1. STRUCTURI SI ARHITECTURI DE CALCULATOARE NUMERICE

Transcription

1 Capitolul 1 - Structuri si arhitecturi de calculatoare numerice 1. STRUCTURI SI ARHITECTURI DE CALCULATOARE NUMERICE 1.1. Limbaje si masini virtuale 1.2. Evolutia CN din punct de vedere al resurselor fizice 1.3. Evolutia CN din punct de vedere al Sistemelor de operare 1.4. Arhitecturi de calculatoare numerice 1.5. Structura unui calculator numeric / 39

2 Capitolul 1 - Structuri si arhitecturi de calculatoare numerice 1. STRUCTURI SI ARHITECTURI DE CALCULATOARE NUMERICE 1.1. Limbaje si masini virtuale Calculatorul numeric (CN) reprezinta un sistem fizic capabil sa rezolve probleme prin executia unor instructiuni primite sub forma unui program. Aplicatiile derulate pe CN, respectiv: 1. prelucrari de date; 2. prelucrari de informatii; 3. prelucrari de cunostinte; 4. prelucrari inteligente (inteligenta artificiala) pot fi ilustrate prin structura piramidala de mai jos. Creste complexitate de prelucrare IA Prelucrari de cunostinte Prelucrari de informatii Prelucrari de date Creste volum de prelucrare Fig Structura piramidala a tipurilor de prelucrari 1. Spatiul datelor. Materialul prelucrat la baza piramidei poate fi considerat ca un spatiu de date mutual independente. Acest spatiu care este cel mai mare spatiu al obiectelor prelucrate în CN include caractere, simboluri si/sau reprezentari multidimensionale ale acestora, numere în diverse formate. 2. Spatiul informatiilor. Termenul de informatie se asociaza în acest context unei colectii de date conectate printr-o anumita relatie sau structura sintactica (sintaxa reprezinta un set de reguli care guverneaza alcatuirea / 39

3 Capitolul 1 - Structuri si arhitecturi de calculatoare numerice propozitiilor într-un limbaj). Spatiul informatiilor se constituie într-un subspatiu al datelor. 3. Spatiul cunostintelor. În cadrul acestui spatiu, care formeaza un subspatiu al spatiului informatiilor, informatiile sunt legate între ele printr-o structura semantica (semantica reprezinta un set de reguli care permit atribuirea de întelesuri propozitiilor într-un limbaj) 4. Spatiul prelucrarilor de tip inteligenta artificiala. În cadrul acestui spatiu (subspatiu al spatiului cunostintelor) se lucreaza cu baze de cunostinte, reguli de inferenta (rationament) sau cu alte mijloace specifice domeniului inteligentei artificiale. Dupa cum se va vedea toate calculatoarele realizate pâna în prezent evolueaza pe baza unui program anterior memorat, program realizat sub forma unei secvente de instructiuni aferente unui limbaj artificial. În aceste conditii se poate spune ca pâna în prezent nu a fost realizat un calculator sub forma unui sistem inteligent care gândeste independent. În ceea ce priveste limbajele de programare acestea pot fi mai apropiate de masina care le executa sau de utilizatorul uman. Gradul de apropiere se cuantifica în nivelul de perceptie al respectivului limbaj si în capacitatea de manevrare a instructiunilor aferente. Componentele fizice ale unui CN (circuitele electronice) nu pot recunoaste si executa decât un numar limitat de instructiuni. Instructiunile care pot fi întelese si executate direct (fara a necesita translatare sau interpretare) sunt instructiuni masina iar limbajul corespunzator este limbajul masina pe care îl vom nota L1. Limbajul L1 cu toate ca permite comunicarea utilizatorului cu masina este greu de folosit, iar în aplicatiile de dimensiuni mari chiar imposibil. În aceste conditii este necesara crearea unui nou limbaj, pe care îl vom nota cu L2, mult mai apropiat de modul natural de gândire si de operare al omului. Din cele prezentate rezulta ca utilizatorul poate scrie programe atât în L1 cât si în L2, dar calculatorul va executa întotdeauna instructiuni aferente limbajului L1 pentru care a fost proiectat fizic. Pentru executia unui program scris în limbajul L2 exista doua tehnici si anume: 1. translatarea (traducerea) care presupune înlocuirea fiecarei instructiuni din L2 cu instructiuni L1, rezultând un program în L1 care va putea fi executat direct de masina; / 39

4 Capitolul 1 - Structuri si arhitecturi de calculatoare numerice 2. interpretarea care presupune analizarea fiecarei instructiuni din programul scris în L2 si executia ei printr-o secventa echivalenta de instructiuni din L1. Având în vedere ca utilizatorul lucreaza cu o masina careia i se adreseaza în L2 dar care executa în L1, sa o numim masina virtuala pentru a o deosebi de masina reala careia utilizatorul i se adreseaza în L1, iar executia se face tot în L1. În general o masina virtuala este o masina capabila sa execute programe scrise în limbaje de nivel superior celui accesibil nivelului fizic. Ratiunea de a fi a masinii virtuale rezulta pe de o parte din dificultatea realizarii fizice a unei masini capabile sa execute direct programe scrise în L2, iar pe de alta parte, din dificultatea utilizarii directe a limbajului L1. Daca si programarea în L2 este dificila se poate crea un alt limbaj L3, executia unui program scris în L3 putându-se realiza prin aceleasi doua tehnici, respectiv: 1. traducerea programului într-un program echivalent scris în L2; 2. interpretarea fiecarei instructiuni din L3 prin instructiuni din L2. Se poate spune ca masina virtuala având limbajul L3 are la baza masina virtuala cu limbajul L2. Metoda se poate extinde pentru diferite limbaje si masini din ce în ce mai performante, numite în literatura de specialitate simplu niveluri. Un calculator alcatuit din n niveluri conceptuale poate fi vazut ca n masini virtuale distincte fiecare masina având propriul sau limbaj. Programele scrise în L2, L3,,Ln trebuie sa fie interpretate de un interpretor având un nivel mai mic sau sa fie translatate (traduse) într-un limbaj inferior. Programatorul care are programele scrise pentru o masina virtuala de nivelul n nu este interesat de translatoarele sau interpretoarele aflate la un nivel inferior. Calculatoarele actuale constau din sapte niveluri conceptual ilustrate în fig. 1-2, la extreme situându-se nivelul logic digital respectiv nivelul orientat pe aplicatie. Nivelul 0 nivelul logic digital. Acest nivel este realizat fizic din circuite logice dintre care poarta logica este elementul fundamental. Fiecare poarta dispune de una sau mai multe intrari si întoarce ca rezultat valoarea unei functii logice simple. Acest nivel executa instructiunile limbajului / 39

5 Capitolul 1 - Structuri si arhitecturi de calculatoare numerice microprogramat (specifice nivelului 1), care actioneaza asupra nivelului 0 ca niste comenzi. Nivelul 6 Nivelul orientat pe aplicatie Translatare (agregare, compilare) Nivelul 5 Limbajul de nivel înalt Translatare ( compilare) Nivelul 4 Limbajul de asamblare Translatare ( asamblare) Nivelul 3 Sistemul de operare Interpretare ( sistem de operare) Nivelul 2 Masina conventionala Interpretare ( microprogram) Nivelul 1 Nivelul 0 Microprogram Nivelul logic digital Microprogram executat direct de componenta hardware Fig Nivelurile de masini virtuale corespunzatoare calculatoarelor actuale. Nivelul 1 nivelul microprogram. Este primul nivel caruia îi este asociat conceptul de program. Acest program numit microprogram este realizat cu un set restrâns de instructiuni (în medie circa 20 de instructiuni) de transfer si teste simple ale unor conditii. Microprogramul interpreteaza instructiunile nivelului 2 si le executa folosind resursele nivelului 0. Este de / 39

6 Capitolul 1 - Structuri si arhitecturi de calculatoare numerice remarcat faptul ca fiecare instructiune a nivelului 2 este executata de catre un microprogram. Nivelul 2 nivelul masinii conventionale (traditionale). Acest nivel se numeste nivelul masinii conventionale deoarece asigura compatibilitatea calculatoarelor realizate de catre diferite firme. Compatibilizarea este necesara deoarece nivelurile 0 si 1 pot diferi pentru un acelasi tip de calculator. Fiecare procesor defineste în mod implicit un limbaj de nivel 2 si o masina virtuala al carei limbaj masina este interpretat de un microprogram. În situatia în care un calculator nu dispune de nivelul microprogramat, instructiunile de pe nivelul 2 sunt tratate direct de nivelul 0. Nivelul 3 nivelul sistemului de operare. Acest nivel este un nivel hibrid, în sensul ca cea mai mare parte a instructiunilor care definesc limbajul aferent, L3, sunt de tip masina. La acest nivel se realizeaza sarcini ce privesc gestionarea resurselor calculatorului ( unitate centrala, memorie, periferice, etc.). Este de remarcat faptul ca limbajele de nivel 1, 2 si 3 sunt orientate catre modul numeric si nu sunt accesibile programatorului mediu. Începând cu nivelul 4 apar limbaje formate din simboluri si cuvinte, care au o sintaxa. Nivelul 4 nivelul limbajului de asamblare. Limbajul de asamblare permite accesul la unele dintre resursele fizice ale masinii în conditiile utilizarii unor mnemonice mai usor de manevrat decât codurile numerice asociate instructiunilor limbajului masina. Nivelul 5 nivelul limbajelor de nivel înalt. La acest nivel se gasesc limbaje, numite adesea limbaje de nivel înalt si care sunt destinate programatorilor de aplicatii. Între cele mai cunoscute masini virtuale specifice acestui nivel sunt cele pentru limbajele Basic, C, Cobol, Fortran, Java, Lisp, Modula-2, Pascal, Prolog. Programele scrise în limbajele nivelului 5 sunt translatate în limbajele specifice nivelurilor 4 sau 3 de catre programe specializate numite compilatoare. Nivelul 6 nivelul aplicatie. Acest nivel este destinat aplicatiilor specializate si contine limbaje destinate unor aplicatii cum ar fi: proiectarea asistata, economie, administratie, grafica, etc.) În concluzie se poate spune ca un calculator poate fi vazut ca o suita de niveluri, fiecare nivel înglobându-le pe cele precedente. În acest sens un nivel prezinta un anumit grad de abstractizare si contine diverse obiecte si / 39

7 Capitolul 1 - Structuri si arhitecturi de calculatoare numerice operatii cu aceste obiecte. În sens ascendent creste complexitatea prelucrarii iar în sens descendent creste volumul materialului prelucrat. Pentru fiecare nivel masina se defineste arhitectura calculatorului ca fiind totalitatea tipurilor de date, operatiilor si facilitatilor vizibile si accesibile programatorilor. Structura calculatorului stabileste si defineste componentele necesare realizarii functiilor specificate. În principiu se poate vorbi de o abordare structurala si în cadrul fiecarui nivel dar în general aceasta are în vedere masina în ansamblul sau. Dupa cum se va vedea cvasitotalitatea calculatoarelor realizate pâna în prezent respecta structura definita de von Neumann în 1945 (se va reveni). În afara notiunilor de arhitectura si structura CN mai sunt caracterizate si prin notiunile de hardware, software, firmware. Notiunea hardware încadreaza totalitatea componentelor fizice (electronice, electrice, mecanice etc.) aferente unui sistem de calcul. Practic caracteristicile hardware definesc masina de nivel 0 care executa programul masinii de nivel 1. Notiunea software încadreaza totalitatea programelor si procedurilor care confera unui calculator capacitatea de a executa sarcini specifice. Notiunea firmware încadreaza componente software nemodificabile încorporate de catre fabricanti în anumite dispozitive electronice Evolutia CN din punct de vedere al resurselor fizice Istoria dezvoltarii calculatoarelor poate fi privita din doua puncte de vedere si anume: - evolutia diferitelor niveluri de masini virtuale si a limbajelor asociate lor; - evolutia tehnologiilor în care a fost realizata masina de nivel 0 (masina fizica) având limbajul L1. Urmarirea evolutiei CN trebuie analizata din perspectiva asigurarii resurselor importante pentru acestea, ilustrate în fig. 1-3 si anume: - resurse de calcul si comanda (RCC); - resurse de memorare (RM); - resurse de introducere si extragere a datelor (RP); / 39

8 Capitolul 1 - Structuri si arhitecturi de calculatoare numerice - resurse de comunicatie (RT); - resurse de programare (RP). U RS RM RCC RT RS RP RS U Fig Structura generala a unui sistem de calcul. U În evolutia instrumentelor destinate realizarii de operatii aritmetice (în care sunt incluse si CN) pot fi identificate 4 etape concretizate în 4 tipuri de masini si anume: I. masini manuale; II. masini mecanice; III. masini electromecanice; IV. masini electronice. Tot evolutia CN mai poate fi caracterizata cu ajutorul asa numitelor generatii. Pâna în prezent sunt identificate 5 generatii de CN G0 G4, între care una grupeaza toate calculatoarele preelectronice, celelalte 4 fiind asociate în exclusivitate calculatoarelor electronice. G0 - generatia zero (antichitate 1945) În aceasta generatie sunt încadrate dispozitivele manuale, mecanice, electromecanice. Masini manuale. În rândul acestora pot fi incluse dispozitive de tip rigla sau abac (abacul este cunoscut în China de circa 2500 de ani). Masini mecanice. Meritul de a fi realizat prima masina de calcul îi revine lui Blaise Pascal. Aceasta masina realizata în 1642, era antrenata manual, continea angrenaje mecanice cu roti dintate si putea efectua numai / 39

9 Capitolul 1 - Structuri si arhitecturi de calculatoare numerice adunari si scaderi. Unul dintre limbajele de nivel înalt importante a primit numele PASCAL, care în acelasi timp este si acronim pentru program applique a la selection et la compilation automatique de la litterature ). Treizeci de ani mai târziu, în 1671, masina lui Pascal a fost îmbunatatita de catre Wielhelm von Leibnitz prin adaugarea operatiilor da înmultire si împartire. În 1830 Charles Babbage profesor de matematica la Universitatea Cambridge a construit masina analitica. Aceasta continea patru parti: memoria (magazia), unitatea de calcul, intrarea (cititorul de cartele perforate) si iesirea (perforatorul de cartele), toate în întregime mecanice. Marea noutate a acestei masini era posibilitatea de prelua datele de intrare de pe cartele perforate si de a întoarce rezultatele tot pe un asemenea suport. Memoria putea stoca 1000 de cuvinte de 50 de cifre pentru variabile si rezultate. Unitatea de calcul prelua operanzii din memorie, efectua diverse operatii asupra lor (+, -, *, / ) si întorcea rezultatul tot în memorie. Acest mod de secventiere a operatiilor confera masinii lui Babbage calitatea de prim precursor al calculatoarelor numerice de mai târziu. Un aspect interesant de relevat este acela ca prima programatoare a acestei masini a fost Ada Lovelace, fiica poetului englez Lord Byron. Masini electromecanice. Între acestea importanta este masina Mark 1 (Automatic Sequence Controlled Calculator) construita în 1944 de prof. Howard Aiken (Universitatea Harward) împreuna cu specialisti de la IBM si Bell Telephone, dupa un plan echivalent masinii lui Babbage. Masina continea relee, selectoare mecanice, cablaje). Memoria era de 72 de numere a câte 23 de cifre, efectua o adunare în 0,4 secunde si o înmultire în 6 secunde. Ca suporturi pentru introducerea/extragerea datelor utiliza cartele si banda perforata. G1 - generatia a întâia de CN tuburile cu vid ( ) Circuitele logice aferente CN din G1 erau realizate cu tuburi electronice caracterizat de un consum energetic ridicat. Contineau o unica memorie realizata cu tambur magnetic. Periferia era extrem de redusa si se reducea la un cititor/perforator de hârtie. Reperoriul de instructiuni se reducea la de instructiuni simple care de regula defineau limbajul L1 (cel mult L2), iar raportul timpilor în care se realiza o înmultire respectiv o adunare era 20/1. Dupa cum se observa / 39

10 Capitolul 1 - Structuri si arhitecturi de calculatoare numerice erau schimbari minore fata de masinile realizate de Aiken sau chiar Babbage, dar saltul semnificativ îl marca patrunderea în era electronicii. Cel de-al doilea razboi momdial a grabit aparitia calculatoarelor, constituind din acest punct de vedere un factor favorizant. În consecinta primele calculatoare de G1 aui avut o destinatie militara si au fost reprezentate de masinile ENIGMA realizata de Germania pentru codificarea mesajelor ce urmau a fi transmise respectiv COLLOSUS realizat de armata britanica pentru deecodificarea mesajelor germane interceptate. La proiectarea sa a participat si matematicianul englez Alan Turing. În 1946 a devenit operational calculatorul ENIAC Electronic Numerical Integrator And Computer realizat la University of Pensylvania de John Mauchley si J. Presper Eckert si destinat tot aplicatiilor militare (calcularea caracteristicilor traiectoriilor balistice). Aflat în functiune pâna în anul 1955 ENIAC avea tubes si 1500 de relee si era structurat în 30 de unitati separate, care procesau în paralel datele. Din punct de vedere al arhitecturii continea 20 de registre a câte 10 cifre zecimale destinate rezultatelor partiale sau finale. Performantele sale erau uluitoare pentru acea vreme, putând efectua 5000 de operatii/secunda, rezolvând în 20 de secunde probleme a caror solutionare manuala necesita doua zile. Cîntarea peste 30 de tone, ocupa o suprafata de 1800 sq ft si consuma peste 175 kwh. Urmasul lui ENIAC a fost calculatorul EDVAC - Electronic Discrete Variable Automatic Computer care elimina unitatile paralele de procesare si continea numai 4000 de tuburi. Echipele care au realizat aceste calculatoare l-au avut în componenta pe matematicianul ungaro-american John von Neumann care într-un articol publicat în anul 1947 a formulat principiile arhitecturii care-i poarta numele. ENIAC a stat la baza si as altor realizari cum ar fi EDSAC 1949, Cambridge University UK, MANIAC Los Alamos Laboratory, ILLIAC University of Illinois. Primul calculator destinat aplicatiilor civile a fost UNIVAC 1 lansat în 1951 de Eckert and Mauchly. Una din primele aplicatii în care a fost implicat a fost predictia, pe baza unui esantion rezultatelor alegerilor prezidentiale din SUA câstigate de Dwight Eisenhower. Alte realizari care se pot mentiona în cadrul G1: / 39

11 Capitolul 1 - Structuri si arhitecturi de calculatoare numerice - Whirlwind I realizat la MIT (Massachusetts Institute of Technology) si destinat aplicatiilor de conducere în timp real; - IBM 701 cu memorie de 2 kcuvinte a 36 de biti si doua instructiuni pe cuvânt; - IBM 704 cu memorie de 4 kcuvinte a câte 36 biti, instrucctiuni pe câte un cuvânt, procesare în virgula mobila (IBM International Business Machine). G2 - generatia a doua de CN componente discrete ( ) În 1948 John Bardeen, Walter Brattain si William Shokley de la Bell Telephone Laboratories au inventat tranzistorul, inventie pentru care în 1956 au primit premiul Nobel pentru fizica. Aparitia componentelor electronice fara purtatori mobili de sarcina electrica au condus la aparitia unei noi generatii de CN careia i se pot evidentia urmatoarele caracteristici: - utilizarea dispozitivelor semiconductoare (diode si tranzistori cu Ge si apoi cu Si) ce ofereau un gabarit redus, putere disipata mai mica, siguranta în functionare mai ridicata, eliminarea fenomenelor de radiatie; - memorii pe inele de ferita (din 1959) cu timpi de acces de ordinul a 2-12 µs (de 1000 de ori mai rapida decât memoria pe tambur magnetic); - interconectarea componentelor era realizata pe cablaj imprimat, aspect ce a permis modularizarea si implicit usurarea activitatii de întretinere si depanare; - perfectionari în domeniul echipamentelor periferice prin aparitia unitatilor de discurilor si banda magnetica, primele imprimante etc.; - performantele cresc în conditiile reducerii costurilor (trimp înmultire / timp adunare = 10/1 ; - apar primele versiuni ale limbajelor de nivel înalt FORTRAN (FORmula TRANslation) dezvoltat între anii de Jim Backus si destinat aplicatiilor stiintifice; COBOL (COmmon Business-Oriented Language) dezvoltat între anii la solicitarea Departamentului Apararii a SUA si destinat aplicatiilor în care se prelucreaza volume mari de date; ALGOL (ALGOrithmic Language) lansat în 1959, a fost primul limbaj structurat, utilizat pe scara larga în Europa. Primul CN cu tranzistoare a fost TX-0 (Tranzistorised experimental computer 0), realizat la MIT ca o continuare a calculatorului Whirlwind / 39

12 Capitolul 1 - Structuri si arhitecturi de calculatoare numerice În 1961 firma DEC (Digital Equipment Corporation ) a lansat calculatorul PDP-1 (Programmable Data Processor) cu o memorie interna de 4 kcuvinte a 18 biti si ciclul instructiune de 5 µs. O premiera absoluta a lui PDP 1 o constituie otilizarea ecranului cu tub catodic (CRT Cathode Ray Tube) cu posibilitatea de control a fiecarui punct de pe ecranul cu rezolutie de 512x512. Dupa câtiva ani tod DEC a introdus calculatorul PDP-8 caracterizat de o magistrala unica la care erau conectate urmatoarele module: CPU, memoria, consola, unitatile de itrare/iesire pe banda de hârtie, alte dispozitive de I/E. A fost primul CN realizat în mare serie, fiind vândute în jur de de sisteme. În 1964 DEC a lansat calculatorul CDC 6600 (proiectant Seymour Cray - cel care mai târziu avea sa realizeze seria de calculatoare CRAY). IBM s-a impus prin calculatoarele IBM 7094 (32 kcuvinte de 36 biti, ciclu instructiune de 2 µs ) si în special prin calculatorul comercial IBM În România au existat preocupari de dezvoltare a unor CN unicat din primele doua generatii cum ar fi DACICC, MECIPT, ANCA, CETA la Institutul de Fizica Atomica, Institutele Politehnice din Timisoara, Cluj, Bucuresti etc. G3 - generatia a treia de CN circuite integrate ( ) Aparitia acestei generatii a fost determinata de inventarea circuitelor integrate CI, care grupau pe o patila de siliciu mai multe componente. Principalele caracteristici ale CN din aceasta generatie sunt: - utilizarea CI pe scara redusa (SSI - Small Scale Integration) cu pâna la 100 tranzistoare / chip; - utilizarea memoriilor semiconductoare cu timpi de acces dre ordinul a 0,5 1,75 µs; - memorii externe de mare capacitate: discuri de masa capabile sa stocheze pâna la 1 MB de informatie. Sistemele care s-au impus atentiei din aceasta generatie au fost IBM 360 si PDP 11. Principalele caracteristici ale lui IBM 360 au fost: ciclul instructiune de 250 nsec, memoria de pâna la 512 kcuvinte a câte un octet,spatiul de aresare 2 16 octeti (16 Mocteti), registre de lucru interne pe 32 de biti, / 39

13 Capitolul 1 - Structuri si arhitecturi de calculatoare numerice portabilitatea programelor în limbaj de asamblare pentru diferite versiuni. Este primul calculator pe vcare s-a aplicat multiprogramarea, care permite existenta în memorie si executia simultana (sau cvasisimultana) a mai multor programe. Calculatorul PDP 11 realizat de DEC avea multe trasaturi apropiate de IBM 360 (cu deosebirea ca procesa cuvinte pe 16 biti) însa avea un raport performanta/cost mult mai bun. A fost considerat cel mai performant calculator al acestei generatii, având un succes enorm în special în universitati. În România s-au produs calculatoarele FELIX C la ICE Bucuresti. Primul calculator de proces a fost FELIX C32P. Începând cu 1977 s+au produs calculatoarele INDEPENDENT si CORAL compatibile cu PDP 11. G4 - generatia a patra de CN circuite VLSI (dupa 1980) Aparitia acestei generatii a fost posibila datorita perfectionarii în primul rând a tehnologiilor din industria electronica si se caracterizeaza prin urmatoarele aspecte importante: - utilizarea masiva a circuitelor integrate pe scara foarte larga (VLSI Verry Large Scale Integration) si în primul rând a microprocesoarelor care integreaza milioane de tranzistori pe un cip si care prezinta timpi de comutatie de ordinul ns.; - dezvoltarea de noi tipuri de memorii (MOS, magnetice, holografice) si echipamente periferice orientate pe sesizarea primara a datelor; - interconectarea calculatoarelor în retele însotita de întrepatrunderea industriilor de calculatoare si de telecomunicatii; - aparitia si dezvoltarea mediilor de programare complexe cu puternice facilitati grafice. Odata cu generatia a IV-a calculatorul devine un instrument individual de lucru, accesibil ca pret si cu performante care erau de neimaginat pentru vechile generatii. Întrucât microprocesorul (µp) a avut un cuvânt greu de spus în ceea ce priveste performantele generatiei a IV-a în continuare vor fi prezentate / 39

14 Capitolul 1 - Structuri si arhitecturi de calculatoare numerice câteva elemente referitoare la evolutia µp produse de doua dintre cele mai importante firme si anume Intel si Motorola. Familia de mp Intel Primul µp au fost 4004 pe 4 biti în 1971 si 8008 pe 8 biti în Acestea au fost practic primele CPU (Central Processing Unit) realizate într-un singur circuit integrat. Datorita succesului înregistrat au fost realizate noi tipuri de µp, care din punctul de vedere al anului de aparitie, al lungimii cuvântului de date si al capacitatii de adresare se prezinta astfel: , biti 64 kb biti 1 MB biti 1 MB (în interior 16 biti) , biti 1 MB (facilitati de I/E) biti 16 MB biti 4 GB biti 4 GB (versiune mai rapida pt 386) 1993 Pentium 64 biti 64 GB (structura superscalara). Firma IBM a utilizat µp 8088 în primul calculator personal IBM- PC/XT (extended Technology) iar în calculatoarele IBM-PC/AT (Advanced Technology), care a devenit standard în industria calculatoarelor personale. Setul de instructiuni cuprindea instructiunile procesoarelor precedente la care au fost adaugate altele mai performante, asigurându-se astfel compatibilitatea în jos. Procesorul are atât magistrala de date cât si registrele pe 32 biti si un spatiu de adresare mult mai mare, pastrându-se în continuare regula compatibilitatii în jos. Procesorul este o îmbunatatire a lui în ce priveste viteza, datorita încorporarii coprocesorului de virgula mobila, a controlorului de memorie si a unei memorii cache de 8kB. Pentium realizeaza trecerea la arhitectura superpipeline în conditiile lungimii magistralei de date de 64 kb si a posibilitatii de conectare a mai multor µp (maximum 4) într-un sistem. Familia de mp Motorola Circuitele Motorola au evoluat în paralel cu cele realizate de Intel, între ele existând mereu o echivalenta si o concurenta pe piata calculatoarelor / 39

15 Capitolul 1 - Structuri si arhitecturi de calculatoare numerice S-a început cu 6800 ca un raspuns la I8080. În 1979 apare pe 16 biti si 16 MB memorie, dar cu registre de 32 biti. Variante mai importante ale lui au fost (1983 cu facilitati de control a memoriei virtuale dar numai cu posibilitati de adresare a numai 16 MB de memorie) si (1983 care adauga un spatiu de adresare de 2 GB). Urmatoarele procesoare au fost: (1984 magistrala de date pe 32 biti spatiu de adresare de 4 GB echivalentul lui 80386) si (1987) care adauga managementul de memorie în acelasi integrat. În 1989 apare care ca si continea în acelasi integrat coprocesorul de virgula mobila, unitatea de management a memoriei, memoria cache. Între sistemele bazate pe µp Motorola sunt de evidentiat urmatoarele: Macintosh, Atari, Amiga - PCuri; Sun, Apollo, Hewlett - Packard statii de lucru. Si în ceea ce priveste calculatoarele de G4 sunt de notat realizari din România cum ar fi: M18, M18B, M118 (8080), Felix PC (8086), PRAE, amic, HC85 (Z80). Urmarind evolutia calculatoarelor realizate pâna în prezent se desprind doua trasaturi comune importante: - toate evolueaza în baza unui program memorat; - limbajul de programare este artificial. Spre sfârsitul anilor 80 s-a încercat o formulare a cerintelor pentru generatia a V-a. Potrivit acestor cerinte arhitectura de baza a unei masini de G5 urma sa cuprinda urmatoarele elemente importante: - o interfata inteligenta care sa permita dialogul pe baza de limbaj natural (voce, sunete, imagini, informatie grafica); - masina pentru rezolvarea de probleme ( realizeaza rationamente care sa permita rezolvarea problemei fara cunoasterea prealabila a algoritmului; - baza de cunostinte cu un volum imens, în care cautarea sa se faca foarte rapid / 39

16 Capitolul 1 - Structuri si arhitecturi de calculatoare numerice În tabelul 1.1 se prezinta sintetic un scurt istoric al dezvoltarii din domeniul calculatoarelor. Tabelul 1.1 AN NUME SUBIECT B. Pascal Prima masina de calculat mecanica 1834 C. Babbage Masina analitica de la Cambridge cu instructiuni pe cartela perforata 1904 J. A. Flemming Dioda 1906 Lee De Forest Trioda 1936 K. Zuse Primul calculator cu relee - Berlin 1943 Guv. Britanic cu concursul lui A. Turing / 39 Primul calculator electronic cu tuburi cu vid COLOSSUS 1944 H. Aiken Primul calculator AMERICAN MARK 1 (72 cuvinte a 23 cifre, ciclu masina de 6 sec.) începutul erei electronicii 1946 J. Mauchly si J.P. Eckert 1948 J. Bardeen, W Shockley, W. Brittain 1948 N. Wiener Cibernetica 1949 M. Wilkes, cu arhitectura propusa de J. Von Neumann Debutul generatiei I de calculatoare ENIAC, Univ. Pennsylvenia ( tuburi electronice, relee., 600 comutatoare, 30 tone, 150 KW) Tranzistorul Primul calculator cu program înregistrat, EDSAC 1951 MIT Primul calculator în timp real, WHIRLWIND 1951 J. Mauchly si J.P. Primul calculator comercializat Eckert UNIVAC John von Neumann Calculatorul IAS, Princeton, va

17 Capitolul 1 - Structuri si arhitecturi de calculatoare numerice raspândi arhitectura de bata von Neumann 1955 Laboratoarele Lincoln Primul calculator echipat cu tranzistori TX Firma IBM Calculatorul IBM 704 Circuite 1960 integrate Firma DEC Primul minicalculator. PDP-1, practic 1961 începutul generatiei a doua de calculatoare (tranzistorizate) si a miniinfomaticii 1961 Firma IBM Masina de gestiune 140 I 1962 Firma IBM Primul calculator stiintific puternic (pe 36 de biti) IBM Firma BORROUGHS Calculatorul B 5000 primul calculator dedicat unui limbaj de programare ALGOL Firma IBM Prima familie de calculatoare IBM 360; firma IBM prima suprematie în informatica; multiprogramare; începutul generatiei a treia (cu circuite integrate) 1964 Firma CDC Primul calculator paralel Firma DEC Primul calculator cu productie de masa (pe 12 biti). PDP Firma DEC Minicalculatorul PDP-11, firma DEC preia suprematia în miniinformatica. Circuite integrate pe scara larga Firma INTEL Primul microprocesor de 4 biti Firma INTEL Primul microprocesor de 8 biti Firma CRAY Primul supercalculator CRAY Firma INTEL Microprocesorul 8080 prima unitate centrala pe un cip / 39

18 Capitolul 1 - Structuri si arhitecturi de calculatoare numerice 1978 Firma DEC Primul superminicalculator de 32 biti- VACS 1979 Firma MOTOROLA Primul procesor al familiei 680x Firma IBM Începutul generatiei a patra de calculatoare (cu circuite VLS1); era calculatoarelor personale, PC 1982 Firma INTEL Microprocesorul de 16 biti SUA Tehnologia LAN )Local Area Network) este folosita pe scara larga 1984 Firma MOTOROLA Primul microprocesor de 32 biti Firma INTEL Microprocesorul de 32 biti Firma MOTOROLA Microprocesorul de 32 biti cu unitate de gestiune a memoriei Firma INTEL Microprocesorul de l32 biti cu coprocesor si memorie cache Thinking Machines Co. CM2 si CM Laboratorul CERN Geneva / 39 Începutul generatiei a cincea de calculatoare (preluare masiv paralela) Serviciul de informatii www (World Wide Web) oferit pe Internet 1993 Firma INTEL Microprocesorul cu structura superscalara Pentium 1995 Firma Sun Microsystems Tehnologia JAVA asigura interactivitatea serviciului www 1996 Firma CYRIX Microprocesorul în arhitectura superpipe /line/ 6x86 P Firma AMD Microprocesoarele RISC K5, K Firma AMD Microprocesorul K6-2 3D 1998 Firma INTEL Microprocesorul Mendocino 333/MHz 1999 Firma INTEL Microprocesorul Pentium III/600MHz Firma AMD Microprocesorul Athlon/K7

19 Capitolul 1 - Structuri si arhitecturi de calculatoare numerice 2000 Firma AMD Microprocesorul Sharptooth/K Evolutia CN din punct de vedere al Sistemelor de operare Sistemul de operare (SO) în calitate de programe cu care se asigura gestionarea resurselor unui sistem de calcul orienteaza un calculator catre un anumit tip de prelucrare. Din punctul de vedere al modului în care un SO gestioneaza resursa timp a UCP pot fi identificate urmatoarele tipuri de prelucrari: - procesarea pe loturi (batch processing); - multiprogramarea (multiprogramming); - divizarea timpului (time sharing); - multiprocesarea (multiprocessing). Prelucrarea pe loturi implica executia aplicatiilor pe rând, conform unei programari anterioare; pentru fiecare aplicatie existând succesiunea intrare, prelucrare, iesire.(fig. 1-4 a); Multiprogramarea presupune ca la un moment dat mai multe aplicatii pot fi active în diverse faze (fig. 1-4 b). Divizarea timpului implica repartizarea timpului UCP diverselor aplicatii (fig. 1-5). Multiprocesarea presupune existenta mai multor unitati de prelucrare (procesoare) conectate între ele si care executa una sau mai multe aplicatii în tandem. Scopul multiprocesarii este acela de a mari viteza de executie si de a creste puterea de calcul. Se vor exemplifica în fig. 1-4 primele trei tipuri de prelucrari pentru trei aplicatii (procese) P1, P2, P3 fiecare proces fiind vazut în timp ca o succesiune de trei etape si anume: intrare (i), calcul (c)iesire (o) / 39

20 Capitolul 1 - Structuri si arhitecturi de calculatoare numerice a i1 c1 o1 P1 i2 c2 o2 P2 i3 c3 o3 P3 b i1 c1 o1 i2 c2 o2 i3 c3 o3 c1 c2 c3 D UCP i1 i2 o1/i3 o2 o3 I/E Fig Prelucrarea pe loturi (a) si multiprogramarea (b). În cazul prelucrarii pe loturi (fig. 1-4 a) procesele se executa succesiv, operatiile de calcul alternând cu cele de I/E si prin urmare UCP nu este folosita eficient. În cazul multiprogramarii (fig. 1-4 b), în acelasi interval de timp pot fi active mai multe procese, accesul la resurse (memorie, sistemele de I/E, UCP) fiind diferential. Se observa ca unele procese necesita la un moment dat calcule si solicita UCP, în timp ce altele necesita derularea unor operatii de I/E, deci executia poate avea loc simultan. Multiprogramarea presupune / 39

21 Capitolul 1 - Structuri si arhitecturi de calculatoare numerice întreteserea executiei proceselor printr-o mai buna utilizare a resurselor si conduce la un timp de executie mai mic (câstigul de timp este notat cu ). În situatia în care procesele au atribuite prioritati se poate întâmpla ca un proces cu prioritate mare sa ocupe UCP un timp mai îndelungat, împiedicându-se în acest fel executia altor procese. Neajunsul poate fi înlaturat folosind un SO cu divizarea timpului, ceea ce presupune alocarea din timpul UCP a unor intervale prestabilite de timp pentru executia fiecarui proces, procedeu ilustrat în fig P1 P2 P3 i3 c3 c3 c3 o3 i2 c2 c2 o2 i1 c1 c1 c1 o1 c3 c2 c1 c3 c2 c1 c3 c1 i3 i2 i1 o2 o3 o1 UCP I/E Fig Repartizarea în timp a desfasurarii proceselor (time sharing) Se observa ca fiecare proces primeste succesiv controlul UCP. Si în acest caz utilizarea UCP este eficienta. Procedeul este recomandabil si atunci când se lucreaza pe un sistem de calcul terminale si fiecare utilizator interactioneaza cu calculatorul aproape instantaneu, creându-se impresia existentei câte unui procesor pentru fiecare utilizator (procesor virtual) Arhitecturi de calculatoare numerice Dupa cum s-a mentionat cvasitotalitatea calculatoarelor realizate pâna în prezent se bazeaza pe arhitectura propusa de von Neumann.. Într-un articol publicat în 1947 von Neumann, e expus cerintele urmatoare care sunt respectate de catre toate masinile (M) realizate pâna în prezent / 39

22 Capitolul 1 - Structuri si arhitecturi de calculatoare numerice 1. M sa posede un mediu de intrare prin intermediul caruia sa poata fi introdus un numar practic nelimitat de date si de instructiuni. 2. M sa posede o memorie unde sa fie depusi operanzii si instructiunile si de unde sa poata fi preluate rezultatele în ordinea dorita. 3. M sa posede o sectiune de calcul care sa fie capabila sa execute operatii aritmetice si logice asupra datelor din memorie. 4. M sa posede un mediu de iesire prin intermediul caruia sa poata fi comunicat utilizatorului un numar practic nelimitat de rezultate. 5. M sa posede o unitate de comanda capabila sa interpreteze instructiunile citite din memorie si pe baza informatiilor furnizate de catre sectiunea de calcul sa fie capabila sa decida între mai multe variante de desfasurare a operatiilor. 6. Datele si instructiunile sa fie stocate în memorie sub aceiasi forma. Pe baza acestor cerinte poate fi realizat modelul functional al unui CN din fig Unitatea de control Memoria Dispozitiv de intrare Unitate logica si aritmetica Acumulator Dispozitiv de iesire Fig Modelul functional al masinii lui John von Neumann. Evident conform cerintelor formulate de von Neumann atât datele cât si instructiunile se gasesc într-o unica memorie. O contributie importanta la dezvoltarea stiintei calculatoarelor a avut-o matematicianul englez Alan Turing care în 1936 legat de conceptul de numere calculabile a sintetizat un automat matematic abstract capabil sa opereze cu astfel de numere. (Numerele calculabile sunt acele numere a caror parte zecimala se poate determina cu un numar finit de iteratii). Automatul a fost sintetizat pe baza urmatoarelor ipoteze: a) automatul are un numar n finit de stari; / 39

23 Capitolul 1 - Structuri si arhitecturi de calculatoare numerice b) automatul se afla în orice moment într-o stare i, unde 1 i n, urmând ca la momentul imediat urma tor sa se afle într-o stare j, unde 1 j n; c) fiecare dintre cele n stari este caracterizata prin urmatoarele informatii: c1) valoarea caracteristicii e i, care este o valoare curenta a numarului care se calculeaza; c2) functia f j care aplicata starii e i permite obtinerea urmatoarei stari e j ; c3) deplasamentul d ij care va trebui aplicat numarului pentru a se realiza tranzitia din swtarea i în starea j, respectiv j = i + d ij. Pentru modelul sau abstract Turing a propus modelul functional din fig P C S SR Fig Modelul functional al masinii Turing: SR sistem reprezentor; P procesor; C/S cap de citire / scriere. Sistemul reprezentor (sau memoria matinii) este constituit dintr-o banda magnetica de lungime infinita (fara capete) împartita în segmente de lungime egala, fiecare segment putând stoca un numar finit de semne. Procesorul este un circuit secvential cu un numar finit de stari, care poate executa urmatoarele instructiuni (care practic se constituie în setul de instructiuni al masinii): - schimba suimbolul de pe banda de la pozitia curenta; - pozitioneaza capul de citire cu o pozitie la dreapta; - pozitioneaza capul de citire cu o pozitie la stânga; - opreste sistemul. Capul de citire/scriere poate citi respectiv înscrie informatie de pe /pe banda magnetica / 39

24 Capitolul 1 - Structuri si arhitecturi de calculatoare numerice Pentru a realiza un calcul cu aceasta masina, se înscriu datele într-un mod convenabil si se descompune algoritmul de calcul în functie de modul de reprezentare a datelor într-o secventa de instructiuni ale masinii. Ultima instructiune este cea de oprire a masinii, la care banda trebuie sa contina reultatul calculului. Referitor la clasificarea diverselor tipuri de arhitecturi, (generate din arhitectura de baza von Neumann) s-au impus atentiei doua clasificari si anume Flinn si Wang. Clasificarea Flinn (1966) Din punct de vedere conceptual functionarea unui sistem de calcul poate fi vazuta ca actiunea unui flux de instructiuni (care reprezinta programul ) asupra unui flux de date (care reprezinta datele de intrare sau rezultate partiale). Clasificarea Flinn, care are vedere gradul de multiplicitate al celor doua fluxuri, identifica patru tipuri de arhitecturi si anume: - SISD (Single Instruction Stream Single Data Stream); - SIMD (Single Instruction Stream Multiple Data Stream); - MISD (Multiple Instruction Stream Single Data Stream); - MIMD (Multiple Instruction Stream Multiple Data Stream). Pentru aceste arhitecturi trei tipuri de componente de sistem respectiv UC (sectiunea de comanda a unitatii centrale), UP (sectiunea de prelucrare a unitatii centrale), MM (modulul de memorie), cele doua fluxuri fiind FD (fluxul de date) respectiv FI (fluxul de instructiuni). Desi diferite între ele cele patru structuri respecta succesiunea evenimentelor specifice arhitecturii von Neumann. Instructiunile si datele sunt extrase din memorie, instructiunile sunt decodificate de UC care trimite secventa de instructiuni catre UP pentru executie. Arhitectura SISD care corespunde structurii din fig. 1-8, realizeaza o executie secventiala a instructiunilor. De exemplu o înmultire cu o constanta 3 a 100 de numere implica aducerea pe rând din memorie a celor 100 de numere si înmultirea lor cu respectiva constanta, fiecare rezultat fiind trimis în memorie pe masura efectuarii calculului. Principalul neajuns al acestei arhitecturi consta în viteza de procesare care la rândul ei este determinata de fracventa ceasului. Este evident ca nici o realizare tehnologica nu va putea face perioada ceasului / 39

25 Capitolul 1 - Structuri si arhitecturi de calculatoare numerice nula. În consecinta modul strict secvential de tratare a operatiilor impus de arhitectura von Neumann plafoneaza la un moment dat viteza de procesare. Aceasta situatie este cunoscuta sub numele gâtul sticlei lui Neumann (Neumann Bottleneck) SI SI SD UC UP MM Fig Arhitectura SISD. Spargerea acestei limitari se realizeaza prin introducerea arhitecturilor de tip neserial (respectiv arhitecturile paralele). Arhitectura SIMD, care corespunde structurii din fig. 1-9 prezinta urmatoarele caracteristici: - exista mai multe UP, sub forma procesoarelor de date, datorita fluxului de date multiplu, preluat din memoria partajata MP; - exista o singura UC, sub forma procesorului de instructiuni, care supervizeaza procesoarele UP; - toate UP primesc setul unic de instructiuni si proceseaza fiecare un anume flux de date (UP i proceseaza SD i ); - masinile SIMD pot efectua procesari pe cuvânt (word-slice) sau pe bit (bit slice). SD 1 UP 1 MM 1 SI SI UP 2 SD 2 MM 2 UP 1 SD n MP UP n MM n / 39 Fig Arhitectura SIMD.

26 Capitolul 1 - Structuri si arhitecturi de calculatoare numerice Considerând exemplul precedent cele 100 de numere vor fi înmultite simultan cu constanta 3 iar rezultatele vor fi stocate în partitiile MM i ale memoriei. Aceste tipuri de masini lucreaza foarte bine pe seturi de date formate din matrice de dimensiuni foarte mari atunci cand asupra fiecarei date este necesar a se efectua aceiasi operatie. Principala limitare a masinilor SIMD este de natura economica deoarece ariile de procesoare nu sunt componente standard si prin urmare aceste masini sunt unicate ai costa foarte mult. Arhitectura MISD, numita macro-pipe-line, corespunde structurii din fig si prezinta urmatoarele caracteristici: - fiecare UC lucreaza cu sirul propriu de instuctiuni SI 1, SI 2, SI n ; - fiecare UP primeste instructiuni diferite, însa opereaza asupra aceluiasi sir de date SD (care suporta în consecinta mai multe prelucrari). SI 1 SI 1 UC 1 UP 1 SD MP MM 1 MM n SI n UC n SI n UP n Fig Arhitectura MISD. Desi aceasta masina este posibil de realizat din punct de vedere teoretic, nu a fost niciodata fabricata în scop comercial, având în prezent doar o valoare teoretica.. Arhitectura MIMD, corespunde structurii din fig. 1-11, si realizeaza o prelucrare paralela prin lansarea în executie a mai multor instructiuni în acelasi timp pe diferite seturi de date. În afara elementelor prezentate în fig sunt necesare elemente aditionale de control care sa repartizeze instructiunea corecta si data care trebuie la procesorul ales (simultan la toate procesoarele) / 39

27 Capitolul 1 - Structuri si arhitecturi de calculatoare numerice SI 1 SI 1 UC 1 UP 1 SD 1 MM 1 MP SI n UC n SIn UP n SD n MM n SI n Fig Arhitectura MIMD. Principial exista doua tipuri de arhitecturi MIMD si anume: - shared memory (intrinseci) daca spatiul de memorie este accesat în comun de toate cele n procesoare; - shared nothing (independente) daca fiecare procesor are propria memorie. În cazul sistemlore MIMD shared memory, fig. 1-12, masina originala von Neumann a fost extinsa prin includerea câte unei memorii locale ML asociate fiecarui procesor memorie cache. Aceasta memorie permite fiecarui procesor sa aiba acces rapid la la cele recente instructiuni si date referite, dar în acelasi timp sa poata accesa în continuare memoria principala prin magistrala de memorie. Memorie partajata Magistrala de memorie ML ML ML ML Procesor Procesor Procesor Procesor Retea Fig Arhitectura MIMD shared memory / 39

28 Capitolul 1 - Structuri si arhitecturi de calculatoare numerice Observatie. La aceasta arhitectura gâtul sticlei (bottleneck) este reprezentat de magistrala de memorie. La un numar redus de procesoare performantele cresc liniar cu numarul acestora, dupa care cresterea este din ce în ce mai lenta (fig. 1-13). Performante Ideal Real Fig Limitarea performantelor la masinile MIMD shared memory Numar de procesoare În cazul sistemelor MIMD shared nothing, fig. 1-14, fiecare procesor are propria lui memorie, masinile fiind practic calculatoare independente (noduri) legate într-o retea. Memorie Memorie Memorie Memorie Procesor Procesor Procesor Procesor Retea Fig Arhitectura MIMD shared nothing. Clasificarea Wang (1972) Aceasta clsificare presupune o organizare matriceala a datelor. O matrice de dimensiune mxn presupune existenta a m cuvinte, fiecare cuvânt cu lungimea de n biti (fig. 1-15) / 39

29 Capitolul 1 - Structuri si arhitecturi de calculatoare numerice m Fig Organizarea datelor într-o matrice. n Criteriul este reprezentat de gradul de paralelism în procesarea datelor organizate matriceal. Conform acestui criteriu exista patru tipuri de arhitecturi si anume: - WSBS (Word Serial Bit Serial) se lucreaza pe un singur cuvânt, fiecare cuvânt fiind prelucrat bit cu bit, respectiv ns1, ms1; - WSBP (Word Serial Bit Paralel) se lucreaza pe un singur cuvânt, bitii fiecarui cuvânt fiind prelucrati simultan, respectiv n>1, ms1; - WPBS (Word Paralel Bit Serial) se lucreaza pe un singur bit la toate cuvintele simultan, respectiv ns1, m>1; - WPBP (Word Paralell Bit Paralel) se lucreaza simultan pe toate cuvintele si pe toti bitii fiecarui cuvânt fi, respectiv n>1, m>1 Structura WPBP este complet paralela fiind orientata pe prelucrari de matrice mxn, în timp ce structurile WSBP si WPBS sunt partial paralele fiind orientate pe prelucrari vectoriale (WSBP orizontala 1xn, WPBS verticala mx1). În ceea ce priveste arhitectura WSBS aceasta nu are elemente de paralelism Structura unui calculator numeric Majoritatea calculatoarelor moderne respecta structura definita în 1947 de von Neumann. Notele specifice sunt date de tehnologia de realizare, modalitatile de conectare a elementelor componente, performantele realizate. În fig se prezinta o structura specifica marii majoritati a calculatoarelor actuale, structura în care pot fi evidentiate urmatoarele elemente: Unitatea Centrala de Prelucrare (UCP); Memoria (M); Dispozitive de Intrare (DI); / 39

30 Capitolul 1 - Structuri si arhitecturi de calculatoare numerice Dispozitive de iesire (DE). M Magistrala de date UCP Magistrala de adrese Magistrala de comenzi DI+DE Fig Schema bloc a unui calculator. Liniile de comunicatie între cele patru module sunt grupate în magistrale. Informatia vehiculata date, adrese si semnale de comanda, astfel încât în structura calculatorului exista trei magistrale, respectiv: magistrala de date; magistrala de adrese; magistrala de comenzi. Unitatea centrala de prelucrare (UCP) reprezinta nucleul unui calculator, asigurând practic executia programelor stocate în memorie. Cele trei componente importante care asigura disponibilitatile UCP sunt: Unitatea de Comanda (UC); Unitatea Aritmetica si Logica (UAL); Registrele Generale (RG). Unitatea de Comanda aduce instructiunile di memorie, determina tipul lor dupa care descompune fiecare instructiune într-o secventa de faze. Fiecare faza este caracterizata de un set de microcomenzi a caror finalitate este reprezentata de efectuarea unor operatii elementare în unitatile de executie ale UCP respectiv registre, UAL, memorie, interfete de intrare / iesire. Dupa cum se observa din fig. 1-17, în care se prezinta structura UCP, unitatea de comanda contine mai multe module care fac posibila realizarea functiilor sale / 39

31 Capitolul 1 - Structuri si arhitecturi de calculatoare numerice Registrul de Instructiuni (RI) pastreaza codul instructiunii în curs de executie. Numaratorul de Program (NP) contine adresa instructiunii curente. Registrul de Stare (RS) este format dintr-un set de bistabile de stare care contin informatii legate de modul de executie a instructiunilor (validarea întreruperilor, executia pas cu pas, etc.), rezultatele operatiilor aritmetice si logice (depasire de cxapacitate de reprezentare, transport spre rangul superior, etc.), sau informatii legate de continutul anumitor registre (par sau impar, zero, etc.). UCP GF GT UC RI DI+BCC NP RS Fig Structura UCP UAL AC R1 RG Rn Magistrala sistem / 39

32 Capitolul 1 - Structuri si arhitecturi de calculatoare numerice Blocul Circuitelor de Comanda (BCC) semnalele de comanda (specifice tipului unei instructiuni, fazei curente si informatiei de stare) necesare executiei instructiunilor. Generatorul de Tact (GT) genereaza semnalul de tact (a carui frecventa determina viteza de lucru) pentru functionarea sincrona a întrgului calculator. Generatorul de Faze (GF) creeaza succesiunea specifica de faze care compun o instructiune. Faza urmatoare este determinata de faza curenta, tipul instructiunii si informatia de stare din UCP. Unitatea Aritmetica si Logica (UAL) executa totalitatea operatiilor aritmetice (adunare, scadere, înmultire, împartire) si logice (Si, SAU, NU, SAU EXCLUSIV, etc.). O importanta aparte pentru UAL prezinta registrul acumulator AC, care de multe ori este tratat ca facând parte din aceasta. Registrele Generale (RG) pastreza date cu care lucreaza programul în executie, avand rolul unor locatii de memorie rapida. Registrul acumulator este implicat în toatalitatea operatiilor efectuate de UAL pastrând unul din operanzi si rezultatul. Memoria (M) sistemelor de calcul are rolul de a pastra informatia (programe sau date) utilizata de UCP sau dispozitivele periferice. Cantitatea minima de informatie care poate fi memorata de calculator este de un bit (binary digit). Informatia de un bit corespunde probabilitatii de realizare a unui eveniment dintr-un câmp de doua evenimente echiprobabile. Un bit poate exprima o cifra binara (0 sau 1) sau o conditie logica (adevarat sau fals). Din punct de vedere fizic un bit poate fi reprezentat printr-un nivel de tensiune (înalt sau coborât), starea de magnetizare sau nu a unei mici portiuni de pe suprafata unui disc magnetic, transparenta sau opacitatea unui punct de pe un disc optic etc. Deoarece msanevrarea informatei la nivel de bit este greoaie, uzual se utilizeaza multipli ai acestuia: 1 octet = 1 Byte = 8 bit; 1 Koctet = 1 KB = octet = 1024 octet (Byte); 1 Moctet = 1 MB = KB = 1024 KB; 1 Goctet = 1 GB = MB = 1024 MB; 1 Toctet = 1 TB = GB = 1024 GB / 39