Tehnologii Informationale pentru Administratie Publica

2.4 Microcalculatoare
Microcalculatorul este un sistem de calcul a cărui unitate centrală este implementată cu ajutorul unui microprocesor integrat. Datorită facilităţilor de structurare ale sistemului, oferite de microprocesor, în jurul unei magistrale, a numărului mic de componente necesare pentru implementarea unităţii centrale şi a interfeţelor, acest sistem de calcul are un preţ mai mic decât al minicalculatoarelor, dar poate fi utilizat într-o gamă deosebit de variată de domenii şi aplicaţii. Software-ul este simplu şi foloseşte, de obicei, limbaje de nivel înalt.
2.4.1 Componentele unui microcalculator
Ca orice sistem de calcul, microcalculatorul este alcătuit din unitate centrală, echipamente periferice şi unităţi de interfaţă pentru acestea şi linii de comunicaţii (magistrale). În acest paragraf sunt prezentate doar componentele care sunt diferite de cele care apar în configuraţia generală a unui sistem electronic de calcul. La calculatoarele personale, majoritatea componentelor sunt standardizate. În plus, ele sunt structurate modular, astfel încât să permită asamblarea cu uşurinţă sau adăugarea /eliminarea ulterioară, atunci când se doreşte modificarea configuraţiei sistemului respectiv.

Structura standard a unui microcalculator este prezentată în figura 2.6. După cum se observă, pentru realizarea funcţiilor şi operaţiunilor specifice, la microcalculatoare unitatea centrală de prelucrare este alcătuită din microprocesor şi memorie internă.

Figura 2.6 Structura unui microcalculator

2.4.2 Microprocesorul
Apariţia microprocesorului constituie un moment cu consecinţe uriaşe în evoluţia ulterioară a sistemelor de calcul.

Fizic, microprocesorul este construit din circuite integrate (module) numite cip-uri (chip-uri) care înglobează unitatea de comandă şi control, unitatea aritmetică şi logică şi memoria proprie. Aceste componente se află pe placa de bază (mather board), în interiorul unităţii de sistem ( system unit).

Microprocesorul este  un “calculator în miniatură” constituit din:

• 
  unitatea de comandă şi control (UCC);
  
• 
  unitatea aritmetică şi logică (UAL);
  
• 
  memoria proprie (MP).
  

Microprocesorul este componenta de bază a unităţii centrale de prelucrare, reprezentând "creierul” unui microcalculator. Este realizat dintr-o capsulă din ceramică sau material plastic, în interiorul căreia se află mai multe componente electronice, numărul acestora depinzând de tehnologia de fabricaţie şi de generaţia din care face parte.

Primele microprocesoare sunt produse de firma Intel în 1971, după proiectul inginerului M. F. Hoff. Ele se numeau 4004 şi 8008 şi reprezintă microprocesoarele din generaţia I, pe 4 şi respectiv 8 biţi. Primul microprocesor considerat “standard” este 8080, produs tot de firma Intel, în anul 1974. Acesta deschide seria generaţiei a II-a de microprocesoare în care se includ Z-80, produs de firma Zilog şi Intel 8085.

În 1977, apare primul microprocesor pe 16 biţi-TI 9900, produs de firma Texas Instrumments. Tot firma Intel este cea care lansează primul microprocesor pe 16 biţi, deschizând o nouă generaţie, a III-a, prin Intel 8086, lansat în 1978.

Consacrarea definitivă a produselor Intel o va face firma IBM, care, în 1981, anunţă primele calculatoare personale, vestitele IBM PC-XT cu procesoarele Intel 8088/8086, după care sunt realizate modelele 80186/80188. După aceste modele Intel produce prototipul generaţiei a IV- a de microprocesoare: 80286. În acelaşi timp firma IBM lansează şi ea o nouă generaţie de calculatoare personale - IBM PC-AT (Advanced Technology) la care se foloseşte procesorul Intel 80286.

Familia Intel continuă cu I386, lansat 1985, care este primul microprocesor pe 32 de biţi. Urmează, în 1989, modelul deosebit de performantul, Intel 486.

În 1993, se lansează primul microprocesor al generaţiei a V-a, numit Pentium (Penta Silicium – generaţia a cincea bazată pe siliciu). Este modelul care ar fi trebuit să se numească I586 şi care inaugurează seria microprocesoarelor cu arhitectură puternic diferită.

Microprocesoarele cu aceste caracteristici sunt considerate microprocesoare de uz general având o arhitectură de tip CISC (Complex Instruction Set Computer – Calculator cu set complex de instrucţiuni), care suportă în jur de 200 de instrucţiuni.

Există şi arhitecturi de tip RISC (Reduced Instruction Set Computer) care se bazează pe procesoare cu set redus de instrucţiuni. Reprezentative pentru această categorie sunt procesoarele SPARC (produse de diverse firme), i 860 (INTEL), M 88000 (Motorola) etc.

La ora actuală, datorită progreselor hard /soft, aproape că nu mai există diferenţe între tehnologiile CISC şi RISC. De exemplu, Pentium, un procesor de tip CISC, traduce în mod automat instrucţiunile, în instrucţiuni de tip RISC, după care le execută. Pe de altă parte, toate procesoarele RISC au căpătat extensii la setul de instrucţiuni (gen CISC) pentru a le mări eficacitatea (toate procesoarele au extensii speciale pentru multimedia).

În general, microprocesoarele sunt folosite ca:

• 
  unitate centrală de prelucrare;
  
• 
  unitate de prelucrare /decizie (circuite logice de comandă şi conducere secvenţială a unor dispozitive /procese complexe);
  
• 
  procesoare specializate într-un sistem de calcul multiprocesor.
  

În cazul în care este folosit ca unitate centrală de prelucrare, microprocesorul realizează următoarele funcţii⁹: comandă transferurile de date între UAL şi memorie, între memorie şi periferice şi între periferice; comandă citirea instrucţiunilor de program şi a datelor din memorie;execută instrucţiunile de program citite; realizează operaţiile aritmetice şi logice elementare; emite /recepţionează semnale de control spre /dinspre celelalte componente ale sistemului de calcul etc.

În esenţă, plecând de la aceste funcţii, microprocesorul îndeplineşte atât sarcini executorii cât şi de comandă şi control.

În cadrul sarcinilor executorii microprocesorul preia secvenţial instrucţiunile /comenzile programului curent şi le transformă în instrucţiuni elementare pe care le poate manevra. Împlicit, se asigură execuţia completă a programelor respectând algoritmul prestabilit de programator.

În cadrul sarcinilor de comandă şi control, microprocesorul asigură comanda şi gestionarea celorlalte componente ale sistemului: generează semnalele de comandă pentru întregul sistem de calcul; dirijează fluxul de date; corelează viteza de lucru a unităţii centrale cu timpul de acces al memoriei; reglează acţiunile sale în funcţie de un semnal de ceas.

Semnalele prin care microprocesorul realizează  comenzi de execuţie, spre memorie sau spre alte componente ale sistemului, sunt semnale de comandă, iar semnalele prin care microprocesorul primeşte informaţii privind componentele sistemului sunt semnale de stare.

Un microprocesor este caracterizat prin următorii parametri:

• 
  viteza de lucru;
  
• 
  dimensiunea memoriei interne care poate fi adresată la un moment dat;
  
• 
  setul de instrucţiuni care poate fi executat;
  
• 
  fiabilitatea şi costul de fabricaţie.
  

Viteza de lucru depinde de: frecvenţa ceasului intern; tipul microprocesorului; dimensiunea memoriei cache etc.

Frecvenţa ceasului intern. Ceasul intern are rolul de a genera şi transmite pulsuri în calculator, în mod ritmic, la intervale de timp egale, bine definite, necesare pentru a comanda realizarea operaţiunilor programate şi sincronizarea tuturor funcţiilor calculatorului. Frecvenţa ceasului se măsoară în MHz sau GHz.

Microprocesoarele actuale includ extensii multimedia – seturi de microinstrucţiuni care facilitează prelucrarea imaginilor şi sunetelor - de genul celor realizate de Intel (MMX - MultiMedia eXtensions şi SSE - Streaming SIMD Extensions) sau AMD (3DNow!).

Tipul microprocesorului. Pentru utilizator, o importanţă deosebită o are posibilitatea microprocesorului de a răspunde unor prelucrări cât mai diverse şi complexe. Acest deziderat este asigurat de microprocesoarele care pot executa o gamă cât mai largă de instrucţiuni.

Odată cu apariţia microprocesorului 8086, firma INTEL a realizat şi o unitate specializată în operaţii în virgulă mobilă pentru a putea mări viteza de calcul a sistemului. Această unitate a fost numită coprocesor, primul pe piaţă fiind INTEL 8087 destinat să lucreze atât cu microprocesorul 8086 cât şi cu 8088. Frecvenţa de ceas a coprocesorului trebuie să fie aceeaşi cu a microprocesorului pe care-l deserveşte.

Dimensiunea memoriei cache. Toate microprocesoarele dispun de o componentă standard, care include un controller pentru memoria imediată (cache). Memoria cache este o zonă de memorie foarte rapidă, cu rolul de a păstra o parte din seturile de instrucţiuni şi de date cu care se lucrează în mod curent. Memoria cache poate lucra integral în ritmul procesorului, fiind accesată fără cicluri de aşteptare.

Dimensiunea memoriei interne ce poate fi adresată la un moment dat. Valoarea maximă a memoriei adresabile este importantă, în primul rând pentru că microprocesorul lucrează mult mai rapid cu memoria internă decât cu memoria externă, iar în al doilea rând, pentru ca un program să poată fi executat, el trebuie să se afle stocat în memoria internă.

Setul de instrucţiuni ce poate fi executat. O instrucţiune sau o comandă transmisă de utilizator, prin program, conţine o serie de informaţii privind natura operaţiei sau funcţiei ce trebuie executată, operanzii care participă la realizarea operaţiunilor aritmetice şi logice, locul unde se află operanzii, sau unde se vor depune rezultatele prelucrării, componentele sistemului ce trebuie activate pentru executarea operaţiunilor etc.

Instrucţiunile din setul recunoscut de microprocesor pot fi grupate în: instrucţiuni aritmetice; instrucţiuni logice; instrucţiuni de transfer a datelor, de conversie, de intrare /ieşire etc.; instrucţiuni de prelucrare; instrucţiuni de manipulare a informaţiilor la nivel de bit; instrucţiuni de control al programelor, salt condiţionat, salt necondiţionat, iteraţii şi întreruperi.

Fiabilitatea şi costul de fabricaţie. Fiabilitatea indică funcţionarea corectă, pe o perioadă mai îndelungată a microprocesorului şi raportată la costul acestuia, constituie criteriu de decizie în alegerea unui anumit tip de microcalculator.

Toate operaţiunile aritmetice, logice, de adresare, de transfer etc. au loc pe baza unui dialog între microprocesor şi memoria internă, pe de o parte, şi între componentele funcţionale ale microprocesorului, pe de altă parte.

La ora actuală tehnologia microprocesoarelor se bazează pe pastila de siliciu. În viitor se prefigurează utilizare unor noi tehnologii care vor folosi galiu arseniu, superconductori, tehnologii opto-electronice, nano şi biotehnologii.
2.4.3. Memoria internă
Din punct de vedere fizic memoria se află pe placa de bază a unui microcalculator, fiind constituită din chip-uri ROM şi RAM (figura 2.7).

Memoriile ROM şi RAM au fost analizate în paragraful 2.1.1.1, în continuare fiind prezentate doar memoriile speciale CMOS şi Cache.

Memoria CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) reprezintă un tip de memorie RAM, de capacitate foarte mică, alimentată permanent de un acumulator (în momentul pornirii acesta se reîncarcă), de pe placa de bază. Aceasta înseamnă că este volatilă, pierzându-şi conţinutul atunci când acumulatorul este îndepărtat. Memoria CMOS este folosită pentru a păstra intacte informaţiile privind configuraţia sistemului.

Memoria cache (cache memory) reprezintă o zonă specială, constituită din circuite de memorie rapidă, rezervată pentru stocarea informaţiilor din RAM accesate cel mai frecvent.

Figura 2.7 Structura memoriei interne

Dintr-un alt punct de vedere, deşi, atât microprocesoarele cât şi memoriile cresc continuu în viteză, creşterea microprocesoarelor este cu 50 % mai rapidă decât a memoriilor. Sincronizarea lor se realizează prin intermediul memoriilor tampon, numite memorii cache.

2.4.4 Magistralele microcalculatoarelor
Magistralele (bus-urile) reprezintă mulţimea liniilor folosite, în comun, de mai multe unităţi funcţionale, pentru realizarea unei sarcini. Magistralele pot fi de date, de adrese şi de comenzi.

Liniile folosite pentru transferul datelor între microprocesor, memorie şi dispozitivele de intrare-ieşire, formează magistrala de date. Această magistrală este bidirecţională: pe ea intră /ies date, atunci când se efectuează o citire din memorie, sau de la dispozitivele de intrare-ieşire şi respectiv o operaţiune de scriere.

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

Magistrala de comenzi reuneşte semnalele de la echipamentele periferice de intrare-ieşire şi de la microprocesor. Semnalele pot fi:

• 
  de control - prin care microprocesorul coordonează funcţionarea dispozitivelor de pe magistrală (read, write etc.);
  
• 
  de stare - prin care microprocesorul primeşte reacţii de la dispozitivele situate pe magistrală (cerere de întrerupere, cerere de suspendare a controlului magistralei etc.)
  

2.4.5 Interfeţe pentru echipamente periferice
Perifericele sunt acele componente care asigură şi sporesc viteza comunicării utilizator - sistem informatic, astfel încât datele care intră în sistem să fie corecte, precise şi inteligibile. În vederea compatibilizării schimbului de informaţii între microcalculator şi echipamentele periferice se folosesc interfeţele (circuite specializate). Interfeţele sunt circuite specializate care permit schimbul de informaţii cu echipamentele periferice, asigurând compatibilitatea dintre codurile de reprezentare a datelor specifice fiecărui echipament periferic şi reprezentarea specifică unităţii centrale.

Interfeţele sunt realizate, în marea lor majoritate din microprocesoare specializate numite controllere.

Figura 2.8 Conectarea echipamentelor periferice la sistemul de calcul
Interfeţele cuprind circuite specializate pentru conectarea şi comunicarea cu echipamentele periferice. Comunicarea se face prin canale de comunicaţie numite porturi (figura 2.8).
2.4.6 Apariţia şi evoluţia microcalculatoarelor
În aprilie 1972, INTEL realizează microprocesorul 8008, iar în anul următor, francezul André Truong Trong Thi creează primul microcalculator, MICRAL. Primul microcalculator personal, bazat pe microprocesorul 8080, cu frecvenţa de 0,5 MHz, şi care prelucra 51 instrucţiuni/secundă, a fost Altair realizat în 1975. Acest microcalculator era furnizat în piese separate (kit), necesitând asamblarea componentelor. Sistemul era programat prin introducerea, bit cu bit, a şirului de instrucţiuni binare, rezultatele fiind afişate prin intermediul led-urilor. La scurt timp după Altair, Steve Jobs şi Stephen Wozniak au realizat calculatorul numit Apple I, iar în 1977 ei creează modelul Apple II.

În 1981, pătrunde pe piaţă IBM cu sistemul IMB-PC. Al doilea model a fost realizat în 1983 şi s-a numit IBM-PC/XT (eXtended Technology - tehnologie extinsă). În fapt, acest calculator era un PC cu un disk de 10 MB. Următorul model, creeat în 1984, a fost IMB-PC/AT (Advanced Technology - tehnologie avansată), care avea un disc de capacitate mai mare şi era mai rapid. Succesul firmei IBM s-a datorat, în principal, publicării specificaţiilor tehnice, astfel fiind posibilă realizarea de către alte firme a calculatoarelor compatibile IBM. Oricare alt calculator, care arată şi funcţionează la fel cu modelul original, este denumit clonă.

În 1984, firma Apple produce modelul Macintosh, primul calculator cu interfaţă grafică exploatată de un mediu de programare (Finder) bazat pe utilizarea pictogramelor /icoanelor, a meniurilor derulante şi a mouse-ului.

În 1987, IBM a lansat generaţia de calculatoare personale PS/2 (Personal System /2). Spre deosebire de termenul PC, termenul PS/2 este protejat prin copyright.

Microcalculatoarele se deosebesc şi după forma unităţii centrale, şi pot fi:

• 
  DeskTop la care cutia UC este în formă paralelipipedică, cu baza mare în jos;
  
• 
  Mini- Midi- şi Big-Tower (turn) la care cutia UC are forma unui turn ;
  
• 
  Laptop, denumit de unii producători şi powerbook (Apple) sau notebook, la care unitatea este sub formă de geantă diplomat, cu un ecran ultraplat.
  

Firma Compaq a fost cea care a fabricat pentru prima dată un calculator compatibil IBM, ce poate fi transportat ca orice bagaj obişnuit (cântărea 11 kg.), motiv pentru care a fost botezat portabil. Primul laptop a fost produs de firma GRID Systems, la ora actuală principalii producători fiind Campaq, IBM, Toshiba, DEC, Hewlett-Packard etc. Termenul laptop a înlocuit termenul portabil, când respectivul calculator, ca urmare a îmbunătăţirilor aduse, a început să scadă în greutate, ajungând să cântărească aproximativ 4-5 Kg. Când a ajuns la 3 kg a apărut denumirea de calculator agendă (notebook). Primele notebook-urile au fost realizate de firma NEC, în anul 1988. La rândul lor calculatoarele notebook, prin perfecţionările aduse, au ajuns la dimensiuni miniaturale, numindu-se palmtop-uri. Ele cântăresc doar 1/2 kg. Principalii producători sunt NEC, Hewlett-Packard, Sony etc.

Firma GRID, în 1990, lansează pe piaţă microcalculatoarele tablet la care datele pot fi introduse de pe o planşetă specială cu ajutorul unui pix sau stilou special. Ele necesită, în plus, un soft de recunoaştere a scrisului sau a vocii. Principalii producători sunt IBM, Fujitsu, Toshiba etc.

Exemple de teste grilă

1. Resursele hardware cuprind următoarele :

1. 
   [ ] unitatea centrală
   
2. 
   [ ] echipamentele periferice
   
3. 
   [ ] programele API(Application Programming Interface)
   
4. 
   [ ] unităţi de interfaţă şi linii de comunicaţie (canale de intrare /ieşire)
   

2.Care din următoarele afirmaţii sunt adevărate:

1. 
   [ ] configuraţia de bază reprezintă numărul minim de componente pentru ca sistemul să fie operaţional
   
2. 
   [ ] configuraţia de bază reprezintă numărul maxim de componente pentru ca sistemul să fie operaţional
   
3. 
   [ ] unitatea centrală este formată din: unitatea aritmetică şi logică, unitatea de comandă şi control
   

3. Care din următoarele afirmaţii sunt adevărate:

1. 
   [ ] arhitectura CISC este specifică procesoarelor cu set complex de instrucţiuni
   
2. 
   [ ] arhitectura RISC este specifică procesoarelor cu set complex de instrucţiuni
   
3. 
   [ ] arhitectura CISC este specifică procesoarelor cu set redus de instrucţiuni
   
4. 
   [ ] arhitectura RISC este specifică procesoarelor cu set redus de instrucţiuni
   

4.Echipamentele periferice şi suporturile asociate acestora se pot grupa astfel:

1. 
   [ ] echipamente periferice de intrare
   
2. 
   [ ] echipamente periferice de ieşire
   
3. 
   [ ] echipamente periferice de producţie
   
4. 
   [ ] echipamente periferice de intrare-ieşire
   
5. 
   [ ] echipamente periferice şi suporturi pentru stocarea datelor şi informaţiilor:
   

* ^{Hardware - termenul este preluat, din limba englezå, pentru a desemna partea materialå, palpabilå a oricărui S.E.C. Aceastå componentă cuprinde resursele fizice: circuite electrice, componente electronice, dispozitive mecanice etc.}

*^{*Software - termenul este preluat tot, din limba englezå, şi desemnează partea imaterialå a oricărui S.E.C. Această componentă cuprinde totalitatea programelor necesare pentru funcţionarea şi exploatarea sistemului de calcul. Software-ul este considerat "inteligenţa" sistemului electronic de calcul.}

1 Reix, R., Informatique appliquée à la gestion, Les Editions Foucher, Paris, 1990, pp. 38-40

* 1 ns (nanosecundă) = 10^-9 secunde

* În principal sistemele OCR permit utilizatorilor să folosească puterea calculatoarelor pentru accesarea documentelor tipărite. Cele mai multe sisteme OCR necesită o combinaţie de hardware (plăci cu circuite imprimate specializate) şi software pentru recunoaşterea caracterelor. Sistemele OCR pot citi o gamă variată de fonturi, dar întâmpină dificultăţi în cazul textelor scrise de mână.

* VESA (Video Electronics Standards Association) – consorţiu de producători de adaptoare video şi monitoare, ce are ca obiectiv standardizarea protocoalelor Web.

* Laser – acronim pentru light amplification by stimulated emission of radiation (amplificarea luminii prin simularea emisiei de radiaţii).

*^* Toner – tuş special folosit la aparatele de copiat şi imprimantele laser (substanţă uscată sub formă de praf, care este încărcată electric şi care poate adera la un tambur, placă sau foaie de hârtie de polaritate opusă lui. În cazul imprimantelor laser, tonerul se află într-un cartuş interschimbabil şi care la golire poate fi reîncărcat.

* Liniile telefonice ISDN (Intergated Service Digital Network – reţea digitală cu servicii integrate, standard internaţional de comunicaţii pentru linii telefonice digitale), transmit digital imagini video, voci etc., ceea ce înseamnă că nu necesită modemuri.

2 idem, p.106

* Termenul de Winchester disk a fost utilizat de către IBM pentru primul hard disc (capacitate 30 MO şi un timp de acces de 30 milisecunde), după numele carabinei de calibru .30, cunoscută sub denumirea de “.30 - .30”

3 *** Dicţionar de calculatoare, Ed. Teora, Bucureşti, 1999, p. 158

4 Reix, R., Op. cit., p. 46

* Ciruitul integrat (chip-ul) este un mic dispozitiv electronic fabricat din materiale semiconductoare ce conţine în interiorul său mai multe circuite active (tranzistoare, diode) şi circuite pasive (rezistenţe şi condensatoare). Primul circuit integrat a fost creat în 1958 de către Jack Killby de la Texas Instruments şi Robert Noyce de la Fairchild Semiconductor.

5 Păunescu, F., ş.a., Informatizarea societăţii - un fenomen inevitabil ?, Editura Ştiinţifică şi Enciclopedică, Bucureşti, 1995, p. 30

6 Drăgănescu, M., ş.a., Calculatore electronice din generaţia a cincea, Ed. Academiei, Bucureşti, 1995, p. 11

7 ibidem, p. 24

8 Dodescu, Gh., ş. a., Calculatoare. Elemente fundamentale de structură, Editura All, Bucureşti, 2000, pp. 17-18

9¹Băduţ, M., Informatica pentru manageri, Ed. Teora, Bucureşti, 1999, p. 70