Arhitectura sistemelor de calcul

1.1. SCHEMA DE BAZĂ A UNUI CALCULATOR

Orice calculator are în componenţă patru mari unităţi fundamentale:

-Unitatea centrală (UC).

-Unitatea de memorie (UM).

-Unitatea de Intrare/Ieşire (U I/E).

-Magistrale de interconectare (BUS-uri).

Periferic 1

Periferic 2

Periferic n

Magistrală (BUS)

Rolurile acestor componente sunt:

-Unitatea centrală (UC) controlează toate componentele, executând instrucţiunile unui program; efectuează calcule aritmetice şi logice.

-Memoria (UM) păstrează programele în curs de execuţie şi datele asociate lor.

-Unitatea de Intrare/Ieşire (U I/E) leagă sistemul cu lumea externă prin intermediul unităţilor periferice: ecran, tastatură, discuri, benzi magnetice, reţele etc.

-Magistralele sunt de trei feluri:

magistrale de adresă, care vehiculează adresa memorie sau a unităţii I/E generată de UC (sau, în unele cazuri de alte unităţi de control);

magistrale de date, care vehiculează informaţia (instrucţiuni, date) între UC, memorie şi unităţile I/E;

magistrale de control, care vehiculează semnalele utilizate de UC pentru controlul sistemului (adresă, memorie validă, adresă I/E validă, citire/scriere, aşteptare, întrerupere etc.).

Principiul de funcţionare a unui calculator este relativ simplu. În UM există programe, fiecare program având un număr de instrucţiuni. Ciclurile de executare a unei instrucţiuni sunt următoarele:

-Ciclul extragere instrucţiune (instruction fetch). UC face o citire a memoriei la adresa la care se află instrucţiunea. Instrucţiunea are un număr de biţi, în funcţie de arhitectura calculatorului, de obicei multiplu de 8. Instrucţiunea citită este adusă pe magistrală şi depusă într-un registru al UC-ului.

-Ciclul de aflare a operanzilor. Oricare instrucţiune lucrează cu operanzi. Între operanzi se petrece o operaţie dată de un câmp al instrucţiunii, numit codul instrucţiunii. În această fază trebuie depistaţi operanzii, mai precis adresele unde se găsesc operanzii. Aceştia se pot găsi în două tipuri de locaţii:

-în registrele generale ale UC-ului;

-la o adresă de memorie.

Există mai multe tipuri de adresare pentru determinarea adreselor de operanzi. La sfârşitul acestui ciclu, în UC trebuie să se existe adresele fizice ale operanzilor participanţi la instrucţiune.

-Ciclul de aducere a operanzilor în UC. În acest ciclu se aduc operanzii participanţi la instrucţiune de la adresele determinate în ciclul anterior. Ei sunt aduşi din registrele generale sau de la adresele de memorie în registrele funcţionale.

-Ciclul de execuţie propriu zisă. În acest ciclu are loc execuţia propriu zisă a instrucţiunii, dată de codul instrucţiunii.

-Ciclul de depunere a rezultatului. Orice instrucţiune are ca scop final aflarea unui rezultat care poate fi un operand în cazul instrucţiunilor aritmetice(de exemplu suma pentru cod de adunare, produsul pentru cod de înmulţire) sau poziţionarea unor indicatori în cazul instrucţiunilor logice (de exemplu, în cazul unui cod de comparaţie între doi operanzi, poziţionarea indicatorului z=1 pentru identitatea celor doi operanzi).

La sfârşitul acestui ciclu, care înseamnă şi sfârşitul executării instrucţiunii, se calculează adresa instrucţiunii următoare şi adresa de la care va fi adusă instrucţiunea următoare.

Execuţia unui program înseamnă execuţia succesivă a instrucţiunilor din care este alcătuit. Programele care compun sistemul de operare asigură gestiunea resurselor (procesor, memorie, I/E) şi fac legătura cu programele de aplicaţie.

1.2. SCHEMA NIVELELOR CONCEPTUALE A UNUI CALCULATOR

Un calculator virtual actual are şapte nivele conceptuale.

Interpretare

Microprogram executat

direct de hard

Fig.1.2. Nivelurile conceptuale ale maşinii virtuale corespunzătoare calculatoarelor actuale.