Principii de functionare - sisteme de calcul

Principii de functionare - sisteme de calcul

Un sistem de calcul se compune dintr-o memorie centrala, care contine programele si datele, o unitate centrala de prelucrare care executa un program incarcat in memoria centrala si unitati de intrare / iesire care permit schimbul de informatii cu unitatile periferice. Vom numi unitate centrala ansamblul constituit din unitatea centrala de prelucrare si memoria centrala.

Executia unui program se deruleaza potrivit urmatorului model:

a)      programul si datele aferente sunt incarcate in memoria centrala;

b)      instructiunile programului sunt aduse secvential (una cate una) unitatii de control care le analizeaza si declanseaza prelucrarea corespunzatoare, trimitand in acest sens semnale catre unitatea aritmetica si logica;

c)      prelucrarea poate sa necesite un apel la unitatile de intrare / iesire sau la memoria centrala.

Schema generala a unui sistem de calcul este prezentata in figura urmatoare:

unitatea centrala

de prelucrare

instructiuni

unitatea de control memoria centrala

si de comanda

date

unitatea de calcul

unitati de intrare/iesire

controler de

periferice

unitati periferice

Memoria centrala contine in principal doua tipuri de informatii: instructiunile diferitelor programe si datele necesare executiei acestora.

Instructiunile sunt memorate sub forma de cod binar. Se remarca faptul ca la nivel fizic memoria centrala nu contine decat biti, care constituie unitatea elementara de informatie. Un bit poate lua fie valoarea 1, fie valoarea 0.

Bitii se regrupeaza cate 6, 7 sau 8 pentru a forma un caracter. Un caracter constituit dintr-o succesiune de 8 biti se numeste octet byte

in paralel cu caracterele, care constituie o unitate logica de informatie, memoria centrala a sistemului de calcul este divizata fizic in locatii, iar fiecarei locatii ii corespunde un cuvant de memorie care poseda o adresa proprie. Lungimea unui cuvant de memorie variaza de la un sistem de calcul la altul, dar valorile 32 si 64 tind sa se generalizeze in majoritatea sistemelor de calcul.

Lungimea unui cuvant de memorie este o caracteristica importanta a arhitecturii unui sistem de calcul si reflecta structura componentelor sale functionale (in special unitatea centrala).

Un cuvant de memorie word este unitatea adresabila de informatie, adica orice operatie de citire sau de scriere se realizeaza asupra unui cuvant de memorie.

Fiecarui cuvant de memorie ii este deci asociat o adresa (unica), indicand pozitia sa in memorie si un continut (instructiune sau data).

Capacitatea unei memorii se poate exprima in functie de numarul de cuvinte de memorie ca si de numarul de biti dintr-un cuvant.

Un registru este o locatie de memorie avand o functie particulara. in memoria centrala se gasesc doua tipuri de registre: registru de adresa, care contine adresa unui cuvant de memorie si registru cuvant, care pastreaza continutul unui cuvant de memorie.

Un registru cuvant are aceeasi marime cu un cuvant de memorie, in timp ce un registru de adresa trebuie sa permita adresarea tuturor cuvintelor memoriei.

Operatiile posibile in memoria centrala sunt citirea si scrierea unui cuvant de memorie:

a)      citirea: registrul de adresa contine adresa cuvantului de citit, iar o copie a continutului este transferata in registrul cuvant;

b)      scrierea: registrul de adresa contine adresa unui cuvant in care se va scrie continutul registrului cuvant.

Timpul necesar scrierii sau citirii unui cuvant de memorie se numeste timp de acces (de ordinul nanosecundelor si microsecundelor).

Daca timpul de acces este identic pentru fiecare cuvant al memoriei centrale, atunci avem de-a face cu o memorie RAM Random Access Memory , adica o memorie cu acces aleator sau acces direct.

Unitatea centrala de prelucrare (CPU) este constituita din unitatea de comanda si unitatea de calcul.

Unitatea de comanda asigura controlul executiei instructiunilor unui program si contine doua registre importante:

a)      registru de instructiuni (RI) care contine adresa instructiunii in curs de executie (o instructiune comporta mai multe campuri: un camp cod - operatie si intre 0 si 3 campuri operand;

b)      registru contor ordinal (CO) care contine adresa urmatoarei instructiuni de executat. in general, instructiunile se succed secvential iar CO se incrementeaza cu o unitate la fiecare ciclu CPU, pentru a obtine adresa instructiunii urmatoare. in anumite situatii (de exemplu pentru instructiunile de salt) este necesara fortarea valorii contorului ordinal.

Unitatea de comanda contine de asemenea un dispozitiv de decodificare a instructiunilor (decodificator) si un dispozitiv de control al secventei de comenzi care activeaza circuitele necesare executiei instructiunii curente. inlantuirea comenzilor se realizeaza prin intermediul unui ceas sistem.

Unitatea de calcul sau aritmetica si logica (UAL) contine toate circuitele electronice care realizeaza efectiv operatiile dorite. Operanzii acestor operatii se gasesc in registrele unitatii.

Registrele UAL se divizeaza in diverse categorii:

a)      registre aritmetice: servesc efectuarii operatiilor aritmetice;

b)      registre de baza si index: permit calculul de adresa in raport cu o valoare de baza sau un index;

c)      registre generale: realizeaza diverse operatii cum ar fi stocarea rezultatelor intermediare;

d)      registrul de stare PSW: Program Status Word : indica starea sistemului la un moment dat.

Unitatile de intrare / iesire (unitati de schimb) sunt elemente care premit transferul informatiilor intre unitatea centrala si unitatile periferice. Unitatile de intrare / iesire cele mai cunoscute sunt: unitatile de tip bus, cele care asigura acces direct la memorie DMA: Direct Memory Access si unitatile de canal.

Unitatile periferice se repartizeaza in doua clase:

a)      unitati de transfer care permit sistemului de calcul sa realizeze schimburi de date cu exteriorul (ecran, tastatura, imprimanta, modem etc.);

b)      memoriile auxiliare (discuri, benzi, cartuse magnetice etc.) care permit stocarea de maniera permanenta a unui volum mare de informatii la un pret scazut; ele se utilizeaza datorita faptului ca memoria centrala este volatila si informatiile se sterg cand se opreste sistemul, pe cand suporturile magnetice sunt memorii permanente.

in concluzia acestui capitol vom prezenta doua aspecte simple care exprima faptul ca un sistem de calcul este o masina care executa la nivelul sau de baza decat operatii elementare:

a)      Toate sistemele de calcul se compun in principal din milioane sau chiar miliarde de tranzistoare care nu pot efectua decat operatii elementare foarte rapid;

b)      Un sistem de calcul este o masina care trebuie programata corect, adica trebuie prevazut si explicat absolut tot ceea ce el trebuie sa realizeze repede si bine.