schnakovszky, C., Raveica, I. C., Ganea, B.-I., „Utilizarea calculatoarelor. Note de curs și aplicații”, Universitatea din Bacău, 2007
- Apatean, A., „Calculatorul von Neumann + baza arhitecturii 80x86”, suport de curs, Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca
- Programa pentru examenul de definitivare în învățământ, disciplina Informatică, cap. 7 „Arhitectura generală a sistemelor de calcul”
- Programa pentru concursul de ocupare a posturilor didactice, disciplina Informatică, cap. 7 „Arhitectura generală a sistemelor de calcul”
- Subiecte și bareme publicate, Definitivat și Titularizare, informatică, 2003–2026