Sistem de calcul = colecţie de resurse hardware şi software care interacţionează între ele în vederea satisfacerii cerinţelor utilizatorilor.
Hardware – totalitatea elementelor fizice (componente electronice şi mecanice) dintr-un sistem de calcul, cu rolul de a primi, prelucra, memora şi reda datele
Software – totalitatea programelor (sistemul de operare şi programe utilitare) care rulează pe un sistem de calcul şi asigură îi funcţionalitatea
Componentele hardware şi software permit interacţiunea utilizatorului cu resursele sistemului – sistemul de fişiere, echipamente periferice etc.
Arhitectura unui sistem de calcul
UNITATEA CENTRALĂ (CENTRAL UNIT – CU)
Este formată din Unitatea centrală de prelucrare (CPU) şi Memorie (MEM).
UNITATEA CENTRALĂ DE PRELUCRARE (CENTRAL PROCESS UNIT – CPU) sau procesorul central este format din:
- ALU (ARITHMETIC LOGIC UNIT) = Unitatea Aritmetico-Logică – execută operaţiile aritmetice şi logice cu date care îi sunt furnizate din memorie, loc în care va depune şi rezultatul operaţiilor după execuţia acestora
- CCU (COMMAND&CONTROL UNIT) = Unitatea de Comandă şi Control – primeşte instrucţiunile de la memorie, le interpretează şi, corespunzător interpretării acestora, emite comenzi către ALU, MEM, respectiv comenzi de transfer către dispozitivele de intrare/ieşire (INPUT/OUTPUT) prin intermediul canalelor de comunicaţie (I/O CHANNELS)
MEMORIA (MEMORY – MEM) – memoria centrală (internă) este destinată păstrării programelor şi datelor în curs de prelucrare, în locaţii identificate prin adrese.
Informaţiile vehiculate în sistemul de calcul se împart în 3 categorii:
- date care trebuie prelucrate;
- instrucţiuni care indică prelucrările ce trebuie efectuate asupra datelor – adunare, scădere, comparare etc.;
- adrese care permit localizarea diferitelor date şi instrucţiuni.
Se pot identifica mai multe niveluri de stocare a datelor:
- nivelul primar, format din:
- memoria centrală, de tip RAM
- regiştrii procesorului
- memoria cache
- nivelul secundar, format din dispozitivele de stocare masivă (hard-disk)
- nivelul stocării offline, format din dispozitive de stocare tip CD-RW sau DVD-RW
- nivelul stocării pe dispozitive detaşabile (exemplu: memorii flash
Niveluri de stocare a datelor
La începuturile erei sistemelor de calcul, din punct de vedere constructiv memoria a existat sub mai multe forme: linii de întârziere (delay lines – anii ’40), tuburi catodice vidate (Williams tube – 1946-1947) sau memorii cu miez magnetic (drum memory – 1950-1960). Inventarea tranzistorului a dus la apariţia (spre sfârşitul anilor ’60 – începutul anilor ’70) a unui nou mod de stocare a datelor, circuitele RAM (Random-Access Memory).
Din punctul de vedere al păstrării informaţiei când nu este alimentată electric, memoria unui sistem de calcul se împarte în:
- memorie volatilă (memoria RAM, regiştrii, memoria cache)
- memorie nonvolatilă (memorii ROM, flash, memorii externe – magnetice, optice, hârtie)
Memoria volatilă are nevoie de o sursă de alimentare pentru a stoca informaţia; în cazul întreruperii acestei alimentări, memoria îşi pierde datele stocate. Tehnologiile curente în domeniul memoriilor volatile sunt:
- SRAM (Static RAM) – păstrează o anumită remanenţă a datelor şi nu necesită un semnal de refresh periodic (ca la DRAM), însă este tot un tip de memorie volatilă. Fiecare bit este stocat în circuite bistabile de tip latch (au 2 stări stabile, deci pot stoca 1 bit).
- DRAM (Dynamic RAM) – fiecare bit este stocat într-un tranzistor şi un condensator, a cărui descărcare ar duce la pierderea instantanee a informaţiei (de aceea este nevoie de un refresh periodic, de unde şi numele atribuit acestui tip de memorie – “dinamică”). Avantaj: structura simplă permite o densitate mare de componente (capacitate ridicată), spre deosebire de SRAM (unde sunt necesare câte 6 tranzistoare pentru fiecare bit stocat). Circuitele de memorie DRAM sunt realizate ca circuite integrate, fie individuale, aşa cum au fost la începuturi – circuit tip DIP (Dual in-line Package), fie asamblate sub forma unor module care se pot introduce uşor în sloturile corespunzătoare. Din punct de vedere constructiv (număr de pini, format), modulele de memorie DRAM se clasifică în:
- SIMM (Single in-line Memory Module) – format folosit din 1983 până spre sfârşitul anilor ’90. Modulele SIMM au înlocuit vechiul format SIPP (Single Inline Pin Package) care avea dezavantajul că cei 30 de pini de conexiune erau foarte fragili. Pinii au fost înlocuiţi cu plăcuţe de contact, primele versiuni de memorii SIMM pe 9 biţi (8 biţi de date + 1 bit de paritate) fiind folosite în sisteme 286, 386 şi 486. Următoarea versiune de SIMM a avut 72 pini şi lucra pe 32 biţi sau 36 biţi la varianta cu bit de paritate; acestea au fost folosite pe sisteme Pentium şi Pentium II.
- DIMM (Dual in-line Memory Module) – reprezintă o serie de module de memorie DRAM ce au început să acapareze piaţa odată cu impunerea procesoarelor Pentium. Diferenţa constructivă între DIMM şi SIMM este că, deşi amândouă au contacte pe ambele feţe, la SIMM aceste contacte sunt redundante, în timp ce la DIMM sunt diferite. Cele mai întâlnite tipuri de memorii DIMM sunt:
- SDRAM (Synchronous Dynamic Random Access Memory)
- DDR SDRAM (Double Data Rate sau DDR1)
- DDR2
- DDR3
- DDR4 (lansare în 2011)
- SO-DIMM (Small Outline Dual in-line Memory Module) – folosite acolo unde spaţiul restrâns o impune – sisteme portabile, imprimante, routere. Au 72, 100, 144, 200 sau 204 pini şi sunt comparabile cu memoriile SDRAM (ambele tipuri suportă transferul datelor pe 64 biţi).
O altă categorie de memorie DRAM o reprezintă memoria video destinată afişării informaţiei pe un dispozitiv de ieşire vizual (monitor, videoproiector). Modulele de memorie video se află pe placa video, alături de alte circuite precum BIOS-ul video sau procesorul grafic şi sunt bazate pe tehnologia de viteză ridicată DDR (tip DDR2, GDDR3, GDDR4 şi GDDR5).
Regiştrii procesorului – sunt înglobaţi în interiorul procesorului şi se numără printre cele mai rapide tipuri de memorie. Instrucţiunile procesorului comandă unitatea ALU să efectueze diferite operaţii asupra datelor prin intermediul acestor regiştri. Fiecare registru stochează datele sub formă de cuvinte (words) pe 32 sau 64 biţi.
Memoria cache – memorie SRAM rapidă plasată între procesor şi memoria DRAM, în care un controller are rolul de a stoca, prin anticipare, date sau instrucţiuni necesare procesorului. Memoria cache este mult mai lentă decât regiştrii CPU, însă mult mai rapidă decât memoria DRAM. Din punct de vedere al capacităţii de stocare, memoria cache este mult mai mică decât memoria de lucru, însă viteza sa permite servirea rapidă a regiştrilor cu datele necesare (de obicei datele cele mai utilizate sunt duplicate în memoria cache).
Memoria nonvolatilă este memoria ce nu-şi pierde conţinutul la întreruperea alimentării cu energie electrică. Aceste memorii pot fi accesate:
- electric (memoriile ROM, memorii externe flash);
- mecanic (mediile de stocare magneto-optice).
Memoriile ROM (Read-Only Memory) sunt circuite integrate care stochează programele necesare funcţionării sistemului de calcul, cu utilizare generală şi frecvenţă ridicată. Au viteză de lucru scăzută şi în general pot fi doar citite (“read-only“), însă unele din aceste memorii pot fi şi rescrise prin procedee specifice. Tipuri: PROM (Programmable ROM), EPROM (Erasable PROM), EEPROM (Electrically EPROM).
ROM-BIOS (ROM – Basic Input Output System) conţine programe de sistem esenţiale în funcţionarea unui sistem de calcul, organizate într-o mică bibliotecă de funcţii de intrare/ieşire. Acestea asigură auto-testarea componentelor hardware, iniţializarea lor şi comunicaţia între ele şi asigură încărcarea sistemului de operare de pe un suport de stocare (magnetic, optic) sau din reţea. Ulterior secvenţei POST (Power-On Self Test) controlul este predat sistemului de operare care va oferi utilizatorului interfaţa pentru comenzi.
Memoria CMOS RAM este o mică memorie (512 bytes) în care se stochează informaţii şi parametri ai sistemului de calcul (ceas, setări ale componentelor hardware, parole, etc.). Tradiţional era o memorie SRAM de tip CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) alimentată separat printr-o baterie, însă acum aceste informaţii se păstrează într-o memorie EEPROM sau flash (NVRAM – Non-Volatile Random Access Memory), doar ceasul sistemului fiind menţinut prin acea baterie.
În afara mediilor de stocare magneto-optice (ce vor fi prezentate mai jos), un tip neconvenţional de memorie (dar vechi şi ieşit din uz) îl reprezintă hârtia sub formă de:
- benzi perforate;
- cartele perforate.
ECHIPAMENTE PERIFERICE (PERIPHERALS)
INPUT DEVICE = dispozitiv periferic de intrare, echipament cu rolul de introducere (citire) a datelor în vederea prelucrării; exemple: tastatură, mouse, scaner, tablete grafice etc.
OUTPUT DEVICE = dispozitiv periferic de ieşire, echipament cu rol de redare a rezultatelor prelucrării; exemple: monitor, videoproiector, imprimantă, plotter, boxe etc.
CANALE DE COMUNICAŢIE (CHANNELS)
I/O CHANNELS = canale de intrare/ieşire, dirijează fluxul de informaţii ce se transferă de la INPUT DEVICE, respectiv către OUTPUT DEVICE
