Calculatoare - introducere, componente - structură și funcționare

ARGUMENT

Lucrarea de fata prezinta principalele aspecte ale arhitecturii si organizarii calculatoarelor numerice. Materialul este organizat astfel încât cunostintele sa poata fi câstigate gradual pornind de la aspectele elementare ale organizarii pâna la extensiile actuale ale arhitecturii calculatorului

Obiectivele generale pe care mi le-am propus în realizarea materialului sunt:

- Prezentarea principalelor notiuni privind arhitectura setului de instructiuni, principii de functionare si de organizare ale diferitelor variante de implementare a calculatoarelor numerice.

- Clasificarea si exemplificarea arhitecturilor moderne actuale, descrierea si analiza organizarii calculatoarelor.

- În urma asimilarii cunostintelor acestei lucrariîsi va putea asuma responsabilitatea punerii în functiune a diferitelor sisteme de comanda cu calculatorul numeric, a întretinerii sau a proiectarii si constructiei diferitelor interfete (acestea fiind realizabile si prin studiul suplimentar al documentatiilor de firma).

În cadrul lucrarii se prezinta conceptele generale privind arhitectura masinilor electronice de calcul numeric, concepte aplicabile la orice masina particulara. Se fac, de asemenea, dese referiri, cu titlu de exemplu, la arhitecturi particulare, de calculatoare existente pe piata Arhitecturile specifice diferitelor procesoare, necesare eventual în practica viitorului inginer, sunt tratate în documentatiile de firma, si chiar daca în viitorul apropiat vor aparea noi implementari sau chiar noi arhitecturi, conceptele de baza, relativ "stabile" vor fi cele care vor usura întelegerea.

Materialul lucrarii de fata este destinata sistemelor uni-procesor, ca o cale catre studierea ulterioara de catre utilizatori a principiilor de organizare si de utilizare a sistemelor de procesare paralela.

Unele din notiunile englezesti din domeniul calculatoarelor sunt deja clasice, dar altele înca nu au capatat o traducere exacta si apar adesea ca “barbarisme” în limba româna. Chiar daca se face explicarea în limba româna pentru termenii folositi peste tot se indica si termenul “original” din limba engleza. Ne-am ferit astfel de a calca în pacatul unei traduceri care sa se îndeparteze de la sensul initial, pentru ca asa cum spun italienii “Tradutore - traditore!”.

Un PC (Personal Computer) , produs dupa standardele IBM are în exterior vizibile doua module : towerul si monitorul Se deosebesc apoi perifericcele care sunt tastaura , mouse-ul , boxe , joystick , modem extern

Towerul la rândul sau are drept rol a tine toate componentele într-un loc , a le feri de praf , socuri ,etc Este pur si simplu o cutie care la exterior prezinta o serie de butoane ce indeplinesc functii de baza : pornire/oprire , resetare si eventual buton pentru schimbarea frecventei ceasului intern Ultimele doua butoane nu sunt întîlnite la toate carcasele , la carcasele ATX butonul de reset nu mai este prezent în unele cazuri , restartarea revenind în sarcina sitemului de operare si a Bios-ului ; în schimb , butonul de schimbare a frecventei a disparut complet de pe carcasele noi , rolul sau fiind activ în cazul procesoarelor din familia i286 , i386 , i486 Avea rolul de a înjumatati frecventa de tact a procesorului sau dimpotriva de a o mari ; astfel frecventa putea fi setata la 66 sau 33Mhz , etc

Înainte de a începe prezentarea detaliata subliniez ca pentru buna functionare a unui calculator nu este responsabila o singura componenta ; fiecare componenta participa activ sau pasiv la realizarea unei functionalitati satisfacatoare

1. TENDINTE ALE TEHNOLOGIEI – LEGEA LUI MOORE

În 1965, Dr. Gordon E. Moore, la acel moment vicepresedinte executiv la Intel Corporation, a prezis ca numarul de tranzistoare echivalente pe un singur chip va creste în ritm constant si se prevedea o crestere în acelasi ritm pentru urmatoarele decenii. Aceasta predictie, numita Legea lui Moore, spune ca “puterea de calcul va creste exponential, dublându-se la fiecare 18 - 24 luni, pentru un viitor previzibil”. Legea lui Moore este adesea criticata, pentru ca utilizatorii sunt interesati în primul rând de cresterea performantelor procesoarelor. Este greu sa se echivaleze cresterea numarului de tranzistoare pe un chip cu cresterea performantei procesoarelor. În plus adesea cresterea numarului echivalent de tranzistoare nu a produs o crestere a performantelor în aceeasi masura - de aceea criticii spun ca în ultimele decenii îmbunatatirile aduse circuitelor (procesoare, memorii) au fost dictate mai mult de sistemul de operare Windows al firmei Microsoft, decât de cerintele de putere de calcul din partea utilizatorilor. Cresterea gradului de integrare reflectata în cresterea puterii procesoarelor reprezinta doar un procent al afacerilor din domeniul dezvoltarii tehnologiei - procent care se reduce continuu - si de obicei exista mai multa putere disponibila decât cea necesara.

Tehnologia calculatoarelor electronice a evoluat într-un ritm incredibil în ultimii 70 de ani, de la conceperea primului calculator electronic. În prezent un calculator de tip PC cu pret mai mic de 800 de dolari, are viteza si capacitate de memorare mult mai mare decât un calculator din anii ’80 al carui pret era la nivelul sutelor de mii sau milioanelor de dolari. Asa cum s-a mentionat anterior aceasta dezvoltare rapida s-a facut nu numai pe baza dezvoltarilor tehnologice (ce au permis marirea gradului de integrare si reducerea puterii consumate si a pretului) dar si pe baza inovatiilor în domeniul proiectarii arhitecturale.

Aparitia microprocesoarelor, în anii ’70 ai secolului trecut, a permis aparitia unor dezvoltari arhitecturale esentiale pentru performanta calculatoarelor dintre care amintim aici doar câteva:

generalizarea utilizarii limbajelor de programare de nivel înalt si a sistemelor de operare, organizari ce permite executia paralela a instructiunilor si generalizarea utilizarii memoriilor temporare (“cache”)

1.1 DEZVOLTAREA APLICATIILOR

În prezent lumea calculatoarelor numerice este dominata de unitatile centrale de procesare (UCP) numite microprocesoare. Acestea constituie UCP nu numai pentru calculatoarele personale, atât de raspândite, dar si pentru supercomputere, statii de lucru, calculatoare de bord la mijloacele de transport auto, aeronautice si spatiale, sau navale. Principalele domenii de aplicare a UCP sub forma de microprocesor integrat pe un singur circuit integrat sunt:

- Calculatoare desktop si statii de lucru (calculatoare de uz general ce se pot aseza “pe birou”)

- Servere de retele sau pentru Web Calculatoare integrate în sisteme dedicate aplicatiilor specifice ( Embedded Computers si Embedded Systems.)

Calculatoarele de tip desktop sunt construite pentru utilizare generala, cât mai larga, atât în domeniul procesarii de tip text, sau baze de date cât si al realizarii de calcule matematico-stiintifice, principalul scop urmarit fiind obtinerea unui raport pret / performanta cât mai mic.

Calculatoarele de tip server, contin procesoare cu putere mare de calcul, sunt relativ scumpe, iar principalele obiective ale proiectarii sunt furnizarea de servicii de calcul si de transfer al fisierelor, cu asigurarea unei cantitati cât mai mari de operatii pe unitatea de timp. Aceste calculatoare trebuie sa prezinte în plus o mare siguranta în functionare si sa aiba calitatea de scalabilitate (de extindere simpla a resurselor pe masura cresterii cerintelor).

Sistemele cu calculator integrat aplicatiei (Embedded) sunt sisteme pe baza de microprocesor construite pentru a controla o functie sau un domeniu de functii particulare si nu sunt proiectate pentru a fi programate de catre utilizatorul final, asa cum se întâmpla de exemplu cu un PC. Sigura interactiune cu utilizatorul se face în scopul realizarii functiilor impuse sistemului - aplicatiei. Pentru cele mai multe aplicatii aceste sisteme trebuie sa raspunda în timp real la evenimentele din mediul extern. Sistemele de acest tip au constrângeri mari de proiectare în ceea ce priveste costurile, consumul de putere si gabaritul. Au un domeniu de aplicatii extrem de vast:

- Sistemele de comunicatii cu si fara fir (wireless),

- Sisteme de transport (auto, feroviar, naval, aeronautica)

- Aplicatiile casnice si electronica de larg consum,

- Sistemele de control în industrie, finante

- Echipamente medicale