Reprezentarea interna a datelor, Coduri de reprezentare, Arhitectura sistemelor electronice de calcul

Reprezentarea interna a datelor

Un sistem de numeratie este format din totalitatea regulilor de reprezentare a numerelor cu ajutorul unor simboluri numite cifre.

Sistemele de numeratie sunt de doua feluri: pozitionale si nepozitionale Un exemplu de sistem pozitional este sistemul zecimal, iar de sistem nepozitional, sistemul roman.

In sistemele de calcul se folosesc in special sisteme de numeratie pozitionale.

Exemple de sisteme de numeratie pozitionale :

Sistemul binar, al carui alfabet este format numai din doua cifre, 0 si 1, este cel mai potrivit pentru a fi utilizat in calculatoarele numerice care sunt construite in principal din elemente cu doua stari stabile; se poate obtine astfel o reprezentare fizica a informatiei, prin atribuirea uneia dintre starile dispozitivului cifrei 0, iar cealalta cifra 1. Cele doua caractere ale sistemului binar se numesc cifre binare, iar pozitia pe care acestea o ocupa in interiorul unei grupari binare se numeste pozitie binara.

Sistemul de numeratie octal utilizeaza drept simboluri caracterele: 0,1,2,3,4,5,6,7. Intre acesta si sistemul binar exista o legatura directa prin faptul ca unui caracter octal ii corespund trei caractere binare.

In sistemul de numeratie hexazecimal sunt utilizate simbolurile 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F, cu ajutorul carora se pot reprezenta valorile 0-15. Prin conventie, pentru reprezentarea numerelor cu valori cuprinse intre 10-15 se utilizeaza literele A-F. Intre sistemul de numeratie hexazecimal si cel binar exista, de aseme-nea, o relatie de corespondenta, prin faptul ca un caracter hexazecimal poate fi reprezentat printr-un grup de 4 pozitii binare.

Conversia numerelor din sistemul de numeratie zecimal intr-un alt sistem se realizeaza prin efectuarea unui sir de impartiri succesive la valoarea bazei sistemului in care se doreste transformarea

Spre exemplificare, se doreste conversia in sistem de numeratie binar (baza 2) a numarului 50, in octal (baza 8) si in hexazecimal (baza 16).

Coduri de reprezentare

Necesitatea reprezentarii in calculator a unui numar mare de caractere (cifre, litere, caractere speciale) a condus la aparitia si utilizarea unor coduri. Deoarece in calculatorul electronic orice informatie este reprezentata in sistemul binar, apare necesitatea translatarii informatiei externe, accesibila omului, in informatie interna, accesibila calculatorului, si invers. Aceasta translatare se realizeaza prin operatia de codificare.

Codurile in care sunt reprezentate numai numere se numesc coduri numerice. Codurile in care sunt reprezentate numere, litere si alte semne speciale se numesc coduri alfanumerice.

Dintre codurile alfanumerice, cele mai reprezentative sunt codurile ASCII si EBCDIC. In ambele cazuri se foloseste octetul (opt pozitii binare) pentru reprezentarea unui caracter.

ASCII (American Standard Cod for Information Interchange) este un cod ce utilizeaza 7 cifre binare cu care se pot realiza 128 de combinatii. Pentru a asigura protectia informatiei in procesul de transmitere a acesteia, se adauga structurii codului din 7 biti o pozitie pentru controlul de imparitate.

EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Interchange Code) este un cod ce utilizeaza 8 cifre binare cu care se pot realiza 28=256 de combinatii. O parte din combinatii sunt utilizate pentru codificarea anumitor comenzi. Fiecare caracter se reprezinta prin doua simboluri din sistemul de numeratie hexazecimal.

  Reprezentarea in cod EBCDIC a expresiei „REFERAT LA INFORMATICA” se prezinta astfel:

 - in sistem hexazecimal:

9D 5C 6C 5C 9D 1C 3E 3D 1C 9C 5D 6C 6D 9D 4D 1C 3E 9C 3C 1C

- in sistem binar:
10011101  01011100  01101100  01011100  10011101  00011100  00111110 00111101  00011100  10011100  01011101  01101100  01101100  10011101 01001101  00011100  00111110  10011100  00111100  00011100

Exercitii

1. Conversia numerelor din baza 8 si 16 in baza 2.

2. Conversia numerelor din baza 2, 8 si 16 in baza 10.

3. Conversia numerelor din baza 10 in baza 2, 8 si 16.

4. Realizati urmatoarele operatii:

a. 2678(10) = ? (2) = ? (16) = ? (8)

b. 4AD1(16)= ?(10)= ?(2)=?(8)=?(16)

c. 762(8)=?(10)=?(2)=? (16) = ? (8)

2 Arhitectura sistemelor electronice de calcul

Istoria evolutiei tehnicii de calcul pune in evidenta parcurgerea a doua etape, si anume: etapa dispozitivelor mecanice si etapa calculatoarelor electronice.

Etapa dispozitivelor mecanice, semimecanice si electromecanice cuprinde incercarile si succesele cunoscute de peste 5000 de ani. Cel mai vechi este ABACUL, cu ajutorul caruia se opereaza adunari si scaderi, dispozitiv pastrat pana in zilele noastre. A fost consemnata utilizarea lui de catre babilonieni in anii 2200 i.Hr.

Etapa calculatoarelor electronice se structureaza pe cinci generatii distincte.

Prima generatie (1942-1959) este marcata de aparitia primelor calculatoare electronice cu numele ABC (Atanasoff Berry Computer) sau ENIAC (Elecronic Numerical Integrator And Calculator).

Prima generatie cuprinde gama calculatoarelor electronice, realizate pana in anul 1955, acestea avand urmatoarele caracteristici principale:

1       - aveau ca elemente constructive de baza tuburile electronice, releele si liniile de intarziere;

2       pentru introducerea datelor utilizau cartele sau benzi perforate;

1       - programarea se facea in cod-masina, bit cu bit, pe baza a cateva sute de instructiuni;

2       - viteza de calcul si capacitatea de stocare a datelor era limitata;

3       - solicitau conditii speciale de instalare si de functionare, un consum mare de energie si de munca pentru exploatare si intretinere.

4       Generatia a doua (1959-1965) cuprinde calculatoarele realizate in perioada 1956-1963, marcata de aparitia tranzistorului in tehnologia circuitelor logice.

5       Generatia a treia (1965-1970) se localizeaza istoriceste dupa anul 1964, odata cu aparitia circuitelor integrate, care concentreaza pe o suprafata minima mai multe componente active si pasive (tranzistori, diode, condensatori, rezistente etc.).

6       Generatia a patra se remarca incepand cu anul 1970 si cuprinde calculatoarele electronice ce utilizeaza ca elemente constructive circuitele integrate generalizate pe scara medie (MSI), mare (LSI) si foarte mare (VLSI).

7       Generatia a cincea, prefigurata incepand cu anii ’90, printr-un program comun sponsorizat de Statele Unite si Japonia, urmareste atat revolutionarea conceptiei tehnologice, cat mai ales a celei software.

8      

Arhitectura generala a unui sistem electronic de calcul

Totalitatea echipamentelor de calcul si a sistemelor de programe care realizeaza prelucrarea automata a datelor constituie un sistem electronic de calcul.

Sistemul electronic de calcul este alcatuit din:

- hardware - sistemul de echipamente, adica totalitatea componentelor fizice folosite in culegerea, memorarea, prelucrarea datelor si trans-miterea rezultatelor

- software - sistemul de programe de baza, respectiv, ansamblul programelor care asigura conducerea, supravegherea si controlul procesului de prelucrare.

Componenta hardware realizeaza urmatoarele functii principale:

1       - memorarea datelor si a programelor;

2       - controlul permanent al procesului de prelucrare automata a datelor;

3       - efectuarea operatiilor aritmetice si logice asupra datelor sto-cate in memoria interna;

4       - introducerea datelor si a programelor in memoria interna, pre-cum si redarea rezultatelor prelucrarii pe hartie sau stocarea acestora pe suporturi tehnice de date.

Sistemele electronice de calcul au fost concepute cu urmatoarele componente:

2       unitatea centrala,

3       unitati periferice (de intrare si de iesire

4       unitati de memorare.

Un calculator este compus din unitatea centrala, memoria interna, echipamente periferice.

1.Unitatea centrala este componenta care realizeaza efectiv memorarea si prelucrarea datelor si care controleaza intregul sistem de echipamente.

Ea este alcatuita din

- unitatea de comanda-control reprezinta componenta care urmareste executarea programelor, comanda unitatile de memorie si anumite periferice, asigura decizia in cazul aparitiei unor intreruperi.

- unitatea aritmetico-logica este componenta care realizeaza efectiv instructiunile aritmetice si logice.

2. Memoria interna

Unitatea elementara de memorie se numeste celula binara si este capabila sa retina valorile numerice 0 si 1 ale unei variabile binare.

Informatiile elementare se masoara in biti, iar 8 biti reprezinta 1 byte. Byte-ul constituie unitatea elementara care poate fi adresata individual in cadrul memoriei interne.

Continutul informational al unei locatii de memorie poate fi

- un byte, atunci cand locatia contine un grup de 8 biti,

- un cuvant, atunci cand locatia contine un grup mai mare de biti.

3. Unitatile periferice realizeaza legatura cu mediul exterior, ele permitand schimbul de informatii si dialogul utilizator-sistem electro-nic de calcul, precum si stocarea unei cantitati de informatii mult mai mari decat cea permisa de memoria interna.

Unitatile periferice se impart in:

- unitatile periferice de intrare permit introducerea de catre operator a programelor si a datelor problemei, cel mai reprezentativ echipament de acest fel fiind tastatura. Pe langa aceasta, mai putem aminti creionul optic, mouse-ul, scanerul, tabletele grafice.

- unitatile periferice de iesire permit afisarea rezultatelor prelucrarii, dar si a unor mesaje utilizator-calculator, incluzand display-urile, imprimantele, mesele de desenat.

- unitatile periferice de memorare, numite si echipamente de memorie externa, sunt unitatile (driver) de discuri magnetice, de banda sau caseta magnetica. Aceste unitati permit inregistrarea si, ulterior, consultarea informatiilor.

Clase si familii de calculatoare

Din punct de vedere al caracteristicilor constructive, calcula-toarele electronice se clasifica in: microcalculatoare, minicalculatoare si calculatoare medii si mari.

Microcalculatoarele sunt realizate avand ca element central un microprocesor in jurul caruia s-a dezvoltat o arhitectura, la inceput mai simpla, apoi din ce in ce mai performanta, pe masura ce s-a trecut de la utilizarea unui microprocesor cu lungimea cuvantului de 4 biti la 8-16 biti, iar in prezent la 32-64 biti.

Calculatoarele personale (Personal Computers sau PC) au cucerit suprematia in lumea microcalculatoarelor prin utilizarea alaturi de floppy-discuri, a discurilor Winchester, hard-discuri, precum si a microprocesoarelor pe 16 biti INTEL 8086.

Minicalculatoarele au aparut datorita puternicului proces de miniaturizare a generatiei vechi de calculatoare, prin utilizarea masiva a circuitelor integrate LSI (Large Scale of Integration) si VLSI (Very Large Scale of Integration)(ex. minicalculatoare CORAL).

Calculatoarele medii si mari. In prezent, aceste calculatoare mai sunt denumite si sisteme „main-frame”-uri. Prin dimensiunea lor redusa, nu mai seamana cu ceea ce au fost prin anii ’70-’80. Asemenea calculatoare au fost calculatoarele romanesti FELIX C-256, FELIX C-512, FELIX C-1024. In prezent, firma IMB a lansat un „main-frame” cu performante spectaculoase; este vorba de familia de calculatoare AS/400.

Calculatoarele personale

Calculatoarele personale (Personal Computers sau PC) au cucerit suprematia in lumea microcalculatoarelor prin utilizarea alaturi de floppy-discuri, a discurilor Winchester, hard-discuri, precum si a microprocesoarelor pe 16 biti INTEL 8086.

Calculatorul personal reuneste intr-un tot unitar si functional doua parti: hardware-ul si software-ul.

Din punct de vedere structural, calculatorul se compune din microprocesor si memorie. Microprocesorul executa programele care se gasesc in memorie, iar programele opereaza asupra datelor care se afla tot in memorie.

Din punct de vedere functional, calculatorul este compus din unitatea centrala si echipamente periferice.

Placa de baza, microprocesorul si memoria interna

Placa de baza, cunoscuta si sub denumirea de motherboard, reprezinta fundamentul unui calculator, definind prin circuitele pe care le contine PC-ul si accentuand caracteristicile acestuia.

Placa de baza constituie suportul principalelor componente electronice ale calculatorului: microprocesorul, memoria interna, coprocesorul matematic, magistralele de comunicatie, interfetele de conectare.

Microprocesorul este conectat prin intermediul soclului de procesor B, iar deasupra acestuia este montat un ventilator care are rol de racire pentru procesor.

Pentru a asigura o functionare corecta a tuturor componentelor periferice, placa de baza dispune de un circuit de memorare specializat, numit BIOS.

BIOS monitorizeaza in permanenta temperatura atinsa de microprocesor, tensiunea de alimentare si numarul de rotatii pe minut al ventilatorului procesorului (Cooler). In situatia in care aceste elemente ating pragul maxim, se produce automat oprirea calculatorului.

Microprocesorul este o unitate de prelucrare miniaturizata a datelor care trebuie supuse prelucrarii.

Istoria microprocesorului incepe in anul 1971, cand compania INTEL a realizat pentru prima data asamblarea intr-un tot unitar a unui mare numar de tranzistoare, dar vor mai trece 8 ani pana cand aceasta realizare se va concretiza in primul calculator personal.

Viteza de lucru a calculatorului este exprimata de frecventa de lucru a micro-procesorului. Frecventa de ceas a procesoarelor a debutat cu valoarea de 4,77 MHz, urmata de 16, 25, 50, 66, 90, 133, 200, 550 MHz.

Microprocesorul, numit si Unitate Centrala de Procesare (CPU – Central Processing Unit), este un circuit LSI (Large Scale Integration) complex, capabil sa efectueze operatii aritmetice si logice sub controlul unui program.

Clasificarea procesoarelor se realizeaza in functie de modul in care are loc executia instructiunilor.

Procesoare de tip CISC (Complex Instruction Set Computer) – modul de executie al instructiunilor dupa acest tipar fiind specifice procesoarelor 8086.

Procesoare de tip RISC (Reduced Instruction Set Computer) – modul de executie al instructiunilor este dat de tehnologia superscalara care permite procesoarelor sa execute simultan mai multe instructiuni (procesare paralela). Acest mod de executie a instructiunilor este specific procesoarelor dedicate pentru servere. Codurile acestor instructiuni sunt memorate intr-o memorie ROM (Microcode ROM) in interiorul procesorului.

Caracteristicile procesoarelor :

- viteza de lucru,

- capacitatea maxima de memorie pe care o poate adresa,

- setul de instructiuni pe care le poate executa.

O caracteristica principala a unui procesor este reprezentata de lungimea cuvantului cu care poate lucra (capacitatea registrilor sai de lucru), existand procesoare ce lucreaza cu lungimi de 8, 16, 32 si 64 de biti.

Memoria interna, prin intermediul ei se poate aprecia performantele unui calculator.

Memoria ROM (Read Only Memory – memorie care poate fi doar citita) – este un tip de memorie nevolatila (informatia continuta de acest tip de memorie nu se pierde la oprirea calculatorului).

Memoria RAM (Random Access Memory - memorie cu acces aleator) - accesul la memorie este permis atat pentru citire cat si pentru scriere.

Memoria RAM reprezinta un spatiu temporar de lucru unde se pastreaza datele si programele pe toata durata executiei lor. Programele si datele se vor pierde din memoria RAM, dupa ce calculatorul va fi inchis, deoarece aceasta este volatila, pastrand informatia doar atata timp cat calculatorul este sub tensiune.

Fizic, memoria RAM este constituita din elemente care prezinta doua stari stabile, reprezentate conventional prin simbolurile 0 si 1, denumite biti sau cifre binare.

Prin constructie, accesul la memorie se realizeaza la nivelul unui grup de biti denumit celula sau locatie de memorie.

Din punct de vedere al organizarii interne, memoria RAM este impartita din punct de vedere logic, astfel:

1. Memoria conventionala (de baza) – este formata din primii 640 Kb ai memoriei calculatorului, fiind zona in care se executa toate programele care ruleaza sub sistemul de operare MS-DOS.

2. Memoria superioara (rezervata) – este formata din urmatorii 384 Kb, ramasi disponibili pana la 1Mb. Aceasta zona de memorie este impartita in felul urmator: primii 128 Kb sunt rezervati pentru a fi utilizati de adaptoarele video pentru memorarea informatiei afisate pe ecran, urmatorii 128 de Kb sunt rezervati pentru a fi folositi de diferite adaptoare ce se pot conecta la un sistem cum ar fi placa video, placa de retea etc., ultimii 128 de Kb fiind rezervati pentru a fi utilizati de componenta BIOS a sistemului.

3. Memoria extinsa – este cuprinsa intre 1 Mb si 4 Gb, caracteristica sa fiind aceea ca poate fi accesata doar daca procesorul lucreaza in mod protejat.

4. Memoria expandata EMS (Expanded Memory Specification) – acest tip de memorie nu poate fi accesat direct de catre procesor, ci prin intermediul unei ferestre de 64 de Kb stabilita in zona de memorie superioara. Acest tip de memorie este impartit din punct de vedere logic in segmente de 64 Kb care sunt comutate in aceasta fereastra.

Interfete, magistrale (bus), controller

Interfata reprezinta dispozitivul prin intermediul caruia doua componente ale calculatorului pot comunica reciproc. Aceasta comunicare se poate realiza in doua moduri: paralel si serial, in functie de modul de transmisie a bitilor de informatie.

Portul reprezinta punctul prin intermediul caruia unitatea centrala realizeaza schimburi de informatii cu exteriorul ei. Porturile pot fi de intrare si de iesire, in functie de perifericul la care facem referire. De exemplu, mouse-ul este cuplat la unitatea centrala printr-un port (PS/2 Mouse), un port specializat pentru conectarea tastaturii (PS/2 Keyboard), port de comunicatie (COM 1 Connector), portul de imprimanta (Printer Connector), portul de legatura pentru monitor (VGA Connector) si o serie de porturi necesare conectarii unor dispozitive audio-video de intrare-iesire.

Magistrala reprezinta multimea conductoarelor folosite in comun de mai multe unitati functionale pentru transmiterea semnalelor care codifica (reprezinta) un vector binar.

Echipamentele periferice sunt cuplate la magistrala prin intermediul unei componente fizice, numita controller. Controller-ul urmareste, comanda si controleaza intregul trafic de informatii intre perifericele rapide, unitatea de hard-disk si unitatile de floppy-disk si memoria interna. Acest transfer direct se executa fara implicarea unitatii centrale.

Sarcina controlului transferului rapid de informatii intre memorie si unitatile de discuri magnetice revine unei componente numita DMA (Direct Memory Access).