Capitolul I
Arhitectura calculatoarelor

1.1 Modelul Von Neumann de arhitectură a calculatoarelor
1.2 Organizarea memoriei interne
1.3 Reprezentarea informaţiilor în memoria internă
1.4 Modelul funcţional al calculatoarelor

1.1 Modelul Von Neumann de arhitectură a calculatoarelor

Descrierea care urmează este o descriere a modelului Von Neumann de construcţie a calculatoarelor. Se pot aduce destule critici acestui model care domină sever încă de la începuturile maşinilor de calcul electronic, dar el continuă să fie singurul model funcţional.

Modelul Von Neumann defineşte calculatorul ca pe un ansamblu format dintr-o unitate centrală şi o memorie internă. Unitatea centrală sau procesorul este responsabilă cu administrarea şi prelucrarea informaţiilor în timp ce memoria internă serveşte la depozitarea acestora. În terminologia calculatoarelor, depozitarea informaţiilor în memoria internă a calculatorului se numeşte memorare.

Acest ansamblu unitate centrală plus memorie internă comunică cu exteriorul prin intermediul unor dispozitive periferice. Dispozitivele periferice pot fi de intrare sau de ieşire în funcţie de direcţia în care se mişcă datele. Dacă datele sunt furnizate de dispozitivul periferic şi transferate spre unitatea centrală, atunci dispozitivul este de intrare precum sunt tastatura sau mausul. Dacă datele sunt generate de unitatea centrală şi transmise spre dispozitivul periferic atunci dispozitivul este de ieşire precum sunt ecranul sau imprimanta. Există şi dispozitive mixte de intrare/ieşire precum sunt discurile pentru memorarea externă a informaţiilor.

Tastatura calculatorului reprezintă un set de butoane (taste) inscripţionate care ne permite transmiterea către unitatea centrală a unor litere, cifre, semne de punctuaţie, simboluri grafice sau comenzi funcţionale. Mausul reprezintă un dispozitiv simplu, mobil, care ne permite indicarea unor regiuni ale ecranului cu ajutorul unui cursor.

În plus, mausul ne permite activarea regiunilor respective cu ajutorul celor 1-2-3 butoane ale sale.

Ecranul este un dispozitiv cu ajutorul căruia calculatorul comunică informaţii spre exterior. Aceste informaţii apar sub formă de litere, cifre, semne de punctuaţie, simboluri grafice sau desene oarecare într-o varietate mai mare sau mai mică de culori. Informaţia de pe ecran se pierde odată cu redesenarea acestuia. Pentru transferul acestor informaţii pe hârtie şi îndosarierea lor s-au creat alte dispozitive periferice, numite imprimante.

Memoria internă pierde informaţiile odată cu oprirea alimentării calculatorului. Pentru a salva informaţiile utile, precum şi programele de prelucrare ale acestora este nevoie de dispozitive de memorare permanente. Din această categorie fac parte discurile calculatorului. Există mai multe modele de discuri precum discurile fixe, discurile flexibile sau compact-discurile, fiecare dintre acestea având caracteristici, viteze de acces şi capacităţi de memorare diferite. Informaţiile salvate pe discuri pot fi încărcate din nou în memoria internă la o pornire ulterioară a calculatorului. Vă veţi întreba desigur de ce este nevoie de două tipuri distincte de memorie: pentru că discurile au viteze de acces mult prea mici pentru a putea fi folosite direct de către unitatea centrală.

Figura 1.1 Modelul constructiv al calculatoarelor Von Neuman.

Deşi modelul constructiv de bază al calculatoarelor nu a evoluat prea mult, componenta tehnologică a acestora s-a aflat într-o permanentă evoluţie. Transformarea vizează la ora actuală viteza de lucru şi setul de instrucţiuni ale unităţii centrale, capacitatea şi viteza de stocare a memoriei interne precum şi tipurile şi calitatea dispozitivelor periferice.

1.2 Organizarea memoriei interne

Memoria calculatoarelor actuale este, din punct de vedere logic, o înşiruire de cifre binare, 0 sau 1. Alegerea bazei 2 de numeraţie are în principal raţiuni constructive: este mult mai uşor şi mult mai fiabil să reprezinţi un principiu binar ca absenţa/prezenţa sau plus/minus decât unul nuanţat. O cifră binară este numită, în termeni de calculatoare, bit.

Biţii sunt grupaţi, opt câte opt, în unităţi de memorare numite octeţi.

Iarăşi, alegerea cifrei opt are raţiuni istorice: era nevoie de o putere a lui doi care să fie cât mai mare, pentru a putea permite transferuri rapide între diversele componente ale calculatorului (unitate centrală, memorie, dispozitive periferice), dar totodată suficient de mică pentru ca realizarea dispozitivelor implicate, cu tehnologia existentă, să fie posibilă. Cifra opt avea în plus avantajul că permitea reprezentarea tuturor caracterelor tipăribile necesare la ora respectivă precum: literele, cifrele sau semnele de punctuaţie. Într-un octet se pot reprezenta până la 256 (2⁸) astfel de caractere. În prezent octetul este depăşit datorită necesităţii de reprezentare a caracterelor tuturor limbilor scrise din lume.

Pentru a accesa o informaţie în memorie este nevoie de un mod de a referi poziţia acesteia. Din acest motiv, octeţii memoriei au fost numerotaţi unul câte unul începând de la 0 până la numărul maxim de octeţi în memorie. Numărul de ordine al unui octet îl vom numi pentru moment adresă. Noţiunea de adresă şi-a extins semnificaţia în ultimul timp dar, pentru înţelegerea acestui capitol, explicaţia de mai sus este suficientă.

Zona fizică de memorie rezervată unei anumite informaţii se numeşte locaţia informaţiei respective în memorie. În unele dintre locaţiile din memorie putem păstra chiar adresa unor alte locaţii din memorie. Informaţia memorată în aceste locaţii se numeşte referinţă. Cu alte cuvinte, o referinţă este o informaţie memorată într-o locaţie de memorie care ne trimite spre (se referă la) o altă locaţie de memorie. O locaţie de memorie se poate întinde pe mai mult decât un octet.

1.3 Reprezentarea informaţiilor în memoria internă

După cum aţi putut observa din cele prezentate până acum, în memoria calculatorului nu se pot înscrie decât numere naturale. Mai precis, fiecare octet de memorie poate memora un număr de la 0 la 2⁸-1, adică 255. Orice altă informaţie pe care dorim să o reprezentăm în memoria calculatorului trebuie redusă la unul sau mai multe numere naturale mici.

Această trăsătură a modelului actual de memorare introduce un pas suplimentar de abstractizare în procesul de proiectare de aplicaţii, şi anume pasul în care se construieşte un model de reprezentare în memorie a datelor, necesar aplicaţiei.

Să presupunem, de exemplu, că o aplicaţie necesită reprezentarea în memoria calculatorului a unui set de culori. Pentru memorarea acestor culori este nevoie de o convenţie care să stabilească o corespondenţă biunivocă între setul de culori şi setul de numere naturale folosite la reprezentarea acestora. Corespondenţa este biunivocă pentru că ea trebuie să ofere posibilitatea de a regăsi în mod unic o culoare plecând de la un număr şi, în acelaşi timp, să ofere o reprezentare unică, sub formă de număr, pentru fiecare culoare. De exemplu, putem pune în corespondenţă culoarea neagră cu numărul 0, culoarea roşie cu numărul 1, culoarea albastră cu numărul 2 şi aşa mai departe. Ori de câte ori vom memora 2 vom memora albastru şi ori de câte ori vom dori să memorăm roşu, vom memora 1.

Ca rezultat al folosirii acestei abstractizări, datele aplicaţiei devin dependente de convenţia de reprezentare utilizată. Presupunând că o aplicaţie construieşte în memorie o imagine grafică folosindu-se de o anumită corespondenţă dintre culori şi numere, oricare altă aplicaţie care vrea să utilizeze imaginea respectivă trebuie să folosească aceeaşi convenţie.

O cale similară de rezolvare vom întâlni şi la reprezentarea caracterelor. Caracterele sunt denumirea într-un singur cuvânt a literelor, cifrelor, semnelor de punctuaţie sau simbolurilor grafice reprezentate în memorie. Este nevoie de o convenţie prin care ataşăm fiecărui caracter câte un număr natural memorabil într-un octet.

În cazul reprezentării caracterelor, există chiar un standard internaţional care defineşte numerele, reprezentabile pe un octet, corespunzătoare fiecărui caracter în parte, numit standardul ASCII. Alte standarde, cum ar fi standardul Unicode, reprezintă caracterele pe doi octeţi, ceea ce le dă posibilitatea să ia în considerare o gamă mult mai largă de caractere.

Tabelul 1.1 Un fragment din codurile ASCII şi Unicode de reprezentare a caracterelor grafice în memoria calculatoarelor.

Desigur, este greu să ţinem minte codul numeric asociat fiecărui caracter sau fiecărei culori. Este nevoie de paşi suplimentari de codificare, care să pună informaţia în legătură cu simboluri mai uşor de ţinut minte decât numerele. De exemplu, este mult mai uşor pentru noi să ţinem minte cuvinte sau imagini. Dar să nu uităm niciodată că, pentru calculator, cel mai uşor este să memoreze şi să lucreze cu numere.

1.4 Modelul funcţional al calculatoarelor

Fiecare calculator defineşte un număr de operaţii care pot fi executate de unitatea sa centrală. Aceste operaţii sunt în principal destinate memorării sau recuperării informaţiilor din memoria internă, calculelor aritmetice sau logice şi controlului dispozitivelor periferice. În plus, există un număr de instrucţiuni pentru controlul ordinii în care sunt executate operaţiile.

O instrucţiune este o operaţie elementară executabilă de către unitatea centrală a unui calculator. O secvenţă de mai multe instrucţiuni executate una după cealaltă o vom numi program.

Instrucţiunile care compun un program trebuiesc şi ele reprezentate în memorie, la fel ca orice altă informaţie, din cauza faptului că unitatea centrală nu are posibilitatea să-şi păstreze programele în interior. Pentru memorarea acestor instrucţiuni este nevoie de o nouă convenţie de reprezentare care să asocieze un număr sau o secvenţă de numere naturale fiecărei instrucţiuni a unităţii centrale.

Execuţia unui program de către calculator presupune încărcarea instrucţiunilor în memoria internă şi execuţia acestora una câte una în unitatea centrală. Unitatea centrală citeşte din memorie câte o instrucţiune, o execută, după care trece la următoarea instrucţiune. Pentru păstrarea secvenţei, unitatea centrală memorează în permanenţă o referinţă către următoarea instrucţiune într-o locaţie internă numită indicator de instrucţiuni.

Modelul de execuţie liniară a instrucţiunilor, în ordinea în care acestea sunt aşezate în memorie, este departe de a fi acceptabil. Pentru a fi util, un program trebuie să poată să ia decizii de schimbare a instrucţiunii următoare în funcţie de informaţiile pe care le prelucrează. Aceste decizii pot însemna uneori comutarea execuţiei de la o secvenţă de instrucţiuni la alta. Alteori, este necesar să putem executa o secvenţă de instrucţiuni în mod repetat până când este îndeplinită o anumită condiţie exprimabilă cu ajutorul informaţiilor din memorie. Numărul de repetări ale secvenţei de instrucţiuni nu poate fi hotărât decât în momentul execuţiei. Aceste ramificări ale execuţiei se pot simula destul de uşor prin schimbarea valorii referinţei memorate în indicatorul de instrucţiuni.