Arhitectura calculatoarelor

1. INTRODUCERE

OBIECTIVE

Principalele obiective ale acestui capitol introductiv sunt urmatoarele:

caracterizarea notiunii de informatie, reprezentarea si prelucrarea acesteia în sistemele tehnice;

obtinerea prin rafinari succesive a unui model structural al unui Calculator Numeric;

prezentarea unui model functional al unui Calculator Numeric, ca o ierarhie de masini virtuale;

analiza din punct de vedere istoric a evolutiei echipamentelor de prelucrare numerica a datelor;

prezentarea functiilor primitive si unitatilor functionale ale Calculatorului Numeric, posibilitati

de realizare a acestora.

1.1 Calculator Numeric - Sistem de prelucrare a informatiilor

Vom considera informatia o notiune primara, profunda, similara notiunii de materie.

Informatia poate fi regasita în întregul ciclu material, începând cu lumea cuantica si microscopica si

continuând cu lumea vie si sistemele tehnice. În legatura cu informatia, vom considera urmatoarele

probleme: structurarea si reprezentarea; stocarea pe diferite suporturi de informatie; prelucrarea;

transmiterea.

În sistemele tehnice, informatia este reprezentata în principal sub forma analogica si sub forma

discreta (numerica). În mod corespunzator s-au dezvoltat sisteme tehnice de prelucrare a informatiilor,

printre care calculatoarele analogice si calculatoarele numerice au un rol important. Desi calculatoarele

analogice universale prezentau o serie de avantaje privind viteza de lucru, lucrul în timp real, supletea

solutiilor unor probleme prin analogii, calculatoarele numerice au cunoscut o dezvoltare mult mai

rapida în ultimii ani înlocuindu-le aproape în totalitate pe cele analogice. Datorita inovatiilor

tehnologice si dezvoltarii circuitelor integrate pe scara larga si foarte larga s-a eliminat treptat

handicapul privind viteza de lucru, precizia de reprezentare si prelucrare poate fi facuta oricât de

mare, iar posibilitatile de structurare, reprezentare, si stocare a informatiilor sunt nelimitate. Desigur ca

informatiile sub forma analogica pot fi în continuare prelucrate dupa ce au fost în prealabil convertite

în forma numerica, rezultatele fiind supuse unei conversii inverse.

Calculatoarele numerice se caracterizeaza prin faptul ca asigura reprezentarea, stocarea,

prelucrarea si transmiterea informatiilor sub forma discreta, numerica. Astfel, marimi electrice

continue, cum ar fi tensiunea sau curentul electric pot fi memorate prin distingerea diferitelor valori ale

acestor marimi. Cu cât trebuie sa se distinga mai multe valori, cu atât separarea dintre doua valori

adiacente va fi mai mica si deci memoria va fi mai putin sigura în functionare. Sistemul binar trebuie

sa distinga doar doua valori, deci constituie metoda cea mai sigura de codificare numerica a

informatiilor. Unitatea de informatie elementara este în acest caz cifra binara denumita "BIT". Un bit

poate contine un "0" sau un "1". Exista unele calculatoare despre care se spune ca folosesc sistemul

zecimal, nu binar. De fapt se utilizeaza sistemul BCD - Binar Codificat Zecimal care consta în

reprezentarea cifrelor zecimale între 0 - 9 prin patru cifre binare, adica patru biti. Utilizând 16 biti,

pentru reprezentarea numarului 1992 vom obtine, 0001 1001 1001 0010 în zecimal si 0111 1100 1000

în binar.

Sistemul zecimal se utilizeaza doar la calculatoare cu aplicatii strict economice, financiare.

Se observa ca 16 biti pot reprezenta în zecimal numere cuprinse între 0 - 9999, deci 10000 de

combinatii, pe când în binar se pot reprezenta 65536 combinatii diferite. Se poate spune deci ca

sistemul binar este mai eficient. Dar sa analizam ce s-ar întâmpla daca cineva ar inventa un dispozitiv

electronic, foarte sigur în functionare, capabil sa memoreze cifrele de la 0 - 9 prin împartirea

domeniului de la 0V la 10V, în 10 intervale, de exemplu. Patru asemenea dispozitive ar putea memora

10000 de combinatii, adica valori între 0 - 9999. Utilizând sistemul binar, aceleasi 4 elemente ar putea

memora 16 combinatii. Este evident ca în acest caz sistemul zecimal ar fi mult mai eficient.

O alta problema apare datorita faptului ca informatia prezinta doua aspecte: sintactic si

semantic. Prin aspectul semantic al informatiei se înteleg ideile încapsulate, mesajele pe care le

transmite, etc.

Calculatoarele numerice în acceptiunea clasica, sunt considerate principalele unelte pentru

prelucrarea automata a informatiilor, ele fiind capabile sa trateze informatiile numai sub aspect

sintactic. Fara sa cunoasca aspectul semantic al informatiilor pe care le prelucreaza, calculatoarele nu

pot sa ia decizii proprii, ele fiind condamnate sa faca doar ceea ce a fost specificat în prealabil, precis

si fara echivoc printr-o descriere care poarta numele de algoritm. Prin algoritm se asigura si

respectarea unui principiu de baza în prelucrarea automata a informatiilor, concordanta aspectului

sintactic cu cel semantic. Dificultatile care apar în acest sens i-au determinat pe utilizatorii lui sa

afirme ca, de multe ori, calculatoarele creaza mai multe probleme decât rezolva. Ideea ca un calculator

nu poate face decât ceea ce i se spune este deja depasita. La ora actuala se fac eforturi din ce în ce mai

mari pentru a reprezenta si prelucra cu ajutorul calculatoarelor informatii cu aspect semantic.

Realizarea acestui deziderat în conditii de eficienta acceptabile permite utilizarea calculatorului într-o

maniera cu totul noua. El este capabil sa reprezinte si sa prelucreze cunostinte, sa învete din experienta

anterioara, sa îmbunatateasca sau sa dezvolte noi metode de rezolvare a unor probleme.Oricum, multe

probleme care implica prelucrarea unui volum mare de date, eventual cu limitari stricte de timp, pot sa

fie rezolvate numai cu ajutorul calculatorului. În mod "clasic", aplicatiile calculatorului pot sa fie

grupate în aplicatii cu caracter stiintific care necesita precizie si viteza mare de efectuare a calculelor

matematice si aplicatii cu caracter de gestiune care necesita pastrarea si regasirea rapida a

informatiilor. Pe de alta parte, aplicatii de tipul prevederii timpului probabil sau proiectarii unui avion

necesita atât numeroase calcule stiintifice, cât si manipularea unui volum foarte mare de informatii. sa

consideram de exemplu câteva tipuri de aplicatii specifice calculatoarelor:

Calcule stiintifice: În experimentele stiintifice si de laborator calculatoarele pot sa fie utilizate

pentru culegerea, validarea si prelucrarea datelor preluate de la diferiti senzori sau aparate.

Domenii tipice: telemetrie, radiolocatie, spectrografie, etc.

Proiectare asistata: Calculatorul este deosebit de util în multe domenii de proiectare ca de

exemplu: proiectarea mastilor pentru VLSI, proiectarea circuitelor imprimate, proiectarea

fuzelajelor si aripilor de avion, a caroseriilor de automobil, etc.

Conducerea proceselor: Calculatorul este o unealta foarte utila în fabricarea si controlul automat

al produselor, de exemplu: comanda masinilor unelte, controlul proceselor de difuzie si

încapsulare într-o fabrica de circuite integrate, conducerea robotilor din celulele flexibile de

fabricatie, etc.

Simulare: Datorita utilizarii calculatoarelor a aparut între cercetarea fundamentala si cea aplicativa

un nou nivel de cercetare, prin simulare. Acest tip de abordare este foarte util pentru situatiile în

care experimentele pot sa fie prea costisitoare în conditii reale, periculoase sau chiar imposibil

de realizat. Sa consideram de exemplu cazul în care se doreste studiul efectului eruptiei unui

vulcan. Evident, vulcanul nu poate sa fie convins sa erupa, dar se poate realiza o simulare în

care sa se tina seama de cât mai multi factori care caracterizeaza fenomenul natural.

Instruire asistata: Calculatorul poate sa constituie un instrument foarte util în cresterea eficientei

procesului de predare - învatare - verificare, pentru stimularea gândirii creative, logice.