Arhitectura sistemelor de calcul

Etapele tratării unei instrucțiuni

Primul octet al unei instrucțiuni (uneori şi al doilea) este totdeauna octet de cod; el este încărcat temporar în registrul RI (registrul de instrucțiuni). Un octet dă o informație directă de 8 biți, adică 16 stări, ceea ce este insufficient pentru setul de instrucțiuni. De aceea, instrucțiunile sunt codificate pe 8 biți, ceea ce permite utilizarea tuturor combinațiilor binare, în total 256; dacă se utilizează doi octeți de cod, numărul maxim de instrucțiuni codificabile este 256 x 256.

Pentru obținerea informației din codul instrucțiunii, este necesară operația de decodare (decodorul are 8 intrări şi 256 ieşiri, câte una pentru fiecare instrucțiune codată) şi transformarea ieşirilor decodorului în comenzi electrice care urmează să activeze unitățile interne care vor executa operațiile prestabilite.

De exemplu, o comandă de adunare activează unitatea aritmetică pentru operația de adunare.

MEMORIA
Memoriile se pot clasifica în funcţie de modul lor de folosire şi de modul de stocare a informaţiei.

În funcţie de modul de păstrare a informaţiei memoriile se clasifică în memorii volatile şi nevolatile. Memoriile volatile îşi pierd informaţiile după scoaterea calculatorului de sub tensiune(la închiderea calculatorului), cele nevolatile îşi păstrează informaţia şi după închiderea calculatorului.

O altă clasificare a memoriilor este în funcţie de modul lor de utilizare. Astfel acestea se împart în memorii interne şi memorii externe.
OBS!

• 
  Memoriile interne sunt, în general, memorii volatile, în timp ce, memoriile externe sunt, în general, nevolatile. De accea, memoriile externe se mai numesc şi dispozitive de stocare.
  
• 
  Memoriile interne sunt memorii obligatorii. Fără acestea calculatorul nu poate funcţiona. Lipsa memoriilor externe nu duce decât la o folosire greoaie a calculatorului, dar acesta ar putea funcţiona şi fără ele.
  

Cea mai mică unitate de memorie, în care se poate reţine cifra 0 sau cifra 1, se numeşte bit.

8 biţi=1 byte(sau 1 octet). Se prescurtează By pentru byte şi o pentru octet.

1024 By = 2¹⁰By = 1 kby (kilobyte)

1024 kBy = 1 MBy(megabyte)

1024 MBy= 1 GBy(gigabyte)
Exemple de memorii interne:

• 
  memorie operativă - MO sau memoria RAM (Random Access Memmory). MO este blocul din structura unui SC care permite “înscrierea” numai a informaţiilor care se pot codifica prin valori numerice.Este memorie volatilă.
  
• 
  Memoria ROM(Read Only Memmory)-este o memorie ce este scrisă de fabricantul plăcii acesteia şi în care se reţin informaţiile de bază despre calculator. Nu poate fi modificată de către un utilizator obişnuit, fiind o memorie nevolatilă.
  

Memoria operativă – MO (memoria RAM)
MO este blocul din structura unui SC care permite “înscrierea” numai a informaţiilor care se pot codifica prin valori numerice.

În timpul execuţiei unui program toate instrucţiunile şi datele cu care acesta operează trebuie să se afle permanent în MO.

Zona de MO atribuită de SC unui program se împarte în:

• 
  zona de date (segmentul de date);
  
• 
  zona de instrucţiuni ce trebuiesc executate (segmentul de cod);
  
• 
  zona heap (nefolosită în general de către programul de calcul).
  

Datele şi Instrucţiunile, sub forma reprezentării lor interne, sunt amplasate strict succesiv în locaţiile MO, fiecare într-o zonă separată (rezervată datelor sau instrucţiunilor). În acest fel devine posibilă interpretarea şi execuţia succesivă (secvenţială) a instrucţiunilor programelor.

Obs. Pentru aplicaţiile alcătuite în limbajele C/C++, Pascal, etc., utilizatorul, în cadrul programul său, are acces numai la segmentul de date (Data Segment), putând modifica valorile înscrise în această zonă. Zona de instrucţiuni, atât ca amplasare în MO cât şi ca informaţie reprezentată este controlată numai de către SC.
Memoria RAM este cunoscută comercial, funcţie de tipul ei sub diverse denumiri:SIMM, SDRAM, RIMM, dar, cea mai des folosită în ultimul timp este DDRAM. Dimensiunea acesteia va contribui decisiv la îmbunătăţirea performanţelor calculatorului (cu cât mai mare cu atât mai bine). La ora actuală cele mai des folosite sunt cele de 256 MBy şi respectiv de 512 MBy. Însă la cumpărarea unei memorii nu ţinem cont numai de capacitatea de stocare a acesteia ci şi de frecvenţa la care lucrează. Aceste frecvenţe sunt notate comercial cu diverse coduri:

Cod	Frecvenţă
PC-100	100 MHz
PC-133	133 MHz
PC-2100	266 MHz
PC-2700	333 MHz
PC-3200	400 MHz
PC-4000	500 MHz

Realizarea şi organizarea MO:

Pentru înscrierea în MO a cifrelor unui număr se folosesc tranzistoare sau condensatoare, realizate sub forma circuitelor integrate. Deoarece aceste elemente fizice primare pot avea numai două stări stabile de funcţionare (saturat  blocat, respectiv încărcat  descărcat). De aceea memorarea valorilor este posibilă numai după reprezentarea respectivelor numere în baza doi care foloseşte cifre (0;1). Ca atare, pentru a folosi litera “A”, el va codifica această literă printr-un număr(codul ASCII) pe care care îl va transforma apoi în baza 2.În continuare se vor face numai câteva referiri la posibilităţile de reprezentare internă a numerelor întregi pozitive şi a caracterelor (litere, semne speciale -, *, +, etc.).

Un element primar al MO poate reţine o singură cifră binară (cb)şi de aceea se spune că el reprezintă (memorează) un bit de informaţie. Pentru o gestionare mai simplă a funcţionării MO unitatea minimă de reprezentare şi folosire a informaţiei, este octetul (byte –ul, B) adică grupul de 8 biţi (cb). În prelucrarea internă a informaţiei, transferul se face la nivel de octet (grupuri de octeţi), iar interpretarea acesteia de către SC se face a nivel de cifră binară (1kB = 2¹⁰ ≈ 10³B; 1MB = 2²⁰B ≈ 10⁶B; 1GB = 2³⁰B ≈ 10⁹B). Dacă pentru memorarea unei litere se foloseşte în MO 1B, iar o pagină are cca. 4000 de caractere, rezultă că 1GB de ME permite înscrierea a cca. 250000 pagini.

Deci octetul reprezintă locaţia fizică de memorie. Poziţia sa în MO este reprezentată prin adresa sa, respectiv numărul său de ordine. Întrucât adresa se reprezintă pe 16 biţi, se pot adresa cel mult 2¹⁶ locaţii (0  65535). O astfel de entitate poartă numele de segment de memorie.

Fiecare program scris în limbajul C/C++ are alocat de către SC două segmente ale MO, în care se înscriu separat variabilele respectiv instrucţiunile. Depăşirea segmentului de date poate determina execuţia eronată a programului.

Pentru memorarea unei valori numerice un octet (8 biţi) este insuficient. De aceea, utilizatorul, prin program, trebuie să precizeze numărul de octeţi folosiţi pentru înscrierea valorii fiecărui parametru, variabil sau constant.

Domeniul variabilelor numerice reprezentate este condiţionat de dimensiunea fizică a fiecărei locaţii de memorie (nr. de octeţi) folosită pentru înscrierea valorilor datelor cu care operează programul.

Se spune că pentru memorarea unui număr se foloseşte o locaţie de memorie. Deci, din punct de vedere fizic, o locaţie de memorie este alcătuită din 1,2,4.. octeţi.

Fiecare locaţie are o dublă semnificaţie:

• 
  fizică, prin adresa primului octet care o alcătuieşte;
  
• 
  logică, prin identificatorul definit în program prin care acesta apelează (recunoaşte) respectiva locaţie.
  

Memoria externă – ME(diapozitive de stocare)

ME constituie un suport de tip magnetic care permite memorarea permanentă a informaţiilor deşi ca timp de reacţie este mai lenta decât cea interna. Acesta se poate asigura pe suport fix (HDD) sau pe disketă (FDD) compact disk (CD-ROM) etc.

Pentru a fi memorate datele trebuiesc asamblate în entităţi distincte denumite fişiere.

Reprezentarea informaţiei în fişier este identică cu aceea din MO, deci sub formă de octeţi.

Capacitatea ME este mai mare decât aceea a MO (de ex. 20 GB = 20 * 2³⁰ B, 40 GB, 80 GB etc). Dezavantajul ME este acela că pentru a putea fi prelucrate informaţiile trebuiesc transferate în prealabil în MO. Aceste transferuri succesive între MO şi ME se pot face numai prin comenzi date de utilizator, direct sau prin program, şi sunt mari consumatoare de timp de calcul.

Informaţia (fişierele) se pot organiza în ME prin intermediul unui sistem de (sub)directoare .

La memoriile externe nu contează numai capacitatea de stocare ci şi rata de transfer, care măsoară cantitatea de informaţie ce este transferată (de exemplu copiata) într-o unitate de timp.
Exemple de memorii externe:

- floppy disk-ul(popular disketa) se notează FDD. Are dimensuni mici, este ieftină şi uşor de transportat, dar este şi fragilă, demagnetizându-se uşor. Capacitatea de stocare este mică, standard are 1.44Mby. Rata de transfer este foarte mică.

- CDROM, cu o unitate de stocare relativ mare, între 640 MBy şi 700 MBy. Rata de transfer fiind dată de unitatea de CD.

Este un dispozitiv foarte ieftin comparativ cu dimensiunea informaţiilor ce pot fi stocate, fiind relativ trainic, dar care poate suferi demagnetizări accidentale. Informaţia poate fi păstrată pe CD timp îndelungat(ani).

CDROM-ul, o dată scris, nu mai poate fi şters sau rescris.

- CDREWRITABIL-ul (CD-RW) are aceleaşi proprietăţi ca şi CDROM-ul, dar poare fi rescris de un număr limitat de ori. Este ceva mai scump decât CD-ul, dar are unele avantaje atunci când se doreşte transportul informaţiilor dintr-un loc în altul, sau păstrarea temporară a acestora.

- Hard disk-ul (HDD)- unitatea cea mai mare ca şi capacitate de stocare(la ora actuală se vând HDD cu capacităţi între 40-500 GBy), fiind destul de convenabila la nivelul preţ/capacitate de stocare, este, fără doar şi poate cea mai importantă memorie internă.
HDD imagine externă şi internă

La HDD, în afară de rata de transfer, mai contează şi viteza de rotaţie a motoraşului. Cu cât aceasta este mai mare, cu atât creşte şi rata de transfer. În general, rata de transfer a unui HDD poate să încetinească performanţele unui calculator. În ultimul timp au apărut noi tehnologii în crearea unui HDD, astfel încât, atunci cînd dorim achiziţionarea unui astfel de dispozitiv este bine să ţinem seama de:

• 
  capacitatea de stocare
  
• 
  viteza de rotaţie
  
• 
  capacitatea bufferului.
  

Bufferul este o memorie internă HDD-ului care ajută la creşterea retei de transfer. Cu cât acesta este mai mare, cu atât este mai bine.

ATA 33/66/100/133 este un standard care indică ce tip de transfer se poate face între procesor şi HDD. Dacă avem un HDD cu ATA 133, atunci este necesar un cablu de transfer de acelaşi tip, precum şi ca placa de bază sa permită ATA 133.

Mai exista si alte standarde de trensmisie, cele mai noi tehnologii folosite find SATA si RAID. Prima foloseste o rata de trensfer foarte mare iar a doua permite salvarea simultana pe 2 HDD a aceleiasi informatii.

HARD DISK-UL

Exteriorul

Cea mai bună metodă de a înţelege cum un hard-disk funcţionează este de a privi în interiorul acestuia. Atenţie! Deschiderea unui hard-disk duce la distrugerea definitivă a acestuia!

Hard-disk-ul este alcătuit dintr-o cutie paralelipipedică de aluminiu, pe o parte având “controlorii” electronici. Aceştia controlează mecanismul de citire/scriere şi motorul care învârte platanul. Partea electronică asamblează domeniile magnetice în biţi (citire) şi transformă biţii în domenii magnetice (scriere). Partea electronică se găseşte pe o mică placă ce se poate desprinde de pe unitate.

Sub placa de circuite electronice se găsesc legăturile pentru motorul ce învârte platanul, precum şi o gaură foarte bine filtrată ce lasă presiunea aerului interior şi exterior să se echilibreze.

Alungând capacul hard-disk-ului se va observa un interior alcătuit din nişte componente pe cât de simple pe atât de precise:

Platanele, care de obicei se învârt la 3600 sau 7200 rpm, când discul este pornit. Aceste platane sunt fabricate cu toleranţe uimitoare şi au suprafaţa atât de bine finisată încât oglindesc mediul exterior.

Braţul care susţine capul de citire/scriere şi care este controlat de mecanismul din colţul stânga, sus şi este capabil să se mişte de la centrul discului până în capătul acestuia. Braţul şi mecanismul de mişcare sunt extrem de uşoare şi rapide. Braţul unui hard-disk obişnuit se poate deplasa de la centru spre exterior şi înapoi de aproximativ 50 de ori pe secundă!

Platanele sunt compuse dintr-un substrat si un mediu magnetic . Substratul sau materialul de baza din care este facut platanul trebuie, prin natura lui sa fie un material non-magnetic capabil sa fie prelucrat in forme foarte subtiri (grosimea acestor platane este de ordinul milimetrilor sau chiar mai mici).

Pentru a permite stocarea datelor, ambele parti ale platanului sunt acoperite cu un strat foarte subtire de material cu proprietati magnetice foarte bune (o pelicula de oxid magnetic) sau, mai recent, cu un strat metalizat foarte subtire.

Interiorul

Pentru a mări capacitatea discurilor, adesea hard-disk-urile conţin mai multe platane (2-4). Acest disc are tei platane şi şase capete de citire/scriere:

Mecanismul care mişcă braţul hard-disk-ului trebuie să fie incredibil de rapid şi precis. Poate fi construit folosind un motor linear de viteză mare.

Stocarea datelor

Datele sunt stocate pe suprafaţa platanului în sectoare şi în piste.

În figura de mai jos, pista este colorată cu galben, iar sectorul cu albastru. Un sector conţine un număr fix de bytes, de exemplu 256 sau 512. Procesul de formatare de nivel jos presupune trasarea pistelor şi sectoarelor, stabilirea punctului de start şi punctului final al platanelor. Acest proces pregăteşte platanul pentru stocarea blocurilor de biţi. Formatarea de nivel înalt scrie apoi structura sistemului de fişiere (FAT – File Allocation Table), care poate diferi de la un sistem de operare la altul. După aceste procese, discul este pregătit pentru utilizare.

Controllerul de disc-acest controller se ocupă de tot mecanismul din interiorul hdd-ului:de capetele de citire, de viteza de rotaţie a platanelor sau de reîmprospătarea memoriei tampon.

Capul citire-scriere reprezinta „translatorul”, cel care prelucreaza informatia de pe platane, asa cum se afla ea in format digital si o transfera la controllerul de disk.

De aici, aceasta sub forma de date ajunge la procesor şi mai departe. Există câte un cap de citire/scriere pentru fiecare din părţile platanului acestea fiind acţionate simultan, prin intermediul unui modul electro-magnetic, de catre bratul de mişcare in vârful căruia se afla.

Capetele sunt concepute sa atinga discul numai cand platanele s-au oprit iar „parcarea” lor nu se face oriunde, ci intr-o zonă speciala numită LZ (Landing Zone).
Structura datelor pe disc

Când un disc este supus unei formatări in profunzime, suprafaţa este împarţită în piste şi sectoare. Pistele sunt cercuri concentrice pe fiecare parte a platanelor, in jurul axului care învârte platanele. Pistele, egal ditanţate de axul platanului de pe fiecare parte a platanului şi de pe toate platanele, sunt grupate in cilindri care sunt subdivizate la rândul lor în sectoare a câte 512 biţi fiecare. Conceptul de cilindru este important din moment ce informţtia de pe cilindru a unor platane diferite este citită fără mişcarea capului de citire/scriere.

PLACA GRAFICĂ
Placa grafică – este acea componentă care reprezinta în primul rând dispozitivul de afişare cu unitatea centrală. Datorită cipurilor grafice pe care le are în componenţă, placa grafică degrevează procesorul de problema procesării imaginii video şi de afişarea acesteia. Placa grafică lucrează în corelaţie cu monitorul şi cu ajutorul căreia sistemul poate afişa prelucrările, datele, imaginile pe care le foloseşte. Principalele componente ale plăcii grafice sunt cipul grafic, memoria RAM, magistrala de comunicaţie, convertizorul digital-analogic RAMDAC. Plăcile grafice au memoria lor propie, de care au nevoie pentru a nu consuma din memoria sistemului atunci când afişează o grafică mai detaliată, în rezoluţie mai mare. Cu cât memoria este mai mare, cu atât performanţele plăcii sunt mai bune.



PLACA DE SUNET
Placa de sunet este un dispozitiv periferic de intrare – ieşire – care permite calculatorului să re-dea sunete prin intermediul difuzorului intern, să înregistreze sunete prin intermediul unui microfon sau să opereze cu sunete stocate în format digital şi să le transmită la un sistem audio extern.
O placă de sunet conţine:
- Un procesor de semnal digital (DSP) care controlează computaţiile ; - Un convertor digital - analog (ADC) pentru audio ce intră în PC;

- O memorie read - only (ROM) sau o memorie Flash pentru stocare de date;

- O interfaţă pentru conectarea instrumentelor muzicale digitale ex-terne (MIDI), pentru conectarea echipamentelor muzicale externe;

pentru majoritatea plăcilor, game portul este folosit în acelaşi timp şi pentru conectarea unui adaptor MIDI extern;

- Mai multe intrări tip jack pentru conectarea difuzoarelor şi microfonului; - Un game port pentru conectarea unui joystick sau a unui gamepad;

Plăcile de sunet fabricate în prezent se instalează, de obicei, în slot - ul Peripheral Component Interconnect (PCI). Constituind o parte din standardul PCI Local Bus, acesta este în fapt o magistrală pentru ataşarea dispozitivelor hardware dintr-un calculator. PCI pot lua fie forma de circuit integrat montat pe placa in sine, fie un card de expansiune care se montează într-un slot. PCI Local Bus a fost implementat mai întâi în PC - urile compatibile IBM, unde a înlocuit combinaţia de ISA plus un VESA Local Bus. PCI a fost apoi înlocuit cu PCI -X şi PCI Express, dar la nivelul anului 2011 majoritatea plă-cilor de bază erau încă prevăzute cu unul sau mai multe sloturi PCI, care sunt încă suficiente pentru mul-te aplicaţii. Plăcile de sunet mai vechi se instalează însă pe bus - ul ISA. Multe din generaţiile mai noi de calculatoare incorporează placa de sunet ca un chipset direct pe placa de bază.

Plăcile de sunet pot fi conectate la o serie de alte dispozitive electronice sau echipamente periferice, precum: căşti, difuzoare cu amplificator, o sursă de intrare analogică, microfon, radio, deck cu ca-setă, CD player, o sursă de intrare digitală, casetă audio digitală (DAT), CD - ROM, o sursă de ieşire analogică – deck cu casetă, o sursa de ieşire digitală, CD inscriptibil (CD-R).

Câteva din plăcile de sunet cu performanţe superioare oferă ieşiri pentru 4 difuzoare şi o interfaţă de ieşire digitală printr-o mufă. Pentru audiofili a apărut însă o nouă generaţie de plăci de sunet digitale. Acestea au intrări şi ieşiri digitale, pentru a putea transfera date de pe DAT, DVD sau CD direct pe hard disk - ul din calculator.

În mod normal, o placă de sunet procesează semnalele audio îndeplinind mai multe funcţiuni:

- reproducerea de muzică înregistrată pe suport digital, de pe CD - uri sau fişiere audio cum sunt cele de MP3, de la jocuri sau de pe DVD – uri;

- înregistrarea audio, în diferite formate multimedia, de pe o diversitate de surse externe (micro-fon sau deck de casetă);

- sintetizarea sunetelor;

- procesarea sunetelor existente .

Controler - ul audio digital (DAC) şi convertorul analog – digital (ADC) aduc semnalul audio în modul optim pentru transmiterea în şi în afara plăcii de sunet, în timp ce procesorul de sunet digital (DSP) monitorizează întreg procesul. În acelaşi timp, DSP - ul controlează şi reglează orice alteraţie a sunetului, cum ar fi ecoul sau sunetul 3D, atâta timp cât acestea nu sunt provocate şi dorite de utilizator. Existenţa DSP - ului în structura plăcii de sunet conduce la degrevarea procesorului principal al PC -ului de unele funcţii auxiliare, în favoarea creşterii vitezei de transfer a datelor şi informaţiilor.

PLACA DE RETEA
Placa de reţea – este placa de extensie cu care un calculator poate realiza conectarea la o retea, adica conectarea la mai multe calculatoare susţinute de un server. Ethernet este cea mai răspândită placă de reţea şi a fost dezvoltata iniţial de Xerox cu capabilitatea de a trasfera până la 10 Mbps. Pentru un trasfer mai mare de atât există placa Fast Ethernet (aprox. 100 Mbps) sau Gb Ethernet care deservesc servele marilor companii. Token ring este cel de-al doilea tip de placă de reţea, şi este folosită mai ales într-o reţea de tip stea sau cerc


ECHIPAMENTE PERIFERICE

DEFINIȚIE.Un periferic este o unitate (aparat) de hardware ce este inclus sau se adaugă unui sistem de calcul pentru a-i extinde funcționalitatea. Denumirea de periferic este aplicată de obicei acelor unități componente care pot fi opționale prin natura lor.

Dispozitivele periferice externe se conectează la calculator prin intermediul porturilor:

● porturi paralele: utilizate pentru transmiterea mai multor biţi de informaţie simultan (imprimantă, scanner, etc.)

● porturi seriale: utilizate pentru comunicare serială, în care un singur bit este transmis la un moment dat (tastatura, mouse, MODEM, etc.)

Principalele funcții ale echipamentelor periferice de intrare/ieșire, în cadrul unui sistem de calcul pot fi grupate astfel:

    asigură afișarea/tipărirea rezultatelor prelucrării într-o formă accesibilă utilizatorului;

     permite utilizatorului posibilitatea de a supraveghea si interveni, pentru asigurarea functionarii corecte a sistemului, în timpul unei sesiuni de lucru.