Tehnologii de cultură informaţională

Noţiuni generale despre structura şi funcţionarea calculatoarelor. Componentele

calculatoarelor personale.

Tema 1

Structura şi funcţionarea calculatoarelor

Calculatorul reprezintă un ansamblu de echipamente şi produse program pentru prelucrarea automată a datelor conform cerinţelor utilizatorilor.

Sistemul de echipamente, numit şi hardware, include componentele fizice ale calculatorului, folosite la culegerea, memorarea, procesarea, transmiterea şi redarea datelor.

Sistemul de programe, numit şi software, include componentele logice ale calculatorului – produse program, care indică componentelor fizice interpretarea semnalelor şi operaţiile de efectuat asupra datelor.

Un calculator îndeplineşte următoarele funcţii de bază:□ De memorare a datelor;□ De intrare a informaţiilor în memoria calculatorului;□ De comandă – dirijarea cu funcţionarea tuturor componentelor şi a

calculatorului în ansamblu;□ De execuţie a operaţiilor aritmetice şi logice asupra datelor;□ De ieşire a informaţiilor, asigurând redarea acestora în forma necesară.

Pentru realizarea acestor funcţii, orice calculator conţine următoarele unităţi funcţionale de bază:

□ Unităţi de memorie;

□ Unităţi de comandă;

□ Unităţi aritmetico-logice;

□ Unităţi de intrare-ieşire a informaţiilor.

Funcţiile şi interacţiunea acestor componente formează arhitectura generală a calculatoarelor cu program memorat. Pentru prima dată informaţiile referitoare la arhitectura calculatoarelor universale cu program memorat au fost sistematizate şi publicate de John von Neumann, J. Manchly şi J. Eckert în 1946, ulterior arhitectura în cauză devenind cunoscută ca “arhitectura von Neumann”.

Structura calculatoarelor de arhitectură von Neumann este prezentată în următoarea schemă:

Unitatea de comandă şi unitatea de calcul (aritmetico-logică - UAL) formează unitatea centrală de prelucrare sau pocesorul. Memoria calculatoarelor moderne este organizată în mai multe nivele. În funcţie de plasare se disting: memoria internă şi memoria externă. Memoria internă este plasată în cadrul unităţii de sistem, are o viteză de lucru mai mare, dar o capacitate de memorare mai mică comparativ cu memoria externă. Procesorul împreună cu memoria internă formează unitatea centrală a calculatorului.

Unităţile de memorie externă împreună cu dispozitivele de intrare-ieşire sunt denumite echipamente periferice. Schimbul de informaţii între componentele unităţii centrale şi perifericele unui calculator de performanţă se efectuează prin intermediul unităţilor de schimburi multiple (USM), numite şi canale de intrare-ieşire. Unităţile interne ale calculatorului – procesorul, memoria internă, sunt conectate între ele şi la USM prin intermediul magistralelor, iar unităţile periferice – prin intermediul unităţilor de legătură (de interfaţă) şi a liniilor de comunicaţie.

Magistrala constă din conductori electrici, care vehiculează semnalele în formă de impulsuri.

Fiecare canal de intrare-ieşire este un procesor relativ simplu. El realizează adresarea la memoria internă fără participarea procesorului şi, de asemenea, controlul funcţionării echipamentelor periferice în procesul schimbului de date.

Unităţile de legătură gestionează unul sau mai multe periferice de acelaşi tip, de exemplu discuri fixe, benzi magnetice, şi asigură schimbul de date între acestea şi canalele de intrare-ieşire. La un canal de intrare-ieşire se pot conecta mai multe unităţi de legătură.

În general, calculatorul funcţionează în modul următor. Datele de prelucrat şi programul respectiv în formă binară se introduc în memoria internă a calculatorului prin intermediul unităţilor de intrare şi a canalelor de intrare-ieşire a datelor. Datele se înscriu în celulele de memorie identificabile prin adresele lor. La lansarea programului de prelucrare, care constă din instrucţiuni, unitatea de comandă accesează prima instrucţiune din program după adresa celulei de memorie respective. Unitatea de comandă interpretează conţinutul instrucţiunii şi emite comenzile necesare, denumite şi macroinstrucţiuni, către alte unităţi:

□ Comenzile către memorie solicită transferul către UAL a numitor date, indicate prin adresele locaţiilor de memorie, unde acestea sunt memorate, sau transferul invers al rezultatelor operaţiei specificate în instrucţiune;

□ Comenzile către UAL solicită execuţia operaţiei specificate în instrucţiune;□ Comenzile către canalele de intrare-ieşire solicită transferul de date de la memoria

internă către perifericele de intrare-ieşire sau invers. Instrucţiunile programului sunt accesate şi executate una după alta până la executarea

instrucţiunii de terminare a programului.

Clasificarea calculatoarelor Calculatoarele se caracterizează de mai mulţi indicatori şi pot fi clasificate după mai

multe criterii, cum ar fi: viteza de acces a datelor, complexitatea arhitecturală, tehnologia de implementare a unităţii centrale, capacitatea memoriei interne, lungimea cuvântului folosit la reprezentarea datelor şi a instrucţiunilor, tipologia perifericelor cu care pot opera, caracteristicele sistemului de operare utilizat, domeniile de aplicabilitate, fiabilitatea, etc.

În funcţie de principiul de funcţionare a unităţilor de bază, calculatoarele pot fi: mecanice, electromecanice, electronice, moleculare, optice, biologice, etc.

În funcţie de forma reprezentării informaţiilor ce se prelucrează, se deosebesc trei categorii de calculatoare: numerice, analogice şi hibride.

Calculatoarele numerice sunt destinate prelucrării informaţiilor codificate în formă numerică. Ele operează cu numere în reprezentare discretă.

Calculatoarele analogice sunt destinate prelucrării informaţiilor reprezentate în formă de semnale variabile continue.

Calculatoarele hibride îmbină procesarea informaţiilor reprezentate în formă numerică cu cele reprezentate în formă analogică, beneficiind de avantajele calculatoarelor numerice (precizia calculelor şi universalitatea claselor de probleme) şi ale celor analogice (operativitatea intrării-ieşirii datelor şi viteza înaltă a calculelor).

Dintre aceste trei categorii de calculatoare, de o mai largă răspândire se bucură calculatoarele numerice, datorită performanţelor lor, îndeosebi a preciziei reprezentării şi prelucrării datelor. Ele şi vor fi descrise în continuare.

În baza ansamblului criteriilor de clasificare amintite mai sus, se disting 5 clase mari de calculatoare, enumerate în ordinea creşterii performanţelor lor:

□ Microcalculatoare;□ Minicalculatoare;□ Calculatoare medii-mari numite şi mainframe sau de întreprindere;□ Supercalculatoare;□ Hipercalculatoare. Microcalculatoarele sunt calculatoarele ale căror procesor central este un

microprocesor. Microprocesorul , la rândul său, este un procesor realizat în cadrul unui singur circuit integrat monolitic (pe o pastilă).

Microcalculatoarele sunt cea mai populară categorie de calculatoare. Faptul se datorează calculatoarelor personale – microcalculatoare de uz individual. Un microcalculator se caracterizează prin:

□ Simplitate de utilizare;□ Arhitectură relativ simplă a unităţii centrale;□ Dimensiuni reduse;□ Capacitate de memorare şi prelucrare a informaţiilor relativ joase;□ Structură modulară, periferice mai puţin performante, dar uşor de instalat şi

configurat;□ Cost redus;□ Utilizare ca posturi informatice individuale, dar cu diverse posibilităţi de conectare

în reţea.

Printre marile firme producătoare de microcalculatoare se află: IBM, Apple, Hewlett-Packard + Compaq, DELL, ALR Revolution, Acer, etc.

Minicalculatoarele, în ultimul timp numite şi calculatoare pentru grupuri de lucru (workgroup servers), au fost construite iniţial pentru aplicaţii specializate sau folosirea în comun de un număr redus de utilizatori. Astăzi utilizarea lor este în continuă scădere relativă din cauza creşterii utilizării microcalculatoarelor. Unele caracteristici ale acestei clase de calculatoare sunt:

□ Unitatea centrală de prelucrare are la bază un miniprocesor, constituit din unul sau câteva microprocesoare;

□ Capacitate de memorare şi prelucrare a informaţiei de performanţe medii;

□ Arhitectură modulară, construcţie relativ simplă;

□ Sistem de operare relativ puternic, funcţionarea în multe aspecte asemănătoare cu cea a calculatoarelor mainframe;

□ Unităţi periferice diversificate şi rapide;

□ Utilizare în sisteme multiutilizator – până la 100 utilizatori;

□ Cost mediu;

□ Domenii de aplicabilitate foarte diverse: economie, control şi conducere procese industriale, ştiinţă şi învăţământ ca servere de reţea.

Printre firmele producătoare s-ar putea menţiona: IBM, Sun, Hewlett-Packard, DELL, Honeywell, Unisys, Data General.

Calculatoarele mainframe, numite în ultimul timp de producători şi calculatoare de întreprindere, reprezintă topul calculatoarelor de arhitectură von Neumann. Ele sunt destinate prelucrării şi păstrării unor volume mari de date pentru organizaţii mari, asigurând lucrul concomitent a sute şi chiar mii de utilizatori. Unele carcteristici generale ale calculatoarelor mainframe sunt:

□ Capacităţi sporite de prelucrare a datelor;□ Unitatea centrală de prelucrare poate fi constituită din câteva procesoare;□ Memorii interne şi externe de foarte mare capacitate;□ Sistem de operare foarte performant;□ Legătura între unitatea centrală şi unităţile periferice este realizată pin unităţi

speciale de schimburi multiple şi legături;□ Acceptă un număr mare de periferice;□ Menţinerea unor baze de date mari, deservirea concomitentă a sute, sau chiar mii

de utilizatori;□ Fiabilitate de funcţionare înaltă – pot lucra ani în şir fără întrerupere, reparaţiile

curente fiind efectuate în paralel cu funcţionarea;□ Cost ridicat;□ Solicită instalaţii speciale şi proceduri de menţinere în funcţionare; nu pot fi cuplate

direct la reţeaua electrică. Firmele producătoare de calculatoare mainframe sunt: IBM, Unisys, Honeywell,

NCR.

Supercalculatoarele sunt cele mai performante calculatoare în funcţiune. Ele au arhitectură non von Neumann, bazată pe structuri multiprocesor – de la 8 până la zeci de mii de procesoare. Costul lor este de ordinul a milioane şi chiar zeci de mii de milioane de dolari. Viteza de operare este de ordinul a sute de Gflops sau chai zeci de Tflops. Sunt utilizate în prelucrări de date foarte complexe, de obicei specializate, de exemplu: predicţiunea timpului, seismologie, criptografie, explorări subterane, conservarea energiei, reactoare nucleare, proiectarea aeronavelor.

Firme producătoare de supercalculatoare sunt mai puţine, printre care: IBM, Cray, Hewlett-Packard.

Hipercalculatoarele sunt în curs de elaborare, vor avea viteze de operare de ordinul a Pflops (105 flops), folosind ca bază de elemente supraconductoarele de niobiu, bazate pe logica monocuantală rapidă, vor fi calculatoare cuantice, sau, folosind ca bază de elemente circuitele moleculare, vor fi calculatoare moleculare.

Tipuri de calculatoare (PC)□ Notebook

• Netbook

□ Desktop

• Minidesktop

• Smalldesktop

• Desktop

• Minitower

• Tower

Tipuri de calculatoare (PC)□ Server

□ Barebone

□ Tablet PC-ul

□ PDA, Pocket PC

Caracteristici care diferenţiază calculatoarele

Notebook Desktop Server□ Dimensiunea şi greutatea;

□ Managementul energiei şi

bateria;

□ Tipul şi dimensiunea

ecranului;

□ Reţea “fără fir” integrată;

□ Bluetooth;

□ Infraroşu, etc;

□ Cititor de carduri.

□ Puterea de procesare;

□ Performanţele grafice;

□ Acceleratorul grafic 3D;

□ Managementul sistemului;

□ Dispozitivele de stocare;

□ Chipset-ul, etc.

□ Posibilităţile de extensie;

□ Capacitatea şi performanţă a

discurilor;

□ Procesoare multiple;

□ Cantitatea mare de

memorie;

□ Fiabilitate;

□ Integritatea datelor;

□ Înlocuirea echipamentelor

“la cald” (hot-swap);

□ Surse de alimentare

redundante şi ventilatoare.

Structura calculatoarelor personale Componentele constructive ale unui calculator personal sunt:

□ Monitorul

□ Unitatea centrală

□ Tastatura

□ Şoricelul

Structură funcţională a unui calculator se numeşte ansamblul componentelor funcţionale ale calculatorului şi a legăturilor între ele.

La calculatoarele personale vom diferenţia componentele de bază, indispensabile pentru majoritatea PC, şi opţionale – componente suplimentare în scopul lărgirii gamei serviciilor oferite şi creşterii performanţelor calculatorului. Din punct de vedere arhitectural, se deosebesc următoarele componente de bază ale calculatoarelor personale:

□ Microprocesorul central, care îndeplineşte funcţiile de gestiune a funcţionării calculatorului în ansamblu şi de executare a operaţiilor aritmetice şi logice;

□ Tastatura, destinată introducerii manuale a datelor, inclusiv a comenzilor, în calculator;

□ Şoricelul (mouse) pentru introducerea comenzilor;□ Monitorul, menit afişării informaţiilor;□ Memoria principală, numită şi memorie operativă sau memorie cu acces arbitrar (RAM – Random Acces Memory), pentru memorarea temporară şi extragerea operativă a informaţiilor;

□ Memoria video – pentru păstrarea informaţiilor ce se afişează

la monitor;

□ Memoria constantă (ROM) – pentru păstrarea permanentă

a unor programe şi constante;

□ Unitatea de disc fix, pentru memorarea de lungă durată

a unor cantităţi mari de informaţii;

□ Unitatea de compact-disc, pentru memorarea de lungă

durată a unor cantităţi mari de informaţii.

La necesitate această configuraţie de echipamente poate fi completată cu asemenea componente opţionale ca: dispozitiv de memorie flash extern (USB), imprimanta, unitatea de bandă magnetică (streamer), scanerul, modemul, faxul (mai frecvent faxmodemul), unitatea de alimentare electrică neântreruptă (UPS), ploterul, microfonul, difuzoarele, digitizorul, etc.

Schimbul de date între componentele calculatorului se efectuează prin intermediul magistralei. Într-un calculator modern se folosesc mai multe magistrale.

Pentru acordarea necesară, asigurarea compatibilităţii şi dirijarea locală cu funcţionarea unităţilor periferice, servesc unităţile de interfaţă denumite controlere sau adaptoare. Ele sunt realizate în formă de plachete, ce se asmblează la magistrală cu ajutorul unor conectori speciali (slots).

Microprocesorul central şi memoria internă, ţinând cont de locul, rolul şi gradul înalt de interacţiune a lor, formează unitatea centrală a calculatorului personal.

La calculatoarele personale soclul pentru conectarea microprocesorului central, magistrala, conectorii de extensie (extention slots) pentru conectarea memoriei principale, a plachetei video, a altor componente adiţionale, diverse circuite electronice aferente, sunt asamblate împreună formând placa de sistem sau de bază (mainboard).