Arhitectura calculatoarelor

1. Introducere

Încã din cele mai vechi timpuri, omul a fost nevoit sã efectueze calcule. Odatã cu creşterea complexitãţii calculelor, s-au pus în evidenţã douã deficienţe majore ale calculului manual:

- viteza de efectuare a calculelor, care este limitatã, astfel anumite probleme nu pot fi rezolvate într-un timp rezonabil;

- greşeala, care intervine iminent la calculele umane.

Putem compara pentru început procesul de calcul manual (a) şi cel al maşinii (b):

Fig. 1.1.

Hîrtia este folositã pentru stocarea informaţiei care poate fi algoritm, respectiv datã. Putem distinge clar cele douã funcţii ale creierului uman: cel de interpretare a informaţiei şi executarea diverselor funcţii, aceasta din urmã putînd fi preluatã de diferite echipamente ajutãtoare (abac, calculatoare mecanice, calculatoare de buzunar etc).

Elementele caracteristice ale calculatoarelor sînt similare cu cele din modelul uman. Unitatea de memorie stocheazã instrucţiuni şi date. Unitatea centralã de prelucrare conţine o unitate de control, care interpreteazã şi realizeazã secvenţierea instrucţiunilor, şi o unitate aritmeticã şi logicã, care executã secvenţe de instrucţiuni.

Diferenţa majorã dintre cele douã sisteme constã în reprezentarea informaţiei. Omul foloseşte un limbaj cu un numãr foarte mare de simboluri, şi reprezintã numerele (în mod uzual) în baza 10. Calculatoarele moderne, pornind de la natura fizicã a elementelor electronice, reprezintã informaţia în baza 2, şi reduce numãrul simbolurilor în mod esenţial. Comunicarea dintre maşinã şi om, conversia informaţiei din limbajul maşinã în limbajul uman este realizat de echipamentul de intrare-ieşire.

Pe baza acestor componente putem construi un model abstract.

Fig. 1.2.

Semnul este un element, obiect sau fenomen capabil de a reflecta însuşirile altor obiecte, sã ţinã locul acestora. Sintaxa precizeazã regulile de îmbinare ale semnelor pentru a forma mesaje. Semantica reprezintã ansamblul regulilor de reprezentare, de interpretare a cuvintelor unui limbaj. Sistemul interpretor îşi schimbã starea în funcţie de mesajul primit şi a stãrii curente. În sistemul interpretor putem distinge sistemul reprezentor, care reprezintã toate semnele şi mesajele primite; şi sistemul procesor, care realizeazã transformãrile în sistemul reprezentor.

Un model abstract de calcul reprezintã maşina Turing.

Fig. 1.3.

Sistemul reprezentor sau memoria calculatorului este o bandã magneticã fãrã capete, împãrţitã în unitãţi de dimensiune egalã, capabilã de a stoca un numãr finit de semne. Procesorul este un circuit secvenţial cu numãr finit de stãri. Instrucţiunile pe care le poate efectua şi care alcãtuiesc setul de instrucţiuni, sînt urmãtoarele:

- schimbã simbolul de pe bandã de la poziţia curentã;

- poziţionezã capul de citire cu o poziţie la dreapta;

- poziţionezã capul de citire cu o poziţie la stînga;

- opreşte sistemul.

Pentru a realiza un calcul cu aceastã maşinã, se înscriu datele într-un cod convenabil, şi se descompune algoritmul de calcul în funcţie de modul de reprezentare a datelor într-o secvenţã de instrucţiuni ale maşinii. Ultima instrucţiune este cea de oprire a maşinii, la care banda trebuie sã conţinã rezultatul calculului.

Exemplu : Adunarea a douã numere naturale cu maşina Turing.

Orice numãr natural n poate fi reprezentat cu un şir alcãtuit din n unitãţi. Numerele sînt separate de spaţii. Cele douã numere ce urmeazã a fi adunate sînt stocate unul dupã altul pe banda magneticã. Adunarea lor constã în înlocuirea spaţiului delimitator dintre ele cu o unitate, iar ultima unitate va fi înlocuitã de un spaţiu.

Din studiul acestui model abstract rezultã urmãtoarele limitãri ale sistemelor de calcul:

- maşina nu poate stoca rãspunsul la toate problemele posibile, are un numãr finit de stãri;

- spaţiul de stocare al datelor este finit;

- timpul de execuţie trebuie sã fie finit.