Arhitectura Sistemului Electronic de Calcul

Unitatea de nvare 1.B. Arhitectura sistemului electronic de calcul _______________________________________________________________________________

1 | P a g

ARHITECTURA SISTEMULUI ELECTRONIC DE CALCUL Autor:

Drago Mangiuc _______________________________________________________________________________________

1. Obiectivele cursului 2. Introducere i studiu de caz 3. Procesorul 4. Placa de baz 5. Memoria 6. Uniti de stocare magnetice 7. Uniti de stocare optice 8. Subsistemul video 9. Echipamente periferice de imprimare i digitizare 10. Surse bibliografice

_______________________________________________________________________________

1. Obiectivele cursului Pentru cunoaterea arhitecturii unui sistem electronic de clacul se consider necesar dobndirea de cunotine privind:

Principalele tipuri de componente ale arhitecturii sistemului electronic de calcul; Principiul i modul de funcionare al fiecrei componente de baz; Modul de interconectare a componentelor, pentru realizarea unui sistem electronic de clacul.

2. Introducere i studiu de caz

Aurelian Alexandru, absolvent al unui curs destinat tinerilor antreprenori, dorete s achiziioneze un sistem de calcul (calculator personal) capabil de a-i asigura suportul informatic pentru noua sa afacere (start-up). Dei dl. Alexandru nu achiziioneaz un calculator pentru prima dat, acord procesului de achiziie o atenie deosebit, pentru a se asigura c sistemul achiziionat se nscrie n limitrile de buget, dar, totodat, rspunde cu succes tuturor cerinelor legate de noua afacere. Aa cum le prezint sintetic dl. Alexandru, aceste cerine ar fi:

Posibilitatea de a naviga pe Internet n scopul de a identifica poteniali clieni, furnizorii optimi, precum i alte oportuniti de dezvoltare a afacerii sau de colaborare reciproc avantajoas;

Posibilitatea de a gestiona eficient mesageria electronic (e-mail), pentru a pstra relaii cu actualii clieni, precum i pentru a transmite mesaje publicitare sau anunuri;

Posibilitatea de a rula o aplicaie de contabilitate financiar complet, inclusiv modulele necesare procesului de raportare n format electronic (util pentru o afacere cu puini angajai);

Posibilitatea de a tipri la calitate nalt documentele prin care se stabilesc relaii cu furnizorii i clienii. Tiprirea se va face n mare parte alb-negru, dar se ia n considerare i varianta tipririi color pentru eventuale materiale publicitare;

Posibilitatea de a rula n condiii rezonabile o serie de aplicaii grafice ce vor fi utilizate la crearea materialelor publicitare;

Posibilitatea de a rula n condiii rezonabile versiunea 2011 a aplicaiei AutoCAD, esenial pentru funcionarea acestei afaceri.


2 | P a g

Posibilitatea utilizrii afiajului (monitorului) n scopuri publicitare, n cazul participrii la trguri, expoziii, etc.

Posibilitatea de a trece n format digital o serie de documente i imagini pre-existente, fr pierderi majore de calitate.

Posibilitatea de a stoca, fr pierderi, toate tipurile de informaie generate de noua afacere: documente, imagini, filme, secvene audio etc.

Dl. Aurelian Alexandru prezint aceste cerine unui reprezentant de vnzri al unei companii de profil, primind urmtoarele rspunsuri:

Pentru a putea naviga pe Internet n condiii optime, avei nevoie de un procesor de ultim generaie cu mai multe nuclee (Intel Core i3/i5/i7 sau AMD A4/A6/A8), precum i de cel puin 2Gb de memorie RAM;

Necesitatea de a gestiona mesageria electronic se subscrie , de regul, acelorai condiii ca i navigarea pe Internet (vezi punctul anterior), cu excepia cazurilor n care se primete o cantitate mare de mesaje (cteva sute pe zi), caz n care se recomand un sistem de back-up (hard-disk extern, unitate optic etc.);

Un sistem care ndeplinete cerinele pentru cele dou puncte anterioare este capabil, cu siguran, s ruleze o aplicaie de contabilitate financiar (dar n regim de client, nu de server), cu meniunea c pentru raportarea n format electronic (n special pentru semntur electronic) pot fi necesare anumite dispozitive USB externe (cu rol de securitate), care vor trebui achiziionate separat;

Pentru tiprirea de nalt calitate este necesar o imprimant laser. n condiiile n care va fi nevoie i de tiprire color, recomandm o imprimant laser color, cu cartue separate pentru fiecare culoare de baz.

Aplicaiile grafice necesit, prin natura lor, cantiti semnificative de memorie, precum i o putere de calcul peste medie. De aceea, se recomand achiziia unui procesor cu maximul de memorie cache disponibil, precum i a minim 4Gb de memorie RAM.

Versiunea 2011 a aplicaiei AutoCAD este cunoscut pentru cerinele mari de resurse hardware i ntruct funcionarea sa corespunztoare reprezint un element esenial pentru succesul afacerii dvs., recomandm achiziia unui adaptor grafic (plac video) cu minim 1Gb de memorie video dedicat, precum i cu capaciti grafice 3D peste medie (de nivel semiprofesional).

Deoarece dorii ca n anumite situaii monitorul s serveasc i de afiaj cu caracter publicitar, recomandm achiziia unui monitor cu tehnologie LED (recunoscut pentru consumul redus de energie i calitatea ireproabil a imaginii), avnd o diagonal ct mai mare, 27 de inch sau peste. Asemenea monitoare sunt capabile de reproducerea materialelor video la rezoluie HD (high definition), cu impact pozitiv asupra potenialilor clieni.

Pentru digitalizarea documentelor pe suport de hrtie, precum i a fotografiilor pe suport de hrtie, avei nevoie de un scanner. Acesta nu trebuie ales n funcie de rezoluie (deoarece toate modelele actuale au rezoluii mulumitoare) ci n funcie de calitatea rezultatului digital. Se recomand i achiziia unui modul de scanare a filmelor foto i diapozitivelor, n msura n care acesta va fi necesar.

Pentru asigurarea spaiului de stocare recomandm achiziia unei hard-disk de dimensiuni mari (2-3Tb), capabil s asigure stocarea ntregului coninut informaional pentru o perioad ndelungat de timp. n msura n care viteza de rspuns a suportului de memorie este important, se recomand instalarea unitii magnetice principale de stocare n paralel cu un dispozitiv SSD, care dei are capacitate de stocare mai redus, beneficiaz de o vitez de rspuns de circa 10 ori mai mare n raport cu unitatea principal. De asemenea, datorit fiabilitii crescute i a costului redus, recomandm dotarea sistemului de calcul cu o unitate optic de scriere/citire, de tip DVD-RW.

Pentru a putea nelege n detaliu toate aceste recomandri, specificaiile tehnice care le nsoesc, precum i pentru a putea evalua corect oferta de pre primit, domnul Aurelian Alexandru are nevoie de un set de noiuni solide din domeniul arhitecturii hardware a unui sistem de calcul. Studiul arhitecturii hardware se concentreaz asupra structurii unui sistem de calcul, precum i asupra modului su de funcionare.


3 | P a g

Arhitectura unui calculator personal este privit, de regul, ca un ansamblu format din componentele hardware i setul de instruciuni (Instruction Set Architecture sau ISA) care le permite s interacioneze. Setul de instruciuni are un rol esenial, asigurnd interfaa dintre aplicaiile software care ruleaz i componentele hardware care realizeaz execuia. Cu alte cuvinte, setul de instruciuni este cel care asigur comunicarea dintre om i main. Probabil cel mai bun punct de plecare n studiul arhitecturii hardware l constituie ntrebarea legitim: n fond, ce este acela un calculator? n accepiunea sa contemporan, un calculator este un dispozitiv electronic care face apel la logica digital, sub comanda unui set de programe, pentru a realiza calcule i a lua decizii bazate pe respectivele calcule. Definiia anterioar caracterizeaz deci un calculator prin intermediul unui ansamblu de patru componente majore, fiecare dintre acestea fiind indispensabil pentru funcionarea corespunztoare a ansamblului. Aceste componente sunt:

Echipamentele electronice; Logica digital; Sistemul de programe; Abilitatea de a calcula i de a lua decizii.

3. Procesorul Procesorul este adesea considerat creierul sau motorul unui calculator personal, fiind numit i microprocesor sau unitate central de procesare (Central Processing Unit CPU). Scopul principal al acestuia este ndeplinirea sarcinilor de calcul i procesare a datelor pentru un calculator personal.

Literatura menioneaz ca moment al apariiei microprocesorului anul 1971, cnd productorul nord-american Intel Corporation a realizat un procesor de larg consum, numit 4004. Dei de la acel moment a trecut aproape o jumtate de secol, Intel i-a pstrat locul dominant pe piaa microprocesoarelor, n ciuda diferiilor concureni, mai mult sau mai puin puternici, care au atentat la poziia sa de-a lungul timpului. Ca urmare, toate sistemele de calcul actuale cu statut de calculator personal includ fie un procesor Intel, fie un procesor de tip Intel, produs de unul dintre principalii si concureni direci (AMD sau VIA/Cyrix).

Din punct de vedere al procesului de fabricaie, materia prim utilizat n producia de microprocesoare este siliciul. Dei, dup oxigen, este cel mai des ntlnit element chimic din natur (intrnd, de exemplu, n componena cristalelor de nisip), siliciul n form natural nu este destul de pur pentru a putea fi utilizat la fabricarea procesoarelor. n cele ce urmeaz se va realiza o scurt descriere a procesului de producie pentru microprocesoare:

Procesul ncepe cu obinerea de siliciu avnd un nivel de puritate suficient. n acest scop siliciul provenit din natur (nisip, roci) este topit n cuptoare cu arc electric, lichefiat, distilat i recristalizat ntr-un alt tip de cuptoare, special construite pentru a elimina orice vibraii care ar putea altera perfecta cristalizare. n forma sa final, siliciul este extras i lefuit n aa-numite lingouri, cilindri cu lungime de circa 1.5m i diametrul de 30 cm, cntrind fiecare mai multe sute de kilograme.

Fiecare cilindru de siliciu este tiat cu ajutorul unei lame diamantate de mare precizie, rezultnd felii (numite wafers) cu grosime mai mic de un milimetru i diametrul de 30 cm. Fiecare wafer este lefuit pentru a se obine o suprafa perfect neted.


4 | P a g

Figura 1 - Wafer de siliciu rezultat din procesul de expunere

Figura 2 - Nucleul de siliciu i carcasa exterioar a unui microprocesor Intel

Procesul de producie propriu-zis presupune utilizarea unei tehnici numite fotolitografie. n cadrul acestuia, tranzistorii, circuitele i traseele de transfer al datelor (ca semnale electrice) sunt create prin depunerea succesiv pe baza de siliciu a unor straturi din diferite materiale. n general, un tranzistor se obine la intersecia a dou trasee de date. n plus, siliciul care, n forma sa natural, nu conduce curentul electric, este tratat pentru a deveni semiconductor.

Tehnica fotolitografic presupune utilizarea unui proiector, care folosete ca model o radiografie a viitorului procesor (numit masc), mrit la scar i imprimat pe o plac de cuartz. Un procesor de ultim generaie are peste 20 de asemenea straturi i circa ase straturi de interconexiuni metalice (aluminiu sau cupru), fiecare necesitnd propria masc i o expunere separat cu ajutorul proiectorului. n urma expunerii la proiector, waferele sufer un proces asemntor developrii filmelor foto, n care o soluie caustic spal zonele unde materialul a fost expus la lumin. Procesul se repet pentru fiecare strat de circuite, pn la imprimarea complet a procesorului (Figura 1).

Dup ncheierea procesului de expunere, un instrument special testeaz circuitele fiecrui procesor, marcnd acele nuclee care prezint imperfeciuni sau defecte de fabricaie. n final, fiecare viitor nucleu de procesor este tiat din wafer cu ajutorul unui laser sau al unei lame diamantate.

Nucleele astfel tiate sunt testate i apoi fixate n carcasele externe ale procesoarelor, unde un set de fire microscopice din aur conecteaz interfeele nucleului la pinii de pe carcasa extern (Figura 2).

Viteza de lucru a unui microprocesor este exprimat prin frecvena de ceas, adic frecvena la care opereaz nucleul procesorului, msurat de regul n Megahertzi (MHz) sau Gigahertzi (GHz). O frecven de ceas mai ridicat nseamn performan mai ridicat numai atunci cnd se compar procesoare de aceeai generaie. De exemplu, un procesor de tip Intel Pentium 4 are performane superioare oricrui model de procesor Pentium III (generaia precedent), chiar i n raport cu cele care au o frecven superioar. Pentru o estimare ct mai corect a performanei, trebuie s fie luate n considerare i alte elemente constructive, cum ar fi:

Posibilitatea de execuie paralel (pipelining) permite unui procesor s citeasc o instruciune din coada de execuie, s nceap execuia acesteia, apoi s citeasc i s execute instruciunea urmtoare fr s atepte finalizarea celei dinti.

Fire multiple de execuie (hyperthreading) se ofer posibilitatea ca un singur procesor s poat executa dou seturi separate de instruciuni n acelai timp. Se poate spune c aceast tehnologie transform un procesor real n dou procesoare virtuale.

Nuclee de execuie multiple (multi-core) un procesor cu dou sau mai multe nuclee permite ca aplicaiile s beneficieze de avantajele unui sistem multi-procesor n mod nativ, fr a mai necesita rescrierea sau re-compilarea acestora.

Execuie predictiv (branch prediction) pentru a oferi o rezolvare la problema menionat anterior, procesoarele moderne sunt prevzute cu un mecanism care le permite s ghiceasc (cu o


5 | P a g

anumit probabilitate) ce ramificaie a unui program se va executa, pe msur ce instruciunile acestuia umplu firele de execuie.

Utilizarea memoriei tampon (caching) reprezint cea mai des utilizat metod de adaptare a procesoarelor actuale la viteza memoriei RAM comune, semnificativ mai redus dect viteza de lucru a procesorului. Tehnologia presupune implantarea unei memorii ultra-rapide (numit n mod curent memorie cache) ntre nucleul microprocesorului i memoria calculatorului personal.

Posibilitatea implementrii tuturor tehnologiilor descrise anterior, mpreun cu necesitatea de a ine pasul cu concurena (sau de a o depi) au condus la o complexitate extrem a microprocesoarelor actuale. Acestea sunt caracterizate adesea ca fiind cele mai complexe sisteme imaginate de mintea uman, sau produse aflate la limita superioar a imaginaiei.

4. Placa de baz Placa de baz este adesea considerat ca fiind cea mai important component a unui calculator (n detrimentul procesorului), deoarece aceasta interconecteaz toate celelalte componente ale calculatorului personal i, ca urmare, are un rol esenial n nivelul general de performan al acestuia. Se poate afirma c toate calculatoarele personale existente n prezent au o caracteristic comun: sunt construite pornind de la o plac central cu circuite, care ndeplinete rolul de fundaie a ntregului sistem. n anumite situaii este posibil ca placa de baz s reprezinte nsi sistemul, coninnd (singur) toate componentele acestuia: microprocesor, memorie, sistem audio, sistem video, conexiuni de reea etc. Structura general a unei plci de baz este prezentat n figura urmtoare:

Figura 3 - Dispunerea principalelor componente n cazul unei plci de baz n format ATX


6 | P a g

Orice nou component adugat calculatorului personal se conecteaz la unul din porturile libere ale plcii de baz. n consecin, prin rolul su major, placa de baz determin att nivelul de performan al calculatorului, ct i capabilitile acestuia. n afar de ncorporarea circuitelor eseniale pentru funcionarea unui calculator, placa de baz trebuie s asigure posibilitile de expansiune a arhitecturii acestuia. Fiecare dintre conectorii electrici care permit extinderea arhitecturii se numete port de extensie (expansion slot) sau, pe scurt, port (slot). n prezent, productorii de componente destinate calculatoarelor au convenit cu privire la tipul, forma i rolul porturilor de extensie, n acest domeniu existnd standarde clare i unanim acceptate care stabilesc numrul, dimensiunea i modul de aranjare a porturilor pentru fiecare generaie i tip principal de plci de baz.

5. Memoria Memoria reprezint spaiul de lucru pentru procesorul unui calculator personal, putnd fi definit ca o zon temporar de stocare, n care sunt pstrate programele i seturile de date ce urmeaz a fi operate de ctre procesor. Memoria calculatorului este considerat un sistem de stocare temporar, sau volatil, deoarece datele i programele pot fi pstrate numai att timp ct memoria este alimentat cu curent electric, nu i dup aceea. nainte de nchiderea sau repornirea calculatorului, orice date care au fost modificate trebuie salvate pe un suport permanent (de obicei, un hard-disk), astfel nct s fie posibil rencrcarea ulterioar n memorie. Memoria principal a unui calculator personal este numit adesea memorie RAM (RAM reprezentnd prescurtarea denumirii Random Access Memory memorie n acces aleator), denumirea sugernd modul su de operare (faptul c orice locaie din memorie poate fi accesat independent). Aceast denumire este corect numai ntr-o oarecare msur, i poate deruta utilizatorii fr experien, deoarece memoria numit ROM (Read-Only Memory) este de asemenea accesibil n mod aleatoriu, diferena constnd n capacitatea celei din urm de a-i pstra coninutul chiar i dup ntreruperea alimentrii cu curent electric. Dei sistemele de operare moderne pot utiliza i o serie de discuri pe post de memorie virtual n acces aleatoriu, nici acestea nu sunt circumscrise termenului de RAM.

Din punct de vedere al arhitecturii hardware, memoria principal a unui calculator personal reprezint o colecie de module coninnd circuite electronice, module care se conecteaz la placa de baz a calculatorului n porturi speciale (Figura 4). Majoritatea plcilor de baz sunt prevzute cu patru asemenea porturi (n cazul formatului ATX) sau doar cu dou (n cazul formatului microATX), existnd totui numeroase excepii de la aceast regul, n funcie de performanele i clasa de pre a fiecrui model. Pentru a se putea instala un nou modul de memorie este necesar asigurarea prealabil cu privire la compatibilitatea acestuia cu placa de baz unde urmeaz a fi instalat. n majoritatea cazurilor, manualul plcii de baz conine o list a tipurilor i dimensiunilor de memorie suportate, precum i sugestii cu privire la modul recomandat de aezare al acestora n porturile disponibile. nelegerea rolului i principiului de funcionare al memoriei unui calculator personal presupune cunoaterea tipurilor principale de memorie care se ntlnesc frecvent n arhitectura unui astfel de calculator. n general, se consider c orice sistem modern include trei tipuri de memorie: ROM (Read-only memory);DRAM (Dynamic random access memory);SRAM (Static random access memory). Singurul tip de memorie pe care utilizatorul l poate achiziiona i instala separat n scopul creterii performanei calculatorului este memoria DRAM. Celelalte tipuri de memorie sunt ncorporate n placa de baz (n cazul ROM), n procesor (n cazul SRAM), precum i n alte componente cum ar fi placa video, placa de sunet, discurile magnetice etc.

Memoria ROM reprezint un tip de memorie care poate stoca date n regim permanent (sau semi-permanent). Este numit read-only deoarece procesul de scriere este unul complex i se realizeaz numai n unitile unde aceast memorie este produs. O alt denumire curent a acestui tip de memorie este cea de memorie non-volatil, deoarece elementele de date pe care le stocheaz se pstreaz i dup ntreruperea alimentrii electrice. n consecin, acest tip de memorie este ideal pentru stocarea instruciunilor de baz necesare pornirii i aducerii n stare de funcionare a unui calculator personal. Aceste instruciuni poart denumirea generic de BIOS (Basic Input-Output System) sau firmware.


7 | P a g

Figura 4 Modul de memorie DRAM

Memoria DRAM (Dynamic Random Access Memory) este utilizat ca memorie principal n majoritatea calculatoarelor actuale. Avantajul major al acestui tip de memorie l reprezint densitatea crescut, adic posibilitatea de a stoca o cantitate mare de date ntr-un circuit de dimensiuni reduse, ceea ce conduce la un cost sczut de producie i la posibilitatea de a ncorpora cantiti nsemnate de memorie n arhitectura unui calculator fr a-i afecta semnificativ preul. Din punct de vedere strict electronic, circuitele de memorie DRAM sunt formate din capacitori, componente capabile de a reine o sarcin electric ce va simboliza un bit de informaie. Totui, memoria de acest tip necesit remprosptare permanent, n caz contrar sarcinile electrice ale capacitorilor ar disprea i astfel s-ar pierde coninutul de date.

6. Uniti de stocare magnetice Calculatoarele personale sunt prevzute, aproape fr excepie, cu cel puin o unitate de stocare magnetic, de regul un hard-disk. Celelalte dou tipuri de dispozitive de stocare magnetic sunt pe cale de dispariie: discurile floppy au fost nlocuite aproape complet de memorii flash cu conectare USB, iar dispozitivele de back-up cu band magnetic au fost abandonate n favoarea mediilor de stocare optice, mai rapide i mai puin fragile. Un hard-disk poate fi definit ca o unitate nchis de stocare magnetic, utilizat pentru stocarea nevolatil a datelor. Termenul nevolatil face trimitere la faptul c unitatea i pstreaz coninutul de date i atunci cnd alimentarea electric a fost ntrerupt (prin contrast cu memoria RAM care nu are aceast capacitate). Interne sau externe, dispozitivele de tip hard-disk asigur memoria pe termen lung a calculatorului personal, modul lor de organizare fiind de regul gestionat de ctre sistemul de operare. Sub nivelul de organizare asigurat de ctre sistemul de operare se poate observa un alt nivel, mult mai abstract i totodat specific dispozitivelor analogice, nu celor digitale: orice unitate de tip hard-disk are sarcina de a transforma impulsuri electrice temporare n diferene de cmp magnetic permanente (procesul de scriere), precum i de a transforma diferenele de cmp magnetic permanente n impulsuri electrice temporare (procesul de citire).

Figura 5 - Structura intern a unui hard-disk, platanele i capul de scriere-citire


8 | P a g

Din punct de vedere constructiv, un hard-disk are ca element central un set de discuri (numite platane) construite din aluminiu sau sticl (Figura 5). Denumirea de disc dur (hard-disk) se datoreaz faptului c spre deosebire de discurile floppy, platanele unei asemenea uniti sunt rigide, fr a suporta ndoire sau torsionare. De asemenea, datorit faptului c platanele (ca mediu de stocare) nu pot fi scoase din interiorul unitii, aceasta a mai primit i denumirea de disc fix (fixed drive). Termenul de geometrie a unui hard-disk se refer la organizarea logic a acestuia, aa cum este perceput de ctre sistemul BIOS de pe placa de baz sau de ctre sistemul de operare al calculatorului. Trebuie menionat c pentru discurile de generaie actual, organizarea la nivel fizic este un proces intern, gestionat de o component de tip firmware din interiorul unitii, nefiind accesibil sistemului i, cu att mai puin, utilizatorului acestuia. Descrierea geometriei unei uniti magnetice de stocare presupune furnizarea de informaii cu privire la trei categorii de componente:

Pistele indiferent de natura capului de scriere-citire, n scopul efecturii uneia dintre cele dou operaii menionate, acesta trebuie s i opreasc micarea lateral (de la centrul discului ctre extremitate), adoptnd o poziie stabil. Poziia stabil a capului de scriere-citire, mpreun cu micarea de rotaie a discului de dedesubt determin capul s deseneze un cerc pe suprafaa discului. Acest cerc este numit pist. Datele stocate de-a lungul unei piste sunt citite secvenial, ca un ir nentrerupt. Dup citirea ntregii piste, mecanismul de control al discului selecteaz blocul de date cutat, eliminnd restul.

Cilindrii deoarece toate capetele de scriere-citire se mic simultan, pistele create pe diferite platane sau pe diferite fee ale aceluiai disc sunt situate una sub alta. Un asemenea set de piste suprapuse este numit cilindru. Deoarece productorii urmresc atingerea capacitii maxime de stocare posibile, pistele de pe un disc sau cilindrii unei uniti de stocare cu mai multe discuri sunt apropiai pn la limita maxim (de natur fizic) suportat de ctre mediul de stocare. Un hard-disk modern suport cteva mii de asemenea cilindri.

Sectoarele majoritatea unitilor de stocare moderne divizeaz fiecare pist n arcuri de cerc mai mici, numite sectoare. Se poate spune c sectorul reprezint unitatea fundamental de stocare pentru un hard-disk. Unele sisteme de operare folosesc sectorul ca unitate de stocare, altele prefer gruparea mai multor sectoare ntr-o unitate complex, numit cluster. Sectoarele pot fi delimitate la nivel software, de ctre o aplicaie care realizeaz formatarea (mprirea logic) a discului, sau pot fi gestionate la nivel hardware, direct de ctre mecanismul de control al unitii de stocare. Standardul industrial actual pentru dimensiunea unui sector este de 512 octei (4096 bii) de informaie.

Partiionarea unui hard-disk i permite acestuia s suporte simultan mai multe sisteme diferite de organizare a fiierelor (filesystems), fiecare avnd propria filozofie i propriile principii de organizare. Fiecare sistem de fiiere poate utiliza o metod proprie de a aloca spaiul necesar unui fiier pe o partiie. Acest spaiu este exprimat de regul sub forma unor uniti logice fundamentale numite clusters sau uniti de alocare (allocation units). Pentru a fi utilizabil, fiecare hard-disk trebuie s conin cel puin o partiie. Cele mai frecvente sisteme de organizare a fiierelor n prezent sunt urmtoarele:

FAT (File Allocation Table) reprezint sistemul de fiiere standard, fiind suportat chiar i de sistemele de operare mai vechi (DOS, Windows 95, Windows 98, Windows Me). Partiiile de tip FAT suport n mod tradiional fiiere cu nume de maxim 11 caractere (8 caractere pentru numele propriu-zis i 3 caractere pentru extensie). Acesta este standardul implementat cu zeci de ani n urm de ctre sistemul de operare MS DOS (Microsoft Disc Operating System) i suportat de ctre toate sistemele de operare care i-au urmat.

FAT 32 (File Allocation Table, 32 bit) Reprezint o variant modernizat a celei precedente, introdus odat cu cea de-a doua versiune a sistemului de operare Windows 95 (numit Windows 95 OEM Service Release 2 sau OSR 2). Este suportat de ctre toate versiunile ulterioare Windows, precum i de ctre variantele actuale ale sistemelor de operare concurente. FAT 32 utilizeaz valori pe 32 de bii pentru numerotarea unitilor de alocare, ceea ce permite o dimensiune maxim a partiiei de 2 Tb.


9 | P a g

NTFS (Windows New Technology File System) reprezint sistemul de fiiere nativ pentru versiunile profesionale ale sistemului de operare Windows (Windows NT, Windows 2000, Windows XP), suportnd nume de fiiere de maxim 256 caractere i o dimensiune teoretic maxim a partiiei de 16000Tb (mult peste posibilitile actuale ale unitilor de stocare). n plus, organizarea NTFS ofer un set extins de atribute i elemente de securitate la nivel de partiie i la nivel de fiier, indisponibil n cazul variantelor FAT.

HFS Plus reprezint modalitatea preponderent de organizare a fiierelor n sistemul de operare Mac OS (Apple Macintosh Operating System). HFS Plus reprezint o metod de organizare a fiierelor sensibil mai complex n raport cu cele prezentate anterior, nglobnd un set semnificativ de informaii suplimentare cu privire la fiecare fiier (numite meta-date) i deosebind literele mici de majuscule n denumirea fiierelor.

Familia ext* (ext2, ext3, ext4) reprezint metoda predilect de organizare a fiierelor sub sistemele de operare din familia Linux. Dup cum reiese i din existena celor trei versiuni menionate, sistemul a evoluat constant, ultima sa variant (ext4) considerndu-se a fi unul din cele mai moderne moduri de organizare a informaiei la nivel fizic. Organizarea de tip ext4 permite dimensiuni de 1000Tb pentru o partiie, precum i dimensiuni de 16Tb pentru un singur fiier, sistemul tradiional al unitilor de alocare fiind nlocuit cu unul extins, mult mai flexibil, care reduce semnificativ fragmentarea discului, pstrnd viteza de rspuns a acestuia foarte aproape de maximul posibil.

7. Uniti de stocare optice Arhitectura calculatorului personal se bazeaz pe dou tehnologii majore de stocare permanent a datelor: tehnologia de stocare magnetic (prezentat n subcapitolul precedent) i tehnologia de stocare optic, ce va face obiectul prezentului subcapitol. Cele dou tehnologii au numeroase puncte comune, dar, spre deosebire de metoda magnetic, bazat pe efectele electromagnetismului, varianta optic utilizeaz raze de lumin pentru a realiza operaiile de scriere i citire. Spre deosebire de mediile de stocare magnetice, care pot fi scrise sau citite aproape nelimitat, majoritatea mediilor de stocare optice pot fi numai citite, sau pot fi scrise o singur dat (dei exist i excepii). Deoarece se preteaz foarte bine mediilor interschimbabile, stocarea optic este utilizat cu precdere pentru operaiile de arhivare (backup), pentru realizarea copiilor de siguran, precum i pentru transportul datelor ntre medii magnetice aflate n calculatoare diferite. Standardele de stocare optic destinate calculatoarelor personale se pot mpri n trei categorii principale:

Compact Disc (CD) cu variantele: CD-ROM, CD-R, CD-RW; Digital Versatile Disc (DVD) cu variantele: DVD-ROM, DVD-RAM, DVD-RW, DVD-R,

DVD+RW, DVD+R; High Density Digital Versatile Disc (HDDVD) cu variantele: HD-DVD, Blu-Ray.

Toate cele trei generaii de medii de stocare au fost iniial destinate industriei de divertisment (audio i video), fiind apoi preluate n domeniul informatic ca medii de stocare de uz general pentru date. Din acest motiv, majoritatea unitilor optice de stocare ale calculatoarelor personale au capacitatea de a reda coninutul audio sau video al diferitelor generaii de discuri, existnd de asemenea, numeroase posibiliti de utilizare specifice.


10 | P a g

Sistemul desustinere adiscului optic

Sistemul descriere/citire(laser)

Magistrala detransfer aldatelor catrememorie

Motorul deactualizare apozitiei sistemuluide scriere/citire

Figura 6 - Structura intern a unei uniti optice de stocare

8. Subsistemul video Subsistemul video reprezint un element esenial al oricrui calculator personal, deoarece imposibilitatea de a vedea rezultatele aplicaiilor executate l-ar face inutilizabil. Dei exist mai multe metode prin care utilizatorul primete feed-back cu privire la starea i modul de funcionarea al calculatorului su, rolul primordial n acest sens i revine afiajului grafic, care prezint sintetic rezultatele cooperrii dintre numeroasele tehnologii i componente electronice. La nivelul arhitecturii hardware, subsistemul video este format din dou componente principale:

Monitorul care reprezint un afiaj electronic i poate fi, dup caz, o component separat sau o parte integrat a calculatorului personal (n cazul sistemelor portabile);

Adaptorul video (placa video) care convertete semnalele electrice primite, ntr-o form inteligibil pentru monitor. i adaptorul video, la rndul su, poate fi ntlnit sub forma unei componente separate, sau integrat n cadrul plcii de baz (situaie pentru care se utilizeaz curent termenul on-board).

Dei diferii productori de monitoare au adoptat direcii diferite de cercetare pentru obinerea unui monitor cu ecran perfect plat de mari dimensiuni, ctigtorul final a fost aa numita tehnologie a cristalelor lichide (Liquid Crystal Display - LCD). Spre deosebire de principalele tehnologii competitoare (Light Emitting Display LED i Plasma Display), elementele de afiare ale unui ecran de tip LCD nu consum energie pentru a emite lumin proprie, ci se rezum la a bloca n diferite moduri lumina unei surse pre-existente, n scopul formrii unei imagini coerente. Pentru a face imaginea vizibil, elementele de afiare ale unui asemenea ecran blocheaz n mod selectiv lumina reflectat (n cazul variantei Reflective LCD), sau lumina generat de o surs secundar aflat n spatele ecranului (Backlit LCD) sau n jurul acestuia (Edgelit LCD). n funcie de intensitatea curentului electric aplicat, cristalele lichide pot alinia mai mult sau mai puin lumina primit n raport cu cel de-al doilea filtru, modificnd intensitatea luminoas a punctelor imaginii finale. Totui, intensitatea luminoas necesar nu este aceeai pentru toate punctele (pixelii) imaginii de afiat i, ca urmare, o problem ce trebuie rezolvat n mod obligatoriu pentru funcionarea corect a unui ecran LCD este posibilitatea de a aplica sarcini electrice diferite pentru zone diferite ale stratului de cristale lichide. n acest scop, stratul de cristale lichide nu este organizat ca un bloc unitar, fiind mprit n pixeli fizici (Figura 7).


11 | P a g

Figura 7 - Structura de detaliu a unui ecran LCD (pixelii)

Evoluia spectaculoas a monitoarelor din ultimii zece ani nu ar fi fost poate posibil (sau necesar), dac n paralel nu s-ar fi desfurat o alt evoluie cel puin la fel de alert, n domeniul adaptoarelor video (adesea denumite plci video). Scopul principal al unui asemenea adaptor este de a transforma semnalele primite de la celelalte componente ale calculatorului (procesor, plac de baz, memorie) n imagini afiabile de ctre monitor. Modelul constructiv tipic pentru un adaptor video este prezentat n figura urmtoare (Figura 8):

Figura 8 - Modelul constructiv al unui adaptor video separat

Figura 9 - Accelerator grafic produs de nVidia

De-a lungul evoluiei sale, adaptorul video a rspuns cerinelor tot mai avansate ale utilizatorilor, mbuntindu-i constant capacitatea de afiare a culorilor, rezoluia maxim suportat, numrul i fineea nuanelor aferente fiecrei culori etc. n funcie de nivelul de performan ce se dorete a fi atins, arhitectura unui calculator personal poate include un adaptor video distinct, sau se poate limita la o component grafic ncorporat n placa de baz, utilizarea celei de-a doua variante antrennd in majoritatea cazurilor o scdere semnificativ a performanelor (dar i a costului) n raport cu prima. Indiferent de varianta adoptat, funcia adaptorului grafic rmne aceeai: cea de control. Adaptorul grafic controleaz fiecare pixel afiat de ctre ecranul monitorului, organiznd un set de impulsuri electrice primite ntr-o imagine coerent i inteligibil pentru utilizator. Pentru a ndeplini aceste funcii, adaptoarele grafice moderne sunt dotate cu cinci uniti funcionale de baz:

Accelerator grafic are ca funcie principal construcia imaginii, prelund comenzi de la aplicaiile software i trimind seturile de informaii despre pixeli ctre memoria video. Acceleratorul grafic reprezint unul din cele mai importante circuite ale calculatorului personal, acesta determinnd, de exemplu, dac adaptorul video are posibiliti de prelucrare a funciilor de redare tridimensional (3D extensions), sau prelucrarea acestora este sarcina exclusiv a procesorului. Prezena acceleratorului grafic este opional. n absena acestuia, toate funciile legate de afiare revin procesorului.

Memorie n cazul unui adaptor grafic, principalul tip de memorie necesar este memoria tampon pentru construcia cadrelor de imagine (frame buffer).


12 | P a g

Unitate de control video (video controller) principala sa funcie este de a gestiona seturile de date corespunznd imaginii ce urmeaz a fi afiat.

RAMDAC termenul reprezint o prescurtare a denumirii Random Access Memory Digital To Analog Converter i denumete o component care are rolul de a converti informaiile legate de imagine, primite din memorie n format digital, n semnal analogic inteligibil pentru monitor.

Video BIOS reprezint o memorie de tip EEPROM sau flash, ncorporat de ctre adaptorul grafic i care permite acestuia s se iniializeze i s funcioneze chiar i nainte de completarea procesului de pornire a calculatorului (boot).

9. Echipamente periferice de imprimare i digitizare

Timp de secole, procesul de tiprire a reprezentat, n esen, arta de a transfera cerneala de pe un mediu pe altul. Dezvoltarea calculatoarelor personale a adus n atenia utilizatorilor posibilitatea de a avea propriul sistem de imprimare, nti limitat la o singur culoare, apoi capabil de redarea ntregii game a nuanelor de gri, iar apoi capabil de imprimare color la o calitate rezervat n mod tradiional tipografiilor de mare performan. n accepiunea sa modern, o imprimant preia cerneal dintr-un rezervor i o depune pe hrtie (sau pe alt mediu de imprimare) conform instruciunilor primite de la calculator. n mod evident, principala problem la care trebuie s rspund o imprimant se refer la modul n care cerneala (sau o alt substan echivalent) este transferat pe hrtie i apoi fixat.

Figura 10 Imprimant matricial Figura 11 Imprimant cu cerneal

Figura 12 Imprimant laser

Majoritatea imprimantelor utilizate n prezent folosesc motorul de imprimare cu jet de cerneal. Cu toate c att tehnologia matricial, ct i cea cu jet de cerneal au avut un impact major asupra dezvoltrii i generalizrii calculatoarelor personale, care au putut fi prezentate nti ca maina de scris a viitorului, apoi ca mini-laboratoare fotografice, totui, tehnologia cu cel mai mare impact, privit ca o revoluie a domeniului tipririi la domiciliu a fost cea a imprimantelor laser. Avnd originea n tehnicile comune de fotocopiere, aceast tehnologie se bazeaz pe un principiu simplu: capacitatea anumitor compui chimici (ca, de exemplu, seleniul) de a reaciona la lumin prin modificarea conductivitii electrice. Att copiatoarele, ct i imprimantele laser se bazeaz n mod esenial pe acest efect fotoelectric, care presupune proiectarea negativului imaginii de tiprit pe un cilindru acoperit cu material fotoconductor, ncrcat electric. Ca urmare a expunerii la lumin, anumite zone ale cilindrului se descarc electric, n timp ce n zonele ne-expuse, sarcina electric persist. Cilindrul este apoi pus n contact cu un tip special de pigment, numit toner, care are proprietatea de a se lipi de zonele ncrcate electric. Un alt cilindru preseaz foaia de hrtie pe suprafaa cu toner, ceea ce conduce la transferul acestuia de pe cilindru pe hrtie. n final, pigmentul este fixat definitiv pe hrtie prin nclzire (topire).

Categoria echipamentelor de digitizare s-a mbogit continuu de-a lungul timpului, coninnd n prezent echipamente extrem de variate, aa cum sunt tabletele grafice, aparatele foto digitale, camerele Web, sistemele de captur a poziiei i micrilor corpului, echipamente medicale, echipamente de identificare biometric etc. Totui, reprezentantul tradiional al acestei categorii rmne scannerul, n diferitele sale


13 | P a g

forme. Considerat pentru o lung perioad de timp a fi doar un vis al amatorilor de literatur tiinifico-fantastic, acesta ofer posibilitatea convertirii imaginilor i fotografiilor din lumea real n echivalentul lor digital.

Figura 13 - Scanner de tip plat

Esena procesului de scanare este, totui, un simpl. Echipamentul folosete o matrice de senzori fotosensibili pentru a baleia (a parcurge) o imagine sau un obiect de mici dimensiuni care se afl n imediata apropiere. Fiecare senzor de lumin are rolul de a detecta diferenele de luminozitate generate de prezena obiectului scanat i, pe baza acestora, de a-i reconstitui structura n memoria calculatorului. Pe lng diferenele constructive menionate anterior, echipamentele de digitizare se deosebesc i prin facilitile oferite, ca, de exemplu:

Viteza de scanare din punct de vedere istoric, scannerele de tip monocrom ofereau o vitez net superioar celor capabile de digitizare color, deoarece acestea din urm aveau nevoie de o nou parcurgere a ntregii imagini pentru fiecare culoare de baz. Majoritatea echipamentelor moderne necesit o singur parcurgere a materialului-surs (one-pass design), bazndu-se pe capacitatea senzorilor din matrice de a discerne culorile.

Gama de nuane recunoscute se exprim de regul prin intermediul adncimii de culoare, care reprezint numrul de bii utilizai pentru reprezentarea informaiilor privind culoarea fiecrui punct digitizat. Majoritatea echipamentelor pot opera la o adncime de culoare de 8 bii (256 culori), 12 bii (4096 culori), precum i la 24, 30 sau 36 de bii pentru reproducerile de mare fidelitate.

Rezoluia reprezint o limit de natur mecanic, existent n cazul oricrui echipament de digitizare, egal cu dimensiunea minim a pasului pe care poate s l realizeze capul de scanare. Un echipament de performan medie ofer rezoluii situate ntre 300 i 2400 de puncte pe inch (Dots Per Inch - DPI). Rezoluiile maxime sunt atinse, de regul, de scannerele pentru film fotografic, care, datorit dimensiunilor reduse ale imaginii-surs, pot oferi valori pn la 10000 DPI.

Recunoaterea optic a caracterelor reprezint o metod de transformare a elementelor grafice rezultate din procesul de digitizare n iruri de caractere inteligibile pentru o aplicaie de procesare de text.

Sistem de antrenare automat a hrtiei (sheet feeder) este cerut n special de tehnica de recunoatere optic a caracterelor, care implic, n majoritatea cazurilor, transpunerea n form digital a coninutului unui numr mare de pagini, furnizarea individual a fiecreia reprezentnd un proces anevoios i ineficient.

Interfaa de conectare cu calculatorul a suferit o evoluie sinuoas, peste ase tipuri de interconectare fiind utilizate de-a lungul timpului. Totui, n prezent, majoritatea echipamentelor de digitizare se conecteaz la calculator prin intermediul portului paralel, al magistralei USB, sau, n anumite situaii prin intermediul unei magistrale speciale cu rat mare de transfer, numit SCSI (Small Computer System Interface). Majoritatea echipamentelor de digitizare actuale utilizeaz magistrala USB, ca soluie de compromis ntre vitez i accesibilitate, avnd, de asemenea, avantajul existenei cvasi-generalizate.


14 | P a g

10. Surse bibliografice 1. Arhitectura i interconectarea calculatoarelor personale, autor: Drago Mangiuc, editura Infomega,

Bucureti 2009, ISBN 978-973-7853-52-3, pag 11-110. 2. Tehnologii informaionale aplicate n economie, Autori coordonatori: Ilie Tama, Bogdan Ionescu,

Editura Infomega, Bucureti, 2010, ISBN 978-973-7853-56-1, pag 25-190.

Date post:	16-Oct-2015
Category:	Documents
Upload:	catalintomescu72
View:	42 times
Download:	0 times

Arhitectura Sistemului Electronic de Calcul

Documents