Arhitectura sistemelor de calcul

Porturile PS/2 – Sunt mufele pentru tastatura si mouse.

10. 
    Portul paralel - Este portul pentru conectarea dispozitivelor cu mufa pentru paralel. (ex.: imprimanta)
    

11. 
    Conectorul pentru sursa de alimentare – Este conectorul unde este introdusa mufa sursei de alimentare.
    

12. 
    Conectorul de alimentare de 12v pentru procesor – Este o mufa speciala de alimentare pentru processor.
    

13. 
    Cipul Bios - Este cipul care contine Bios-ul.
    

BIOS (Basic Input Output System - sistem de baza pentru intrare si iesire)= este programul, softul placii de baza. Program pe care l-au scris din fabrica atunci cand au facut placa. BIOS-ul controleaza toate circuitele digitale de pe placa de baza, este “sufletul” ei.

BIOS-ul are codul de pornire al calculatorului si codurile care stabilesc comunicarea intre cipuri. Fara acest program niciu component nu ar sti cum sa functioneze pe placa noastra de baza.

FUNCȚIONARE. O parte importanta din placa de baza este partea laterala prin care se face legatura cu: monitorul (LCD), boxele, internetul, mousul, tastatura, etc.

1. Bateria pentru CMOS (mai bine zis bateria pentru o anumita sectiune din cipul BIOS, care e de tehnologie CMOS, evident) – Este bateria care alimenteaza CMOS-ul ca sa isi poata pastra setarile atunci cand calculatorul este oprit.

2. Cipul si portul video integrat

3. Cipul si mufele placii audio integrate

4. Cipul si portul Ethernet de retea integrat

5. Northbridge

6. Southbridge
Cand apesi butonul de pornire, curenul “trezeste” codul din cipul bios si acesta se incarca in memorie. Dupa aceasta, BIOS-ul face un POST (Power On Self Test – autotestare la pornire). In acest POST BIOS-ul se uita sa vada daca toate componentele sunt ok si funtionale si daca ai mai adaugat componente. Daca gaseste componente noi sau daca ceva nu e in regula, te anunta. Ai vazut de multe ori: “System date and time changed.. pres F1 to continue…” sau “Keyboard error. Press F1 to continue..“. Dupa acest POST, BIOS-ul se uita pe ce hard (sau CD-ROM) ai sistemul de operare. Pe acesta il gaseste dupa sectorul de boot. Daca pe un hard exista sector de boot, acesta preia stafeta si biosul se poate culca la loc (dar nu de tot, pentru ca raman undele coduri de rutina pentru asigurarea driverelor “primitive”, pe care sa le poata folosi sistemul de operare). Acum iti dai seama cum booteaza de pe CD, nu? CD-ul are un sector de boot si BIOS-ul il citeste. De aceea trebuie sa pui la “First Boot Device” CD-ROM-ul atunci cand iti instalezi Windows-ul.

Memoria BIOS-ului este memorie ROM, si in general are capacitatea intre 10-100 kb, dar la placile de baza actuale aceasta memorie a ajuns chiar pana la 2 MB.

1. Bateria pentru CMOS (mai bine zis bateria pentru o anumita sectiune din cipul BIOS, care e de tehnologie CMOS, evident) – Este bateria care alimenteaza CMOS-ul ca sa isi poata pastra setarile atunci cand calculatorul este oprit.



2. Cipul si portul video intregrat- Placa video integrata (nu toate placile de baza au placi video integrate)

Cipul si portul video integrat (cipul este de fapt inclus in Northbridge si nu e direct pe placa de baza):

3. Cipul si mufele placii audio integrate – Placa audio integrata

Cipul si mufele placii audio integrate (din nou, cipul e inclus in Southbridge)

4. Cipul si portul Ethernet de retea integrat – Placa de retea integrate



5. Northbridge- numit si MCH (Memory Controller Hub) in sistemele Intel (AMD, Via, SiS alaturi de alti producatori folosind termenul de NorthBridge).

Nortbridge-ul mai este denumit si MCH (Memory Controller Hub –hubul care contine controlerul de memorie) deoarece acesta controleaza memoria RAM. Cand procesorul apeleaza la RAM, Northbridge-ul ii spune cat RAM are instalat, la ce adresa din memorie se gaseste fisierul respectiv, cata memorie ocupa… etc. El are un tabel virtual care contine adresele din memoria RAM si detalii despre capacitatea memoriei. Fara acest chip procesorul sau BIOS-ul nu ar sti cum sa lucreze cu memoria. Northbridge-ul se leaga de procesor prin FSB (Front Side Bus –canalul principal frontal).

Inainte, prin anii 90, erau mai multe cipuri pe placa de baza care indeplineau functiile care le indeplineste acum northbridge-ul, insa cu timpul toate acestea au fost incluse in acest singur cip.

Northbrige-ul controleaza:

• 
  memoria RAM
  
• 
  cererile dinspre si inspre procesor
  
• 
  legatura cu southbridge
  
• 
  contine controler-ul video onboard (“placa video” onboard), daca e dotat cu asa ceva.
  

NorthBridge-ul este cel mai important factor de decizie al placii de baza el dictand numarul maxim de procesoare, viteza si tipul acestor cat si cantitatea maxima, viteza si tipul de RAM suportat. Alti factori cum ar fi reglarea voltajului, alaturi de numarul de conectori valabili au de asemenea un rol important. In mod virtual chipseturile pentru piata consumer sunt compatibile cu un singur tip de procesor sau cu o singura serie de procesoare, cu o cantitate maxima de RAM dictata de tipul de procesor cat si de limitarile chipsetului. Sistemele din perioada Pentium aveau cel mai frecvent o limitare la 128 de MB de RAM, in timp ce sistemele bazate pe Pentium 4 puteau functiona cu un maxim de 4 GB de memorie. De la Pentium Pro, arhitectura Intel poate opera cu adrese fizice in lungime mai mare de 32 de biti (tipic 36 de biti), optimizare ce poate fii compatibila cu un maxim de 64 de GB de memorie. Cu toate astea, placile de baza care pot suporta o cantitate atat de mare de RAM sunt foarte rare, fapt datorat altor factori (limitarile sistemelor de operare cat si costul memoriilor RAM).

Un Northbridge va putea functiona cu unul sau doua tipuri de southbridge-uri. Astfel un sistem va fi limitat si de tehnologiile incorporate in partenerul Southbridge. NB-ul contine propriul sistem de management al memoriei I/O, un mapping al adreselor cat si layout-ul memoriei principale.

6. Southbridge-ul denumit si ICH (I/o Controller Hub) in sistemele Intel, este un chip care implementeaza capacitatile mai incete ale arhitecturii chipseturilor. Acesta poate fi deosebit in mod clar de Northbridge datorita lipsei conexiunii directe cu procesorul (northbridge-ul fiind cel care conecteaza southbridge-ul de CPU). Un Southbridge poate lucra cu mai multe northbridge-uri diferite, insa aceste doua chipuri trebui sa fie dezvoltate in mod specific pentru a opera impreuna. In mod traditional interfata intre Northbridge si Southbridge era pur si simplu magistrala PCI, o data cu cresterea performantelor, aceasta magistrala a devenit prea inceata, astfel majoritatea chipurilor din prezent utilizeaza o tehnologie tributara pentru interconectare de mare viteza.

Acesta controleaza:

• 
  canalele IDE (hard disk, CD-ROM)
  
• 
  canalele SATA
  
• 
  porturile USB
  
• 
  sloturile PCI
  
• 
  slotul (sloturile) PCI-Express
  
• 
  portul paralel (ex imprimanta)
  
• 
  sunetul onboard
  
• 
  comunicarea cu BIOS-ul
  

Southbridge este legat de Northbridge si tototdata face legatura intre acesta si aceste componente pe care le controleaza.

Incorporate pe placa de baza mai sunt si porturile seriale (denumite COM (de la communication) 1 (cu 9 pini) si 2 (cu 24 de pini)) – pentru mouse/fax modem extern, portul LPT (line printer) – pentru imprimante/scannere/plottere, porturile USB (Universal Serial Bus) 1.0 sau 2.0 pentru camere video/ scannere/ aparate foto digitale, porturile Fire-Wire, pentru conectarea de dispozitive prin infrarosu (denumite de IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) IEEE 1394), ultimul model in ceea ce priveste dispozitivele prin infrarosu fiind tehnologia Blue-Tooth (Standard pentru PAN, Personal Area Network, fiind folosit pentru comunicarea wireless casnica sau de birou si foloseste o banda de 2.4 Ghz la 720 Kbps, raza de actiune este de aproximativ 9.144 metri), incorpoarat in telefoanele celulare (Nokia) care permit intrare pe internet fara a avea un modem. De asemenea porturile COM, LPT, USB, USB 2.0 si Fire-Wire permit realizarea de retele prin intermediul lor.

Alte tipuri de conectori:

• 
  AGP (Accelerated Graphics Port) 1x/2x/4x/8x – Interfata pentru placi grafice moderne, functioneaza la 66 MHz in mod 1x, 133 MHz in mod 2x, 266 MHz in mod 4x si 533 MHz in mod 8x;
  
• 
  CNR ( Communications Network Riser) – Interfata pentru realizarea de retele de tip LAN;
  
• 
  AMR (Audio – Modem Riser) – pentru conectarea de modemuri speciale;
  
• 
  ACR (Advanced Comunication Riser) – versiunea mai noua a AMR;
  

Ultimele interfere prezentate (CNR, AMR, ACR) sunt o solutie destinata calculatoarelot entry-level (pret scazut-performanta medie), se folosesc placi speciale ce nu suporta tehnologia PnP si utilizeaza software pentru a emula anumite functii hardware.

MICROPROCESOARE
DEFINIȚIE. Procesorul încorporează funcțiile unității centrale de prelucrare a informației (U.C.P. sau în engleză: CPU) a unui calculator sau a unui sistem electronic structurat funcțional (care coordonează sistemul) și care, fizic, se prezintă sub forma unui circuit electronic integrat IC cunoscut și sub numele de cip electronic. Reprezintă forma structurală cea mai complexă pe care o pot avea circuitele integrate. El controlează activitățile întregului sistem în care este integrat și poate prelucra datele furnizate de utilizator. Este elementul principal al unui sistem de calcul; cipul semiconductor, care este plasat pe placa de bază numită motherboard (eng.), este de obicei foarte complex, putând ajunge să conțină de milioane de foarte mici tranzistoare (microtranzistoare).

Procesorul asigură procesarea instrucțiunilor și datelor, atât a celora din sistemul de operare al sistemului, cât și a celora din aplicația utilizatorului, și anume le interpretează, prelucrează și controlează, execută sau supervizează transferurile de informații și controlează activitatea generală a celorlalte componente care alcătuiesc un sistem de calcul.

ISTORIE. Primul microprocesor a fost creat de firma Intel în 1971. Numele său era Intel 4004, şi era un procesor pe 4 biţi. Apariţia primului micorprocesor a fost un pas cu uriaşe consecinţe în evoluţia ulterioară a sistemelor de calcul. Diferenţa între microprocesor şi metodele îndeobşte folosite era că procesorul strînge pe o singură pilulă de siliciu toate unităţile funcţionale importante necesare executării programelor; fiind toate strîns integrate, comunicaţia între ele este rapidă şi eficace, permiţînd dintr-o dată un salt calitativ.

Nu mai puţin importantă este reducerea de cost care urmează unei astfel de integrări. Cu siguranţă că principalul motiv al evoluţiei explozive a tehnologiei circuitelor integrate nu este de natură tehnologică, ci economică: spirala preţurilor din ce în ce mai scăzute face echipamentele de calcul din ce în ce mai accesibile, cererea creşte, ducînd la venituri mai ridicate pentru fabricanţi, care investesc mai mult în cercetare/dezvoltare şi linii tehnologice, obţinînd densităţi mai mari, permiţînd integrarea mai multor circuite, şi costuri şi mai joase.

Tabela 1 arată evoluţia generaţiilor succesive ale celei mai proeminente familii de procesoare, ale firmei Intel:

Tabela 1: Evoluţia procesoarelor Intel (1971-2000).

An Procesor Ceas Tranzistori Tehnologie (Mhz) (mii) (µm) 1971 4004 0,74 2 ,250 1972 8008 0,8 3 ,300 1974 8080 3,1 4 ,500 1978 8086 10 29 2 1979 8088 8 29 2 1980 80186 1,5 1982 80286 12 134 1,5 1985 80386 33 275 1 1989 80486 100 1 600 0,6 1993 Pentium 266 4 500 0,35 1996 PPro 200 5 500 0,35 1997 PII 450 7 500 0,25 1999 PIII 733 28 000 0,18 2000 Merced 800 0,18

Ultima coloană din tabela 1 şi figura 1 arată care este impactul miniaturizării: această coloană indică dimensiunea de bază (feature size), care poate fi văzută ca fiind dimensiunea unui tranzistor. Orice reducere a acestei valori are un impact cuadratic, pentru că suprafaţa creşte cu pătratul laturii. O reducere de la 2 microni la 1,5 (50%) mărește deci suprafața efectivă cu 77% (4/2,25 = 1,77).

Reducerea dimensiunilor mai are încă o consecinţă foarte importantă: traseele pe care trebuie să le parcurgă curentul electric între dispozitive devin mai scurte, deci se pot parcurge mai rapid. Proiectanţii pot face deci procesorul să funcţioneze cu un ceas mai rapid. Evoluţia frecvenţei ceasurilor se vede în coloana a treia.

Faptul că avem siliciu la dispoziţie pentru a implementa mai mulţi tranzistori înseamnă că:

1. 
   Putem muta mai multe circuite auxiliare pe acelaşi cip.
   

Evoluţia procesoarelor cunoaşte cîteva salturi calitative: cînd miniaturizarea făcea posibilă integrarea unui nou dispozitiv pe acelaşi circuit integrat, se realiza un salt de performanţă. Astfel, au fost integrate succesiv: unităţi din ce în ce mai mari de procesare (8, 16, 32, acum 64 de biţi), coprocesoare aritmetice, unităţi de management al memoriei, cacheuri de nivel 1 şi chiar 2;

2. 
   Designerii folosesc tranzistorii suplimentari pentru a construi circuite mai sofisticate, care pot executa mai repede şi mai eficient programele. Metoda fundamentală folosită este de a face mai multe lucruri în paralel.
   

Împreună aceste trei fenomene (viteza ceasului, integrarea pe o singură pastilă şi exploatarea paralelismului) contribuie la creşterea performanţei totale a procesoarelor.

STRUCTURĂ. Deși există o mare varietate de microprocesoare, produse de diferite firme, cu multe deosebiri în structura și tehnologia lor de fabricație, toate au o schema structurală comună, rezultată din operațiile de bază pe care le efectuează. Caracteristicile structurale și funcționale comune rezultă din filosofia proiectării microprocesoarelor, ca instrumente complexe pentru realizarea unor sisteme numerice flexibile, rapide, puternice și la un preț de cost deosebit de avantajos.

Structura de bază conține 5 unități cu funcții specifice: unitatea de comandă și control - UCC, unitatea aritmetică și logică- UAL, memoria internă (formată din registre = locații), unitatea de adresare a memoriei externe și unitatea de instrucțiuni.

• 
  Memoria internă - Este formată din registre cu dimensiunea (număr de celule de memorie) egală cu cea a magistralei de date.
  
• 
  Registrul de date și registrul de adrese – Două registre, RA și RD prin care se realizează conectarea cu magistralele externe de date și adrese, au rol cu totul special în structură. Registrul de date RD memorează temporar datele magistralei pe care o deservește. Datele ce se transferă spre exterior sunt menținute pe magistrală până când dispozitivele externe (de regulă mai lente decât procesorul) le recepționează în registrele proprii. Datele transferate prin magistrală spre microprocesor se consideră recepționate după înscrierea în RD, care fiind conectat la magistrala internă de date devine sursă de date pentru blocurile interne. Similar, registrul de adrese RA are rolul de a menține o adresă pe magistrala externă de adrese un timp suficient pentru ca memoria și porturile să o poată înregistra pentru realizarea funcției de selecție. Cele două registre, RA și RD sunt invizibile pentru utilizator.
  
• 
  Unitatea aritmetică și logică(UAL)- Acest bloc funcțional execută prelucrarea datelor.
  

Funcțiile realizate de unitate sunt:

• 
  funcții aritmetice: adunare, scădere, înmulțire, împărțire;
  
• 
  funcții logice: ȘI, SAU, SAU EXCLUSIV, NU și complement.
  

Fiecare funcție este activate de o instrucțiune corespunzătoare care furnizează și operanzii implicați în operație.

• 
  Unitatea de adresare a memoriei externe - Rolul acestei unități este calcularea adresei unui operand aflat în memoria externă, încărcarea acesteia pe magistrala de adrese și controlul transferului între memorie și microprocesor. În memoria externă se adresează instrucțiuni și operanzi. Pentru instrucțiuni se utilizează un registru special de adresă, PC (ProgramCounter) - numărător de program sau IP (Instruction Pointer) – indicator de instrucțiuni; conținutul său crește cu o unitate după citirea fiecărui octet.
  
• 
  Unitatea de comandă și control – Coordonează funcționarea tuturor unităților interne pentru execuția operațiilor conținute în mod codificat în instrucțiuni.
  

Funcțiile unității de comandă sunt:

• 
  Extragerea instrucțiunii din memoria externă
  
• 
  Decodificarea instrucțiunii.
  
• 
  Execuția propriu-zisă constă în activarea succesivă a unităților interne pentru efectuarea operațiilor din secvența corespunzătoare instrucțiunii.
  

FUNCȚIONARE. Programul este compus din instrucțiuni care se află în memorie. Citirea instrucțiunilor din memorie se face în sensul crescător al adreselor la care sunt memorate. Activitatea microprocesorului constă, în principal, în execuția instrucțiunilor una câte una, în ordinea în care se află în program. Principalele etape sunt aşadar:

• 
  citirea instrucțiunii din memorie şi stocarea sa într-un registru intern;
  
• 
  decodarea instrucțiunii, adică identificarea operațiilor conținute sub formă codificată în instrucțiune;
  
• 
  executarea operațiilor într-o anumită ordine.
  

Fiecare instrucțiune are o anumită adresă. Pentru citirea instrucțiunii este necesară încărcarea adresei pe magistrala de adrese pentru a se realiza accesul la locația de memorie. Microprocesorul trebuie să dispună în permanență de adresa instrucțiunii curente, din care, prin incrementare obține adresa instrucțiunii următoare. În acest scop se utilizează un registru de adresare, numit, în general, numărător de program (PC -Program Counter) sau indicator de instrucțiuni (IP - Instruction Pointer) care conservă în permanență adresa curentă.