04/18/23 1

UTILIZAREA CALCULATOARELOR

Conf. univ. dr. Mariana Marinescu

04/18/23 2

Cuvinte importante:

- Calculatoare numerice; structura calculatorului cu program memorat (von Neumann);

- Categorii de componente ale unui calculator numeric cu procesor

INTEL; principalele componente hardware

04/18/23 3

Calculatoare numerice

Calculatorul numeric reprezint un sistem digital, format din dispozitive fizice conectate în vederea prelucrarii informatiilor numerice.

Un calculator numeric (sistem de calcul) cuprinde doua categorii de componente:

• Componente fizice (echipamente), ansamblul lor fiind cunoscut sub numele de hardware;

• Componente logice (programe), prin intermediul carora sunt utilizate echipamentele, ansamblul componentelor logice fiind cunoscut sub numele de software.

Sistemul de calcul reprezinta deci un ansamblu de componente hardware şi

software în interactiune, destinat prelucrarii datelor.

04/18/23 4

Un sistem de calcul se caracterizeaza prin urmatoarele:

• Componentele functionale sunt realizate cu ajutorul circuitelor electronice, majoritatea fiind circuite integrate, asigurând o viteza ridicata în efectuarea operatiilor aritmetice şi fiabilitate în functionare.

• Functioneaza pe baza unui program memorat, format dintr-o succesiune de instructiuni introduse în memoria calculatorului, instructiuni care sunt extrase din memorie, interpretate şi executate.

• Informatia memorata şi prelucrata este una de tip discret , fiind codificata astfel încât marimile asupra carora opereaza pot lua numai doua valori distincte (0 şi 1 ). O astfel de informatie se numeste informtie binara.

04/18/23 5

Structura masinii fizice

În 1945, John von Neumann a stabilit structura logica a calculatorului cu program memorat. Majoritatea calculatoarelor actuale respecta aceasta structura.

Magistrala sistem

UCP Unitatea de memorie

Unitatea de I/O

04/18/23 6

Ideea principala a calculatorului cu program memorat este ca atât instructiunile, cât şi datele sunt pastrate în aceesi memorie. Datele sunt cele asupra carora se efectueaza prelucrari. Instructiunile sunt interpretate ca şi coduri pentru generarea semnalelor de control necesare functionarii calculatorului.

Componentele principale ale masinii fizice sunt urmatoarele:

1 . Unitatea centrala de prelucrare (UCP): executa prelucrarea datelor şi controleaza functionarea calculatorului; se mai numeste si procesor.

2. Unitatea de memorie (memoria interna sau principala ): pastreaza datele şi instructiunile.

3. Unitatea de intrare/iesire (I/O): efectueaza transferul datelor între calculator şi mediul exterior acestuia (adica periferice de I/O).

4. Magistrala sistem: permite comunicatia între UCP, memoria interna şi unitatea de I/O.

04/18/23 7

Unitatea centrala de prelucrare (UCP)

Componenta cea mai complexa este unitatea centrala de prelucrare, cu structura de mai jos. Activitatea sa este "pilotată" de un semnal de ceas a cărui frecvenţă este de ordinul MHz-ilor sau GHz-ilor.

UAL

UCC

Registre

Magistrala interna UCP

04/18/23 8

Componentele principale ale UCP sunt urmatoarele:

- Unitatea aritmetica ş i logica (UAL): executa prelucrarile asupra datelor.

- Registrele: Reprezinta o memorie interna (locala) pentru UCP.

- Unitatea de comanda şi control (UCC): controleaza functionarea UCP şi deci a calculatorului.

- Interconexiunile din cadrul UCP: asigura comunicatia dintre UAL, registre şi UCC; sunt realizate sub forma unei magistrale, numita magistrala interna a UCP.

04/18/23 9

Unitatea aritmetica şi logica (UAL)

UAL implementeaza diferite operatii aritmetice şi logice asupra operanzilor obtinuti din memorie. Contine, în principal, un circuit logic pentru adunare, numit sumator, toate operatiile aritmetice reducându-se la o succesiune de operatii de adunare.

- transferuri de date între registre şi între acestea şi memorie;

- operatii aritmetice cu operanzii adresati de UCC;

- operatii logice (SI, SAU, NU) cu operanzii adresati de UCC;

- operatii de deplasare a continutului unui registru sau locatie de memorie;

- operatii de comparatie a doi operanzi.

UAL genereaza informatii referitoare la rezultatul ultimei instructiuni aritmetice şi logice executate. Acestea se refera la semnul rezultatului, la paritatea acestuia (par sau impar), daca rezultatul este nul sau nenul etc.

04/18/23 10

Registrele

Setul de registre din cadrul UCP pastreaza temporar operanzii unei operatii aritmetice sau logice, rezultatele intermediare şi finale, sau adresele acestora. Utilizarea registrelor creste viteza de prelucrare, eliminând necesitatea accesului repetat la memorie. Ele reprezinta deci o memorie interna temporara foarte rapida.

Unele registre pot avea functii dedicate, altele se pot utiliza pentru orice operatii, fiind registre generale. O parte din registre nu sunt accesibile prin program, fiind registre de lucru (de exemplu, registrul de instructiuni, care pastreaza instructiunea curenta (cea care se executa la un moment dat).

04/18/23 11

Unitatea de comanda şi control (UCC)

UCC coordoneaza activitatea calculatorului:

- adreseaza si extrage din memoria principala instructiunile binare ale programului;

- decodifica (interpreteaza) instructiunile şi genereaza secventa semnalelor de comanda necesare catre toate celelalte unitati functionale ale calculatorului; ca urmare a acestor semnale instructiunea curenta este executata;

- in plus, UCC analizeaza semnalele de stare si sincronizare ce provin de la celelalte unitati functionale ale calculatorului si ca urmare poate schimba succesiunea semnalelor de comanda pe care le genereaza. La terminarea executiei instructiunii curente, se trece la instructiunea urmatoare.

Tot in cadrul UCC se includ si circuitele pentru generarea adreselor, care calculeaza adresele (pentru memoria principala, pentru porturi de I/O, pentru registrele interne ale UCP) pe baza informatiilor binare din corpul instructiunilor.

04/18/23 12

Unitatea de memorie

•Memoria principala, operativa, reprezinta sursa sau destinatia tuturor informatiilor. În memorie sunt încarcate informatiile initiale (date şi instructiuni-program) prin intermediul dispozitivelor de intrare, şi din memorie sunt preluate rezultatele prin intermediul dispozitivelor de iesire.

•Memoria principala este realizata in prezent exclusiv in tehnologie semiconductoare.

•Memoria este organizata ca o colectie de locatii de memorie, numerotate consecutiv, incepand de la 0. Numerele asociate locatiilor fizice reprezinta adresa. Prin intermediul adresei se poate selecta locatia respectiva.

Deci, o locatie de memorie se caracterizeaza prin:

- adresa : pozitia locatiei în cadrul memoriei.

-continut: valoarea memorata la aceasta adresa.

04/18/23 13

•Traseele de cupru cu ajutorul cărora se va genera informaţia binară care reprezintă o adresă se numesc la un loc magistrală de adrese. Lăţimea unei magistrale de adrese reprezintă numărul de trasee de cupru care o compun (numarul de linii de adresa). Numărul de locatii de memorie care pot fi adresate direct de procesor depinde de lătimea magistralei de adrese.

•Adresarea (identificarea si selectarea unei locatiei de memorie) se realizeaza cu ajutorul liniilor de adresa , numarul acestor linii determinând capacitatea maxima adresabila a memoriei. De exemplu, cu 16 linii de adrese se pot selecta maxim 216 locatii de memorie.

•Cantitatea de informatie care poate fi memorata într-o locatie adresabila individual,exprimata ca numar de biti (cifre binare), se numeste cuvânt de memorie. De obicei, memoria este organizata pe cuvinte de 16, 32 sau 64 de biti, unitatea elementara adresabila fiind octetul (byte).

Capacitatea memoriei se exprima în Kocteti (KB) sau multipli ai acestuia:

1 KB = 210 B = 1024 B

1 MB = 210 KB = 220 B

1 GB = 210 MB = 230 B

04/18/23 14

•Memoria trebuie sa aiba o capacitate cât mai mare şi o viteza cât mai ridicata, adica un timp de acces cât mai redus. Viteza este direct proportionala cu costul. De aceea, majoritatea calculatoarelor au doua tipuri de memorii, care lucreaza pe principii diferite:

- O memorie interna rapida, numita memorie principala, care comunica direct cu unitatea de calcul şi cea de comanda, cu un cost pe bit relativ ridicat;

- O memorie externa mai lenta, cu o capacitate mult mai mare, şi cu un cost pe bit mai redus (disc magnetic, banda magnetica, CD).

•Operatiile efectuate cu memoria sunt cele de citire şi de scriere. Aceste operatii, ca şi cea de selectie a unor locatii de memorie pe baza adresei, se realizeaza cu un ansamblu de circuite care formeaza, împreuna cu memoria, unitatea de memorie.

04/18/23 15

Unitatea de intrare/iesire

•Aceasta unitate asigura comunicatia dintre calculator şi mediul exterior. Utilizatorii comunica calculatorului informatiile înregistrate pe suporturi externe de informatie, iar rezultatele prelucrarilor sunt furnizate utilizatorilor pe asemenea suporturi.

•Transmiterea informatiilor de pe si pe suporturile externe sunt efectuate de echipamentele periferice. Acestea sunt conectate la calculator prin interfete de I/O (porturi), existente în cadrul unitatilor de I/O, care îndeplinesc doua functii importante:

•de conversie de date;

•de memorie tampon.

Conversia este necesara deoarece informatia este reprezentata diferit şi pe medii diferite, fiind necesara compatibilizarea dispozitivelor respective.

Functia de memorie tampon este necesara pentru ca viteza de lucru a calculatorului (UAL ş i UCC) este cu câteva ordine de marime mai mare decât a dispozitivelor exterioare. Memoria tampon asigura sincronizarea functionarii calculatorului cu aceste dispozitive.

04/18/23 16

Magistrala sistem (externa)

•Interconectarea unitatilor componente ale calculatorului se realizeaza prin una sau mai multe magistrale, toate la un loc formand magistrala sistem.

•O magistrala este formata dintr-un grup de linii (trasee de cupru) destinate transferului paralel al informatiilor de la una sau mai multe surse la una sau mai multe destinatii. Numarul liniilor magistralei este egal, de obicei, cu lungimea cuvântului transferat.

•Magistralele pot fi :

- unidirectionale;

- bidirectionale.

•În functie de semnalele vehiculate, magistralele pot fi:

- de adrese;

- de date;

- de control.

04/18/23 17

Magistrala de adrese cuprinde linii de adresa, ce transmit doar semnale de iesire din UCP, fiind deci o magistrala unidirectionala. Liniile de pe aceasta magistrala se folosesc pentru adresarea locatiilor de memorie si a interfetelor de I/O.

Magistrala de date este formata din trasee de cupru care vor genera informaţii binare corespunzătoare datelor citite sau scrise în memorie.

Latimea magistralei de date este de obicei multiplu de octet (d=8, 16, 32, 64…). Cele d linii ale magistralei de date au posibilitatea de transmitere bidirectionala a informatiilor (de intrare sau iesire din UCP).

Magistrala de control contine o diversitate de linii de control si sincronizare, unele fiind doar unidirectionale (intrare sau iesire din UCP), iar altele permitand transferul bidirectional de semnale. Aceasta magistrala cuprinde semnale de control cu functii diferite de la un tip de UCP la altul.

04/18/23 18

Memoria cache

•Viteza UCP este superioara vitezei memoriei principale, astfel ca dupa initierea unui ciclu de acces la memorie, UCP trebuie sa ramâna inactiv un timp, asteptând raspunsul acesteia.

•Memoriile rapide sunt realizabile din punct de vedere tehnologic, dar costul lor este ridicat. Sunt cunoscute însa tehnici pentru combinarea unei memorii rapide de dimensiuni mici cu o memorie mai lenta de dimensiuni mai mari, pentru a se obtine aproximativ viteza memoriei rapide şi capacitatea mare a memoriei lente, la un pret moderat.

•Memoria rapida de dimensiune mica se numeste memorie cache (din limba franceza: cacher - a ascunde).

04/18/23 19

Principiul memoriei cache este ilustrat mai jos.

UCP

Memoria Cache

Memoria principala

Transferuri de cuvinte

Transferuri de blocuri (de K cuvinte)

04/18/23 20

Mecanismul memoriei Cache

•Memoria cache contine o copie a unor parti din memoria principala. Atunci când UCP încearca citirea unui cuvânt din memorie, se testeaza daca respectivul cuvânt se afla în memoria cache. În caz afirmativ, cuvântul este furnizat UCP. În caz contrar, se încarca în memoria cache un bloc al memoriei principale, constând dintr-un numar fix de K cuvinte, iar apoi cuvântul este transmis UCP.

•Circuitele de control ale memoriei cache pot fi construite pe acelasi chip ca si UCP sau pot fi externe UCP. Exista si variante mixte cu doua niveluri de memorie cache, un nivel (L1) intern UCP si celalalt (L2) extern UCP. Memoriile cache interne au dimensiuni de ordinul sutelor de Kbytes, iar memoriile cache externe au valori de ordinul Mbytes. Indiferent de de varianta de procesor, dimensiunea memoriei cache se incadreaza ca si capacitate intre a zecea si a mia parte din capacitatea memoriei principale

04/18/23 21

Categorii de componente ale unui calculator numeric cu procesor INTEL

Componentele unui calculator numeric cu procesor INTEL apartin uneia dintre urmatoarele categorii:

componente hardware, care reprezinta o colectie de componente mecanice, electrice si electronice, adica ansamblul de dispozitive care alcatuiesc calculatorul;

componente software, care reprezinta ansamblul de programe care fac posibila realizarea functiilor de prelucrare a datelor, textelor, imaginilor, sunetelor etc, şi care constituie suportul logic de functionare al unui calculator ;

componente firmware, care reprezinta setul de programe sau date inregistrate în memoria ROM (Read Only Memory) de catre producatorul sistemului de calcul ; aceasta componenta este o combinatie de software si hardware, reprezentând partea de software integrat în hardware, prin metoda microprogramării.

04/18/23 22

Principalele componente hardware ale un calculator numeric cu procesor Intel

unitatea sistem (system unit), care reprezinta partea principala a calculatorului; aceasta componenta include urmatoarele:

placa de baza (motherboard);procesorul (CPU sau Central Processing Unit);memoriile de tip ROM (Read Only Memory) si RAM (Random Access Memory);unitati de stocare fixa (HDD sau Hard Disk Drive); unitati de stocare mobila (Floppy Disk Drive, CD);

dispozitive periferice de intrare/iesire, care includ urmatoarele:tastatura (keyboard) si mouse-ul, folosite ca dispozitive de intrare (citire);monitorul si imprimanta, folosite ca dispozitive de iesire (scriere).

04/18/23 23

Descrierea schematica a componentelor hardware de baza

Video Card (placa video) Hard Disc Drive (HDD)

LPT(imprimanta)

COM (mouse, modem)

Interfata video (AGP) Interfata IDE (33,66,100 MHz) PorturiUSB

Magistrala sistem (system bus sau FSB) (66, 100, 200, 266, 400, 466 MHz etc)

Procesor (CPU)(100-3000 MHz)

Memoria de tip RAM (Random Access Memory sau volatila)

Magistrale (bus) tip PCI si/sau ISA

modem SoundCard (placa de sunet)

Netvork card (placa de retea)

Cache

Memoria de tip ROM (Read only Memory sau nevolatila)

04/18/23 24

Placa de baza (motherboard)Este principala placa de circuite electronice din interiorul calculatorului. Aceasta determina configuratia si posibilitatile calculatorului (viteza maxima a CPU, viteza magistralei sistem, numarul si calitatea placilor de extensie, tipul de memorie de tip RAM, etc.).

Pe placa de baza se afla urmatoarele:

socket-ul procesorului, in functie de al carui model si de plaja tensiunilor de alimentare a procesorului se alege tipul de procesor suportat;

conectori de extensie (expansion slots) si placile de extensie (expansion cards) care se conecteaza in acestia (placi video, placi pentru retea, modem, placi de sunet, placi de achizitie de imagine etc); in prezent cele mai raspindite sloturi sint de tip PCI (Peripheral Component Interconnect) si AGP (Accelerated Graphics Port) iar pentru placile de baza mai vechi apar si sloturile ISA.

04/18/23 25

conectori pentru memorie, care sint prezenti in grupuri de 2 - 4 sloturi, alaturate in functie de varianta constructiva;

conectori pentru unitatile de stocare mobile sau fixe;

componenta BIOS (Basic Input/Output System), care este un soft special, microprogramat, ce se afla pe un chip ROM; permite microprocesorului sa controleze celelalte parti hardware ale sistemului (monitorul, imprimanta, tastatura etc) sau sa comunice cu acestea; este creata de producatorii calculatorului si este inscrisa (definitiv sau cu posibilitati de modificare) in memoria de tip ROM;

porturi seriale sau paralele - la care se pot adauga periferice precum imprimante sau mouse-uri, porturi PS/2 sau USB necesare pentru cuplarea tastaturilor, mouse-urilor, unitatilor de CD, imprimantelor si a altor dispozitive periferice.

04/18/23 26

Procesorul (CPU sau Central Processing Unit)

Principalele tipuri de procesoare Intel care au existat si exista in prezent sunt: tip 8088/8086 sau XT; 80186, 80286 sau AT; familia 386 care cuprinde procesoarele: 80386, 386DX, 386SX, 80486, i486DX, i486SX, Pentium, Pentium II, Pentium III, Pentium 4; Itanium si Itanium II (2002)

Performanta procesorului este data in primul rand de viteza de lucru (frecventa de lucru), masurata în MHz şi care determina executia a  câtorva milioane de instructiuni pe secundă; primele microprocesoare aveau frecventa de lucru de 4MHz(8088), 8MHz(80186), 16MHZ(80286), 30 MHz(80386) ; astăzi procesoarele actuale lucreaza cu frecvente mari de 1000 MHz, aceasta datorandu-se faptului că modernizarea lor este tot timpul in atentia proiectantilor şi producatorilor, dar şi pentru ca acestea incorporeaza aşa-numitul coprocesor matematic ce mareste viteza de lucru la executia operatiilor aritmetice cu numere reale.

04/18/23 27

Memoriile de tip ROM (Read Only Memory) si RAM (Random Access Memory) :

memoria de tip ROM (Read only Memory), in care este inregistrat BIOS-ul; acesta memorie nu poate fi stearsa, si este insensibila fata de curentul electric (continutul memoriei se pastreaza chiar si atunci cand nu este alimentata cu energie). Memoria de tip ROM a suferit o serie de modificari care au dat posibilitatea rescrierii de catre utilizator a BIOS-ului; astazi, exista o multitudine de astfel de memorii ROM programabile (PROM, EPROM, etc) prin diverse tehnici, mai mult sau mai putin avantajoase in functie de gradul de complexitate al operarii acestora; scrierea acestor memorii nu este posibila in timpul utilizarii obisnuite a computerului.

memoria de tip RAM (Random Access Memory) reprezinta memoria principala (operativa) a calculatorului; este memoria care poate fi citita ori scrisa in mod aleator; de fapt, este memoria de lucru a calculatorului folosita pentru prelucrarea si stocarea tempoarara a datelor, pentru executia unor programe; continutul memoriei RAM nu se pastreaza atunci cand nu este alimentata cu energie

04/18/23 28

Bibliografie:

1. Arhitectura calculatoarelor, Baruch, Z. F., Editura TODESCO, Cluj-Napoca, 2000, http://users.utcluj.ro/~baruch/ac_frame.html

2. Arhitectura Calculatoarelor si Sisteme de Operare, curs Univ. Bucuresti http://inf.ucv.ro/~boboila/courses/CB1104/

3. Procesoare INTEL. Programare in limbaj de asamblare, Lungu, V., Editura Teora, Buc., 2004.

4. Arhitectura microprocesoarelor, Romanca, M., Editura Universitatii “Transilvania” din Brasov, 2004