Arhitectura sistemelor de calcul

Magistrala de adrese este unidirecţională - adresele ies din microprocesor pentru a putea fi transmise către circuitele de memorie şi către cele de I/E. Prin magistrala de adrese, microprocesorul coordonează funcţionarea microcalculatorului.

Magistrala de comenzi este reuniunea unor semnale individuale de I/E din microprocesor, având fiecare un rol aparte. Aceste semnale se pot clasifica astfel:

1. Semnale de control - prin care microprocesorul coordonează funcţionarea dispozitivelor de pe magistrală (exemple: READ, WRITE);

2. Semnale de stare - prin care microprocesorul primeşte reacţii de la dispozitivele situate pe magistrală (ex: cerere de întrerupere, cerere de suspendare a controlului magistralei).

Patru tipuri de activităţi se pot desfăşura pe o magistrală şi anume:

1. Transferul datelor - se efectuează între regiştri UC şi o locaţie de memorie sau un registru de interfaţă. Pentru realizarea unui transfer, avem nevoie de adrese prin care se selectează locaţia de memorie sau registrul de interfaţă, de o comendă care va specifica tipul operaţiei (scriere/citire memorie, scriere/citire dispozitiv periferic) şi de datele din memorie sau de la dispozitivul selectat.

2. Operaţia de suspendare a controlului magistralei - se foloseşte în cazul în care există mai multe module care vor să ocupe magistrala. Când microprocesorul care ocupă magistrala îşi termină operaţia, el poate să-şi suspende controlul, astfel încât acesta să fie preluat de un alt microprocesor care doreşte sa acceseze magistrala. Operaţia poate fi executată la cerere sau la momente de timp bine definite.

3. Sincronizarea microprocesorului cu dispozitivele lente - această operaţie sesuprapune peste operaţia de transfer a datelor, în situaţia în care dispozitivul selectat prin comandă este mai lent. În acest caz, la nivelul dispozitivului de comandă se trece microprocesorul în aşteptarea unui semnal specific către periferic.

4. Operaţia de întrerupere - se foloseşte în cazul în care se doreşte oprirea fluxului de instrucţiuni în curs de execuţie şi înlocuirea lui cu alt flux. Întreruperea poate fi cauzată de schimbarea unui dispozitiv periferic sau de un eveniment extern/intern neaşteptat. La apariţia unei cereri de întrerupere, microprocesorul termină instrucţiunea curentă, salvează adresa de revenire, după care trece la o secvenţă de tratare a cererii de întrerupere.

După sensul de circulaţie a informaţiilor, magistralele sunt bidirecţionale şi unidirecţionale.

Magistralele se mai pot clasifica în magistrale dedicate, respectiv nededicate.

Magistrala dedicată este în permanenţă asignată unei singure funcţii sau unui set de dispozitive fizice. Magistrala nededicată permite accesul mai multor funcţii sau al mai multor dispozitive fizice.

Tehnicile de control al magistralei (tehnici de arbitrare) sunt folosite în cazul în care există cereri simultane de acces la magistrală. Pentru a transmite informaţia corectă pe magistrală este necesar să se respecte următoarea regulă - la un moment dat accesul pe magistrală îl poate avea doar un singur emiţător, numărul receptoarelor fiind teoretic nelimitat. Prin activitatea de arbitraj se înregistrează cererile de acces la magistrală ale emiţătorului şi eventual se acordă magistrala solicitatorului. Arbitarea poate fi realizată centralizat, caz în care circuitele necesare efectuării controlului se află comasate într-un singur modul, sau distribuit, caz în care fiecare modul cuplat pe magistrală conţine un circuit cu logica de arbitraj necesară. Pentru fiecare dintre aceste tipuri de tehnici există trei metode de arbitrare: înlănţuire serială, interogare, cereri independente.

În cazul în magistrala a fost câştigată de un dispozitiv, trebuie stabilit dialogul între sursă şi destinaţie. Pe baza metodei de dialog se realizează transferul propriu-zis, care poate fi sincron (la cuante de timp fixe, generate de un generator de tact central) sau asincron.

Să trecem acum în revistă componentele periferiei calculatorului. După cum s-a văzut ea se împarte în:

 Dispozitive de memorare sau memoria externă

 Dispozitive de I/E.

II.1.Memoria externă
Memoria operativă sau internă este un dispozitiv de memorare de foarte mare viteză, care s-a ieftinit foarte mult. În paralel s-a extins foarte mult şi volumul de date memorate şi prelucrate. Astfel, încă de la începuturile existenţei calculatoarelor, specialiştii au trebuit să recurgă la dispozitive care să extindă memoria internă. În acest scop, s-a recurs la diferite principii fizice cum ar fi:

 efectul magnetic al curentului electric variabil şi invers;

 fotoelectricitatea etc.

Cele două principii enumerate mai sus constituie baza sistemelor actuale, având astfel dispozitive de memorare magnetice şi dispozitive de memorare optice.

A. Dispozitivele de memorare magnetice

Pentru memorarea unor volume mari de date, care să poată fi regăsite rapid se folosesc dispozitive periferice în care se utilizează în esenţă suporturi magnetice. Suporturile magnetice se împart la rândul lor în două categorii:

 suporturi adresabile magnetice (discuri şi dischete);

 suporturi neadresabile magnetice (benzi magnetice).

1. Unităţile de discuri magnetice

Sunt dispozitive fizice care permit gestionarea discurilor magnetice.

Discurile magnetice se clasifică după mai multe criterii:

1. după capetele de citire/înregistrare;

2. după modul de grupare;

3. după materialul din care sunt făcute, etc.

1. După capete, sunt:

- discuri cu capete fixe, la care capetele sunt fixate;

- discuri cu capete mobile, la care capetele se mişcă solidar, câte unul pe fiecare faţă.

2. După modul de grupare:

- discuri amovibile (care se pot grupa în pachete);

- discuri inamovibile, care sunt independente, deci nu se grupează în pachete.

3. După materialul din care este făcut discul, avem:

- discuri dure, la care platanele sunt făcute dintr-un material dur, de obicei dur-aluminiu;

- discuri flexibile, la care discul este făcut din material plastic.

Corespunzător tipurilor de suport, discurile magnetice se clasifică în:

 unităţi de disc flexibil (floppy discuri);

 unităţi de disc hard (dur sau Winchester);

 unităţi de disc amovibil (Bernoulli, SyQuest).

a.) Unităţile de disc flexibil (floppy disc)- sunt folosite pentru a înregistra date pe dischete, care apoi vor putea fi citite pe acelaşi tip de unitate. A fost creată în 1967, în laboratoarele IBM din San Jose şi atribuită unui colectiv condus de Allan Shugart.

Unitatea de disc flexibil are în esenţă:

1. două capete de citire/înregistrare, pentru a utiliza ambele feţe ale dischetei;

2. un dispozitiv de acţionare a capetelor;

3. un motor de antrenare a dischetei (360 rot/min);

4. logica de comandă a părţilor amintite mai sus împreună cu logica de scriere şi citire.

Interfaţarea cu magistrala PC-ului se face prin intermediul plăcii de I/E.

Dischetele sunt folosite pentru păstrarea programelor şi a fişierelor de date de mici dimensiuni, pentru arhivări, precum şi pentru transferul de diferite date şi programe între calculatoare. Ele nu necesită condiţii speciale de păstrare, dar este indicat să fie păstrate în locuri ferite de acţiunea unor câmpuri magnetice puternice sau în apropierea unor surse de căldură deosebite. De asemenea, este indicat ca din când în când informaţiile să fie rescrise pe dischete, pentru a nu se pierde.

Principalele tipuri de dischete sunt cele de 5 1/4" şi 3 1/2". Există şi dischete mai vechi de 8", precum şi mai noi de 2". Principalele carecteristici sunt:

- ele sunt discuri din polyester acoperit cu un strat magnetic;

- discul propriu-zis se află într-un înveliş protector, fiind manevrat împreună cu acesta;

- discheta de 5 1/4" este antrenată printr-un orificiu aflat în mijlocul dischetei, iar cea de 3 1/2" printr-un dispozitiv metalic;

- capetele de citire/înregistrare se aşează pe suprafaţa dischetei în orificiul de contact;

- protecţia la scrierea pe dischetă se realizează în primul caz printr-un scotch care se lipeşte peste orificiul dreptunghiular din marginea jos a dischetei, în timp ce la cel de-al doilea, printr-un comutator;

- în ce priveşte capacitatea dischetelor, aceasta depinde de:

 numărul de feţe;

 densitate.

Astfel, după numărul de feţe avem:

dischete cu o faţă (single side);

cu două feţe (double side).

Prima categorie practic a dispărut.

După densitate avem:

simplă densitate (Simple Density - SD);

dublă densitate (Double Density 2D sau DD);

înaltă densitate (High Density - HD);

densitate cvadruplă (Quad Density -QD);

densitate extra înaltă (Extra High Density - ED).

Capacitatea dischetelor este:

 dischetele DD de 5 1/4" au capacitatea de 360Ko, iar cele de 3,5” 720 Ko.

 dischetele HD de 5 1/4" au capacitatea de 1.2 Mo, respectiv cele de 3 1/2 au 1.44 Mo.

Există şi dischete cu capacitatea de 2.88 Mo.

O dischetă poate fi utilizată numai dacă a fost formatată în prealabil.

Datele sunt înregistrate sub forma unor octeţi memoraţi ca şiruri de cifre binare (zone magnetizate şi nemagnetizate). Aceste şiruri sunt aşezate circular, de-a lungul pistelor. Pistele pe discurile magnetice sunt circulare şi concentrice, corespunzând unei poziţii a capului de citire-înregistrare. O porţiune dintr-o pistă se numeşte sector. Sectorul este cea mai mică entitate modificabilă prin rescriere. Fiecare sector are o adresă unică formată din poziţia pistei şi numărul sectorului. Numărul de caractere pe sector depinde de tipul discului, dar în general este o putere a lui 2, adică 256, 512, 1024, 2048, 4096. O dischetă de 3,5 inch cu două feţe, de exemplu, (1.44 Mo) are 80 piste/faţă, 18 sectoare/ pistă, 512 caractere/sector, total sectoare 2440. Discurile dure au un număr variabil de feţe şi piste, în funcţie de performanţele discului. Dimensiunea sectoarelor este fixă de 512 caractere.

Un alt concept vehiculat mult este cel de cilindru, respectiv cilindru virtual. Prin cilindru virtual se înţelege ansablul pistelor pe un echipament cu mai multe discuri care pot fi accesate fără a mişca capul de citire-înregistrare. Altfel spus, cilindrul este ansamblul pistelor care corespund unei poziţii a capetelor de citire-înregistrare de pe toate pistele. Un floppy disc cu două feţe are un număr de cilindri egal cu jumătate din numărul pistelor.

b.) Unităţile de discuri Winchester

Unitatea de hard disc este un dispozitiv de memorie externă închis ermetic, care poate păstra o cantitate foarte mare de informaţii din sistem.

Aceste unităţi au fost introduse de IBM în 1974 şi au primit denumirea de discuri Winchester din motive de reclamă, deoarece prima unitate era formată din două discuri (era o unitate duală) cu câte 30 Mo. Cum vestita armă de vânătoare automată avea două ţevi cu câte 30 de focuri, s-a găsit această denumire comercială.

Funcţionarea fizică: Unitatea de hard disc are mai multe discuri care se rotesc cu viteze de la 3600 rot/min în sus, montate unele peste altele şi capete care se mişcă deasupra discurilor înregistrând informaţiile pe piste şi sectoare.

Spre deosebire de floppy discuri, la care capetele de citire/înregistrare se aşează pe disc, la hard disc-uri acestea nu ating suprafeţele discurilor în timpul funcţionării normale, plutind pe o pernă de aer, numită şi lagăr de aer.

Marele avantaj al unităţilor de discuri Winchester faţă de alte tipuri este că, pe lângă faptul că unitatea fiind perfect ermetică asigură o mai bună protecţie la praf, umezeală etc., s-a putut mări considerabil viteza de rotaţie şi s-au putut apropia mult mai mult capetele de suprafeţele discurilor. Principalul dezavantaj al unităţilor Winchester l-a reprezentat faptul că tehnologia fabricării este mult mai complicată. Având în vedere faptul că tehnologia fabricării a fost protejată mult timp, fostele state socialiste nu au putut intra înainte de '89 în posesia acestei tehnologii, deci, acesta a fost unul dintre marile avantaje strategice ale IBM.

Pentru a putea fi filosit, un disc dur trebuie să fie formatat, adică definită structura iniţială a discului. Formatarea presupune trei etape:

 formatarea la nivel sau formatarea fizică;

partiţionarea;

formatarea la nivel superior sau formatarea logică.

În timpul formatării logice pistele discului sunt împărţite în sectoare, numărul acestora depinzând de tipul unităţii.

Transferul dintre periferic şi memoria tampon se realizează pe unităţi, numite blocuri fizice sau articole fizice, care în acest sistem de fişiere se mai numesc clustere. Un cluster este format din unul sau mai multe blocuri. Dimensiunea clusterelor se stabileşte la formatare, dar trebuie să fie o putere a lui 2.

Partiţionarea segmentează discul în mai multe regiuni, sau discuri logice numite partiţii, care pot conţine sistemele de fişiere ale unui acelaşi sistem de operare sau ale unor sisteme de operare diferite.

Astăzi, sistemele de operare ale calculatoarelor personale utilizează trei sisteme comune de fişiere:

FAT (file Allocation Table - tabela de alocare a fişierelor), sistem folosit de sistemele de operare DOS, OS/2 sau Windows NT, acceptând nume de fişiere care au cel mult 11 caractere (opt plus o extensie de trei caractere) şi un volum de maximum 2 Go.

HPFS (High Performance Files System - sistem de fişiere de înaltă performanţă), sistem de fişiere de tip UNIX, accesibil sub OS/2 şi Windows NT numele fişierele putând avea 216 caractere, mărimea volumului fiind limitată la 8 Go.

NTFS (NT Files System - sistem de fişiere pentru Windows NT), sistem de fişiere de tip UNIX, accesibil sub Windows 95 şi OS/2, numele fisierelor putând avea până de 256 de caractere, mărimea volumului fiind limitată la 8 Go.

Primul sistem de fişiere este cel mai des utilizat.

În acest caz partiţia este împărţită în mai multe zone:

1. zona sectorului de Boot;

2. zona de FAT;

3. zona director;

4. zona de date propriu-zise.

1. Zona de boot, este formată din primul sector (sectorul 0) al oricărei partiţii MS-DOS care este rezervat pentru programul încărcător. El conţine unii parametri necesari la încărcarea sistemului:

- dimensiunea sectoarelor,

- număr de sectoare pe disc,

- număr de sectoare pe pistă,

- dimensiunea clusterelor (în octeţi),

- număr de zone de FAT,

- număr de sectoare într-o zona FAT,

- numărul de intrări în directorul rădăcină,

- număr de capete de citire/înregistrare,

- număr de sectoare ascunse,

- sectoarele rezervate,

- codul de identificare a suportului (OEM).

În cazul formatării sub MS-DOS, indiferent dacă discul este sistem sau utilizator, acest sector este completat . Un disc care nu are acest sector completat este considerat un disc non MS-DOS.

2. Zona FAT, este formată dintr-un număr de sectoare ce conţin harta alocării în fişiere a spaţiului de pe disc, fiind indicate clusterele alocate, cele libere precum şi cele defecte.

3. Zona director conţine informaţii importante despre fiecare fişier de pe disc din directorul rădăcină şi despre sub-directoarele de pe nivelul ierarhic imediat inferior. Fiecare intrare într-un director are 32 de octeţi şi anume:

- numele fişierului (8 octeţi),

- extensia (3 octeţi),

- atribute (1 octet),

- 10 octeţi rezervaţi,

- timpul creării sau al ultimei actualizări (2 o),

- data creării sau actualizării (2 o),

- clusterul de început al fişierului (2 o),

- dimensiunea fişierului (4 o).

4. Zona de date, dupa cum îi spune şi numele este zona alocată pentru date pe disc.

Unităţile de disc se leagă la magistrala calculatorului prin intermediul unei interfeţe sau a unor controlere.

Parametrii principali ai unei unităţi de hard disc sunt: capacitatea de memorare, timpul mediu de acces şi rata de transfer.

Timpul mediu de acces, exprimat de obicei în milisecunde, este timpul mediu necesar pentru ca ansamblul de capete să se miste între doi cilindri oarecare. În general se condideră că un disc cu rata de acces de sub 30 de milisecunde este rapid.

Rata de transfer reprezintă viteza cu care unitatea şi controlerul pot să trimită datele către sistem.

În ceea ce priveste capacitatea de memorare, unii indicatori sunt predefiniţi, cum ar fi: numărul de cilindri şi numărul de capete. Tipurile de discuri, precum şi unităţile de discuri flexibile sunt definite de memoria de configurare CMOS.

c.) Unităţile de discuri amovibile

Tot mai multe companii şi-au întors privirile spre produsele de stocare amovibile pentru a-şi acoperi propriile necesităţi de stocare, securitate a datelor şi transport.¹⁴ Aceste unităţi sunt mai puţin utilizate la ora actuală decât unităţile de discuri Winchester. Ele au capacităţi cuprinse între 35 Mo şi 270 Mo şi oferă posibilitatea de a stoca date sau programe mai puţin utilizate, pentru a le putea transporta de la un calculator la altul (ca şi în cazul unităţilor de disc flexibil).

Cele mai folosite unităţi amovibile sunt unităţile de tip Bernoulli, care au un suport asemănător cu o dischetă de 3,5". Unele discuri Bernoulli sunt discuri dure. În unitate, discul este rotit cu viteza de 3600 rot/min, formându-se o pernă de aer pe care plutesc capetele deasupra suportului. În general unităţile de discuri Bernoulli sunt unităţi externe, adică nu fac parte din cutia unităţii centrale.

Compania Iomega, fondată în anul 1980, prin introducerea pe piaţă a dispozitivelor Bernoulli, produce şi comercializează dispozitive de stocare amovibile, oferind soluţii performante utilizatorilor de calculatoare. În anul 1995, Iomega a ieşit pe piaţă cu două soluţii de stocare noi: dispozitivele Zip şi Jaz. De asemenea, Iomega oferă o a treia categorie de dispozitive de stocare şi anume stramerele Ditto.

Bernoulli: construit atât în variantă fixă, cât şi portabilă, cu o capacitate de 230 MB, are o rată de transfer de 1,92 MB/s. Poate citi discuri Bernoulli (5 1/4 inch) de 150, 105, 90, 65 şi 35 MB cu un timp de acces efectiv de 18 ms, egalând performanţele hard discurilor.

Zip: cu o capacitate de stocare a discurilor de 100 MB, aceste dispozitive reprezintă o soluţie practică pentru stocarea uşoară şi rapidă a datelor, constituind o alternativă la clasicile unităţi floppy de 1.44 MB. Fiind portabile, ele oferă posibilitatea transportării cu uşurinţă a fişierelor între sisteme, având un suport software adecvat, uşor de utilizat şi care permite stocarea, partajarea, organizarea şi gestiunea tuturor fişierelor. Alimentarea dispozitivului este externă, funcţionând la o tensiune de 5V.

Jaz: Timp de acces de 10-12 ms, capacitate de stocare de 1GB, rata medie de transfer de 5.4 MB/s, greutate şi dimensiuni reduse, ele fiind portabile. Toate acestea le situează pe o poziţie superioară în gama produselor hard-disc.

SyQuest a început să fabrice dispozitive de stocare amovibile încă din anul 1982. An de an, compania şi-a rafinat propriile tehnologii, producând acum dispozitive amovibile care demonstrează un înalt nivel de calitate şi performanţă, comparabil cu cel al dispozitivelor de disc dure. SyQuest oferă unităţi de disc Winchester amovibile de 3.5 inch şi 5.25 inch, având o capacitate de 230 MB, unităţi de disc Winchester amovibile SCSI II de 200 MB compatibile cu cartuşe de 200, 88 şi 44 MB, precum şi unităţi SyJet de înaltă performanţă de 1.5 GB, 3.5 inch.

2. Unităţi de bandă şi casetă magnetică

Benzile şi casetele magnetice sunt suporturi neadresabile şi reprezintă cele mai ieftine mijloace de memorare şi de mare capacitate (de ordinul Go), utilizate pentru arhivare, adică pentru păstrarea unor copii de siguranţă în cazul unor fişiere mari sau utilizate cu o frecvenţă scăzută.

Unităţile clasice de bandă magnetică au două role, banda derulându-se de pe o rolă pe cealaltă. Pentru scrierea informaţiilor pe bandă, respectiv citirea lor de pe bandă, se utilizează capete de înregistrare, respectiv de citire. În general sunt utilizate pentru minicalculatoare şi pentru sistemele medii-mari.

De obicei, benzile magnetice la PC-uri sunt introduse în casete sau cartuşe şi au capacităţi de memorare ce pot ajunge până la ordinut sutelor de Mocteţi. Unitatea de bandă magnetică, în acest caz, se numeşte streamer. Streamer-ul a fost introdus de IBM în 1978. Ele se utilizează în general pentru arhivarea sau salvarea fişierelor de pe discul Winchester. Calitatea streamer-elor, precum şi a soft-ului care le însoţeşte, depinde foarte mult de preţ şi poate influenţa foarte mult performanţele calculatorului.

Indiferent de tipul unităţii, în cazul benzilor magnetice înregistrarea datelor se face secvenţial şi având în vedere că suportul nu este adresabil accesul la o înregistrare necesită citirea (căutarea ei) de la începutul benzii. Deci, unitatea de bandă magnetică, indiferent de tipul ei, este un dispozitiv lent, dar ieftin.

Banda magnetică este utilizată adesea pentru arhivarea datelor, fiind disponibilă şi sub forma bibliotecilor de benzi. Acestea permit automatizarea procesului de salvare/arhivare prin care se diminuează considerabil timpul afectat acestei activităţi.

Tehnologiile benzilor magnetice pot fi categorisite astfel¹⁵: biblioteci DLT¹⁶, bibliotecile de 4 mm şi 8 mm.

Biblioteca DLT reprezintă una din cele mai noi tehnologii în industria de salvare/arhivare şi oferă următoarele avantaje:

• 
  oferă cea mai mare capacitate de memorare/cartuş, respectiv 40 Gb/cartuş;
  
• 
  utilizează tehnica de memorare în serpentină, în contrast cu tehnologia de scanare elicoidală cu capete rotative, ce permite citirea şi scrierea simultană a datelor pe mai multe canale şi cu viteze mai mari;
  
• 
  timpul de viaţă de 30 de ani egalează stocarea de tip opto-magnetică ceea ce le face ideale pentru arhivarea datelor.
  

Bibliotecile de 4 mm reprezintă o tehnologie mai veche, cu scanare elicoidală, în care banda este poziţionată oblic, dar care oferă numeroase avantaje:

• 
  noile biblioteci se bazează pe formatul DDS-2¹⁷ pentru cartuşele de bandă ce oferă o densitate dublă faţă de precedentul format DDS. Noul format asigură stocarea a 8 GB de date pe o bandă de 120 m lungime.
  
• 
  oferă un cost foarte scăzut/megaoctet.
  

În domeniu benzilor, firma Sony a lansat o unitate bazată pe tehnologia DDS-3 ce permite stocarea a 12 Gb de date pe o casetă, în mod nativ, 24 Gb cu compresie hard şi o rată de transfer de 2.2 Mb/s.

Stocarea datelor pe banda magnetică este una dintre primele metode folosite în lumea calculatoarelor. Deşi ea pare oarecum perimată, tehnologiile ce folosesc bandă magnetică se dezvoltă continuu, datorită avantajelor oferite de către aceasta:

• 
  cel mai ieftin (cost/MB) suport cu citire-scriere;
  
• 
  dimensiuni mici;
  
• 
  capacităţi de memorare mari;
  
• 
  metodologia şi software-ul de backup pe casete magnetice sunt evoluate şi robuste;
  
• 
  gradul de standardizare a formatelor este ridicat.¹⁸
  

Copia de siguranţă a datelor (backup) este o componentă strategică a unui sistem informatic, asigurându-i capacitatea de reintrare în funcţionare în timp util, în urma apariţiei unor incidente sau catastrofe. Avantajele prezentate mai sus determină utilizarea casetelor magnetice să fie în majoritatea cazurilor, soluţia optimă de backup.

În momentul de faţă sunt mai multe tehnologii de stocare a datelor pe casete magnetice:

1. 
   Data Cartridge (DC);
   

1.