Arhitectura sistemelor de calcul
Yüklə 474,27 Kb.
|
- Bu səhifədəki naviqasiya:
- Unitatea central ă de prelucrare
- Unit ăţ ile periferice
- Unit ăţ i de interfa ţă ş i linii de comunica ţ ie (magistrale)
- Unitatea centrală (procesorul)
- Deschutes
- Klamath se afl ă î n fruntea procesoarelor x86.
- Deschutes
- Unitatea de comand ă ş i control
- Unitatea aritmetico-logic ă
|
I.Arhitectura sistemelor de calcul Calculatorul sau sistemul de calcul este un dispozitiv care lucrează automat, sub controlul unui program memorat, acceptând şi prelucrând date în vederea producerii de informaţii ca rezultat al prelucrării. Orice calculator are în esenţă trei părţi:
Unele lucrări de specialitete privesc arhitectura din două puncte de vedere:
Orice arhitectură trebuie să îndeplinească următoarele funcţii:
Pentru realizarea acestor funcţii, SEC reuneşte următoarele unităţi funcţionale:
Unitatea centrală de prelucrare este componenta de bază care asigură prelucrarea efectivă a datelor prin operaţii aritmetice, operaţii logice etc, memorarea datelor şi programelor, comanda şi controlul întregului sistem de echipamente. Ea este alcătuită din memoria internă, unitatea de comandă şi control, unitatea artimetico-logică (unitatea de prelucrare). Memoria internă (memorie operativă sau principală) păstrează datele, instrucţiunile şi rezultatele prelucrării. Unitatea de comandă şi control (CU - Control Unit) supraveghează activitatea întregului SC. Ea asigură stabilirea ordinii de execuţie a instrucţiunilor, controlul memoriei principale în timpul memorării datelor şi instrucţiunilor, activarea tuturor unităţilor şi subunităţilor sistemului de calcul. Aceste funcţii le realizează citind succesiv instrucţiunile în unităţi de memorare ultrarapide, numite regiştri, unde le interpretează. În urma acestor interpretări, emite semnale, care reprezintă comenzi, diferitelor dispozitive hard. Unitatea de prelucrare realizează în esenţă două categorii de operaţii: aritmetice, adică adunări, scăderi, înmulţiri şi împărţiri şi logice, adică operaţii booleene. Instrucţiunile sunt aduse în ordinea dictată de CU în regiştri unde se interpretează, se aduc operanzii din memorie, se execută operaţiile, rezultatul se depune iar în memorie.
Mulţimea de componente ce pot fi conectate pentru a realiza un sistem de calcul definesc configuraţia sistemului respectiv. Pentru ca un sistem să fie operaţional trebuie să existe o configuraţie minimă (de bază) în care sunt conectate un număr minim necesar de componente. Plecând de la această configuraţie minimă, în funcţie de complexitatea lucrărilor de executat şi de posibilităţile financiare, utilizatorul îşi poate adăuga noi componente, ţinând totuşi cont de limita maximă admisă de unitatea centrală de prelucrare - configuraţia maximă. Indiferent de configuraţia adoptată, la executarea unui program de aplicaţii, între componentele unui SEC se realizează următoarele fluxuri informaţionale:
I.1.Microcalculatoare (Prezenare generală p. 64-65) Componentele unui microcalculator IBM-PC şi compatibile În prezent, cel mai importante microcalculatoare sunt PC-urile şi cele din familia PC-compatibile. Unitatea centrală (procesorul) Este componenta cea mai importantă a unui calculator, coordonând întreaga activitate a acestuia, fiind în acelaşi timp şi cea mai costisitoare. Toate datele şi instrucţiunile de program trec pe aici în drumul lor către alte părţi ale calculatorului. De aici se solicită informaţii pe care utilizatorul le va introduce de la tastatură sau de la alte mijloace de introducere sau se afişează rezultatele pe monitor. Tot în unitatea centrală sunt realizate prelucrările de date prin executarea unui program memorat. După forma unităţii centrale, PC-urile se pot clasifica în: - PC-uri DeskTop care au cutia centrală de formă paralelipipedică cu baza mare jos, acesta fiind şi modelul de bază; - modelele tower şi minitower (turn) în care baza mică este jos, având forma unui turn. Acest model se utilizează în general la sistemele mari (de exemlu, la serverele de reţea IBM PS/2); - laptop, denumit de unii producători powerbook (Apple) sau notebook are unitatea centrală sub formă de geantă diplomat, cu un ecran ultraplat, destinat călătoriilor. Firma Compaq a fost cea care a fabricat pentru prima dată un calculator compatibil IBM care putea fi plimbat ca orice alt bagaj. A fost botezat portabil. Termenul laptop a înlocuit termenul de portabil când respectivul calculator ca urmare a îmbunătăţirilor aduse a început să scadă în greutate, ajungănd să cântărească doar vreo 4-5 kg. Extinderea ariei de cuprindere a microcalculatoarelor la laptop-uri, notebook-uri, palmtop-uri şi tablet (pen based) s-a făcut datorită tendinţei din ţările dezvoltate de a utiliza calculatoarele în afara biroului, prin apelarea la baterii speciale de alimentare, cuplate la linia telefonică pentru a servi drept sursă de alimentare a bazelor de date din birou. Cea mai mare utilizare a lor este în domeniul desfacerii, prin plasarea lor în punctele de vânzare. Trăsăturile de bază ale acestor minicalculatoare: 1. laptop computerele apar în 1982 (firma Grid Systems realizează primul laptop cu o greutatea 4,5 Kg. Pe parcurs greutatea lor a scăzut. Ecranul a evoluat şi el de la monocrom la color, în 1991 (firma Toshiba). 2. notebook computerele apar în 1988 (firma NEC), cântărind pe jumătate cât un laptop la începuturile sale astfel încât puteau să încapă într-o servietă. 3. palmtop computerele au numai 0,5 Kg sau chiar mai puţin, fiind posibile de mânuit în palmă, cu un ecran care are, de cele mai multe ori numai 8 linii de afişare, utilizându-se în magazinele cu amănuntul sau ridicata pentru memorarea stocurilor sau a desfacerilor, datele respective fiind transmise la centrul de prelucrare prin intermediul liniei telefonice. 4. tablet computerele (în 1990- GRiD Systems Corp., filială Tandy) sau pen based, calculator planşetă sau calculator bazat pe stilou vine în sprijinul persoanelor care nu au folosit niciodată o tastatură şi nici mouse-ul. S-a conceput o planşetă specială care este de fapt un ecran anume pe care se poate interveni cu arhicunoscutul stilou.Tehnica utilizării planşetei este cea învăţată în prima clasă la şcoală: nu-ţi convine ceva şi-l tai cu o linie, însemnând ştergere, vrei să modifici altceva şi-l încercuieşti, după care poţi face corectura de rigoare. Sunt folosite mai ales la facturări în cazul deplasărilor de la sediul firmei. Dacă la început preţul lor erau de 5000 $ în 1994 au ajuns să coste 2000$ . În unitatea centrală se găsesc:
În general, omul de pe stradă este bombardat de reclame de felul “vând microcalculator 100% compatibil IBM-PC”. Se pune problema ce înseamnă compatibilitate IBM-PC. Compatibilitatea IBM-PC se realizează prin: - existenţa unui microprocesor din tip Intel;
În general, compatibilitatea IBM-PC se împarte în: - compatibilitate 99%. Compatibilitatea 100% nu se poate realiza deoarece memoria ROM IBM nu poate fi copiată. O compatibilitate 99% asigură posibilitatea utilizării tututror produselor soft. Există programe, cum ar fi compatest, publicat în revista SOFT MICRO care stabilesc coeficientul de compatibilitate - compatibilitate 66% reprezintă o compatibilitate soft, dar nu şi hard - compatibilitate 33% reprezintă o compatibilitate redusă, relativ la principalele produse soft - compatibilitate MS-DOS, reprezintă o compatibilitate redusă, referitoare doar la unele versiuni MS-DOS.
În 1971, inginerul Marcian Ted Hoff inventează microprocesorul, apariţia acestuia fiind privită ca o reacţie la expansiunea japoneză pe piaţa calculatoarelor de buzunar. Puterea unui microprocesor constă în numărul de biţi transmişi şi prelucraţi în paralel. Prima generaţie a început odată cu apariţia procesorului pe 4 biţi, 1-4004, care a fost rapid îmbunătăţit, lansându-se, în 1974, microprocesoarele pe 8 biţi (8008 şi 8080), fiind componentele de bază ale microcalculatoarelor pe 8 biţi. În paralel, principalul proiectant de 8008, Frederico Fagin,, se desparte de Intel şi-şi formează firma proprie, Zilog care va produce cunoscutele microprocesoare Z-80. În 1978 apare 8086 şi 8088, prin care se face saltul de la 8 la 16 biţi, adică începe generaţia a II-a de microprocesoare. În scurt timp apr M 68000 produs de firma Motorola şi Z-8000 produs de Zilog. În 1982 apare 80186 care este compatibil cu 8086, dar are o serie de funcţii sistem în plus. Acest microprocesor este extins rapid la 80286 care poate lucra ca un 8086, dar are o serie de facilităţi în plus, cum ar fi: mecanismele de memorie virtuală, protecţie, multiprocesare etc. În 1985 este introdus 80386 care un microprocesor pe 32 biţi, dezvoltând o serie de elemente preluate de la 80286. Până aici, pentru accelerarea calculelor matematice, microprocesoarele trebuiau să dispună şi de un coprocesor matematic. Începând cu seria 80486 (1989), coprocesorul este încorporat în microprocesor. În 1993, se lansează primul microprocesor al generaţiei a V-a, numit şi Pentium. Concurenţa existentă între firme în acest domeniu a impus un ritm accelerat in dezvoltarea tehnicii de calcul, astfel că deşi abia lansat pe piaţă microprocesorul Pentium, se şi anunţă următorul, ProPentium, iar procesorele de generaţia a şaptea sunt aşteptate în 1998. În acest domeniu, bătălia se dă în principal între Intel şi Motorola, dar şi DEC, Bell Laboratory, Zilog, Texas Instruments, AMD, Cyrix ş.a. au un cuvânt de spus. Procesoarele au ajuns la preţuri accesibile şi performanţe deosebite. Astfel, cele mai rapide procesoare, produse de firma DEC - procesoarele ALPHA, au atins o frecvenţă de tact de 500 Mhz, iar în perspectiva imediată vor lucra la 600 Mhz. Pentru ca procesoarele sale să răspundă mai bine volumului şi vitezei de procesare cerută de sistemele multimedia firma INTEL a introdus tehnologia MMX. Această tehnologie adaugă o nouă dimensiune programării prin furnizarea unui set de instrucţiuni (57) cu un grad înalt de optimizare pentru aplicaţiile multimedia. De fapt, aceste noi instrucţiuni oferă performanţe în operarea cu întregi de 8 sau 16 biţi, specifice aplicaţiilor multimedia sau de comunicaţie ce includ filtre şi algoritmi de compresie. Dacă Microsoft denumeşte noile sale produse cu nume de oraşe (Chicago, Nashvile, Memphis, Cairo), mai nou Intel foloseşte pentru aceasta nume de râuri. Apele învolburate ale râului Klamath curg dinspre Oregon spre California, Deschutes este un afluent al lui Columbia River, Merced curge dinspre Parcul Naţional Yosemite direct către Santa Clara, localitate unde se află sediul firmei Intel.1 În 1998 este aşteptat Katmai care va avea pe lângă un cache mai mare al procesorului şi extensii MMX (este vorba de MMX II). Trecerea la Merced va fi reprezentată în 1999 de Willamette de la care se aşteaptă modificări esenţiale ale nucleului procesorului. Familia Pentium se va extinde cu încă un element: odată cu Tillamook, structurile CMOS se vor micşora de la 0,35 microni la 0,25 microni, astfel că tensiunea va scădea la 1,8 V. Acest procesor se va preta mai ales pentru notebook-uri rapide.4 Viitoarea familie Intel va fi pe 64 de biţi. Primul procesor din această familie va fi cunoscut sub numele Merced ce va fi disponibil în anii următori.5 El apare în documentele dezvoltatorilor sub numele P7. Pentru acest P7 conlucrează Intel cu HP. Este un circuit integrat pe 64 biţi, compatibil cu arhitectura x86 de la Intel şi PA-RISC de la HP. Procesorul este o dezvoltare a lui Pentium Pro.6 Rivalii firmei Intel, AMD şi Cyrix lucrează de mulţi ani, în ritm alert, pentru a depăşi performanţele firmei Intel şi se pare că a doua chiar a reuşit pentru că a anunţat un procesor care întrece procesoarele firmei Intel. Până acum, Intel era “vioara întâi” printe producătorii de microprocesoare compatibile 80x86. Competitorii cei mai importanţi (AMD şi Cyrix) făceau eforturi însemnate pentru a putea ţine măcar pasul cu liderul. Iată că de data aceasta Cyrix a reuşit să urce pe podium în topul microprocesoarelor pentru PC-uri cu noul său cip. Ultimul procesor Cyrix este compatibil cu Pentium şi rulează la 150 de MHz intern. Se numeşte P200+. P200+ are o magistrală sistem de 75 MHz faţă de cei numai 66MHz întâlniţi la Pentium 200. Magistrala sistemului funcţionând la 75 MHz, asigură un schimb de date cu exteriorul mai rapid decât magistrala de 66 MHz a lui Pentium 200. Mai mult, Intel a împins la limită performanţele care se pot obţine din actuala arhitectură Pentium, pe când Cyrix a reproiectat arhitectura procesorului său pentru a-l îmbunătăţi. Cyrix speră să-şi impună procesorul şi printr-o politică agresivă de preţuri: cipul său costă 499$ en-gros, cam cu 100$ mai puţin decât P200 al lui Intel. Drept urmare, preţurile sistemelor P200+ ar trebui să fie competitive faţă de Pentium200. De exemplu: un sistem Cyrix P200+ minitower cu 16 M EDO RAM, 256 Kcache, harddisk 2,5G, placă video Matrox MGA Milenium cu 2M, placă de sunet Sound Blaster AWE32 ş monitor de 17” costă cca. 2700$. Un Dell Dimension XPS P200 similar costă aproape 4000$ (toate preţurile sunt pentru piaţa SUA). Ce poate ameninţa astăzi succesele firmei Intel ? Pentru moment constructorii microprocesoarelor RISC (necompatibile cu cele de la Intel) par resemnaţi. Că este Digital (Alpha), Silicon Graphics (Mips), Sun (Sparc) sau trioul IBM-Motorola-Apple (Power PC), toţi au eşuat în tentativele lor de a îndigui marca Intel. Dar astăzi cel mai serios pericol pentru Intel pare a fi NC (Network Computer sau Network Client), acest terminal economic apărut odată cu valul numit Internet. Aceste calculatoare se bazează pe reţeaua la care sunt conectate, nu au hard-disk-uri, încarcă sistemul de operare şi programele prin reţea de pe servere. Schimbând programele sale pe servere la distanţă, NC nu necesită o putere intrinsecă importantă, o filosofie care se dovedeşte a fi cu totul contrară celei a lui Intel pentru care posturile de lucru trebuie să fie totdeauna mai puternice. Considerându-l un real pericol, Intel a anunţat în colaborare cu Microsoft un PC economic, NetPC, lipsit de numeroase capacităţi de extensie, dar care conservă un procesor cu totul normal. NetPC este gândit ca un nou membru al familiei de PC-uri şi nu ca un înlocuitor pentru acestea. Încă de la apariţia circuitului integrat, procesoarele au cunoscut progrese rapide. Numărul de tranzistori pe care proiectanţii au reuşit să-l împacheteze într-un cip s-a dublat la fiecare 18 luni. Astfel, în intervalul de 10 ani procesoarele din familia x86 au crescut în densitatea circuitelor logice de 20 de ori. (de la 1,2 milioane la i-486 la 50-100 milioane la i -786). Bazele acestei îmbunătăţiri continue o reprezintă fotolitografia, tehnologie prin care circuitele integrate se realizează prin depunerea, una peste alta, în straturi succesive, a unor structuri de metal sau siliciu tratat chimic prin care se obţine pastila de siliciu. Posibilităţi de dezvoltare mai există dar, după cum afirmă specialiştii, această tehnologie este limitată de frecvenţa razei de lumină şi de rezoluţia lentilelor. De aceea cercetătorii caută noi soluţii, una oferind reale posibilităţi şi are la bază principiile mecanicii cuantice. Această nouă tehnologie se bazează pe realizarea calculelor prin intermediul atomilor individuali, a căror comportament este dictat de mecanica cuantică. Mecanica cuantică, pornind de la comportamentul dual “undă-corpuscul”, consideră că fiecare atom poate fi văzut fie ca particulă, fie ca undă, iar particulele subatomice pot ocupa doar stări energetice discrete, numite cuante. Datorită acestui comportament individual, calculele cuantice pot exploata un fel de procesare paralelă. Diferite cercetări efectuate până în prezent7 au demonstrat că un calculator bazat pe mecanica cuantică poate executa o sarcină practică mai rapid decât un calculator digital, operând totodată cu numere mai mari. Biţii cuantici sunt numiţi cubiţi, iar un registru de trei cubiţi poate înregistra toate cele opt numere posibile până când acesta este citit. Mai mult, un calculator cuantic nu trebuie să efectueze calcule numerice şi se propune ca acestea să opereze ca şi calculatoarele analogice. Totuşi tehnologia operaţiilor cuantice computaţionale este încă la început şi mai există unele probleme de rezolvat. Problemele importante ce stau în faţa cercetătorilor în acest domeniu sunt legate de menţinerea unui sistem cuantic coerent şi faptul că defectele în echipament cauzează acumularea erorilor. Chiar dacă problemele de calcul cuantic sunt dificile, procesoarele viitoare vor fi realizate într-un fel sau altul. John E. Kelly III, vicepreşedintele laboratoarelor de sisteme, tehnologie şi ştiinţă de la T.J. Watson Research Center afirmă că “Undeva între limitele litografiei convenţionale şi mânuirea atomilor, există destul spaţiu pentru a realiza porţi logice”. Ţinând seama de funcţiile clasice îndeplinite de orice microprocesor, structura standard cuprinde următoarele componente: - unitatea de comandă şi control; - unitatea aritmetică şi logică; -setul de registre proprii; -unitatea de interfaţă şi liniile de comunicaţie. Unitatea de comandă şi control comandă, controlează şi coordonează întregul proces de prelucrare a datelor şi funcţionarea corectă a tuturor componentelor sistemului pe baza comenzilor transmise de utilizator şi memorate în memoria internă a calculatorului. Ea execută instrucţiunile astfel:
Unitatea aritmetico-logică (UAL) este alcătuită din totalitatea circuitelor electronice prin care se realizează prelucrarea datelor cerută prin instrucţiuni şi comenzi. Aceste circuite sunt structurate pe registre (8, 16, 32, 64 biţi) corelate cu lungimea cuvântului de memorie (16, 32, 64 biţi). La realizarea prelucrării datelor participă de regulă atât registrele unităţii aritmetico-logice (registrul de stare, registrul de deplasare, registrul sumator şi pentru operaţii liniare), cât şi registrele generale ale microprocesorului. Principalele tipuri de operaţii elementare pe care le poate realiza UAL sunt: adunare logică, operaţii logice de tip AND, OR, NOT, XOR, operaţii de complementare a datelor, operaţii de deplasare a datelor cu un bit la stânga sau la dreapta. Operaţiunile complexe asupra datelor sunt realizate de microprocesor prin combinarea operaţiunilor elementare. Registrele microprocesorului funcţionează ca o memorie RAM proprie în sensul că păstrează temporar informaţii ce urmează a fi prelucrate sau rezultate ale prelucrărilor până la transmiterea acestora către memoria RAM rpopriu-zisă a calculatorului. Dintre registrele de date şi de adresare ale microprocesorului mai importante sunt:
Toate operaţiunile aritmetice şi/sau logice, de adresare, de transfer etc au loc pe baza unui dialog între microprocesor şi memoria internă, pe de o parte, iar pe de altă parte între componentele funcţionale ale microprocesorului. Un microprocesor este caracterizat în principal de:
1. Viteza de lucru arată cât de repede realizează microprocesorul un ciclu complet de excutare a unei instrucţiuni. Viteza se măsoară în MIPS (milioane de instrucţiuni pe secundă). Un calculator performant are o viteză de execuţie de ordinul a 2-20 MIPS, iar un calculator cu performanţe reduse are viteza de ordinul a 0,1 MIPS. Viteza depinde de depinde de următorii factori:
Yüklə 474,27 Kb. Dostları ilə paylaş:
|
Debutând la 266 MHz, ultimul procesor al firmei Intel, Pentium II, numit Klamath se află în fruntea procesoarelor x86. El dispune de o memorie cache L1 de 32 KB , dublu faţă de Pentium, dispune de noul set de instrucţiuni MMX, are 512 KB cache L2. Procesorul este considerat Pentium Pro-ul pentru piaţa de larg consum. Printe alte caracteristici se numără şi faptul că se foloseşte pentru realizarea lui tehnologia CMOS de 0.28 microni2.
Deschutes