Arhitectura calculatoarelor

1. Introducere

Desi de-a lungul timpului au existat încercari de a realiza dispozitive capabile sa realizeze în mod automat operatii de calcul, abia începând aproximativ cu perioada celui de-al doilea razboi mondial se poate vorbi de un efort concertat si directionat în acest sens. Calculatoarele, în forma în care se prezinta astazi, îsi datoreaza în mare masura existenta rezultatelor obtinute în acea perioada de catre John von Neumann, Alan Turing si Kurt Gödel.

Odata stabilite principiile de baza, ultima jumatate de secol a cunoscut un efort continuu de perfectionare a tehnologiilor folosite în constructia calculatoarelor. Din fericire, dezvoltarea exploziva a domeniului electronicii a permis o crestere exponentiala a puterii de calcul. Una dintre pesonalitatile domeniului, Gordon Moore (cofondator al companiei Intel), a enuntat în urma cu circa 3 decenii legea care-i poarta numele si care prevede ca puterea sistemelor de calcul se dubleaza la fiecare 18 luni. Desi este o lege empirica, bazata numai pe observatii practice si fara vreo fundamentare teoretica, experienta i-a confirmat valabilitatea pâna în zilele noastre.

Ca urmare a acestei rate deosebite a progresului, calculatoarele au invadat practic toate domeniile de activitate. Astazi nu mai exista vreo ocupatie care sa nu beneficieze de pe urma utilizarii tehnicii de calcul. O mentiune aparte trebuie facuta în legatura cu extinderea retelelor de calculatoare pâna la aparitia Internetului, care astazi permite accesul tuturor la un volum de informatie nemaiîntâlnit în trecut.

În spatele tuturor acestor realizari impresionante sta munca depusa de specialistii în domeniu. Un sistem de calcul are doua parti: hardware (circuitele fizice care îl compun) si software (programele care ruleaza pe acel sistem). Pentru o functionare la parametrii optimi a calculatorului este necesara o buna conlucrare a celor doua parti. Cel mai performant hardware este inutil în absenta programelor care sa realizeze activitatile dorite. La rândul lor, programele au nevoie de hardware pe care sa ruleze. Astfel, performantele obtinute astazi sunt posibile numai ca urmare a activitatii tuturor celor implicati în dezvoltarea echipamentelor si scrierea programelor.

1.1. Elemente de baza

Activitatea principala a calculatorului, dupa cum o arata însusi numele sau, este aceea de a efectua calcule. Cu toate acestea, orice persoana care a lucrat cel putin o data cu un calculator întelege imediat ca o asemenea caracterizare este cu totul insuficienta pentru a descrie sarcinile îndeplinite de acesta. Într-adevar, este greu de acceptat ca semnificatia unui program de grafica, de exemplu, s-ar reduce la niste simple calcule, desi aceste calcule au un rol cu adevarat foarte important. Într-o acceptiune mai generala, putem spune ca functionarea unui calculator are ca principal obiectiv prelucrarea informatiei. Pentru a întelege modul în care este tratata informatia, vom vedea mai întâi cum este ea reprezentata într-un calculator.

Cea mai mica unitate de informatie folosita este bitul. Fara a intra în detalii, putem spune ca un bit reprezinta o entitate, teoretica sau materiala, care are doua stari distincte posibile; evident, la un moment dat entitatea se poate afla într-una singura din cele doua stari. Observam deci ca prin termenul de bit sunt desemnate atât conceptul teoretic, cât si implementarile sale fizice.

Au existat mai multe forme de implementare practica a bitilor. Cele mai eficiente solutii s-au dovedit a fi cele bazate pe circulatia curentului electric, acestea prezentând avantajul unei viteze de operare mult mai mare decât în cazul sistemelor mecanice sau de alta natura. În circuitele electrice, cele doua stari care definesc un bit sunt usor de definit: putem asocia una dintre stari cu situatia în care curentul electric strabate o portiune de circuit, iar cealalta stare cu situatia în care curentul nu parcurge aceeasi portiune de circuit. (În practica, electronistii prefera sa discute despre cele doua stari în termenii nivelelor de tensiune din circuit, dar ideea este de fapt aceeasi). În timp au fost folosite dispozitive tot mai sofisticate, pornind de la comutatoare, coutinuând cu releele si diodele si ajungându-se astazi la utilizarea tranzistorilor. Toate însa se bazeaza pe acelasi principiu: permiterea trecerii curentului electric sau blocarea sa.

Întrucât, asa cum am vazut mai sus, obiectivul urmarit este de a obtine circuite care sa permita efectuarea de calcule, este necesar ca bitii sa primeasca o semnificatie numerica. Prin conventie, celor doua stari ale unui bit le sunt asociate valorile 0 si respectiv 1. În acest mod, putem considera ca lucram de fapt cu cifre în baza 2, iar calculele devin posibile.

O prima consecinta a acestei abordari o constituie necesitatea gruparii bitilor. Într-adevar, o singura cifra, mai ales în baza 2, contine prea putina informatie pentru a fi utila. Deoarece în scrierea pozitionala numerele sunt siruri de cifre, apare imediat ideea de a reprezenta numerele prin siruri de biti. Desi pentru om lucrul în baza 2 pare mai dificil, datorita obisnuintei de a lucra în baza 10, în realitate nu exista diferente conceptuale majore între diferitele baze de numeratie.

(Putem raspunde aici unei întrebari care apare natural: de ce se prefera utilizarea bitilor, deci implicit a cifrelor în baza 2, daca omul prefera baza 10? Raspunsul este de natura tehnologica: nu exista o modalitate simpla de a realiza un dispozitiv cu 10 stari distincte, care sa permita implementarea cifrelor în baza 10.)

Pe de alta parte, într-un sistem de calcul trebuie sa existe o standardizare a dimensiunii sirurilor de biti prin care sunt reprezentate numerele. Creierul uman se poate adapta pentru a aduna, de exemplu, un numar de 3 cifre cu unul de 6 cifre, iar apoi poate trece imediat la adunarea unui numar de 8 cifre cu unul de 9 cifre; un calculator însa, fiind format din circuite fara inteligenta, nu poate fi atât de flexibil. Solutia este de a permite ca sirurile de biti sa aiba numai anumite dimensiuni prestabilite. Astfel, circuitele din calculator se pot întelege între ele, deoarece lucreaza cu operanzi de aceeasi dimensiune. Ajungem astfel la o alta unitate de informatie larg folosita, si anume octetul (în engleza byte). Acesta reprezinta un sir de 8 biti si se constituie într-un standard unanim respectat. Un octet poate avea 28 = 256 valori diferite, ceea ce este evident insuficient pentru unele tipuri de informatie vehiculate în calculator. Pentru a nu pierde avantajele standardizarii, se permite ca operanzii sa aiba si dimensiuni mai mari, dar numai multipli de dimensiunea octetului; mai mult, acesti multipli pot fi doar puteri ale lui 2. În functie de stadiile pe care le-a parcurs tehnologia de-a lungul timpului, dimensiunea maxima a operanzilor a fost de 16, 32 sau 64 biti (respectiv 2, 4 sau 8 octeti) si fara îndoiala va continua sa creasca. Aceasta dimensiune poarta denumirea de cuvânt.