Sisteme de calcul și componentele lor

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

Calculatorul este un dispozitiv electronic care execută automat operații asupra datelor, conform unui set precis de instrucțiuni. 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.

Sistemul de calcul reunește calculatorul, dispozitivele periferice atașate lui și programele cu care funcționează. Orice sistem de calcul are o componentă hardware și o componentă software.

Componenta hardware este partea fizică a sistemului de calcul, adică totalitatea echipamentelor mecanice, electrice și electronice. Ea 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 este formată din programele care conduc prelucrarea datelor și asigură funcționarea echipamentelor, adică partea logică a sistemului de calcul. Ea 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:

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 și PDA (Personal Digital Assistant) — calculatoare de dimensiuni foarte mici, la care datele se introduc prin atingerea ecranului sau cu un creion special.

Generațiile de calculatoare

Evoluția calculatoarelor electronice se împarte în generații, după tehnologia din care sunt realizate circuitele lor:

Modelul von Neumann

Modelul de bază al arhitecturii unui sistem de calcul a fost formulat în anii 1944–1945 de matematicianul John von Neumann. Calculatoarele construite după acest model se numesc calculatoare cu program memorat: instrucțiunile programului și datele asupra cărora lucrează se păstrează în aceeași memorie, iar instrucțiunile se execută una după alta, în ordinea în care sunt citite din memorie.

După criteriile formulate de von Neumann, un calculator cu program memorat cuprinde:

• unitatea de intrare, prin care se introduc în calculator datele și instrucțiunile;
• memoria, din care se citesc instrucțiunile și datele și în care se depun rezultatele;
• unitatea aritmetico-logică (UAL), care efectuează operațiile aritmetice și logice asupra datelor;
• unitatea de comandă și control (UCC), care interpretează instrucțiunile citite din memorie, stabilește ordinea executării lor și coordonează activitatea celorlalte unități;
• unitatea de ieșire, prin care rezultatele sunt transmise în afara sistemului.

Unitatea de comandă și control și unitatea aritmetico-logică formează unitatea centrală de prelucrare (UCP), numită și procesor. Procesorul, împreună cu memoria internă, formează unitatea centrală (UC). Echipamentele din afara unității centrale, adică dispozitivele de intrare, dispozitivele de ieșire și memoria externă, se numesc dispozitive periferice.

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). O magistrală este un grup de linii electrice pe care informația se transmite în paralel, câte o linie pentru fiecare bit. Magistrala sistemului cuprinde:

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, 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:

1. Extragerea instrucțiunii. Unitatea de comandă și control citește din memorie instrucțiunea aflată la adresa păstrată într-un registru al procesorului, numit contor de program.
2. Decodificarea. Unitatea de comandă și control stabilește ce operație trebuie executată și asupra căror date.
3. Aducerea operanzilor. Datele necesare sunt transferate din memorie în registrele procesorului.
4. 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

1. Programul și datele se află pe un suport de memorie externă sau sunt introduse prin dispozitivele de intrare.
2. 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.
3. Unitatea de comandă și control preia pe rând instrucțiunile din memoria internă, le interpretează și comandă unității aritmetico-logice operațiile de efectuat.
4. Rezultatele intermediare și finale se păstrează în memoria internă.
5. 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 este circuitul care leagă dispozitivul de magistralele sistemului: convertește datele din formatul dispozitivului în formatul magistralei și invers. El 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 prin:

• intrare-ieșire programată — procesorul verifică el însuși starea dispozitivului și transferă datele cuvânt cu cuvânt; metoda ocupă timpul procesorului;
• întreruperi — dispozitivul anunță procesorul, printr-o cerere de întrerupere, că are date pregătite; procesorul suspendă programul în curs, execută rutina de tratare a întreruperii, în care preia datele, și apoi reia programul întrerupt;
• acces direct la memorie (DMA, direct memory access) — controlerul transferă un volum mare de date direct în memoria internă, fără ca datele să treacă prin procesor, iar procesorul este anunțat printr-o întrerupere la încheierea transferului.

Apariții la examen

Arhiva are, de obicei, o singură variantă pentru fiecare an, deci celelalte variante ale acelorași ani pot conține alte teme.