ESC_Curs_v2.pdf

Elemente de tiina Calculatoarelor Curs

1

Elemente de tiina Calculatoarelor

~ curs ~


2

Cuprins 1. Dispozitive universale de calcul ...................................................................................................... 3

1.1 Introducere ................................................................................................................................... 3

1.2 Teoria informaiei ......................................................................................................................... 3

2. Istoria calculatorului ....................................................................................................................... 5

2.1 Principii generale .......................................................................................................................... 5

2.2 Evoluia sistemelor de calcul ......................................................................................................... 5

3. Arhitectura calculatoarelor ............................................................................................................. 8

3.1 Organizarea general a unui sistem mono-procesor .................................................................... 8

3.2 Structura hardware a unui sistem de calcul ............................................................................... 12

3.2.1 Unitatea Central (procesorul) ............................................................................................ 13

3.2.2 Memoria intern .................................................................................................................. 13

3.2.3 Echipamentele periferice ..................................................................................................... 14

3.2.4 Memoria extern ................................................................................................................. 14

ANEXA 1 ............................................................................................................................................ 18

3.3 Structura software a unui sistem de calcul ................................................................................. 18

3.3.1 Dezvoltarea aplicaiilor ........................................................................................................ 18

3.3.2 Tipuri de software ................................................................................................................ 19

3.3.3 Fiiere i directoare ............................................................................................................. 20

ANEXA 2 ............................................................................................................................................ 22

3.4 Interaciunea dintre elementele componente ale unui sistem de calcul ................................... 22

3.5 Legea lui Moore .......................................................................................................................... 23

4. Funcionarea calculatoarelor ........................................................................................................ 25

Secvena de pornire .......................................................................................................................... 25

ANEXA 1 ................................................................................................................................................ 26

ANEXA 2 ................................................................................................................................................ 35


3

1. Dispozitive universale de calcul

1.1 Introducere

Un sistem de calcul (calculatorul) trebuie s ofere urmtoarele funcionaliti:

cum s adune / scad dou numere;

cum s nmuleasc / mpart dou numere;

cum s ordoneze alfabetic;

nu trebuie proiectat sau cumprat un calculator nou pentru fiecare nou operaie care

trebuie rezolvat;

dac este definit un alt set de instruciuni acelai calculator trebuie s opereze cu ele.

Termenul de sistem de calcul reprezint o combinaie de componente hardware i

software. Un sistem de calcul tipic conine o memorie i un set de stri care definesc legtura

dintre intrrile i ieirile sistemului. Pe parcursul acestei lucrri s-a folosit pentru simplitate n

loc de sistem de calcul noiunea de calculator. Pe lng calculator ns, sisteme de calcul mai

pot fi: sisteme dedicate din aparatele electrocasnice, din automobile, dispozitive PDA

(Personal Digital Assistants), etc.

Un calculator este un echipament capabil s proceseze informaii. Viteza sa i gradul de complexitate al calculelor efectuate depete posibilitile creierului uman. Calculatoarele proceseaz datele prin intermediul unor seturi de instruciuni denumite programe (sau aplicaii).

1.2 Teoria informaiei Primele calculatoare construite erau foarte diferite de cele de astzi. Nu doar ca

dimensiuni i capacitate (care depind doar de tehnologie), ci referitor la structura lor

fundamental. Acele calculatoare erau construite pentru a rezolva o singur problem; nu

erau universale. Ele constau dintr-o colecie de uniti funcionale, care puteau face calcule

simple. Programatorii aveau sarcina de a conecta unitile funcionale ntre ele cu

fire (srme), pe care le inserau manual n tot felul de mufe. De exemplu, dac vroiau s

calculeze (a+b)2, programatorii luau o unitate care fcea adunri i una care fcea nmuliri i

le cuplau ca n figura de mai jos:

Ideea de a descrie un program folosind un limbaj (i nu prin conexiuni ntre uniti

funcionale) este mai veche; n 1936 Alan Turing folosise noiunea de main Turing


4

universal (U) pentru a descrie un calculator universal, care poate executa orice program.

Programele erau stocate n memoria calculatorului, reprezentate ca iruri de numere. Maina

Turing (T) este un calculator abstractizat compus din urmtoarele piese:

1. O band infinit de hrtie cu ptrele; n fiecare ptrel se poate; n fiecare ptrel

se poate scrie exact un caracter din alfabetul nostru; banda este iniial plin cu

spaii, mai puin partea de nceput, unde este scris irul cu datele de intrare

memorie cu acces liniar.

2. Un cap de citire-scriere, care se poate mica deasupra benzii, la stnga sau la dreapta.

3. Unitatea de control, care conine un numr finit de reguli. Unitatea de control este la

fiecare moment dat ntr-o anumit stare; strile posibile sunt fixate dinainte i sunt n

numr finit.

Orice alte modele de calcul care au fost propuse de-a lungul timpului, au fost dovedite a

fi mai puin expresive, sau tot att de expresive ct maina Turing. Nimeni nu a fost n stare,

pn n prezent, s demonstreze c maina Turing are limitri: adic, dispunnd de operaii

elementare capabile s exprime orice algoritm s ofere ceva care sa poat fi construit, i s

poat face lucruri pe care maina Turing nu le poate face.

Complexitatea unui model de calcul prin prisma modelului Turing, se definete prin:

Timpul de calcul pentru un ir dat la intrare, este numrul de mutri fcut de

maina Turing nainte de a intra n starea terminat.

Spaiul consumat pentru un ir de intrare, este numrul de csue de pe band pe

care algoritmul le folosete n timpul execuiei sale.


5

2. Istoria calculatorului

2.1 Principii generale

Exceptnd abacul (strmoul socotitoarei folosit pentru prima dat, cu peste 2000 de

ani n urm n China), se poate spune c mainile de calcul au aprut cu mult (300 de ani)

naintea calculatoarelor de azi. Acestea pot fi clasificate n:

Dispozitive analogice (msurarea unor cantiti fizice cum ar fi tensiune, curent).

Maini de adunat, nmulit folosind diverse rigle gradate logaritmice. Sunt

caracterizate de acuratee sczut (ex: ceasul).

Dispozitive digitale (calculeaz manipulnd un set finit de digii sau caractere).

2.2 Evoluia sistemelor de calcul

Prima main de calcul funcional a fost construit de ctre Blaise Pascal n anul

1642. Reprezenta o socotitoare mecanic, construit din roi dinate i o manivel, cu

care se puteau efectua adunri i cderi.

n anul 1674, Gottfried von Leibniz a construit o main de calcul care pe lng

adunri i scderi efectua i nmuliri i mpriri. Cutnd s simplifice mecanismele

de efectuare a calculelor a considerat cel mai potrivit sistemul binar de numeraie.

Charles Babbage a proiectat n 1840 prima main analitic de uz general, care (dac

ar fi fost posibil construirea ei) ar fi fost programabil, avnd patru componente

principale: magazia (memoria), moara (unitatea de calcul), seciunea de intrare

(cititorul de cartele) i seciunea de ieire (perforatorul sau imprimanta).

n 1854 matematicianul englez George Boole a inventat calculul logic care folosete

numai dou valori (adevrat i fals) cu care se pot efectua operaii de tip AND, OR i

NOT. Aceste funcii (operatori), numite ulterior algebr boolean, pot fi uor simulate

cu ajutorul unei reele de comutatoare.

Konrad Zuse (student german) a creat la sfritul anilor 1930 o serie de maini de

calcul folosind relee electromagnetice.

Calculatoarele electronice au fost iniial propuse sub forma unui aparat abstract

(descriere matematic) care poate realiza sau simula orice tip de main mecanic.

Forma teoretic a fost introdus de Alan Turing n 1936 la Universitatea Cambridge

sub denumirea de maina Turing universal.

Dezvoltarea dispozitivelor de calcul a fost influenat de cel de-al doilea rzboi

mondial prin ncercrile de calcul a traiectoriilor rachetelor prin proiectele Collosus i

Eniac i respectiv de decodare a codului Enigma folosit de Germania pentru protecia

mesajelor. Primul calculator digital de succes, ENIAC (Electronic Numeric Integrator

and Computer) nlocuiete releele electromagnetice cu tuburile electronice. A fost

construit n 1946 de John Mauchly i Presper Eckert de la Universitatea Pensylvania

i coninea 18000 de tuburi electronice i 1500 de relee. Cntrea 20 de tone, avea 20

de regitri, care reineau fiecare cte un numr zecimal de 10 cifre, era programat

prin intermediul a 6000 de comutatoare i era posibil efectuarea a pn la 500 de

adunri sau scderi i 300 de nmuliri pe secund. A fost folosit de armata american

pn n 1952.


6

n anii '40, matematicianul John von Neumann analizeaz starea de fapt a

calculatoarelor i scrie n 1945 un raport intitulat First Draft of a Report on the

EDVAC (Prima ciorn a unui raport despre EDVAC Electronic Discrete Variable

Automatic Computer), n care sugereaz o arhitectura revoluionar. n aceast

arhitectur, programul nu mai este reprezentat de felul n care sunt cuplate unitile

funcionale, ci este stocat n memorie, fiind descris folosind un limbaj numit cod-

main. n cod-main, operaiile de executat sunt codificate sub forma unor numere

numite instruciuni. Programul de executat este descris printr-un ir de instruciuni,

care se execut consecutiv. Pe lng unitile funcionale care fac operaii aritmetice,

calculatorul mai are o unitate de control, care citete secvenial instruciunile

programului i care trimite semnale ntre unitile funcionale pentru a executa aceste

instruciuni. Rezultatele intermediare sunt stocate n memorie. Aceast arhitectur se

numete von Neumann:

Marea majoritate a calculatoarelor din ziua de azi sunt bazate pe aceast arhitectur;

noiunea de limbaj-main, i cea nrudit, de limbaj de programare, folosite pentru

descrierea programelor, sunt concepte foarte naturale pentru toi cei care manipuleaz

calculatoarele. Von Neumann propune calculatorul s fie vzut ca sistem de procesare

a informaiei (bazat pe procesor CPU), adic un mecanism care direcioneaz dar

i realizeaz procesarea informaiei.

Apariia tranzistorului, nlocuitorul tuburilor electronice a generat nceputul celei

de-a doua generaii de calculatoare electronice, a minicalculatoarelor (1955-1965).

PDP-1, realizat de firma Digital Equipment Corporation este un reprezentant al

acestor calculatoare. Fa de cel mai rapid calculator din lume la acea dat, IBM 7090,

un calculator cu tranzistori, PDP-1 era de 2 ori mai rapid i de 9 ori mai ieftin.

A treia generaie (1965-1980) a debutat prin inventarea de ctre Robert Noyce a

circuitului integrat de siliciu care permitea montarea pe o singur pastil de siliciu

numit cip, de civa centimetri ptrai, a zeci, apoi mii de tranzistoare. Descoperirea

cipului a permis constructorilor de calculatoare s creeze maini mai mici, mai rapide

i mai ieftine dect cele precedente. A aprut noiunea de familie de calculatoare:

maini care au acelai limbaj de asamblare dar au puteri (performane) i capaciti

diferite. S-a introdus noiunea de multitasking; aceasta implic existena n memorie a


7

mai multor programe n acelai timp: cnd unul dintre ele ateapt terminarea unei

operaii de intrare / ieire, un altul poate efectua calcule.

A patra generaie de calculatoare (ncepnd cu 1980) poart amprenta circuitelor

integrate pe scar larg VLSI. Aceast tehnologie a permis a permis plasarea pe un

singur cip a sute de milioane de componente electronice elementare. Datorit preului

sczut al calculatoarelor s-a creat posibilitatea achiziionrii acestora de fiecare

persoan; a nceput perioada calculatoarelor personale (PC). Procesoarele anilor 80

erau construite din 10 sau mai multe plci electronice, fiecare de dimensiuni 18

(inch) i coninnd 50 sau mai multe componente electronice integrate. La nivelul

anilor 2000 procesoarele sunt integrate pe o singur pastil de siliciu de dimensiune

sub 1 (inch). n cazul microprocesoarelor, gradul de integrare al tranzistorilor pe cip

crete cu cca. 55% pe an. Tehnologia de integrare a microprocesoarelor a evoluat de

la 10 microni (1971) la 0.18 microni (2001), la 0.13 microni (2003) versiunea

Northwood a procesorului Intel Pentium 4 i 0.09 microni (2004) versiunea Prescott

a aceluiai procesor. Frecvena ceasului crete i ea cu cca. 50% pe an.


8

3. Arhitectura calculatoarelor

3.1 Organizarea general a unui sistem mono-procesor Un sistem de calcul este format dintr-un calculator numeric i diferite dispozitive

periferice. Schema-bloc:

Blocul notat CPU (Control Process Unit) constituie unitatea de control a procesrii

informaiei. Din punct de vedere fizic, acest bloc este construit n jurul unui microprocesor.

El este racordat la magistralele sistemului (trasee fizice de circuit imprimat, fire electrice,

fibre optice, benzi radio etc.), notate AD (Address Bus), DB (Data Bus) i respectiv CB

(Control Bus), prin intermediul crora comunic (prin semnale electrice sau electromagnetice)

cu alte subsisteme. Magistrala de date transfer informaia util ntre subsistemele

componente. Aceast informaie, denumit adesea i dat, este formalizat la nivelul biilor

(unitile informaionale). Astfel, o dat este definit printr-un ansamblu de bii, fiecare bit

fiind modelat, cel mai adesea, prin intermediul unei tensiuni electrice. n acest scop se

utilizeaz doar dou nivele de tensiune: nivelul zero (0) i respectiv nivelul unu (1). Deoarece

se lucreaz doar cu dou nivele, logica de implementare este logica binar.

Nivelele 0 i 1 mai sunt numite i nivele logice. Uzual, tensiunea electric ataat

nivelului 1 logic este mai nalt (de exemplu +5V) comparativ cu tensiunea ataat nivelului 0

logic (de exemplu 0V sau chiar -5V). Din acest motiv, nivelul 0 logic se numete si nivel low

(jos) n timp ce nivelul 1 logic se numete i nivel high (sus). O astfel de logic se numete

logic pozitiv. Exist i posibilitatea lucrului sub logic negativ, caz n care semnificaia

fizic a nivelelor logice se inverseaz.

O magistral se caracterizeaz prin lime (width - numrul traseelor electrice sau

electromagnetice pe care se poate transmite la un moment dat ansamblul de bii sub forma

unor nivele ridicate sau coborte de tensiune, de obicei n paralel, sincronizat; exista i

magistrale seriale).


9

Magistrala de date este cea care caracterizeaz cel mai adesea un microprocesor.

Astfel, vorbind de un microprocesor pe 8 bii ne referim n fapt la limea magistralei lui de

date.

Magistrala de adrese asigur transferul informaiei de adresare a datelor. Informaia

binar de adresare este, din acest punct de vedere, o informaie auxiliar. Limea magistralei

de adrese este de asemenea multiplu de 8, cel mai adesea ea fiind dubl fa de cea a

magistralei de date.

Magistrala de control asigur transferul semnalelor de comand dinspre blocul master

(microprocesorul) ctre blocurile slave (subsistemele) i respectiv a semnalelor de reacie

dinspre blocurile slave ctre cele master. Pentru limea magistralei de control nu se poate

preciza o regul, aa cum s-a vzut la magistralele de date i de adrese, de la caz la caz

sistemele numerice putnd deine un numr diferit de linii de control.

Ca organizare general, independent de tehnologia de realizare, resursele fizice

(hardware) ale unui calculator numeric mono-procesor cuprind:

a) Procesorul. Procesorul central (de uz general) al unui calculator este numit Unitate

Centrala de Prelucrare (UCP) i este format din cale de date i unitate de control. Calea

de date cuprinde unitatea aritmetic i logic (ALU - Arithmetic and Logic Unit), setul de

registre interne, eventuale blocuri de memorie temporar i magistralele interne

procesorului, necesare transferului informaiei. Componentele cii de date execut, n

fiecare moment, operaii elementare conform comenzilor primite de la Unitatea de

Control (UC). Unitatea de control a procesorului este automatul care, n funcie de

informaiile primite din exterior, comand celelalte uniti funcionale ale procesorului,

cu scopul execuiei instruciunilor.

b) Memoria principal (numit i memorie intern sau memorie operativ). Este

adresabil, prin adres lansat de UCP, la nivel de cuvnt (octet sau multiplu de octet) i

este selectat i prin semnale de comand de ctre procesor. n memoria principal, dac

se consider arhitectura cu memorie unic de date i instruciuni, se stocheaz

instruciunile programelor rulate de procesor i se pot scrie/citi date aferente programelor.


10

Este o memorie de tip semiconductor, putnd fi memorie doar cu citire (ROM - Read

Only Memory), sau memorie cu citire scriere (RAM - Random Access Memory). Din

punctul de vedere al modului de funcionare i construcie al celulelor de memorie se pot

folosi dou tipuri de memorie RAM semiconductoare: RAM static i RAM dinamic.

c) Sistemul de intrare / ieire. Sistemul de intrare - ieire este, "poarta" prin care se face

legtura calculatorului cu lumea extern, pentru a citi i furniza date. Echipamentele

cuplate la acest sistem sunt numite echipamente periferice, iar conversaia ntre

calculator i aceste echipamente se face prin logic adresabil. Fiecare circuit de

comunicare cu exteriorul adresabil printr-o adres unic, este numit "port". Dintre

echipamentele periferice standard pentru un calculator de uz general amintim: tastatura,

echipamentul de afiare alfanumeric (display) i memoria extern (hard-disc - HDD).

Dup cum se observ din figura de mai jos, Unitatea de Control i Calea de date

(registre, ALU, registre de adresare, registre de interfa cu magistralele) formeaz Unitatea

Central de Procesare - UCP (procesorul calculatorului numeric). Calculatorul numeric

cuprinde cel puin o unitate UCP i memoria principal.

Toat aceast structur hardware a procesorului (fix - ncastrat n siliciu) poate

realiza funciuni pentru utilizatorul uman, prin aplicaii dedicate, doar dac pe suportul

hardware se execut un set coerent de instruciuni care indic funciile elementare ce trebuie

executate de suportul hardware. Funciile pot fi foarte diverse i de aceea se poate spune c

instruciunile ce alctuiesc un program realizeaz o reconfigurare logic periodic a cii de

date a procesorului, pentru a se realiza funciunile cerute. Pentru a prezenta la modul foarte


11

general informaii elementare ce se vehiculeaz ntre procesor i memoria principal n figura

de mai jos, se prezint schematic interaciunea dintre principalele componente ale unui

procesor i memoria principal (extern procesorului). Informaiile principale pe care

procesorul le schimb cu exteriorul sunt: date (operanzi i rezultate) , instruciuni, adrese,

informaii de control.

Toate acestea se transmit ca semnale electrice prin linii conductoare grupate n

magistrale. n mod tradiional, aa cum s-a discutat mai sus, magistralele externe procesorului

sunt clasificate n:

magistral de date (data bus);

magistral de adrese (address bus);

magistral de control (control bus).


12

3.2 Structura hardware a unui sistem de calcul n general un sistem de calcul are o structur similar cu cea din figurile de mai jos:


13

Orice calculator are 2 mari pri:

aparatura propriu-zis, (hardware):

o unitatea central;

o memoria;

o echipamentele periferice;

programele de lucru, (software):

o programe sistem (MS-DOS, UNIX, Windows);

o aplicaii.

3.2.1 Unitatea Central (procesorul)

Microprocesorul este practic creierul unui calculator. Procesorul este acea component care prin intermediul instruciunilor unui program permite realizarea unor

operaii aparent simple: adunare, scdere, operaii logice etc. O unitate centrala nglobat ntr-

un singur circuit integrat la scara foarte mare (aa-numit VLSI - "Very Large Scale

Integration") se numete microprocesor, iar calculatorul care l are, microcalculator. Este i

cazul calculatoarelor din familia IBM-PC, care au la baz un microprocesor din seria 8086 a

firmei INTEL.

3.2.2 Memoria intern

Memoria este zona de lucru a calculatorului. Putem face o analogie cu bancul de lucru al unui meseria. La fel cum dimensiunea acestuia l limiteaz pe meseria n ceea ce poate

face, i dimensiunea memoriei impune un anumit gen de aplicaii care pot fi realizate de

respectivul sistem de calcul.

Capacitatea memoriei interne a unui calculator se msoar n octei. Un octet (byte)

reprezint cantitatea de memorie necesar pentru stocarea unui caracter (o liter, cifr sau

semn de punctuaie). n mod uzual se folosesc multiplii octetului: kilobyte-ul (KB),

megabyte-ul (MB).

1 kilobyte (kB) = 1024 bytes (210 bytes)

1 megabyte (MB) = 1024 kbytes (210 kB);

1 gigabyte (GB)=1024 Mbytes ((210MB);

1 terrabyte (TB)= 1024 Gbytes (210 GB);

1 petabyte (PB)=1024 Tbytes (210 TB);

1 exabyte (EB)=1024 Pbytes (210 PB);

Memoria este locul unde procesorul gsete programele i datele atunci cnd i

ndeplinete sarcinile:


14

Datele supuse prelucrrii sunt introduse n sistemul de calcul sub form de caractere

(litere, cifre, caractere speciale). Sistemul de calcul nu recunoate dect datele binare, datorit

structurii sale funcionale bazate pe circuite electronice care nu pot avea la ieire dect dou

stri distincte (prezena sau absena unei tensiuni electrice), asimilate sistemului de

numerotaie binar (0 i 1).

Reprezentarea n memorie a datelor/informaiilor se realizeaz la nivel de:

byte (octet);

cuvnt de memorie reprezentat prin doi bytes (16 bii);

dublu cuvnt reprezentat prin patru bytes (32 bii);

cvadruplu cuvnt reprezentat prin opt bytes (64 bii);

Unitatea de comand i control privete memoria ca fiind o colecie de locaii binare,

identificabile printr-o adres unic, specific fiecrui grup de cte 8 bii; la nivelul

programelor, acestor adrese li se asociaz variabilele cu rol de adrese simbolice.

3.2.3 Echipamentele periferice

Acestea mai sunt numite i echipamente de intrare - ieire, permind dialogul i schimbul de informaii ntre calculator i utilizatorul uman, ca i interfaarea cu lumea

nconjurtoare.

Categorii de echipamente periferice:

de intrare:

o tastatura;

o mouse-ul;

o scanner-ul;

de ieire:

o monitorul;

o imprimanta;

o plotter-ul.

Tot din cadrul echipamentelor periferice fac parte i dispozitivele suport de memorie

externa.

3.2.4 Memoria extern

Aceasta are dimensiune mult mai mare dect memoria intern, permind stocarea informaiilor care urmeaz s fie ncrcate n memoria interna pentru a deveni astfel

utilizabile.

Se cunosc mai multe tipuri de suporturi de memorie extern:

hrtie;

casete sau benzi magnetice;

discul magnetic (floppy, hard-disk, CD-ROM, disc optic, disc cartridge etc.).


15

3.2.4.1 Organizarea discurilor dure

Principalul suport de memorie externa n cazul sistemelor compatibile IBM-PC este discul magnetic.

Discurile magnetice pot fi:

discuri flexibile (floppy);

discuri fixe (hard Hard Disk Drive, disc dur sau nvechit disc Winchester);

Pentru toate discurile (exceptnd cele optice) tehnologia de scriere const n

nregistrarea magnetica.

Discurile magnetice sunt exploatate prin intermediul unitilor de disc. Interfaa dintre

placa de baza i unitatea de disc este realizata de cuplorul de disc. Fizic, acesta poate fi fie o

cartela separata legata la magistrala sistemului printr-un slot, fie se afla pe aceeai placa

mpreuna cu interfeele seriale i paralele formnd aa-numita placa "multi I/O". Cuplorul de

disc este comandata printr-un circuit integrat inteligent numit controller de disc.

3.2.4.2 Structura fizica a discului

Capacitatea unui disc depinde att de aspecte hard cum ar fi calitatea discului sau performantele unitii de disc (de ex. un disc Floppy de 3.5" care uzual are 1.44 MO poate

avea pe uniti speciale, capacitate dubla, respectiv 2.88 Mo), cit i de aspecte soft care in de

componenta DOS1 a sistemului de operare.

Pentru a putea fi utilizat, un disc trebuie pregtit de ctre sistemul de operare sub care

va fi utilizat. Sub MS-DOS2 acest lucru se realizeaz cu ajutorul comenzii "FORMAT". n

timpul formatrii pe suprafaa discului sunt trasate piste concentrice numerotate ncepnd cu

cea dinspre exterior, iar fiecare pista este mprit n sectoare.

Fiecare sector are un antet n care este nscris numrul sectorului n cadrul pistei.

1 Disk Operating System familie de sisteme de operare nvechite, care foloseau modul de interfa text cu

utilizatorul (fr interfa grafic). 2 Sistem de operare nvechit de la Microsoft, de tip DOS.


16

Pistele i sectoarele de pe un disc.

Daca sectorul este depistat ca defect n el este nscris o informaie suplimentara care

previne utilizarea lui. Numrul de piste i numrul de sectoare pe pista este stabilit la

formatare, funcie de tipul unitii fizice n care se formateaz discul, de capacitatea discului

i de parametrii furnizai comenzii "FORMAT". Dimensiunea unui sector este de 512 octei.

Numrul sectorului nscris la formatare este cuprins intre 1 i numrul de sectoare pe pista.

(Sectorul zero de pe fiecare pist este rezervat pentru identificare, nu pentru stocarea datelor).

Pistele sunt numerotate de la 0 la nr_maxim_de_piste-1. Numrul de fee formatate este egal

cu numrul de capete de citire/scriere cu care este prevzuta unitatea fizica i sunt numerotate

de la 0 la numar_maxim_de capete_de_citire - 1. Discul flexibil poate fi formatat pe o faa sau pe ambele fete, dup cum unitatea de

disc are unul sau doua capete de citire (cazul unitilor floppy existente n laborator !!). Discul fix este format din mai multe platane suprapuse. Pentru fiecare faa a unui platan se gsete un cap de citire / scriere.

Fiecare faa este formatata de capul corespunztor, n piste i sectoare. Pistele care au acelai numr de pe fiecare platan (adic se afla pe aceeai raza faa de axul de rotaie)

formeaz un cilindru. Numrul de cilindri este egal deci cu numrul de piste stabilit la

formatare.


17

3.2.4.3 Exemplificare

S presupunem c un disc are ase fee, numerotate de la 0 la 5 i s considerm fiecare

a 26-a pist (pista 26 de pe faa 0, pista 26 de pe faa 1, .....). Acest set de ase piste care se

afl fiecare la aceeai distan fa de centrul discului, sunt denumite al 26-a cilindru. (n

realitate acesta va fi identificat ca fiind cilindrul 25 ntruct numerotarea cilindrilor ncepe de

la 0).

Pe un hard disc, un cilindru include cte o pist de pe fiecare suprafa de nregistrare.

La o dischet, care nu are dect dou fee, un cilindru const ntotdeauna din dou piste, cte

una pe fiecare fa.

S nmulim deci numrul de fee cu numrul de piste de pe o fa i cu numrul de

sectoare de pe pist. Rezultatul obinut reprezint numrul total de sectoare de pe disc.

nmulind i acest numr cu numrul de octei de pe un sector (de obicei 512), vom

obine capacitatea brut a discului.

3.2.4.4 Formatarea fizic i logic a discurilor

Formatarea unui disc necesit dou etape: formatarea fizic;

formatare logic.

Formatarea fizic (low level format) const n crearea sectoarelor fizice pe disc.

Sectoarele sunt create, completate cu mrcile de adres (care sunt folosite pentru identificare)

i cu poriunea de date.

Formatarea logic reprezint adaptarea discului la cerinele sistemului de operare. Dac

un disc este formatat pentru sistemul de operare MS-DOS, atunci va fi creat i o structur de

disc corespunztoare acestui sistem de operare. Formatarea logic este "harta rutier" pe care

sistemul de operare o folosete pentru a se orienta pe disc.

3.2.4.5 Structura logica a discului

Feele i pistele sunt numerotate de la 0, iar sectoarele de la 1. Orice sector poate fi

identificat intr-un sistem de coordonate tridimensional (fata, pista, sector).

Pentru a organiza discurile, sistemul de operare MS-DOS le mparte n dou zone:

zona sistem, pe care DOS o folosete pentru a pstra informaii eseniale cu privire la

disc;

zona de date, care este folosita pentru stocarea datelor.

Zona de sistem utilizat de DOS este divizat n trei seciuni:

nregistrarea pentru ncrcarea sistemului de operare (sectorul de BOOT);

tabela de alocare a spaiului pe disc FAT (File Allocation Table);

catalogul fiierelor memorate pe disc (directory);

nregistrarea pentru ncrcarea sistemului de operare sau sectorul de BOOT este

memorat n sectorul 1 din pista 0, faa 0 a oricrui disc (MBR Master Boot Record).

Coninutul acestei nregistrri depinde de tipul discului: disc sistem sau disc ne-sistem.

Pentru un disc sistem aceasta nregistrare conine o secven de program care iniializeaz

procesul de ncrcare a sistemului de operare de pe disc. Pentru un disc ne-sistem,


18

nregistrarea conine o secven de program care afieaz un mesaj ce indica faptul ca discul

respectiv nu este un disc sistem i deci nu se poate ncrca sistemul de operare de pe acesta.

Fiierele care formeaz sistemul de operare nu ocupa o poziie fix pe disc, ns numele lor

apar ntr-o poziie fixa n catalogul de fiiere, ceea ce simplifica mult ncrcarea sistemului de

operare.

ncepnd cu versiunea 1.10 a sistemului de operare MSDOS, n nregistrarea pentru

ncrcare sistemului de operare sunt memorate o serie de informaii care descriu tipul discului

sau versiunea de sistem de operare sub care acesta a fost formatat. Poziie n sector Lungime Semnificaie

0 3 octei cod salt BOOT

3 8 octei identificator sistem de operare

11 2 octei numr de octei / sector

13 1 octei numr de sectoare / uniti de alocare

14 2 octei numr de sectoare rezervate pentru nregistrarea pentru

ncrcarea sistemului de operare

16 1 octei numr de copii pentru FAT

17 2 octei numrul de intrri n directorul rdcin

19 2 octei numr de sectoare / disc

21 1 octei tip disc (ID format)

22 2 octei numr de sectoare n tabela de alocare

24 2 octei numr de sectoare / pist

26 2 octei numr fee

28 2 octei numr de sectoare rezervate

ANEXA 1

3.3 Structura software a unui sistem de calcul Programele - software-ul - sunt cele care dau "via" unui calculator, ele fiind secvene de instruciuni care "instruiesc" componentele hardware ale sistemului de calcul.

Acestea pot fi de dou tipuri:

programe ale sistemului de operare;

programe de aplicaie.

Programele sistem sunt livrate de fabricantul sistemului de calcul i asigur

interaciunea dintre componentele acestuia.

Programele de aplicaie (sau utilizator) sunt realizate de programatori (utilizatorii

sistemului de calcul) i conduc la rezolvarea unor probleme concrete.

3.3.1 Dezvoltarea aplicaiilor

n prezent lumea calculatoarelor numerice este dominat de unitile centrale de

procesare (UCP) numite microprocesoare. Acestea constituie UCP nu numai pentru

calculatoarele personale, att de rspndite, dar i pentru supercomputere, staii de lucru,

calculatoare de bord la mijloacele de transport auto, aeronautice i spaiale, sau navale.


19

Principalele domenii de aplicare a UCP sub form de microprocesor integrat pe un singur

circuit integrat sunt:

Calculatoare desktop i staii de lucru (calculatoare de uz general ce se pot aeza

pe birou).

Servere de reele sau pentru Web.

Calculatoare integrate n sisteme dedicate aplicaiilor specifice.

Calculatoarele de tip desktop sunt construite pentru utilizare general, ct mai larg,

att n domeniul procesrii de tip text, sau baze de date ct i al realizrii de calcule

matematico-tiinifice, principalul scop urmrit fiind obinerea unui raport pre / performan

ct mai mic.

Calculatoarele de tip server, conin procesoare cu putere mare de calcul, sunt relativ

scumpe, ar principalele obiective ale proiectrii sunt furnizarea de servicii de calcul i de

transfer al fiierelor, cu asigurarea unei cantiti ct mai mari de operaii pe unitatea de timp.

Aceste calculatoare trebuie s prezinte n plus o mare siguran n funcionare i s aib

calitatea de scalabilitate (de extindere simpl a resurselor pe msura creterii cerinelor).

Sistemele cu calculator integrat aplicaiei (embedded) sunt sisteme pe baz de

microprocesor construite pentru a controla o funcie sau un domeniu de funcii particulare i

nu sunt proiectate pentru a fi programate de ctre utilizatorul final, aa cum se ntmpl de

exemplu cu un PC. Sigura interaciune cu utilizatorul se face n scopul realizrii funciilor

impuse sistemului aplicaiei. Pentru cele mai multe aplicaii aceste sisteme trebuie s

rspund n timp real la evenimentele din mediul extern.

Sistemele de acest tip au constrngeri mari de proiectare n ceea ce privete costurile,

consumul de putere i gabaritul. Au un domeniu de aplicaii extrem de vast:

Sistemele de comunicaii cu i fr fir (wireless).

Sisteme de transport (auto, feroviar, naval, aeronautic).

Aplicaiile casnice i electronica de larg consum.

Sistemele de control n industrie, finane.

Echipamente medicale

3.3.2 Tipuri de software

n ceea ce privete partea de program rulat pe suportul hardware exist mai multe

tipuri de programe rulate de un calculator numeric. Vom folosi termenul de "software",

mprumutat din limba englez prin care vom nelege totalitatea programelor de sistem i

aplicaii. Seturile de programe dintr-un sistem de calcul pot fi denumite dup utilizarea lor.

Astfel programele ce furnizeaz servicii utile tuturor proceselor i resurselor sistemului de

calcul, n mod general, sunt numite programe de sistem (software de sistem). Exemple de

software de sistem sunt: sistemele de operare, compilatoare, asambloare etc.

Exist ns i software - destinat programatorilor - software de asisten pentru

dezvoltarea aplicaiilor (numit uneori i software de aplicaii). Exemple de software de

asisten pentru dezvoltarea aplicaiilor: editoare de text, programe de proiectare asistat,

programe pentru baze de date etc.

O clasificare foarte general a sub-sistemului software al calculatorului numeric, sub

forma de niveluri ierarhice, este prezentat n figura de mai jos:


20

De observat c la sistemul de operare s-au trecut doar funciile principale, "vizibile"

utilizatorului:

administrarea sistemului de fiiere (administrarea memoriei auxiliare - MA);

gestiunea memoriei principale (MP) i asigurarea tehnicilor software pentru

implementarea memoriei virtuale;

gestionarea programelor de control (drivere) pentru dispozitivele de ntrare / ieire

(I/O).

n cadrul programelor de sistem, n afara sistemului de operare s-au specificat

programele de sistem ce ofer servicii generale programatorilor (compilatoare, asambloare,

editoare de legturi11, programe de depanare i corectare a erorilor, bibliotecari, etc.) Este

important de observat ca aceste programe nu fac parte din sistemul de operare, chiar daca

sunt furnizate n mod obinuit de productorii de calculatoare, mpreun cu sistemul de

operare. Sistemul de operare este, n general, acea poriune din software ce ruleaz n "kernel

mode" (mod nucleu) sau n mod supervizor. El este astfel protejat (ignorm aici procesoarele

ce nu ofer suport hardware suficient pentru rularea unui sistem de operare n mod protejat,

cum ar fi procesoarele Intel din seria 80x86 lucrnd n "mod real") mpotriva stricciunilor ce

ar putea fi provocate de programele de aplicaii sau de programele utilizator.

Tipurile de software incluse n categoria "software de asisten" se refer la resursele

logice numite adesea i programe utilitare pentru dezvoltarea de aplicaii.

Ultimul tip de software n clasificarea prezentat n figur este reprezentat de

programele utilizator ce rezolv anumite probleme specifice (software utilizator sau aplicativ).

3.3.3 Fiiere i directoare

Pentru a nelege cum sunt memorate datele pe un calculator, vor fi definite, n cele ce

urmeaz, urmtoarele noiuni:

Programul succesiune de instruciuni scrise ntr-un limbaj neles de calculator, ce

determin aciunea predeterminat a echipamentelor. Programele sunt stocate fizic sub

form de fiiere i ele pot fi:


21

programe sistem (absolut necesare pentru ca un calculator s funcioneze

eficient; ex. sistemul de operare, programele de gestionare a memoriei);

programe utilitare (folosite pentru ntreinerea calculatorului (ex. SCANDISK,

DEFRAG,FDISK, FORMAT);

programe de aplicaii (ajut la efectuarea unui anumit gen de lucrri: prelucrri

de texte, analiz financiar, proiectare asistat de calculator, etc.)

Fiierul reprezint o colecie de informaii stocate sub o anumit form, specific

tipului de fiier. Un fiier are urmtoarele elemente definitorii:

Numele succesiune 1-8 caractere la MS-DOS i 1-255 caractere la MS

Windows 95/98.

Caracterele pot conine litere, cifre i simboluri speciale (~!#^&$%-(){}). Sub

MS-DOS numele nu poate avea spaii, la Windows acest lucru fiind permis.

Windows este case-sensitive (litera minuscul este considerat diferit de

litera majuscul), MS-DOS nu.

Unele simboluri speciale din numele fiierului poart numele de caractere

ambigue (wildcards):

o ? - poate nlocui orice caracter

o * - poate nlocui un grup de caractere (1-8 la MS-DOS i 1-255 la MS

Windows 95/98)

Tipul (extensia) este format dintr-un separator (punct) i 1-3 caractere ce

indic tipul de informaii stocate n acel fiier. Este opional.

i n extensie pot s apar wildcards.

Unele extensii au o semnificaie special:

Nume extensie Caracteristici

.EXE, .COM Fiier executabil

.BAT Fiier de comenzi (batch file ce are format text)

.BIN Fiier binar de tip cod executabil

.SYS Fiier sistem sau driver

.LIB Fiier bibliotec (library)

.XLS Fiier rezultat din aplicaia MS EXCEL

.BAK Fiier ce conine versiunea anterioar (backup) a fiierului curent

.DOC Fiier rezultat din aplicaia MS WORD

.TXT Fiier de text simplu sau formatat

.DBF Fiier aparinnd unei baze de date

.NTX, .NDX,

.CDX,.MDX,.IDX

Fiiere de tip index asociate fiierelor de tip .DBF

.ZIP, .ARJ Fiiere comprimate de tip arhiv

Dimensiune se msoar n bytes (sau octei). Atribute:

o a arhiv; o r read-only (protejeaz fiierul la tergere/modificare); o h hidden (fiierul nu este vizibil prin comenzi uzuale); o s fiier sistem.

Data i ora ultimei modificri.


22

Director (folder) este un index ce poate fi afiat i care conine adresele fiierelor

salvate n anumite zone ale discului.

Directoarele au o structur logic ierarhic, de tip arborescent. Fiecare director

poate conine, la rndul su, alte directoare.

Numele unui director are 1-8 caractere sub MS-DOS i 255 caractere sub MS-

WINDOWS 95/98.

Directorul de la care pornete arborescena se numete director rdcin i este

specificat prin simbolul \ (backslash).

Observaie: sistemul de operare Windows 95/98 are o interfa de lucru grafic,

proiectat astfel nct s imite suprafaa de lucru a unui birou. Din acest motiv

pentru Windows 95/98 se prefer nlocuirea termenului de director cu cel de

folder.

Pentru corecta identificare a unui fiier va trebui specificat urmtoarea

succesiune:

o Litera ce desemneaz unitatea sau partiia de disc (A:, B:, C:, etc.)

o Calea de acces la fiier este format din succesiunea de directoare,

separate prin \ ce duce la fiierul desemnat. Poate fi absolut (start

din directorul rdcin) sau relativ (start din directorul curent).

o Numele fiierului

o .

o Extensia fiierului

o (ex. C:\jocuri\wolf\wolf.exe)

Observaie: directorul curent mai poate fi specificat prin simbolul ., iar

directorul printe prin simbolul ...

Discul sistem este discul (dischet, hard-disc sau CD-ROM) pe care sunt stocate fiierele sistemului de operare necesare pornirii calculatorului i lansrii n execuie a sistemului de operare.

Fiiere sistem - conin codul program al sistemului de operare.

ANEXA 2

3.4 Interaciunea dintre elementele componente ale unui sistem de

calcul

Calculatorul este o maina care i propune rezolvarea unei aplicaii concrete pe baza

unui program, n urma unui set de pai succesivi.

Procesorul (la noi, microprocesor) este cel ce executa instruciunile unui program. n

acest sens el trebuie sa aib urmtoarele faciliti:

s scrie i s citeasc n / din memoria interna, avnd n vedere c instruciunile

(programele) i datele se afla stocate temporar aici;


23

s discearn ntre instruciuni i date, astfel nct. pentru fiecare instruciune s ia decizia

corect;

s coordoneze ntreaga activitate din interiorul mainii, comandnd celelalte componente.

n ceea ce privete memoria operativa (interna), aici procesorul gsete datele i

instruciunile necesare rezolvrii unei aplicaii. Memoria, spre deosebire de procesor, nu face

distincie intre date i instruciuni, ea oferind numai mediul de stocare temporara. Ca urmare

poate fi oricnd rescris cu noi informaii.

Putem observa ca procesorul i memoria interna sunt componentele principale ale

sistemului de calcul, dar ele constituie o lume nchisa, inabordabila. Ca urmare, trebuie sa

existe i nite componente care sa fac legtura cu lumea nconjurtoare. Acestea sunt

echipamentele periferice, pe care le-am amintit deja anterior.

Ceea ce pune n micare componentele unui calculator o reprezint programele, practic

"carburantul" sistemului de calcul.

Programele sistem constituie aa-numitul sistem de operare i asigura:

supervizarea ntregii activiti a unui sistem de calcul;

o prima interfaa intre om i maina, prin care utilizatorul poate comunica cu calculatorul

ntr-o maniera cit mai prietenoasa (conceptul "user-friendly");

o ntreaga gama de servicii care uureaz munca programatorului i asigura portabilitatea

(rularea unui program i pe alt calculator dect cel pe care a fost realizat) programelor.

3.5 Legea lui Moore n 1965, Dr. Gordon E. Moore, la acel moment vicepreedinte executiv la Intel

Corporation, prezis c numrul de tranzistoare echivalente pe un singur chip va crete n ritm

constant i se revedea o cretere n acelai ritm pentru urmtoarele decenii. Aceast predicie,

numit Legea lui Moore3, spune c puterea de calcul va crete exponenial, dublndu-se la

fiecare 18 - 24 luni, pentru n viitor previzibil. Legea lui Moore este adesea criticat, pentru

c utilizatorii sunt interesai n primul rnd de creterea performanelor procesoarelor. Este

greu s se echivaleze creterea umrului de tranzistoare pe un chip cu creterea performanei

procesoarelor. n plus adesea creterea numrului echivalent de tranzistoare nu a produs o

cretere a performanelor n aceeai msur - de aceea criticii spun c n ultimele decenii

mbuntirile aduse circuitelor (procesoare, memorii) au fost dictate mai mult de sistemul de

operare Windows al firmei Microsoft, dect de cerinele de putere de calcul din partea

utilizatorilor. Creterea gradului de integrare reflectat n creterea puterii procesoarelor

reprezint doar un procent al afacerilor din domeniul dezvoltrii tehnologiei - procent care se

reduce continuu - i de obicei exist mai mult putere disponibil dect ea necesar.

Tehnologia calculatoarelor electronice a evoluat ntr-un ritm incredibil n ultimii 60 de

ani, e la conceperea primului calculator electronic. n prezent un calculator de tip PC9 cu pre

mai mic e 1000 de dolari, are vitez i capacitate de memorare mult mai mare dect un

calculator din anii 80 al crui pre era la nivelul sutelor de mii sau milioanelor de dolari.

3 Nu este o lege n sens tiinific, ci mai mult o observaie asupra naturii creterii puterii de calcul n conjuncie

cu dezvoltarea tehnologic.


24

Aa cum s-a menionat anterior aceast dezvoltare rapid s-a fcut nu numai pe baza

dezvoltrilor tehnologice (ce au permis mrirea gradului de integrare i reducerea puterii

consumate i a preului) dar i pe baza inovaiilor n domeniul proiectrii arhitecturale.

Apariia microprocesoarelor, n anii 70 ai secolului trecut, a permis apariia unor

dezvoltri arhitecturale eseniale pentru performana calculatoarelor dintre care amintim aici

doar cteva: generalizarea utilizrii limbajelor de programare de nivel nalt i a sistemelor de

operare, organizri ce permit execuie paralel a instruciunilor i generalizarea utilizrii

memoriilor temporare (cache).


25

4. Funcionarea calculatoarelor Un calculator numeric este constituit dintr-un ansamblu de resurse fizice (hardware) i

de programe de sistem (software de sistem) care asigur prelucrarea automat a informaiilor,

n conformitate cu algoritmii specificai de utilizator prin programele de aplicaii (software

utilizator).

Calculatorul poate fi definit, de asemenea, ca fiind o main care ruleaz programe.

Studiile efectuate pe acest nivel vizeaz optimizarea calculatorului n scopul minimizrii

timpului de execuie a programelor (aplicaiilor). Modul de scriere al unui program trebuie s

permit ca aplicaiile s fie portabile1 de pe o main pe alta. Importana aspectului software

al calculatorului este determinat de necesitatea de a proteja investiia n programare, n

condiiile mediului deosebit de dinamic al calculatoarelor.

Calculatorul poate fi definit ca fiind un sistem digital care realizeaz un set de funciuni.

Studiile efectuate pe acest nivel vizeaz realizarea unor funcii date la viteze maxime i

resurse fizice (suprafa pe chip) minime, ntr-o tehnologie accesibil la un moment dat.

Acesta este aspectul "hardware" al calculatorului. Hardware este termenul general care

desemneaz resursele fizice (circuitele, dispozitivele i echipamentele componente) ale unui

calculator numeric.

Secvena de pornire


26

ANEXA 1


27


28


29


30


31


32


33


34


35

ANEXA 2


36


37

ESC_Curs_v2.pdf

Documents

Transcript of ESC_Curs_v2.pdf