Concepte si evolutii in informatica

Minicalculatoare

Minicalculatoarele au apărut după 1970, având costuri ridicate; numele lor provine din formularea "configuratie minimă de calcul". Erau sisteme interactive – utilizatorii aflati în fata unor terminale se aflau în dialog cu calculatorul - si multiutilizator: la un moment dat mai multi utilizatori (câteva zeci sau chiar câteva sute) putea folosi calculatorul prin intermediul terminalelor. Această caracteristică impune un sistem de operare (numit RSX) performant, care să poată gestiona la un moment dat programele mai multor utilizatori si să ofere mecanisme de protectie a memoriei (să nu se suprapună mai multe programe în aceeasi zonă de memorie) [Boi88]. În situatia în care programele utilizatorilor, împreună cu soft-ul accesat de ele, nu încăpeau simultan în memorie, erau evacuate temporar pe un disc magnetic (mecanism de swap). Sistemul de calcul lucra deci în regim de multitasking (multiprogramare): desi la un moment dat era executat un singur program, printr-o politică de servire a tuturor utilizatorilor, acestia aveau acces pe rând la resursele sistemului. Există diversi algoritmi de servire a programelor care se găsesc în memoria internă în diverse stări (eventual în cursul unui proces de citire sau scriere de date de la / la un dispozitiv periferic) “asteptând” să fie lansate în continuare în executie [Boi94]. Dacă sistemul de calcul nu era solicitat la un moment dat de un număr prea mare de utilizatori, acestia puteau avea impresia că sunt unicii beneficiari ai resurselor de calcul.

Pentru structurarea informatiilor utilizatorilor aflate sub formă de fisiere pe suporturile magnetice, apare notiunea de director (repertoar de fisiere). Existau doar două niveluri de directoare, spre deosebire de directoarele arborescente din UNIX si DOS.

Programarea pe minicalculatoare era mai anevoioasă decât pe microcalculatoarele care au apărut ulterior din cauza unei insuficiente dezvoltări a produselor soft destinate programării: procesele de editare, compilare, link-editare si executie a programelor erau realizate separat, prin aplicatii independente, care necesitau adesea o cantitate destul de mare de memorie disponibilă iar această conditie putea fi adesea mai dificil de îndeplicit în conditiile în care multi utilizatori exploatau simultan sistemul de calcul. Mediile de programare, specifice diverselor limbaje, care înglobează facilităti pentru toate etapele de realizare a programelor, inclusiv cea de depanare (corectare a erorilor de conceptie) au apărut mai târziu, pentru microcalculatoare.

Din punctul de vedere al arhitecturii, caracteristică pentru minicalculatoare este existenta unei "magistrale de informatii", numite BUS, prin intermediul căreia se realizează comunicarea între procesor, memorie, terminale (un rol special îl are terminalul operatorului) si alte periferice. Comunicările sunt arbitrate de controler-ul de BUS, care preia astfel functiile canalului de intrare-iesire. Acesta dă dreptul de initiere a unei comunicări de către o entitate conectată la BUS cu o alta, în functie de proritatea asociată primeia.

Minicalculatoarele lucrau pe 16 si 32 de biti. Dintre reprezentantii lor amintim: VAX 8600, VAX 8650, PDP 11 si calculatoarele românesti CORAL si INDEPENDENT.

Evolutia minicalculatoarelor a condus la sisteme multiutilizator mai performante, care pot fi exploatate simultan de mai multe sute sau chiar mii de utilizatori – acestea sunt referite în literatura de specialitate sub numele de mainframes. Din punctul de vedere al performantei, ele se apropie cel mai mult de supercalculatoare, la celălalt pol găsindu-se calculatoarele personale. Totusi, se poate spune că diferentele între minicalculatoarele mari si mainframe-urile mici nu sunt sesizabile [PC-Web].

Microcalculatoare

Microcalculatoarele sunt calculatoare a căror unitate centrală este un microprocesor. Primele microprocesoare au apărut în anii '70 dar s-au dezvoltat mai ales în anii '80 si continuă să evolueze; ele lucrează pe 8, 16 sau 32 de biti (cazul calculatoarelor folosite în prezent). Sunt sisteme interactive, monoutilizator (la un moment dat sunt exploatate de un singur utilizator). Microcalculatoarele s-au răspândit curând ca urmare a evolutiei tehnologiei care a redus foarte mult costurile lor de fabricatie. De alftel, aceste costuri sunt în continuă scădere iar performantele evoluează tot mai mult.

Primele microcalculatoare au fost calculatoare personale familiale: Sinclair Spectrum, Commodore sau cele românesti Prae, aMIC, HC, TIMS, Cobra. Aceste calculatoare puteau lucra direct în limbajul Basic fiindcă memoria lor internă cuprindea o parte care nu se stergea în absenta curentului electric si în care utilizatorul nu putea scrie (ROM), unde era înregistrat din fabricatie un interpretor Basic (un program care traduce în limbaj masină si execută fiecare instructiune, o dată ce aceasta a fost scrisă). Cel mai uzual periferic al acestor calculatoare era casetofonul, a cărui fiabilitate lăsa uneori de dorit.

Ulterior au apărut calculatoarele personale (PC) profesionale. Dintre primele microcalculatoare profesionale românesti amintim: M18, M118, CUBZ, M216 (de remarcat că acesta din urmă putea lucra atât sub sistemul de operare CP/M, cât si sub DOS); ulterior a apărut familia Felix PC. Pe plan mondial amintim calculatoarele Apple MacIntosh, cu o interfată foarte prietenoasă cu utilizatorul, create mai ales pentru neprofesionisti si calculatoarele de tip IBM PC, care au înregistrat o evolutie tehnologică de-a dreptul spectaculoasă, bazată în principal pe evolutia microprocesoarelor (cele mai cunoscute sunt realizate de firma Intel). Cresterea performantelor tehnice a fost îndeaproape urmată de evolutia soft-ului, într-o spirală din ce în ce mai dinamică.

Pentru calculatoarele personale cu performante ridicate, care sunt dotate cu câte un microprocesor mai puternic si un monitor de calitate înaltă, cu facilităti grafice deosebite, se foloseste uzual denumirea de statii de lucru (“workstations”). Cele mai cunoscute statii de lucru au fost create de firmele SUN, Hewlett-Packard si DEC. Statiile de lucru se folosesc uzual pentru aplicatii profesionale, dezvoltare de soft, probleme care necesită facilităti grafice performante, cum ar fi proiectarea inginerească si pot fi conectate în retele de calculatoare. Treptat însă, calculatoarele personale de tip MacIntosh si PC au ajuns la performante similare cu ale statiilor de lucru, astfel încât diferentele dintre cei doi termeni care desemnează microcalculatoare s-au estompat [PC-Web].

Cel mai răspândit sistem de operare al microcalculatoarelor este DOS, care are la bază primul sistem de operare al microcalculatoarelor, CP/M, îmbunătătit cu principii din UNIX (cum ar fi structura arborescentă a directoarelor). Datorită mediilor de programare, calculatoarele personale au devenit instrumente de lucru mai convenabile pentru informaticieni. În plus, mai ales în ultimul deceniu, produsele soft au evoluat foarte mult, dezvoltându-si o interfată din ce în ce mai accesibilă, care a atras tot mai mult si utilizatorii neprofesionisti. În acest sens, exemplul sistemelor Windows, devenite si ele din ce în ce mai performante, este foarte concludent. Astfel, calculatoarele personale au devenit un instrument de prelucrare a informatiei larg utilizat atât pentru prelucrări de birotică, cât si pentru aplicatii profesionale. Adesea, pentru crearea de sisteme de calcul cu performante mai ridicate si un cost relativ redus, se optează pentru conectarea calculatoarelor personale în retele de calculatoare.

Supercalculatoare

Supercalculatoarele [PC-Web] au o memorie internă si o viteză de lucru foarte mari: pot executa până la câteva sute de milioane de instructiuni pe secundă, fiind cele mai rapide tipuri de calculatoare. De obicei sunt utilizate pentru aplicatii specifice, care necesită calcule matematice complexe, mari consumatoare de timp si memorie, cum ar fi, de exemplu, grafica animată, prognozele geologice sau meteorologice, probleme complexe de fizică pentru care se doreste aplicarea unor algoritmi matematici rigurosi (algoritmi simbolici [And96]) – dinamica fluidelor, fizica nucleară. Cel mai cunoscut tip de supercalculator este CRAY [Cray]. Supercalculatoarele lucrează pe 32 si 64 de biti si au o arhitectură performantă, neîngrădită de principiile clasice (de exemplu, sisteme multiprocesor – cu mai multe unităti centrale). În SUA există un institut specializat pe cercetări în domeniul supercalculatoarelor, numit NCSA (National Center for Supercomputer Applications).

Pentru arhitectura calculatoarelor multiprocesor se foloseste conceptul de arhitectură paralelă: mai multor procesoare sunt interconectate pentru realizarea acelorasi sarcini. Procesoarele pot să realizeze în acelasi timp secvente de operatii independente, pentru ca apoi rezultatele intermediare obtinute să fie combinate corespunzător. În mod obisnuit, există un procesor principal, numit master, care le coordonează pe celelalte, dându-le spre executie sarcini independente din programul utilizatorului sau punându-le în asteptare.

Sistemele proiectate ca arhitecturi paralele pot fi clasificate:

• 
  după fluxurile de date si de instructiuni în sisteme cu: un flux de instructiuni si un flux de date, un flux de instructiuni si mai multe fluxuri de date, mai multe fluxuri de instructiuni si un flux de date sau mai multe fluxuri de instructiuni si mai multe fluxuri de date
  
• 
  după numărul de procesoare (granularitatea): zeci de procesoare autonome conectate ("ferme") sau sute, până la zeci de mii de procesoare conectate în paralel ("cuburi")
  
• 
  după modul de folosire a memoriei interne de către procesoare: partajate sau proprii.
  

Dezvoltarea algoritmilor paraleli, adică studierea posibilitătilor de descompunere a algoritmilor în secvente care să poată fi executate independent sau chiar conceperea de noi algoritmi paraleli constituie o directie nouă si fertilă a informaticii. Un algoritm de rezolvare a unei probleme va fi mai rapid dacă este implementat într-o versiune paralelă si executat pe o masină paralelă (operatiile independente se execută în paralel, după care rezultatele obtinute se combină).

Calculatoare de proces

Calculatoarele de proces controlează procese tehnologice sau diverse analize experimentale asistate de calculator, prelucrând informatii numerice sau analogice despre procesul studiat si furnizând iesiri numerice sau analogice cu rol de reglare a procesului. Pentru comunicarea între calculator si procesul despre care se culeg informatii si respectiv la care trebuie să ajungă iesirile generate de calculator există o interfată capabilă să convertească informatii analogice în numerice si invers.

Structura unui calculator de proces

 Aceste sisteme de calcul functionează în timp real, adică timpul de răspuns al calculatorului este compatibil cu constantele de timp ale procesului gestionat. Se pot face lesne analogii cu un proces chimic, în care modificarea defavorabilă a unui parametru trebuie să fie rapid remarcată si remediată de calculatorul de proces sau cu sistemele de calcul aplicate în medicină, biochimie si fizică (de exemplu, acceleratoarele de particule sunt controlate si ele de calculatoare de proces).

Un calculator de proces exercită functii de control si comandă / reglare asupra procesului pe care îl conduce, în sensul supravegherii lui si a prelucrării datelor de proces culese, respectiv al schimbării stării acestuia în caz că prin prelucrarea informatiilor culese se constată că acest lucru este necesar.

Retele de calculatoare

În vederea cresterii capacitătii de prelucrare a sistemelor de calcul si a creării mijloacelor de accesare de către mai multi utilizatori a unor baze de informatii create în anumite centre, a apărut ideea naturală a conectării calculatoarelor. Noul model de sistem de calcul va fi format dintr-un anumit număr de calculatoare autonome, interconectate, care realizează prelucrări specifice si care formează o retea de calculatoare.

Precursoarele retelelor de calculatoare au fost sistemele de calcul care realizau prelucrări la distantă, numite sisteme de teleprelucrare. Acestea asigură folosirea calculatoarelor de către mai multi utilizatori prin intermediul unor terminale locale sau la distantă (în acest caz, politica de transmitere a datelor este gestionată de fiecare calculator). În functie de rolul atribuit sistemelor de teleprelucrare, acestea pot fi privite ca: sisteme de centralizare a datelor (în care calculatorul colectează datele de la terminale si le prelucrează), sisteme de difuzare a datelor (în care informatiile circulă în sens invers, de exemplu, anumite servicii de turism) sau sisteme conversationale (în care calculatorul transmite "întrebări" si receptionează mesaje de răspuns, de exemplu, în diagnoza medicală, sisteme de rezervări de bilete etc.).

Retelele de calculatoare se obtin prin interconectarea calculatoarelor în conditiile în care operatiile de gestiune a retelei se execută fizic de către procesoare specializate si logic – de un soft de comunicatie instalat pe retea. O retea de calculatoare este un ansamblu de calculatoare autonome, interconectate prin intermediul unor medii de comunicatie care asigură folosirea în comun, de către un număr mare de utilizatori, a tuturor resurselor fizice si logice (soft de bază si aplicativ) si informationale (baze de date) de care dispune ansamblul de calculatoare interconectate. Mediile de comunicatie [Tan97] care conectează calculatoarele din punct de vedere fizic pot fi constituite din diverse tipuri de cabluri: cablu coaxial, fibră optică, linie telefonică etc., din unde (ghid de unde) cu benzi specifice de frecventă sau chiar sateliti de comunicatii.

Se spune despre două calculatoare că sunt interconectate dacă sunt capabile să facă shimb de informatii prin mediul fizic de conectare. Autonomia calculatoarelor se referă la faptul că ele pot functiona independent, astfel încât pornirea sau oprirea unui calculator nu le influentează pe celelalte; un calculator din retea nu le controlează în mod fortat pe celelalte. Nu se vorbeste despre o retea în cazul unui calculator cu mai multe terminale (minicalculatoarele) sau în cazul mai multor unităti aservite la o unitate de control.

Mentionăm faptul că sistemele cu procesoare multiple (sau memorii multiple) pot să fie structurate si ca arhitecturi paralele, în care sarcinile sunt împărtite pe procesoare în vederea realizării unui scop comun dar în acest caz procesoarele nu sunt autonome.

Termenul profesional folosit pentru accesarea unor resurse comune este partajarea resurselor: se pot partaja resurse fizice, cum ar fi discurile de retea, imprimantele sau resurse logice: aplicatii sau bazele informationale aflate la distantă. Astfel, retelele de calculatoare pot fi folosite ca instrumente moderne de informare si comunicare fiindcă permit realizarea de transferuri de informatii în retea si oferă diverse facilităti de comunicare între utilizatorii retelei. Într-o retea de calculatoare, utilizatorii se conectează la o anumită masină în mod explicit iar executia proceselor la distantă sau transferul de fisiere se specifică de asemenea explicit. Pentru exploatarea retelelor de calculatoare este foarte important soft-ul de retea, care controlează buna functionare a retelei.

Comunicarea între două calculatoare dintr-o retea de arie largă se poate realiza [PilPop95] prin stabilirea unor legături fizice permanente între nodurile respective (retea cu comutare de circuite, caz în care capacitatea de transfer este constantă iar costul legăturii este fix, indiferent de rata de transfer a informatiei) sau a unor legături dinamice, prin intermediul altor noduri, în functie de configuratia retelei si gradul de ocupare (retea cu comutare de pachete). Acest ultim model este cel mai des utilizat în practică, are un debit mare de transfer pe legăturile dintre noduri si presupune divizarea fisierele de transmis prin retea în componente mai mici, de câteva sute de octeti, numite pachete. Acestea contin informatia utilă transferată si adresa nodului destinatie, unde vor fi reunite (multiplexate) cu ajutorul unui soft specializat, pentru a forma fisierul transmis. Astfel, pot exista comunicatii simultane între noduri prin partajarea de către calculatoarele care comunică a conexiunilor fizice existente. Nodurile retelei care au rol în dirijarea (comutarea) pachetelor se numesc routere. Dacă traficul creste foarte mult, este posibil să se satureze reteaua iar calculatoarele să trebuiască să astepte înainte de a putea emite din nou.

O retea de calculatoare este sustinută, de un soft de retea, absolut indispensabil, capabil să rezolve probleme de comunicare complexe. Cele mai cunoscute soft-uri de retea sunt Novell Netware si Windows NT pentru retelele locale si sisteme de tip UNIX (Linux) mai ales pentru conectarea subretelelor în retele de arie mai largă.

Problemele de comunicare la nivel elementar sunt rezolvate de protocoalele de comunicatie, care maschează diferentele tehnologice dintre retele si permit realizarea conexiunilor independent de tehnologiile folosite. Un protocol este un set de reguli care descriu relatiile dintre activitătile cu obiective comune [PilPop95]. De exemplu, între două noduri trebuie să existe un protocol de transmisie nod-la-nod care controlează: transmiterea datelor, detectia si corectia erorilor, împărtirea si/sau reasamblarea mesajelor în/din pachete si dirijarea spre destinatie a pachetelor. Scrierea protocoalelor de comunicatie necesită cunostinte de strictă specialitate si are un grad ridicat de standardizare; cel mai cunoscut protocol de comunicatie folosit în Internet se numeste TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol) [Tan97]. Retelele locale de calculatoare folosesc protocoale specifice (cum ar fi IPX/SPX, NetBEUI) înglobate în softul de retea.

Clasificarea geografică a retelelor de calculatoare

Clasificarea geografică a retelelor se referă la aria lor de acoperire. În functie de această arie, se aleg metodele de transmisie si diverse moduri de dispunere a nodurilor retelei, caracteristică numită topologia retelei.

Retelele locale (Local Area Networks - LAN) sunt localizate într-o singură clădire sau într-un campus de cel mult câtiva kilometri. Ele sunt frecvent utilizate pentru conectarea calculatoarelor personale dintr-o firmă, fabrică, departament sau institutie de educatie etc. astfel încât să permită partajarea resurselor (imprimante, discuri de retea) si schimbul de informatii. Retelele locale se deosebesc de alte tipuri de retele prin caracteristici legate de: mărime, tehnologie de transmisie si topologie.

1) Retelele locale au dimensiuni reduse, în consecintă timpul de transmisie poate fi prevăzut cu usurintă si nu există întârzieri mari în transmiterea datelor. Astfel, administrarea retelei se simplifică.

2) Cea mai frecventă tehnologie de transmisie foloseste un singur cablu la care sunt atasate toate masinile. Vitezele de funtionare variază între 10 si 100Mbps (bps = biti pe secundă), chiar câteva sute în retelele mai noi; întârzierile de transmisie sunt mici iar erorile - putine. În măsurătorile de viteză preluate din bibliografie [Tan97], se consideră că 1Mbit=10⁶biti (si nu 2²⁰biti, cum se obisnuieste pentru măsurarea informatiei).

3) Retelele locale cu difuzare folosesc diverse tipuri de topologii, cele mai frecvente fiind tipul magistrală (bus) si tipul inel (ring).

Retelele metropolitane (Metropolitan Area Networks - MAN) sunt de fapt versiuni extinse de LAN-uri si utilizează tehnologii similare cu acestea. Ele se pot întinde pe câteva birouri sau pe suprafata unui întreg oras si pot fi private sau publice. Permit transmiterea de secvente sonore si pot fi conectate cu retele locale de televiziune prin cablu. Au un mod simplu de proiectare, bazat pe unul sau două cabluri de legătură (o versiune de magistrală), fără să contină elemente de comutare care să devieze pachetele.

Retelele cu arie largă de răspândire geografică (Wide Area Networks - WAN) acoperă o arie extinsă (o tară, un continent). Reteaua contine masini care execută programele utilizatorilor (aplicatii), numite masini gazdă sau sisteme finale. Gazdele sunt conectate printr-o subretea de comunicatie care transportă mesajele de la o gazdă la alta (ca în sistemul telefonic, între doi vorbitori). Separarea activitătilor de comunicare (subretele) de cele referitoare la aplicatii (gazde) simplifică proiectarea retelei.

O subretea este formată din linii de transmisie (circuite, canale, trunchiuri) care asigură transportul datelor si elemente de comutare (noduri de comutare a pachetelor, sisteme intermediare, comutatoare de date), numite cel mai frecvent routere. Când sosesc date pe o anumită linie si ajung într-un nod de comutare, acesta trebuie să aleagă o nouă linie pentru retransmisia datelor. Dacă se conectează mai multe LAN-uri, atunci fiecare ar trebui să aibă o masină gazdă pentru executarea aplicatiilor si un router pentru comunicarea cu alte componente ale retelei globale; routerele conectate vor apartine subretelei.

WAN-urile pot contine cabluri sau linii telefonice între routere. Două routere pot comunica nu numai direct, ci si prin intermediul altor routere; acestea retin fiecare pachet primit în întregime si îl retransmit când linia de iesire cerută devine liberă. O subretea care functionează pe aceste principii se numeste punct-la-punct (sau memorează si retransmite sau cu comutare de pachete). Acest tip de retele este foarte răspândit.

O problemă importantă este topologia de conectare a routerelor din subretele: stea, inel, arbore, completă, inele intersectate, neregulată. Retelele locale astfel proiectate folosesc de obicei topologii simetrice iar retelele de arii largi - topologii neregulate. Comunicarea dintre routere se mai poate face prin intermediul satelitilor de comunicatii sau folosind sisteme radio terestre (routerele sunt dotate cu antene de emisie-receptie).

Retele radio. Se pare că domeniul cu cea mai rapidă evolutie din industria tehnicii de calcul este reprezentat de calculatoarele mobile. Posibilitatea conectării acestora la LAN-uri sau WAN-uri este foarte importantă când posesorii lor se deplasează frecvent, folosind diverse mijloace de transport.