Curs 2STRUCTURA HARDWARE A CALCULATORULUI

STRUCTURA HARDWARE A CALCULATORULUI

1. Memoria

2. Unitatea centrala

3. Dispozitive de intrare/iesire

STRUCTURA HARDWARE A CALCULATORULUI

Memoria reprezintă componenta funcţională destinată păstrării informaţiei.

Informaţia memorată este formată din:

programele datele

necesare utilizatorului sistemului de calcul.

Memoria se interpune între celelalte componente funcţionale:

1. informaţiile sunt preluate în calculator -> prin intermediul unităţilor de intrare

2. sunt stocate mai întâi în memorie

3. de unde sunt preluate de celelalte unităţi funcţionale ale sistemului de calcul (procesorul, unităţile de ieşire).

Informaţia memorată se compune din:

secvenţe de instructiuni (programe); datele preluate din mediul exterior sistemului de calcul; rezultate intermediare obţinute în timpul prelucrării datelor; informaţii rezultate în urma execuţiei programelor care, de regulă, vor fi

transmise mediului exterior prin dispozitivele de ieşire.

Din punct de vedere al memoriei nu este deosebit de importantă natura informaţiei memorate, ci modul de stocare, şi mai ales regăsirea acesteia. Fizic, memoria este constituită din elemente care pot avea două stări stabile: 0 sau 1. Rezultă că putem defini memoria ca pe o succesiune de dispozitive logice elementare, capabile să reţină fiecare o valoare binara, adică un BIT (1b) de informaţie.

Funcţional, memoria poate fi privită ca o înşiruire de biţi care se caracterizează prin valoare şi prin poziţia (adresa) lor în această secvenţă. Prin construcţia sistemului de calcul, accesul la informaţia din memorie se poate realiza, la nivelul unui grup de biţi numit locaţie de memorie. Locaţia de memorie este deci unitatea adresabilă a memoriei.

Fiecare locaţie de memorie se caracterizează în mod unic prin:

adresa ei în memorie; cantitatea de informaţie pe care o poate memora, măsurată în număr de biţi;

de regula este vorba de un număr de 8 biţi, adică de un octet sau de 1 Byte (1B).

Caracteristici ale memoriei

Cuvântul de memorie reprezintă numărul de octeţi de informaţie care pot fi citiţi sau scrişi într-o singură operaţie de transfer cu memoria. Transferul cu memoria este operaţia prin care, de la o adresă de memorie sunt tranferaţi un număr de biţi corespunzător citirii sau scrierii în memorie. Unitatea de transfer cu memoria este cuvântul de memorie.

Lungimea cuvântului de memorie este o caracteristică constructivă a unui sistem de calcul. Ea reprezintă unul dintre criteriile de grupare a calculatoarelor: 8b, 16b, 32b, 64b etc.

Capacitatea memoriei reprezintă numărul maxim de biţi de informaţie care pot fi memoraţi la un moment dat. Altfel spus, capacitatea de memorie este dată de numărul total de locaţii de memorie. Ca unitate de măsură se folosesc multiplii Byte-ului, în funcţie de ordinul de mărime al memoriei.

Timpul de acces la memorie. Orice acces la memorie este precedat de furnizarea de către procesor a adresei de memorie, unde se va face operaţia de scriere sau citire. Timpul de acces la memorie reprezintă intervalul scurs între momentul furnizării adresei de către procesor şi momentul obţinerii informaţiei.

Când memoria este prea lentă în comparaţie cu viteza de lucru a procesorului, pe durata accesului la o locaţie de memorie apar, pentru procesor, timpi suplimentari de aşteptare. Noile tehnologii de realizare a memoriei urmăresc o scădere a timpului de acces, astfel încât memoria să lucreze sincron cu procesorul, fără a introduce stări de aşteptare.

Ciclul de memorie este timpul minim necesar între două accesări succesive la memorie. Aceasta cuprinde timpul rezervat accesului propriu-zis, dar şi timpii de lucru ai unităţii de memorie, necesari pentru desăvârşirea acestuia.

Viteza de transfer se mai numeşte şi rata de transfer. Rata de transfer este similară unui debit, care reprezintă viteza cu care se furnizează o informaţie. Viteza de transfer reprezintă numărul de unităţi de informaţie transferate în unitatea de timp. Se măsoară în octeţi sau multipli de octeţi pe secundă. Viteza de transfer poate fi îmbunătăţită dacă accesarea unei adrese de memorie este urmată nu de citirea unui singur cuvânt de memorie, ci de citirea mai multor cuvinte succesive.

Costul este preţul memoriei raportat la capacitatea de memorare.

Clasificări ale memoriei

După tipul de acces:

cu acces direct (aleator): RAM (Random Access Memory). În acest caz, timpul de acces la orice locaţie de memorie este acelaşi. El nu depinde de adresa locaţiei de memorie, ci numai de caracteristicile constructive ale memoriei. Timpul de acces este comparabil cu viteza de lucru a procesorului.

cu acces poziţional, în care sunt necesare operaţii de poziţionare care preced accesul la memorie. În acest caz timpul de acces depinde de adresă.

După posibilitatea conservării informaţiei la întreruperea tensiunii de alimentare:

volatile, la care informaţia se pierde la întreruperea tensiunii de alimentare nevolatile, la care informaţia se conservă la întreruperea tensiunii de

alimentare

După tehnologia de realizare:

memorii cu ferite. Informaţia este memorată pe baza sensului câmpului magnetic produs în jurul unor inele (tor) de ferită. Acest tip de memorie nu este volatilă, dar are dezavantajul că citirea este distructivă. În consecinţă, ciclul de memorie cuprinde citirea şi rescrierea, în cazul operaţiei de citire, sau ştergerea şi scrierea în memorie, în cazul operaţiilor de memorare. Aceste tipuri de memorie pot funcţiona numai în anumite limite de temperatură, au o dimensiune semnificativă şi reprezintă o tehnologie depăşită.

memorii cu semiconductori. Informaţia este memorată folosind circuite care permit sau nu trecerea curentului electric. Aceste memorii sunt volatile şi pentru a nu se pierde informaţia au nevoie de o baterie de alimentare proprie, sau trebuie să existe, la nivelul întregului sistem de calcul, un program de întrerupere la avaria de alimentare, care face apel la o baterie suplimentară (sursă de putere neîntreruptibilă - UPS) pentru salvarea datelor pe un suport de memorie nevolatilă. Aceste memorii nu au citirea distructivă.

După operaţiile care pot fi executate:

memorii cu citire-scriere (read-write), care permit atât scrierea cât şi citirea informaţiilor din memorie. Memoria RAM este o memorie de tipul citire-scriere (read-write);

memorii permanente, numite ROM (Read Only Memory). Sunt memorii care, în principiu, permit doar operaţiile de citire a informatiilor memorate. Sunt memorii nevolatile, iar informaţia memorată este scrisă o singură dată şi nu poate fi suprascrisă prin metode obişnuite. Sunt folosite pentru memorarea sigură şi ieftină a unor secvenţe de program frecvent utilizate în sistemele de calcul. Aceste memorii sunt în general mai lente decât memoria RAM. În consecinţă, se utilizează transferul programelor din memoria ROM în memoria RAM pentru a fi executate acolo cu performanţe sporite.

Aceste memorii ROM sunt de mai multe tipuri:

memorii PROM, sunt memorii programabile de către utilizator, care nu conţin informaţii scrise din fabricaţie;

memorii EPROM, sunt programabile de către utilizator, dar care pot fi

şterse şi reînscrise cu alte informaţii.

Memoria internă conţine programele şi datele pentru toate procesele în curs de execuţie în sistemul de calcul. Cât timp functionează procesorul, el citeşte şi scrie date în aceasta memorie. Memoria internă este o memorie read-write cu acces direct (RAM). Ea trebuie să aibă un timp de acces redus, pentru a nu întârzia activitatea procesorului. Tipuri de memorie din această categorie sunt:

Memorii DRAM (Dynamic Random Access Memory), sunt memorii RAM dinamice. Sunt memorii în care, pentru a se păstra informaţia, periodic trebuie restabilită sarcina electrica cu care a fost încărcat condensatorul circuitului de memorie. Pentru aceasta este necesar un circuit de reîmprospătare a memoriei.

Memorii SRAM (S=static), sunt memorii RAM statice. Sunt memorii realizate din circuite bistabile de memorie, care păstrază informaţia atâta timp cât sistemul este sub tensiune.

La calculatoarele PC, cipurile de memorie sunt ansamblate pe plăci de memorie. Aceste bancuri de memorie se instalează în placa de bază a PC-ului, în soclurile (locurile) rezervate memoriei interne. Acest mecanism permite modificarea dimensiunii memoriei interne a PC-ului prin adăugarea de noi bancuri de memorie în locurile disponibile sau prin schimbarea bancurilor cu altele de capacitate mai mare.

Memoria cache este o memorie specializată, utilizată în scopul scăderii timpului de acces la informaţiile din memoria internă. Ea este o memorie de capacitate mică şi viteză mare, inserată logic între procesor şi memoria principală. Constructiv, memoria cache este o memorie mai rapidă decât memoria principală, facută de regulă din circuite SRAM. Şi acest tip de memorie poate fi estins prin adăugarea de cipuri suplimentare de memorie. Utilizarea memoriei cache se bazează pe două caracteristici ale execuţiei programelor în sistemele de calcul clasice, şi anume:

Programele tind să utilizeze date şi instrucţiuni situate unele lângă altele sau în zone apropiate (principiul vecinătăţii).

Programele folosesc în mod repetat adresarea la aceleaşi blocuri de memorie.

Memoria cache conţine la un moment dat copii ale unor informaţii din memoria principală. Înainte de orice acces la memoria principală se verifică dacă nu cumva informaţia căutată se gaseşte în memoria cache. Dacă există, se preia de acolo cu o viteză superioară.

Memoria expandată este o memorie suplimentară la calculatoarele de tipul PC, pe care utilizatorul o accesează prin intermediul mecanismului EMS (Extended Memory Specification). Este alcatuită din bancuri de memorie de 64 KB RAM şi este gestionată de un program sistem specializat, numit EMM386.EXE (în sistemul de operare MS-DOS).

Memoria extinsă este memoria suplimentară accesibilă utilizatorului prin mecanismul XMS (eXtended Memory Specification), care poate fi implementat pe procesoare care lucrează cu cuvinte de adresă de 32 biti. Programele trebuie scrise ca utilizând special aceste mecanisme. Programul sistem care gestionează acest tip de memorie în sistemul de operare MS-DOS este HIMEM.SYS.

Memoria externă. Pentru a utiliza informaţiile memorate în memoria externă ele trebuie aduse întâi în memoria principală. Prin comparaţie cu memoria internă, memoria externă se caracterizează prin viteză de acces mai scazută, cost mai redus, capacitate mai mare, şi are rolul de a mări spaţiul de memorare al unui sistem de calcul.

Memoria externa este o memorie de arhivare, ceea ce înseamnă că asigură stocarea datelor preluate din mediul extern pe o perioadă de timp nedeterminată şi în volume semnificative. Memoria de arhivare este cea care asigură forma de stocare suplimentară a datelor din sistemul de calcul. Tot în memoria externă sunt stocate şi programele cu ajutorul cărora se realizează prelucrarea datelor.

În comparaţie cu memoria internă, memoria externă este:

o Nevolatilăo cu acces poziţionalo cu timp de acces mai mareo cu viteză de treansfer mai micăo cu cost mai mico cu capacitate mult mai mareo este o memorie read-writeo are densitate de memorare variabilă de la un echipament la altul şi de la un

suport la altul

Accesul la memoria externă nu se face direct, ci prin intermediul memoriei interne.

Se folosesc în prezent două tehnologii de realizare a mediului de memorare pentru memorii externe:

tehnologia magnetică. tehnologia optică.

Suporţii de memorare utilizaţi sunt:

discul/banda magnetică. discul optic.

Tehnica de memorare bazată pe proprietăţi magnetice este asemănătoare tehnicii de realizare a înregistrărilor de sunet de pe banda magnetică. Spre deosebire de sunet, care este un semnal analogic, informaţia memorată în calculator este digitală (formată din şiruri de biţi 0 sau 1).

Materialul magnetic se depune pe suprafaţa suportului fizic de memorare sub forma unor matrici de puncte care pot fi sau nu magnetizate. Fiecare bit de informaţie reprezintă starea magnetizat/nemagnetizat a punctului respectiv Pentru a înregistra/scrie informaţia, se utilizează un dispozitiv numit cap de citire-scriere, prin care circulă un curent electric. Variaţia curentului electric în capul de citire-scriere generează un câmp electromagnetic ce magnetizează stratul magnetic depus pe suportul de informaţii. La citire are loc procesul invers. Câmpul magnetic al punctelor din stratul magnetic induce în capul de citire-scriere un curent electric variabil. Acest curent furnizează informaţia memorată în stratul magnetic.

În cazul memoriilor optice, materialul care acoperă suportul fizic este ars cu un fascicol laser puternic atunci când se scriu informaţiile pe suport. Citirea informaţiilor se bazeaza pe reflexia unei raze laser, reflexie care este difuză în zonele arse şi puternică în zonele nearse. La acest tip de echipamente scrierea informaţiilor se face cu un dispozitiv, iar citirea cu alt dispozitiv.

Discul magnetic. Discurile magnetice sunt formate din una sau mai multe plăci circulare, care constituie suportul pentru substanţa magnetică ce memorează informaţia. Aceste plăci circulare formează volumul de disc. În funcţie de gradul de mobilitate, discurile pot fi:

fixe (amovibile). mobile (movibile).

Pentru a fi utilizat, un volum de disc, se montează pe o unitate de disc care cuprinde:

mecanismul de antrenare a discului, care asigură rotirea continuă a discului cu o viteză constantă;

mecanismul de susţinere şi manevrare a capetelor de citire-scriere; mecanismul de acces la informaţie, care este constituit din capetele de citire-

scriere; mecanismul de control al unităţii.

Pe un volum de disc, informaţia se memorează pe feţele active, adică pe acele feţe ale plăcilor circulare care sunt acoperite cu substantă magnetică de memorare. Suprafaţa fiecărei feţe active este divizată în coroane circulare, concentrice, numite piste. Acestea reprezintă suprafeţele pe care se realizează efectiv memorarea informaţiei. Numărul de piste este dat de numărul de poziţionări distincte care pot fi realizate de către un cap de citire-scriere de-a lungul razei plăcii circulare. Volumele cu mai multe plăci circulare au acelaşi număr de piste pe fiecare faţă activă. Informaţia se memorează în lungul unei piste a discului, existând o poziţie iniţială marcată fizic. Pe fiecare pistă este memorat acelaşi număr de caractere, indiferent de lungimea pistei. Un cilindru este format din toate pistele care au aceeaşi rază de pe toate feţele active ale discului. Cilindrii se numerotează începând de la exterior spre interior. Numărul de piste reprezintă a doua constantă constructivă a discului. Fiecare pistă este împărtita în mai multe sectoare. Sectorul reprezintă unitatea adresabilă a discului. Toate pistele unui cilindru conţin acelaşi număr de sectoare. Poziţionarea la începutul sectorului se face prin rotirea volumului de disc prin faţa capetelor de citire-scriere. Sectorul este unitatea de schimb de informnaţie cu memoria internă. Pe parcursul schimbului de informaţie, discul se roteşte cu aceeaşi viteză prin faţa capetelor de citire-scriere. Numărul de octeţi care se pot memora într-un sector al discului este fix, indiferent de poziţia sectorului pe disc. Capacitatea unui disc se obţine prin produsul dintre numărul de octeţi din sector, numărul de sectoare, numărul de piste şi numărul de feţe active. Informaţia este organizată pe disc pe trei nivele de acces:

cilindrul. pistă dn cilindru. sectorul de pe pistă.

Memorii externe pe suport optic. Unităţile de discuri compacte (CD-urile) funcţionează pe baza fenomenelor electro-optice, folosind o tehnologie laser. Există mai multe tipuri:

CD-ROM (Read Only Memory) CD-WORM (Write Once, Read Many)

CD-R (Recordable) CD-RW (ReWritable)

Informaţia este inregistrată pe o pistă unică, în spirală. Citirea se face secvenţial.

Pentru distribuţia de software: se realizează un etalon, care este utilizat la producerea matriţei cu care sunt create apoi copiile pentru distribuţie. Aceste CD-uri au un cost foarte scăzut, reducând costul de distribuţie a software-ului.

CD-WORM - sunt folosite pentru arhivare, scrierea făcându-se o singură dată. Toate datele care se memorează trebuie să fie disponibile în memoria internă în momentul scrierii.

CD-R - este folosit pentru arhivare, putându-se scrie în continuare.

Capacitatea de stocare a CD-urilor este mare, datorită densităţii ridicate, ajungându-se până la 16.000 TPI (piste pe inch). Informaţia pe suport este mult mai stabilă, garantată cca. 10 ani. Suprafaţa fiind protejată de un strat transparent de material plastic, suportul nu este afectat astfel de umiditate, temperatură sau câmpuri magnetice. Între capul de citire şi suprafaţa discului este o distanţă de câţiva milimetri, aproximativ de 2.000 de ori mai mare decât la hard-discuri, de unde rezultă o protecţie mai bună a capului de citire-scriere. CD-urile sunt mult mai fiabile. O mare parte din spaţiul CD-ului este rezervată memorării informaţiilor suplimentare pentru corectarea şi detectarea erorilor. În cosecinţă rezultă o serie de dezavantaje pentru CD-uri:

timp de acces mai mare decât la hard-discuri; rată de transfer a informaţiei mai mică decât la hard-discuri.

În următorii ani, unităţile de stocare optice DVD (Digital Video Disc) vor fi nelipsite din configuraţia unui calculator. Acestea au fost dezvoltate de companiile Sony şi Philips reprezentând tehnologia de mâine pentru stocarea şi redarea informaţiilor aflate pe un suport optic. DVD-ul a înlocui CD-ROM-ul.

Temă: căutaţi informaţii despre DVD!

Unitatea centrală

Setul de instrucţiuni

Activitatea generală a unui sistem de calcul constă în stocarea şi prelucrarea informaţiilor. Întregul proces de tratare a informaţiei în cadrul unui sistem de calcul are loc conform unui algoritm de prelucrare. Acest algoritm poate fi modelat prin seturi de instrucţiuni specifice unui limbaj de programare. Instrucţiunile alcătuiesc un program. Indiferent de limbajul de programare utilizat, instrucţiunile unui program trebuie aduse, printr-un set de transformări succesive, până la nivelul unui set de comenzi elementare care pot fi executate de sistemul de calcul şi care formează setul de instrucţiuni al calculatorului. Aceste instrucţiuni aparţin unui limbaj intern, propriu fiecărui sistem de calcul. Limbajul se numeşte limbaj-maşină. Limbajul-maşină cuprinde un set restrâns de instrucţiuni elementare de forma unor coduri binare de lungime dată.

Componenţa sistemului de calcul care realizează executarea instrucţiunilor este unitatea centrală de prelucrare (UCP). Pentru aceasta, unitatea centrală de prelucrare trebuie să poată efectua următoarele funcţii:

citirea şi scrierea informaţiilor în memoria internă (MI); recunoaşterea şi executarea instrucţiunilor-maşină; transmiterea de comenzi celorlalte componente ale sistemului de calcul,

realizând astfel coordonarea funcţionării sistemului de calcul.

Executarea unei instrucţiuni. Sub controlul unui program şi cu datele memorate în memoria internă, unitatea centrală de prelucrare execută fiecare instrucţiune în două etape, ca o secvenţă de paşi sincronizaţi în timp.

instrucţiunea se incarcă de UCC(Unitatea de Comandă şi Control) decodificare instrucţiune si emitere ordin către UAL (Unitatea aritmetică

logică ) citire date prelucrare rezultate

Tipuri de instrucţiuni-maşină.

După operaţia pe care o generează, există:

instrucţiuni de transfer de date între memorie

instrucţiuni aritmetice.

instrucţiuni de comparaţie şi de salt. Aceste instrucţiuni generează continuarea execuţiei programului de la o altă adresă decât cea imediat următoare.

instrucţiuni de repetare, folosite pentru execuţia repetată a unei secvenţe de instrucţiuni, folosind o variabilă-contor. Această variabilă memorează numărul de cicluri care trebuiesc efectuate.

instrucţiuni de apel procedură, în care, pentru executarea unei proceduri se memorează pe stivă adresa de revenire utilizată după execuţia procedurii apelate.

instrucţiuni de intrare-ieşire, folosite pentru transferul de date, cu dispozitivele periferice. Conţin adresa unui dispozitiv sau a unui registru de interfaţă cu dispozitivul de intrare-ieşire.

Unitatea aritmetică logică (UAL)

Este un ansamblu de circuite logice care compun unitatea funcţională a sistemului de calcul.

Ea are rolul de a realiza toate operaţiile aritmetice şi logice asupra datelor.

În general unitatea aritmetică logică primeşte la intrare doi operanzi şi un cod de operaţie. Ea furnizează la ieşire un rezultat şi un set de informaţii suplimentare despre rezultat, concretizate în aşa-numiţii indicatori de condiţii.

Unitatea de comandă (UC), numită şi unitatea de comandă şi control (UCC) conţine logica de comandă pentru execuţia instrucţiunilor din registrul de instrucţiuni.

Ea determină secvenţa de operaţii elementare ce trebuie executate de unitatea centrală de prelucrare.

Unitatea de comandă primeşte la intrare semnale de stare, determinate de instrucţiunea care se execută şi generează semnale de comandă care determină executarea operaţiilor necesare.

Unitatea de comandă foloseşte generatorul semnalelor de tact, numit şi ceasul sistemului de calcul.

Magistralele unităţii centrale de prelucrare. Reprezintă linii pasive care interconectează componentele funcţionale ale sistemului în vederea schimbului de informaţii între ele. Schimbul de informaţii prin intermediul magistralelor utilizează transmisia în paralel, adică magistrala este formată din n linii pe care se transmit concomitent n biţi de informaţie. La un moment dat, pe o magistrală se poate executa un singur transfer de date de un anumit tip. În funcţie de natura informaţiilor transferate, magistralele pot fi:

magistrale de adrese, care conţin linii de adrese pe care se transferă informaţiile de adresă;

magistrale de comenzi, care conţin linii de comenzi şi de stare;

magistrale de date, care conţin linii de date.

Conectarea echipamentelor periferice la sistemul de calcul