Sisteme de calcul

Prezentarea arhitecturii unui sistem de calcul, a componentelor hardware și a modului de funcționare a acestora.

Modelul Von Neumann — schema după care funcționează orice calculator

Aproape toate calculatoarele moderne, de la laptop la telefon, urmează arhitectura Von Neumann, propusă în 1945. Ideea ei revoluționară: programul și datele stau în aceeași memorie, sub formă de numere binare — deci un calculator poate rula orice program, fără să fie recablat pentru fiecare sarcină.

Componentele modelului:

• unitatea centrală de prelucrare (UCP/procesorul) — formată din unitatea de comandă și control (citește instrucțiunile și dirijează execuția) și unitatea aritmetico-logică (UAL) (efectuează calculele și comparațiile);
• memoria internă — păstrează programul în execuție și datele lui;
• dispozitivele de intrare/ieșire — legătura cu exteriorul;
• magistralele (bus) — traseele pe care circulă datele, adresele și semnalele de comandă între componente.

Funcționarea este un ciclu repetat neîncetat: extrage instrucțiunea din memorie → decodific-o → execut-o → treci la următoarea. Tot ce face un calculator, oricât de spectaculos, se reduce la acest ciclu executat de miliarde de ori pe secundă.

Distincția de vocabular care se cere mereu: hardware = componentele fizice (tot ce poți atinge); software = programele, adică instrucțiunile care spun hardware-ului ce să facă. Unul fără celălalt e inutil.

Procesorul — creierul care execută instrucțiuni

Procesorul (CPU) execută instrucțiunile programelor. Caracteristicile după care îl evaluezi:

• frecvența de lucru, măsurată în GHz — câte cicluri de bază face pe secundă; 3 GHz înseamnă trei miliarde de cicluri pe secundă. Atenție: frecvența singură nu spune tot — două procesoare cu aceeași frecvență pot avea performanțe foarte diferite;
• numărul de nuclee (core-uri) — un procesor cu 8 nuclee poate executa în paralel mai multe fire de execuție; programele trebuie însă scrise ca să profite de ele;
• memoria cache — memorie mică și extrem de rapidă, integrată în procesor (pe niveluri L1, L2, L3), care păstrează datele folosite recent, ca procesorul să nu aștepte după memoria RAM, mult mai lentă;
• setul de instrucțiuni — operațiile elementare pe care le înțelege (x86, ARM).

În interiorul procesorului, registrele sunt cele mai rapide zone de stocare — câteva zeci, fiecare de dimensiunea unui cuvânt de memorie — în care se țin operanzii calculelor curente.

Ierarhia care explică aproape orice discuție despre viteza calculatoarelor: registre → cache → RAM → stocare externă. Cu fiecare nivel crește capacitatea, dar scade viteza; arta construirii unui calcul rapid este să ții datele cât mai aproape de vârful ierarhiei.

Memoria internă: RAM, ROM și cache

Memoria internă este spațiul de lucru al procesorului — aici trebuie să se afle orice program ca să poată fi executat.

• RAM (Random Access Memory) — memoria de lucru: păstrează sistemul de operare încărcat, programele deschise și datele lor. Este volatilă: conținutul se pierde la oprirea alimentării. De aceea un document needitat salvat dispare la o pană de curent. „Random access” înseamnă că orice celulă se accesează la fel de repede, indiferent de adresă.
• ROM (Read-Only Memory) — memorie nevolatilă, înscrisă de producător, din care în mod normal doar se citește. Conține programul de pornire (firmware/BIOS/UEFI), care testează componentele la aprindere și încarcă sistemul de operare.
• cache — memoria-tampon rapidă dintre procesor și RAM, descrisă la secțiunea despre procesor.

Confuzia care apare cel mai des în teste: memoria RAM nu este spațiul de stocare. Un telefon cu 8 GB RAM și 256 GB stocare are 8 GB spațiu de lucru volatil și 256 GB spațiu permanent pentru fișiere. Fraza „am memorie plină de la poze” se referă la stocare, nu la RAM.

A doua distincție: mai multă RAM nu face procesorul mai rapid — reduce doar situațiile în care sistemul trebuie să mute date pe stocarea externă (mult mai lentă) pentru că spațiul de lucru nu ajunge.

Stocarea externă și dispozitivele de intrare/ieșire

Memoria externă (stocarea) păstrează datele permanent, inclusiv fără curent:

• HDD (hard disk) — discuri magnetice rotative cu capete de citire; capacitate mare la preț mic, dar componente mecanice în mișcare: mai lent, sensibil la șocuri;
• SSD (solid state drive) — memorie flash, fără piese mobile: mult mai rapid, silențios, rezistent la șocuri, dar mai scump pe gigabyte. Diferența se simte imediat la pornirea sistemului și la deschiderea aplicațiilor;
• memorii flash portabile (stick USB, carduri SD) și discuri optice (CD, DVD, Blu-ray) — pentru transport și arhivare;
• stocarea în cloud — fișierele stau pe serverele unui furnizor și sunt accesibile prin Internet; comoditatea vine la pachet cu dependența de conexiune și cu întrebări de confidențialitate.

Dispozitivele periferice se clasifică după sensul fluxului de date față de sistem:

• de intrare: tastatură, mouse, scanner, microfon, cameră web, touchpad;
• de ieșire: monitor, imprimantă, difuzoare, videoproiector;
• de intrare-ieșire: ecranul tactil (afișează și primește atingeri), unitățile de stocare externe, placa de rețea — exemplele hibride sunt întrebarea preferată a testelor, tocmai pentru că nu se lasă puse într-o singură categorie.

Bit, byte și multiplii lor — cum se măsoară informația

Bitul (binary digit) este cea mai mică unitate de informație: o cifră binară, 0 sau 1. Fizic poate fi o tensiune prezentă sau absentă, o zonă magnetizată într-un sens sau altul.

Byte-ul (octetul) = 8 biți și este unitatea practică de bază: un caracter din alfabetul englez ocupă în codificarea clasică ASCII exact un octet. Cu 8 biți se pot reprezenta 2 la puterea 8 = 256 de combinații distincte — de aici limita 0–255 care apare peste tot în informatică.

Multiplii, în convenția binară folosită la clasă:

• 1 KB (kilobyte) = 1024 B;
• 1 MB (megabyte) = 1024 KB;
• 1 GB (gigabyte) = 1024 MB;
• 1 TB (terabyte) = 1024 GB.

Factorul este 1024 = 2 la puterea 10, nu 1000 — pentru că totul în calculator e organizat pe puteri ale lui 2. (Producătorii de discuri folosesc factorul 1000, motiv pentru care un disc „de 1 TB” apare în sistem cu mai puțin — o discrepanță de convenție, nu un defect.)

Capcana de calcul care pică cel mai des: conversiile sar câte un factor de 1024 pe treaptă. 2 GB = 2 × 1024 MB = 2048 MB, iar 2 GB în KB = 2 × 1024 × 1024 = 2.097.152 KB. Și atenție la litere: b mic = bit, B mare = byte; o conexiune de 100 Mbps (megabiți pe secundă) transferă doar 12,5 MB (megabytes) pe secundă — de opt ori mai puțin decât pare.

Test — 6 întrebări ca la examen