37

2. RESURSELE CALCULATOARELOR NUMERICE

2.1. Scurt istoric al mainilor automate de calcul

La nceputul secolului al XVII-lea, Wilhelm Schickard, un profesor de astronomie i matematic a creat la Tubingen, n Germania, o main ingenioas care putea s adune, s scad, s nmuleasc i s divid numere de ordinul sutelor. n 1600 scoianul John Napier a descoperit un mod de a manipula numerele astfel nct nmulirea i mprirea s fie reduse la adunarea i scderea altor numere. Seriile de numere i relaiile dintre ele au fost numite logaritmi. Insernd numerele pe cilindri de filde (numii oasele lui Napier) soluiile unor problemele dificile puteau fi gsite prin potrivirea logaritmilor i apoi prin adunarea sau scderea numerelor corespunztoare. Inventarea riglei de calcul, de ctre Robert Bissaker, n 1650, a nlocuit cilindrii de filde a lui Napier. Matematicianul i filosoful francez Blaise Pascal, a inventat in 1642 primul calculator mecanic digital (numit Pascalina), care putea efectua adunri i scderi cu numerele ntregi. Pentru contribuia adus, numele lui Pascal a fost atribuit unui limbaj de programare. In 1694, Gottfried Wilhelm Von Leibniz, matematician german, care, mpreun cu Issac Newton, a inventat calculul diferenial, a construit un sistem mecanic de calcul acionat de o roat cu pedal. Acest dispozitiv putea face adunri, scderi, nmuliri i mpriri. Roata lui Leibniz era o mbuntire a mainii lui Pascal. Francezul Joseph Marie Jacquard a construit, n anul 1804, o main automat de calcul cu cartele perforate care era folosit la teserea cu modele. Invenia lui Jacquard a artat c datele pot fi stocate pe cartele pentru a crea serii de instruciuni. n 1822, inventatorul i matematicianul Charles P. Babbage, (1791-1871), a conceput o main cu memorie mecanic n care se puteau pstra rezultatele. Cu toate c cele ase motoare cu abur care erau necesare pentru a pune n funciune motorul analitic ar fi ocupat un teren de fotbal, calculatorul lui Babbage putea calcula automat logaritmi. Datele erau introduse folosind cartele perforate iar maina putea fi programat s-i schimbe metodele de operare. Pentru contribuia sa Babbage a fost numit printele calculatorului.

38

Augusta Ada, contes de Lovelace, a neles ideile lui Babbage i a scris n anul 1840 mai multe lucrri n care erau aprofundate ideile lui Babbage. Ea a fost cea care a sugerat folosirea sistemului binar, n locul celui zecimal, pentru stocarea datelor. Doamna Lovelace este considerat prima programatoare deoarece a modelat desenul motorului analitic, incluznd o repetare automat a unei serii de calcule. Aceasta procedur, n bucl, este foarte important pentru programatorii de astzi. Zece ani mai trziu, n 1850, matematicianul englez George Boole a realizat c problemele matematice complexe puteau fi rezolvate reducndu-le la o serie de rspunsuri afirmative sau negative. Sistemul binar cu 1 ca rspuns pozitiv i 0 ca rspuns negativ era o soluie ce putea fi implementat fizic. Aceast teorie avea s stea, peste o suta de ani, la baza construirii circuitelor electronice moderne. Doctorul german Herman Hollerith (1860-1929) a construit n 1889 prima main electromecanic cu cartele perforate. n Iowa, n 1939, John Atanasoff i Clifford Berry au construit calculatorul Atanasoff-Berry (ABC). A fost primul calculator electronic digital care putea fi folosit pentru mai multe scopuri. Dei putea rezolva simultan ecuaii algebrice, comunitatea tiinific nu a fost foarte interesat de acesta. Cnd Atanasoff a contactat compania IBM (International Business Machines ) pentru a le prezenta maina, compania a rspuns c nu va fi niciodat interesat de o main electronic de calcul. n anul 1943, Alan Turing, mpreun cu colegii si, s-au concentrat asupra tehnologiei tuburilor electronice. Maina construit a fost numit Colossus i putea procesa 25000 de caractere pe secund, avand ca scop initial decoderea mesajelor armatei germane. Alan Turing a construit i Automatic Computing Engine (ACE) (n 1950), pe care unii l consider ca fiind primul calculator digital programabil. Thomas J. Watson, preedinte al IBM, schimb strategia companiei i, n 1944, Howard Aiken, creeaz maina de calcul denumit Mark; ea coninea 750.000 elemente i cabluri n lungime de 500 mile. ase luni de calcul manual puteau fi realizate acum intr-o singur zi. n aprilie 1943 John Mauchly si J. Presper Eckert (Universitatea Pennsylvania) primesc din partea guvernului un contract de 400.000 $ pentru construirea unei maini care s calculeze tabelele necesare reglrii tirului artileriei. Sistemul, denumit Electronic Numerical Integrator And Calculator (ENIAC), cu 24 m lungime i 5,4 m nlime, ENIAC era aproape de doua ori mai mare dect Mark I continea peste 100.000 de componente din care 17468 erau tuburi electronice. Dei tuburile ocupau mult spaiu, utilizarea lor a mrit viteza de calcul de o mie de ori. ENIAC folosea sistemul zecimal care permitea operatorilor citirea uoara a cartelelor perforate. Construit prea trziu pentru a mai putea fi folosit n rzboi, maina a fost utilizat

39

pentru calcule legate de timpul probabil, n proiectarea tunelurilor aerodinamice i la studierea radiatiilor cosmice. Paternitatea asupra conceptului de stocare a informaiei este atribuit lui John von Neumann (1903-1957), un consultant angajat pentru proiectul EDVAC. Un geniu n matematic, i avnd o memorie extraordinar, el publica la mijlocul anilor '40 lucrarea "First Draft of a Report on the EDVAC", ce va servi drept proiect pentru viitoarele calculatoare cu capaciti de stocare. Anul 1948 aduce una din cele mai mari realizari: inventarea tranzistorului de catre John Bardeen, Walter Brattain i William Shockley. Inventarea tranzistorului a declanat cursa miniaturizrii circuitelor electronice. n 1949, englezul Maurice V. Wilkes, de la Cambridge University, a realizat, pe baza proiectului lui John von Neumann, sistemul denumit EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator). Disponibil cu cteva luni naintea EDVAC, EDSAC este considerat primul calculator electronic cu capaciti de stocare. La Harvard, n anul 1949, An Wang, fondatorul Wang Laboratories, a dezvoltat memoriile cu miez magnetic. Ulterior, Jay Forrester de la MIT (Massachutsetts Institute of Technology) descoper o modalitate de a organiza memoriile cu miez magnetic, oferind o aplicaie mai practica dect precedentele conexiuni seriale. Calculatoarele au devenit astfel mai rapide i cu capacitai de stocare a informaiei mai mari. Jack Kilby de la Texas Instruments, mpreuna cu Robert Noyce, de la Fairchild Semiconductor, au descoperit c rezistenele, condensatoarele i tranzistoarele pot fi realizate din acelasi material semiconductor. Acest lucru a dus la apariia circuitului integrat n 1959, circuit care a nceput sa fie utilizat n calculatoare ncepnd cu anul 1964. Primul circuit integrat coninea doar ase tranzistori. n anii '60, Gene Amdahl a realizat seria revoluionar de calculatoare foarte rapide, cu utilizare general, IBM System/360, folosind tehnologia circuitelor integrate. Deoarece era o familie de calculatoare care folosea software compatibil ntre diversele generaii, sistemul era o investiie convenabil pentru companiile n cretere. n tot acest timp erau fcui pai importani i n dezvoltarea limbajelor de programare. Astfel, John Backus i un grup de ingineri au inventat in 1950 FORTRAN (FORmula TRANslator), cunoscut ca fiind primul limbaj de programare algebric. n 1959, amiralul Grace Murray Hopper dezvolta primul limbaj de programare pentru afaceri care a primit numele: COBOL (COmmon Business Oriented Language). n anul 1964 Douglas Englebart de la Standford Research Institute (SRI), a inventat mouse-ul. Denumirea iniiala a mouse-ului a fost "indicator de poziie X-Y pentru

40

sistem de afiare". Firma Xerox a introdus pentru prima data mouse-ul, n 1974, la sistemul su de calcul denumit Alto. Doctorul John Kemeny, profesor de matematic la Dartmouth, mpreuna cu doctorul Thomas Kurtz, au dezvoltat n anul 1965 limbajul BASIC (Beginner's All-purpose Symbolic Instruction Code). n anul 1967 a fost creat prima unitate de discheta la IBM, de o echip condus de Alan Shugart. Dup mai bine de zece ani, n 1979, Finis Conner a nceput sa colaboreze cu Shugart pentru a lansa pe pia prima unitate hard disk de 5 1/4 inch. Ei au fondat firma Seagate Technology i, la sfritul anului, au lansat interfaa i unitatea de hard disk ST-506 care avea capacitatea de 5 MB. Acest dispozitiv este considerat precursorul unitatilor de hard disk moderne. Alan Shugart a creat i interfaa SCSI. n anul 1970, la Intel, se realizeaz un circuit de memorie care putea stoca 1 KB de informaie. Firma japonez Busicomp a comandat la Intel 12 tipuri diferite de asemenea circuite. Cei de la Intel, au inclus toate funciile acestora intr-un singur chip pe care l-au proiectat n aa fel nct s poat fi controlat de un program. Apare astfel primul microprocesor, numit Intel 4004, care opera simultan cu 4 bii de date. Dup 4004 a urmat, n anul 1972, microprocesorul 8008, pe 8 bii. Un an mai trziu au aprut primele microcalculatoare bazate pe chipul 8008. n anul 1973 compania Intel a scos pe pia un nou procesor, 8080 care era de zece ori mai rapid dect 8008 i adresa 64 KB de memorie. n 1975, H. Edward Roberts, cunoscut i sub numele de "tatl microcalculatorului", a realizat kit-ul Altair 8800 care utiliza microprocesorul 8080. Procesorul 8080 a inspirat multe companii n a scrie programe specifice (de exemplu CP/M - Control Program for Microprocessors). n 1975, compania IBM a scos pe pia un calculator (modelul 5100) care avea 16 KB de memorie intern, un monitor cu 16 linii, un interpretor de BASIC i o unitate de casete pentru stocare. Preul acestuia a fost mare, astfel nct modelul 5100 nu a fost un succes comercial. Multe companii de calculatoare au aprut i disprut in timp, dar una dintre cele mai vechi este Apple Calculator fondat intr-un garaj de Steven Jobs i Stephen Wozniak. Aici ei au realizat un microcalculator accesibil ca pret persoanelor fizice i firmelor mici. Primul microcalculator lansat de Apple Calculator, numit Apple I, costa 695 USD. Sistemul era compus dintr-o plac de circuit principal, fixat cu uruburi pe o bucat de placaj. Acest calculator nu coninea nici carcas nici sursa de alimentare. Calculatorul Apple II, aprut pe pia n anul 1977, a stabilit standardele pentru aproape toate calculatoarele mai importante care i-au urmat, chiar i pentru IBM PC.

41

Din 1978, Philips i Sony au colaborat pentru a realiza actualul compact disc audio. n 1982, cele doua companii au definitivat standardul care cuprindea printre altele i dimensiunea de 4,72 inch (120 mm) i grosimea de 1,2 mm a suportului. Aceasta dimensiune permitea nregistrarea complet a Simfoniei a IX-a de Beethoven. Philips i Sony au elaborat i specificaiile pentru unitatea CD-ROM care este folosit i astzi. Dup lansarea modelului 5100, n 1975, IBM a produs in 1980 modelul 5150, cunoscut i sub numele de IBM Personal Calculator. Utilizand microprocesorul Intel 8088 care avea o magistrala intern pe 16 bii i una extern pe 8 bii, compania IBM a colaborat pentru programele noului sistem cu, pe atunci, mica firm Microsoft, care astzi este una din cele mai mari companii productoare de software. Pe data de 12 august 1981, n industria calculatoarelor a aprut un nou standard. Din 1981 i pn astzi au fost vndute sute de milioane de calculatoare, compatibile IBM PC. Microprocesorul Intel 80286, lansat n anul 1981, este procesorul calculatorului IBM AT i a fost preferat de IBM deoarece era compatibil cu 8088 (programele scrise pentru microprocesorul 8088 rulau i pe 80286). Anul 1985 aduce cu sine lansarea noului i mult mai performantului chip Intel 80386, un procesor pe 32 bii. Dup lansarea primului 486 DX, n aprilie 1989, au aprut an de an procesoare mai performante, care au crescut considerabil performanele sistemelor de calcul. Pentru procesoarele fabricate de Intel i AMD mai importante sunt datele de apariie a primului procesor Pentium (martie 1993), a procesorului Pentium PRO (septembrie 1995) precum i a procesoarelor Pentium MMX a actualelor Pentium II, Celeron, Pentium III i Pentium IV, Duron i Athlon.

42

2.2. Prezentare general a sistemelor de calcul moderne

Calculatorul este un sistem automat de prelucrare automat a datelor (informaiilor), capabil s execute secvene complexe de operaii cu ajutorul unui program nregistrat n memoria principal. Informaia circul sau este stocat sub form electric, de regula in format binar.

n calculator, prezena unui semnal electric sau magnetic semnific unu, iar absena sa semnific zero. Calculatoarele digitale opereaza direct cu cifre (digiti) binare, care reprezint caractere alfa-numerice sau diferite simboluri folosite in limbajul natural. O cifr binar este numita bit i reprezint 0 sau 1. Un ir de 8 bii pe care calculatorul i stocheaz ca unitate, este numit octet sau byte (1B). Fiecare byte poate fi utilizat pentru stocarea unui numr zecimal, simbol, caracter sau o parte dintr-o imagine. 1024 de bytes formeaza un kilobyte (KB). 1024 de KB formeaz un MB, iar 1024 de MB formeaz 1GB.

Fabricantii de calculatoare au dezvoltat coduri binare standard. Dintre acestea, cele mai cunoscute sunt EBCDIC (Extended binary code decimal interchange code), dezvoltat de IBM in 1950 i ASCII (American standard code for information interchange), realizat de ANSI (American National Standards Institute). Codul EBCDIC permite o reprezentare pe 8 bii a numerelor, caracterelor alfabetice sau a caracterelor speciale. Codul ASCII este dezvoltat pe 7 sau 8 bii i este utilizat n transmisii de date pentru PC-uri i cateva tipuri de calculatoare de mare putere.

Informaiile cu care opereaz permanent un calculator pot fi mprite n 3 categorii mari:

Datele - sunt acele informaii care sunt procesate. De exemplu, un calculator poate s afieze n ce zi a sptmnii cade o anumit dat calendaristic (reprezentat prin zi, lun i an). Pentru aceasta, el trebuie s primeasc data calendaristic, i dup ce o proceseaz, va afia ziua sptmnii care corespunde acelei date. Data calendaristic introdus i ziua sptmnii afiat sunt date cu care a operat calculatorul n acest proces. Tot n categoria datelor sunt incluse i documentele care conin texte, imagini,

43

chiar i sunete, cu care opereaz calculatorul i a cror manevrare i prelucrare reprezint cel mai adesea scopul utilizrii acestuia ntr-o activitate de birou.

Programele - reprezint o categorie special de informaii, care conin algoritmii conform crora calculatorul va procesa datele. Calculatorul este un simplu automat electronic, dar n funcie de programele pe care le folosete, el va putea procesa datele primite n diverse moduri. Relund exemplul anterior, este necesar un program capabil s calculeze exact n ce zi a sptmnii cade o dat calendaristic oarecare, innd cont de toate detaliile calendarului (ani biseci, zilele fiecrei luni etc.), conform unui algoritm matematic bine stabilit. Programele sunt compuse din instruciuni care sunt executate una cte una, pn cnd, pornind de la datele introduse, se ajunge la rezultatul final.

Parametrii de configurare - sunt acele informaii care determin modul specific de funcionare pentru fiecare component fizic a calculatorului, sau pentru programele folosite de el. Prin aceti parametri, care rmn memorai n calculator pn la modificarea sau tergerea lor, un sistem de calcul poate fi programat, de exemplu, s accepte sau s ignore un anumit dispozitiv fizic (un hard-disk, un mouse etc.).

Aplicatii

Sistem deoperare

Hardware

Comenzi

Date de intrare Rezultate

Softw

are

Plat

form

a

Fig. 2.1. Structura unui sistem de calcul modern

44

Din punct de vedere constructiv, calculatorul este un ansamblu format din 2 componente de baz (fig. 2.1):

sistemul de echipamente (componenta material, fizic) hardware; sistemul de programe (componenta informaional) software. Indiferent de tip sau destinaie, un calculator realizeaz urmtoarele funcii

generale: funcia de introducere a informaiei n sistem (funcia de intrare); funcia de memorare i regsire a informaiei; funcia de prelucrare a informaiei (funcia aritmetic i logic); funcia de comand i control a sistemului; funcia de ieire a informaiei din sistem (funcia de ieire). Sistemul de operare, ca parte component a subsistemului software

comunic nemijlocit cu subsistemul de echipamente i formeaz mpreuna cu acesta un tot unitar, numit platform. Deoarece aplicaiile au acces la resursele hardware n mod indirect, prin intermediul unor proceduri de sistem care sunt apelate n acelai mod indiferent de deosebirile constructive, utilizarea platformelor de calcul are cteva avantaje importante:

portabilitatea aplicaiilor (capacitatea de a rula acelai program pe mai multe tipuri de calculatoare);

simplificarea proiectrii si realizrii aplicaiilor; nlesnirea comunicrii dintre diferii utilizatori ai tehnicii de calcul.

Dup capacitatea de prelucrare a informaiei, calculatoarele pot fi mprite n patru grupe de putere ale cror frontiere de departajare se afl ntr-o continu evoluie: calculatoare de mic putere (calculatoarele personale - PC - personal computers); calculatoare de medie putere (staii grafice - WS - workstations); calculatoare de mare putere (mainframes); calculatoare de foarte mare putere (supercalculatoare - supercomputers).

Ritmul de nnoire n lumea computerelor este foarte ridicat. Dac la nceputul anilor '90 durata medie de utilizare a unui calculator era de circa 5 ani i a unei aplicaii de 15-20 ani, n prezent se constat o reducere la jumtate a

45

acestor intervale de timp. De asemenea, puterea de calcul i utilizrile calculatoarelor personale devin comparabile cu cele ale staiilor grafice din urm cu aproximativ 3 ani.

2.3. Sistemul de echipamente (hardware)

Alegerea elementelor hardware pentru desfurarea unei activiti de proiectare asistat de calculator este o problema complex, care nu ncepe i nu se ncheie cu simpla alegere a calculatoarelor. De o importan major sunt i aspectele legate de programele care se vor achiziiona i utiliza (partea de software) i nu n ultimul rnd de personalul care va lucra (pregtire, experien n domeniu etc.).

n fig. 2.2 se poate urmri structura general a unui subsistem hardware dintr-un calculator modern. Astfel, un calculator este compus din:

unitatea central (UC), care regrupeaz componente de prelucrare, memorare i de comand constituind de fapt inima mainii;

echipamentele periferice, care asigur comunicarea om-main; echipamentele de memorie extern, care permit stocarea datelor.

ntre unitatea central i echipamentele periferice, respectiv memoria extern are loc un schimb permanent de informaii n timpul rularii programelor (fig.2.3.).

2.3.1 Unitatea central

Unitatea central conine o unitate central de prelucrare (procesorul), memoria intern i unitile de intrare i ieire (controlere). Toate aceste componente i au locul pe placa principal a sistemului de calcul, cunoscut sub numele de plac de baz (motherboard).

Memoria, procesorul, o parte dintre controlere i echipamentele periferice se pot cupla la aceast plac prin intermediul unor conectoare cu caracteristici i forme diferite.

46

Fig. 2.2 Structura hardware a unui sistem de calcul

S U B S I S T E M U L

H A R D W A R E

Memoria externa

Echipamentele periferice

Unitatea centrala

Procesor

Memoria interna

Unitatile de intrare-iesire

Floppy-disk

Hard-disk

Streamer

CD-ROM

Memory card

Echipamente de intrare-

iesire

Echipamente de iesire

Echipamente de intrare

Scanner

Mouse

Tastatura

Plotter

Imprimanta

Monitor

Interfete multimedia

Modem

Interfete pt achizitii de

date

47

2.3.1.1. Procesorul

Procesorul este elementul de baz al unui calculator, asigurnd prelucrarea datelor prin efectuarea instruciunilor de program si dirijeaz activitatea celorlalte echipamente. El este conectat prin intermediul unor magistrale de comunicaie la memorii i la circuitele de interfa pentru a se asigura legtura cu echipamentele periferice. Schimbul de informaii are loc prin seturi de conductoare numite magistrale (de adrese, de comenzi, de date), al cror numr hotrte performantele procesorului.

Fizic, acesta const dintr-un circuit integrat care conine urmatoarele

componente electronice de baz, conectate ntre ele din punct de vedere funcional:

o unitate de comand i control (UCC) - prelucreaz instruciunile programului care ruleaz producnd semnale ctre toate unitile, dirijeaz schimburile de informaii;

una sau mai multe uniti aritmetico-logice (UAL) - prelucreaz informaia prin calcule matematice i funcii logice pe care le execut;

ECHIPAMENTE PERIFERICE

UNITATEA CENTRAL

MEMORIA EXTERNA

P Memoria intern

Disc fix

Floppy Tastatura Monitorul Imprimanta

cache

Fig. 2.3. Schimbul de informaii ntre unitatea central, memoria extern i echipamentele periferice

48

un set de registre-uniti de memorie cu lungimi de 32, 64 sau 128 bii, adresabile individual, care pastreaza temporar, pe durata calculelor, informaiile necesare procesorului. Noile generaii de microprocesoare sunt prevazute cu o memorie cache, foarte rapid de zeci de KB pan la MB. Performanele globale ale unui procesor pot fi caracterizate de urmtorii

parametri de baz : viteza de lucru (frecvena ceasului intern (66 400 MHz); dimensiunea regitrilor; limea magistralei de date; existena i dimensiunea memoriei cache (256 512 KB); capacitatea maxim de memorie pe care o poate accesa (640 KB

4GB); setul de instruciuni pe care le poate executa.

2.3.1.2. Memoria intern

Memoria intern sau central este o locaie din calculator unde informaiile se stocheaz sub form binar n circuite integrate. Aici se pastreaz programele unitii centrale (pe durata executarii acestora), programele unitilor de intrare-ieire (device-driverele), datele necesare executarii programelor i rezultatele obinute.

Calculatorul utilizeaz 2 tipuri de memorie: Memoria RAM (Random Access Memory) este memoria primar de lucru i are urmatoarele caracteristici:

conine datele de prelucrat, programele care vor prelucra datele, rezultatele prelucrrilor;

poate fi citit i scris; este direct adresabil; este volatil - informaiile sunt deinute temporar, o ntrerupere de curent

afecteaz coninutul acesteia. Memoria ROM (Read Only Memory), cu urmtoarele specificaii:

49

conine informaii despre operaiile de baz; conine programe ce realizeaz testarea i iniializarea sistemului la

pornire, programe ce verific prile componente nainte de ncrcarea sistemului de operare;

conine BIOS-ul (Basic Input-Output System), care controleaz comunicaiile ntre: monitor, tastatur, memoria extern, memoria RAM.

Memoria intern este organizat ca o succesiune de bii, mprii n poriuni distincte cu lungimea de opt bii (un byte), denumite locaii de memorie. Fiecrei locatii de memorie i se asociaz un numr unic, numit adres de memorie. La o locaie de memorie determinat de o anumit adres se pot efectua operaii de scriere (depunere) sau de citire (extragere) a informaiei. Locaia reprezint, de asemenea, cea mai mic unitate de memorie care poate fi adresat n mod direct.

n funcie de context, aceeai informaie coninut de o anumit locaie poate reprezenta o comand (n ntregime sau doar o parte), o adres sau un operand folosit la efectuarea unei operaii matematice.

Din punct de vedere fizic, memoria intern a unui calculator personal const din unul sau mai multe circuite integrate care i au locul, alturi de microprocesor, pe placa de baz. Capacitatea unui chip de memorie a evoluat continuu: 64 KB, 256 KB, 1 MB, 4 MB, 16 MB, 32 MB, 64 MB, 128 MB, 256 MB, 512 MB, 1 GB.

2.3.1.3. Unitile de intrare/ieire

Unitile de intrare/ieire asigur schimbul de informaie dintre memoria intern i echipamentele periferice i includ n general procesoare specializate n acest scop, denumite controlere (controllers).

O component important a unei uniti de intrare/ieire o constituie portul, circuit electronic care dispune de o adres unic (ca i locaiile de memorie) i este conectat, prin intermediul unui cablu de legtur, la un dispozitiv periferic. Un controller mpreun cu portul asociat realizeaz aa-numita interfa cu dispozitivul periferic. Majoritatea acestor interfee au modul

50

de funcionare standardizat, cele mai cunoscute fiind cele seriale i cele paralele. n cazul unei interfee seriale transmiterea informaiei se realizeaz bit cu bit (magistrala de date ctre periferice conine o singur linie), n vreme ce la interfeele paralele operaia se efectueaz simultan cu mai muli bii (magistrala lor de date conine de obicei opt linii sau un multiplu de opt).

Un calculator personal poate avea pn la patru interfee seriale (RS-232), crora li se atribuie implicit denumirile COM1 ... COM4, i pn la trei interfee paralele (Centronics), LPT1 ... LPT3. Alte tipuri de interfee standardizate au fost denumite IDE, PCI,SCSI, USB sau AGP i pot controla funcionarea unor periferice diferite.

Datorit vitezei mici la care au loc operaiile de intrare/ieire n comparaie cu prelucrarea din unitatea central, subsistemul hardware poate fi utilizat eficient doar dac acestea se desfoar simultan cu cele de prelucrare. De aceea, unitatea central intervine numai la iniierea unui astfel de proces, cnd selecteaz interfaa cu echipamentul folosit pentru efectuarea schimbului de informaie, i la terminarea acestuia, dup ce controlerul a emis ctre unitatea central de prelucrare o cerere de ntrerupere a programului pentru a indica terminarea transferului i modul n care s-a desfurat acesta. Pe lng acest sistem de lucru, care folosete ntreruperi ale microprocesorului la finalul schimbului de date, mai exist un altul, denumit DMA {Direct Memory Access). Acest tip de transfer foarte rapid permite legtura direct n ambele sensuri dintre memorie i controlere fr implicarea microprocesorului, magistralele fiind folosite n intervalele foarte scurte ale unei perioade de tact n care procesorul nu le folosete.

2.3.2. Echipamentele periferice

Echipamente periferice asigur comunicarea ntre om i main la intrarea i ieirea informaiilor din calculator si uneori permit stocarea unui volum de date care poate fi reutilizat ulterior.

Din punct de vedere funcional echipamentele periferice sunt de trei tipuri:

51

de intrare de ieire de intrare-ieire

2.3.2.1. Echipamente periferice de intrare

Din categoria echipamente periferice de intrare cele mai importante sunt: tastatura, mouse-ul, scannerul, joystick-ul, tableta digitizoare (grafic).

Tastatura i mouse-ul sunt cele mai utilizate echipamente periferice de intrare, fr ele comunicare dintre utilizator i sistem nefiind posibil.

Tastatura este un echipament de introducere a datelor, avnd de regul 104 taste grupate n urmtoarele zone:

blocul principal (conine tastele alfanumerice, tastele alternative (Ctr, Shift, Alt) i tastele executorii (Enter, Backspace, Tab));

blocul tastelor funcionale i speciale; blocul tastelor de deplasare sau poziionare i alte taste de editare

(Insert Delete); blocul tastelor numerice. Mouse-ul este un dispozitiv periferic de intrare din familia digitizoarelor care

permite deplasarea unui simbol grafic pe ecran i realizarea de diferite aciuni prin apsarea celor trei butoane ale sale. Utilizarea sistemelor de operare actuale de tip GUI (Grafic User Interface) este practic imposibil fr acest echipament periferic. La calculatoarele portabile de mici dimensiuni, un sistem asemntor unui mouse este integrat n carcas i poart numele de TrackPoint sau TrackBall.

Tableta grafic (drawing board) poate nlocui mouse-ul i poate fi utilizat: Pentru copierea de pe hrtie sau calc a unui desen i transferul ctre

un program CAD, operaiune care poart denumirea de digitizare. n acest caz, tableta grafic trebuie s aib o rezoluie corespunzatoare cu dimensiunea desenelor care se digitizeaz.

Pentru selectarea opiunilor din meniurile de comenzi ale aplicaiilor CAD utilizate (n acest caz nu este nevoie de o rezoluie nalt).

52

O tablet grafic dispune de mai multe butoane crora li se pot asocia diferite comenzi, precum i de o reea plan foarte fin de conductoare electrice dispuse la distane egale dup dou direcii perpendiculare. Poziia curent pe suprafaa tabletei a unui "creion" electromagnetic (stylus) sau a unui dispozitiv cu lup asemntor unui mouse (puck) produce tensiuni electrice n conductoarele cele mai apropiate fiind astfel sesizat i convertit n dou coordonate numerice.

Tabletele digitizoare se pot clasifica dup dou criterii: dup dimensiunea suprafeei active: A4, A3, A2, A1, AO; dup precizie i acuratee:

o pentru digitizare de planuri (cu precizie ridicat); o pentru meniuri (dimensiuni mici, precizie mai sczut).

Scanner-ul este un echipament periferic ce transfer informaia de pe un suport de hrtie (desene, fotografii, text) in memoria calculatorului (n format digital), funcionnd dup principiul fotocopierii.

Fiierul obinut este de tip "bitmap" (imagine raster - format din puncte alb/negru sau color). Textele pot fi apoi prelucrate cu ajutorul unor programe de recunoatere a caracterelor (OCR - Optical Character Recognition) n vederea transformrii lor n surse de text ASCII, modificabile cu ajutorul, oricrui editor de texte.

Desenele sunt transformate din mulimi de puncte n vectori (proces numit vectorizare), definii prin punctele lor caracteristice: centru si raza pentru cerc, punct de nceput, respectiv de sfrit pentru segmentul de dreapta.

n funcie de suprafaa activ ce o pot acoperi, scanner-ele se mpart n: scannere de mn (handy scanner) - pentru limi de pn la 105 mm. Se utilizeaz pentru lucrri puin pretenioase, calitatea scanrii depinznd esenial de ndemnarea operatorului; scanner-e fixe (plate) - n general format A4 sau A3. Se folosesc pentru lucrri de procesare text/imagine (DTP - Desktop Publishing) sau introducere de texte ce vor fi convertite cu programe OCR; scanner-e rotative (cu tambur), cu limi pn la formate AO i lungimi de ordinul metrilor, pentru scanarea desenelor sau a hrilor (n acest ultim caz

53

impunndu-se o precizie ridicat). Joystick-ul sesizeaz deplasarea unei manete dup una din direcii

(stnga, fa, dreapta, spate) sau dup dou direcii alturate prin intermediul a patru contacte electrice. Dispune de asemenea de unul sau mai multe butoane care pot declana anumite aciuni.

Ecranul sensibil la atingere (touch screen) este uor de utilizat i atractiv pentru utilizatori. Acetia pot introduce volume reduse de date prin atingere suprafeei sensibile a ecranului cu un deget sau cu un indicator.

Dispozitivele de recunoastere a scrisului de mn utilizeaz un creion special i un monitor plat de dimensiuni reduse. Utilizatorii scriu direct pe ecran, care contine o gril foarte fin, format din conductori plasai matriceal. Aceasta detecteaza prezena vrfului creionului special, care emite un semnal slab. Acest dispozitiv de intrare transform literele i numerele scrise de utilizatori pe ecran ntr-un format digital, apoi acestea sunt stocate sau porcesate i analizate.

2.3.2.2 Echipamente periferice de ieire

Echipamentele periferice de ieire au rolul de a furniza informaii operatorului, pe diverse suporturi materiale sau sub form grafic, pe ecran. Dintre cele mai importante echipamente de ieire utilizate in proiectarea asistat se amintesc: monitorul, imprimanta i plotterul.

Monitorul este dispozitivul periferic de ieire care permite afiarea temporar pe un ecran a informaiilor aflate n calculator (datele introduse de la tastatur, rezultatele prelucrrilor, etc.).

n prezent se utilizeaz 2 tipuri de monitoare, diferite din punct de vedere constructiv, dup cum urmeaz: Monitoarele cu tuburi catodice catodice convenionale (CRT - Cathode Ray Tubes): sunt cele mai utilizate, mai ieftine i mai performante ecrane existente pe pia la ora actual. Ele prezint diferite variante constructive, cele mai des ntlnite fiind tuburile cu masc de umbrire (shadowmask CRT) i tuburile Trinitron, cu gril de apertur (aperture grille CRT).

54

Dispozitive de afiare cu ecran plat (FPD - Flat Panel Display): includ ecranele cu cristale lichide (LCD Liquid Crystal Display) i ecranele cu plasm (PDP - Plasma Display Panel). Acestea sunt utilizate mai ales n laptop-uri datorit dimensiunilor i greutii reduse. Din punct de vedere al performanelor, sunt deocamdata inferioare tuburilor catodice clasice. Cele mai importante caracteristici ale unui monitor se refer la: Dimensiunea ecranului i suprafaa util (viewable area): Dimensiunea ecranului monitorului este unul dintre parametrii cei mai importani, se exprim de obicei n inch i reprezint lungimea diagonalei suprafeei vizibile a ecranului. Domeniul de variaie este ntre 9" si 39", cele mai populare dimensiuni fiind 17" i 19". Datorit carcasei monitorului care acoper marginile ecranului i a grosimii sticlei ecranului, suprafaa real disponibil pentru afiare (suprafaa util) este mai mic dect suprafaa ecranului. De exemplu, la un monitor cu diagonala de 14", suprafaa util este de 13" 13.8". Limea de band (bandwidth): Este o msur a cantitii totale de date pe care monitorul le poate manipula ntr-o secund, i se msoar n MHz. Limea de band maxim a monitorului trebuie s fie corelat cu tactul de afiare (dot clock) al placii video corespondente, pentru a exploata corect performanele celor dou elemente ale interfeei video. Tactul de afiare (ceasul de punct, dot clock): Este tactul cu care placa video trimite informaiile grafice necesare afirii unui pixel pe ecranul monitorului. Se msoar n MHz i se mai numete i rata de pixel (pixel rate). Exprim debitul de afiare a plcii video, i se coreleaz cu laimea de band a monitorului. Rata de remprosptare pe orizontal (HSR-horizontal scan rate). Este o msur a numrului de l i n i i orizontale baleiate de monitor n t r - o secund. Baleierea pe orizontal este controlat de placa video prin semnalul HSYNC (sincro pe orizontal), dar este limitat de monitor. Rata de refresh (refresh rate, VSR-vertical scan rate): Exprim numrul maxim de cadre ce pot fi afiate de monitor ntr-o secund, la o adresabilitate de pixel data. Este controlat de placa video prin semnalul VSYNC (sincro pe

55

verticala). VSR nglobeaz i HSR, devenind un parametru ce descrie global viteza de lucru (de baleierea pe orizontal i pe vertical) a monitorului. Densitatea de punct (dot pitch). n cazul monitoarelor color, elementul de afiare este format dintr-o triad de puncte de fosfor de pe ecran, cu culorile: rou, verde, respectiv albastru. Densitatea de punct se definete ca fiind distana dintre centrele a dou triade de puncte vecine de pe ecran. Aceasta este echivalent cu distana dintre oricare dou puncte vecine fie fosfor, de aceeai culoare, de pe ecran. Cu ct densitatea de punct e mai mic, cu att mai clar vor aprea detaliile mici de imagine afiat. Valoarea uzual a densitii de punct pentru monitoare cu diagonala de 17" este de 0.21- 0.23 mm. Rezoluia (resolution) este dat de "capacitatea unui monitor de a afia detalii fine, i este proporional cu: dimensiunea fasciculului de electroni din tubului catodic, ajustarea corect a localizrii, limea de band a monitorului i densitatea de punct a ecranului. Rezoluia monitorului impune limite practice n adresabilitatea maxima de pixel ce poate fi utilizat la un moment dat, n sensul c dimensiunea practic a pixelului scade pe masur ce se utilizeaz adresabiliti de pixel din ce n ce mai mari.

Imprimanta este dispozitivul cu ajutorul cruia informaiile prelucrate de ctre calculator sunt scrise pe hrtie. Formatele cele mai rspndite ale hrtiei sunt A4 sau A3. Cele mai utilizate tipuri de imprimante sunt cele matriceale (dot matrix), la care un set de ace (de obicei 9, pana la 24) lovesc o band tuat naintea hrtiei, cele cu jet de cerneal (bubble jet), la care stropi fini de cereal sunt aruncai de fore electrostatice pe hrtie, i cele laser, care funcioneaz dup un principiu asemntor copiatoarelor xerox. Ultimele dou tipuri de imprimante amintite pot realiza i imagini color. Vitezele de lucru variaz destul de mult, pentru imprimarea unei pagini fiind necesare de la cteva minute la numai dou sau trei secunde. Ca i la monitoare, un parametru foarte important de apreciere este rezoluia, adic fineea punctelor din care sunt realizate caracterele sau graficele. Cele mai performante ating 1200 -1600 dpi (dot per inch).

Plotter-ele sunt echipamente destinate realizrii desenelor vectoriale pe formate mari i foarte mai (A2, Al, AO sau chiar formate nestandard).

56

Dup soluia constructiv, plotter-ele se mpart n: Plotter-e orizontale (tip mas - flatbed plotter); Plotter-e verticale (cu tambur - drum plotter). n funcie de principiul de generare a imaginii, plotter-ele se pot clasifica n: Plotter-e cu peni - utilizate pentru un volum mic de lucrri (max. 3-4 formate AO pe zi). Sunt mai ieftine n comparaie cu celelalte tipuri. Plotter-e cu jet de cerneal - pentru volum mediu i mare de lucrri (1 - 20 formate AO pe zi). Au viteze mari de lucru, rezoluii bune i sunt comode i fiabile n exploatare. Plotter-e termice i plotter-e electrostatice - destinate unui volum foarte mare de lucrri (zeci sau sute de formate AO pe zi). Sunt foarte scumpe, motiv pentru care rspndirea lor este destul de mic. n funcie de modul de conectare la calculator, plotter-ele se pot mpri n Plotter-e on-line - conectate la calculator pentru a putea prelua informaiile ce vor fi transpuse pe suportul de hrtie sau calc; Plotter-e off-line - neconectate la calculator, care dispun de uniti de citire a mediilor de stocare pe care pot fi livrate fiierele desen, de obicei uniti de floppy-disk.

2.3.2.3. Echipamente periferice de intrare-ieire

Aceste echipamente au capacitatea de a transfera informaii de la calculator la operator n ambele sensuri, cele mai cunoscute fiind:

interfeele pentru achiziia de date; modemul; interfeele multimedia. Interfeele pentru achiziia de date dau posibilitatea de a cupla diferite

traductoare sau aparate de msur la calculator. Achiziia de date este ntlnit n foarte multe din domeniile de activitate

din zilele noastre: n industrie - n cadrul calculatoarelor de proces care supravegheaz i regleaz instalaii tehnologice, n cercetarea tiinific - pentru msurarea i prelucrarea unui spectru extrem de vast de/mrimi

57

electrice i neelectrice, n comunicaii - pentru supravegherea i msurarea liniilor de comunicaie, ba chiar i n viaa de toate zilele - n calculatoarele de bord ce echipeaz multe din automobilele moderne.

n sensul cel mai restrns, un sistem de achiziie de date trebuie s poat execut trei funcii fundamentale;

convertirea fenomenului fizic ntr-un semnal care poate fi msurat; msurarea semnalelor generate de senzori sau traductori n scopul

extragerii informaiilor; analizarea datelor i prezentarea lor ntr-o form utilizabil. n cadrul unui sistem de achiziie de date cele mai importante

caracteristici sunt: rezoluia (cea mai mic variaie a semnalului care poate fi detectat

de ctre sistem); rata de eantionare (msura vitezei cu care placa de conversie

analog/digital poate s scaneze canalul de intrare i s identifice valoarea discret a semnalului fa de valoarea de referin);

modul de conversie (cu conversie tensiune/frecventa i numrare, cu integrare, instantanee);

modul de declanare a convertorului A/D; configuraia intrrilor (simple sau difereniale); modul de transmitere a datelor; multiplexarea intrrilor. Modemul este un echipament care permite calculatorului s transmit

informaii prin intermediul unei linii telefonice. Cu ajutorul acestui dispozitiv, transmiterea informaiei ntre dou calculatoare aflate la mare distan devine nu numai posibil, dar i eficient. Transmiterea sau recepionarea unui fax, a unor date sau programe, consultarea unei baze de date aflate la mii de kilometri sunt astzi aciuni obinuite. Noile tipuri de calculatoare dispun de modem ncorporat, rspunznd astfel nevoii tot mai mari de comunicare.

Tehnologiile de comunicare i mai rapide cum sunt DSL i modem-cablu TV, permit vizualizarea simultan pe ecranul calculatorului a mai multor programe de televiziune transmise prin cablu.

58

Interfeele multimedia permit conectarea direct la calculatoare, chiar i la cele personale relativ ieftine, a unui mare numr de aparate digitale audio, foto sau video care faciliteaz utilizarea tehnicilor multimedia ce reunesc text, sunet, imagini statice sau animaie. Astfel, autoinstruirea n diferite domenii se poate realiza n mod interactiv, prin dialog permanent cu calculatorul.

2.3.3. Echipamente de memorie extern . Medii de stocare a informaiilor

Pentru nregistrarea, conservarea i restituirea informaiei stocate n mod curent n memoria volatil a calculatorului (memoria RAM) se folosesc urmtoarele suporturi fizice de date: discul magnetic, discul optic, unitile de band magnetic.

Discul magnetic este cel mai utilizat i performant suport magnetic de date ce are proprietatea de adresabilitate (fiecare poziie a unei nregistrri poate fi localizat).

nregistrarea datelor pe disc se face pe piste i sectoare n mod continuu sau cu spaii ntre nregistrri.

Unitile de discuri magnetice se mpart la rndul lor n: Uniti de disc flexibil floppy disk (FDD), cu urmtoarele caracteristici:

dimensiunea fizic de 3,5; densitatea de nregistrare; viteza de rotaie; capacitatea dischetei (1,44 M, 2,88 M). Uniti de disc fix (rigid) sau hard disk (HDD) care conin: pachetul de discuri (platane) (n numr de 211); capetele de citire/scriere; mecanismele de antrenare a capetelor; motorul de antrenare a discurilor; placa logic; cabluri, conectori.

59

Din punct de vedere al utilizatorului intereseaz n mod special urmtoarele caracteristici.

viteza de rotaie a discurilor: 5400 7200 rot/min; viteza de transfer a informaiilor (numrul de uniti de informaie

transferate n memorie n unitatea de timp); timpul mediu de acces (intervalul de timp n care poate fi obinut

informaia adresabil din memorie); durata ciclului citire/scriere (intervalul de timp la care se pot succeda

dou operaiuni oarecare de citire sau scriere) capacitatea 4,3 GB.200 GB. Prin operaia de formatare, discul se mparte n 2 zone:

zona sistem (zona de BOOT, de FAT, de ROOT Directory), n care se gasesc informaii cu privire la localizarea fisierelor pe disc;

zona de date, care conine informaia util propriu-zis. Unitile de band magnetic (streamer) reprezint un suport

neadresabil deoarece informaia se regsete prin citire secvenial plecnd de la nceputul benzii. Principalele avantaje constau n capacitatea mare de nmagazinare a informaiei (40 MB 43GB) i a preulului sczut, nsa timpul ridicat de acces la informaie le fac rspandite n special la realizarea copiilor de siguran.

nregistrarea optic a informaiei este un proces care folosete un fascicul de lumin (raz laser) fie pentru citirea i/sau nregistrarea datelor, fie pentru a ajuta la citirea i/sau nscrierea datelor pe un suport sensibil optic (fig. 2.4, 2.5).

Citirea este un proces pasiv care se bazeaz pe decelarea unor modificri survenite n fasciculul de lumin reflecta de suport.

Scrierea este procesul care folosete un fascicul laser pentru modificarea (sau pentru a ajuta la modificarea) unui material sensibil la lumin amplasat pe suport.

Din punct de vedere al tipului de suport folosit de vedere se disting trei categorii importante: suporturi prenregistrate (prerecorded media), pe care informaia este

60

nscris de ctre productorul suportului i ea nu poate fi alterat (cel puin prin metode soft) de ctre beneficiar. n aceast categorie intr discurile compacte, binecunoscutul CD-ROM i video-discurile; suporturi care pot fi nscrise o singur dat (Write-Once Media), pe care informaia poate fi scris de ctre utilizator. Odat nscrierea realizat, acest tip de suport intr n categoria anterioar, adic nu se pot face modificri ale coni-nutului. Reprezentanii cei mai cunoscui ai acestei categorii sunt discurile WORM, CCW i CD-R. suporturi reinscriptibile (Rewritable Media sau ROD = Rewritable Optical Disk), care pot fi scrise de cte ori este necesar, bineneles atta vreme ct suportul nu este deteriorat. Din aceast categorie fac parte discurile magneto-optice (MO).

Tehnologia CD-ROM (Compact Disk - Read Only Memory) const nmagazinarea informaiei pe discuri compacte. nscrierea informaiei se face cu

Fig. 2.4. Structura stratificata a unui CD-ROM

61

ajutorul unui fascicul laser care creaz nite adncituri (cu dimensiunile cuprinse ntre 0,85 si 3,5 microni) n stratul reflector depus pe un suport de policarbonat. La citire, aceste adncituri vor produce modificri ale fasciculului laser reflectat; prin procesarea acestor modificri se reface informaia stocat pe disc. Discurile CD-ROM au diametrul de 5,25" i capacitate de stocare de 640 MB (circa 63 de minute de nregistrare audio) sau 650 MB (circa 74 Minute). Dispunerea informaiei pe disc se face sub forma unei spirale care pleac dinspre centrul discului ctre periferie. Aceasta este parcurs de ctre capul de citire cu vitez constant, n timp ce discul este rotit cu o vitez unghiular ce crete pe masur ce raza spiralei crete (CLV-citire cu vitez liniar constant).

a.

b.

Fig. 2.5. Procesul de scriere-citire a informaiei n sistemul optic clasic Compact Disc

62

Tehnologia CD-E = CD Erasable permite scrierea, tergerea i citirea dup dorin.

Aceste discuri folosesc tehnologia schimbrii de faz. Sub efectul cldurii, un aliaj sau un material compozit comut din stare cristalin n stare amorf sau invers. Sub efectul unei noi nclziri, materialul revine n starea iniial, permind astfel tergerea informaiei sau scrierea ei direct. Sub efectul unui fascicul laser concentrat i modulat, un asemenea material i va

schimba starea n locul de impact al razei laser, ceea ce va conduce la modificarea reflectivitii sale. Aceast modificare va fi sesizat de fasciculul laser folosit la citire (acesta din urm, avnd energie mai mic, nu va modifica starea suportului).

Tehnologia CD-E = CD Erasable permite scrierea, tergerea i citirea dup dorin.

Aceste discuri folosesc tehnologia schimbrii de faz. Sub efectul

Fig. 2.6 Procesul de scriere a informaiei prin tehnologia magneto-optic

63

cldurii, un aliaj sau un material compozit comut din stare cristalin n stare amorf sau invers. Sub efectul unei noi nclziri, materialul revine n starea iniial, permind astfel tergerea informaiei sau scrierea ei direct. Sub efectul unui fascicul laser concentrat i modulat, un asemenea material i va schimba starea n locul de impact al razei laser, ceea ce va conduce la modificarea reflectivitii sale. Aceast modificare va fi sesizat de fasciculul laser folosit la citire (acesta din urm, avnd energie mai mic, nu va modifica starea suportului).

Tehnologia ROD (Rewritable Optic Disk) Tehnologia magneto-optic are la baz utilizarea unei substane care

are proprietai magnetice puternic influenate de temperatur. Metoda magneto-optic se bazeaz pe termo-polarizarea magnetic a materialului ce compune discul. Pentru a nscrie datele pe un anumit segment al discului, acesta se nclzete peste punctul Curie (temperatura la care materialul se transform din feromagnetic n paramagnetic i invers) de regul peste 150 grade C. Simultan,

un camp magnetic orienteaz corespunztor dipolii din cadrul sectorului respectiv. Procesul de scriere prin aceast tehnologie este prezentat n fig. 2.6.

Fig. 2.7. Procesul de citire a informaiei prin tehnologia magneto-optic

64

Citirea de pe suporturile magneto-optice folosete, la rndul su, laserul din unitate (fig. 2.7.) dar la intensitate redus pentru a evita nclzirea semni-ficativ a suportului. Dioda laser emite un fascicul care trece prin polarizator i este focalizat pe disc. Conform efectului Kerr, planul de polarizare este rotit cu un anumit unghi, n funcie de magnetizarea domeniului care reflect fasciculul. Fasciculul de lumin reflectat este apoi pe un analizor, care interpreteaz modul de polarizare a luminii n serii de bii.

2.4. Sistemul de programe (software)

Un sistem electronic de calcul dispune pe lng componena fizic i de o component informaional, alctuit n general din minim 3 componente:

Sistemul de programe este compus: programele de baz (sisteme de operare), care asigur ndeplinirea

funciilor sistemului; programele utilitare i mediile de programare; programele specializate (aplicaiile).

Programele de baz asigur gestionarea resurselor sistemului n timpul exploatrii. Cel mai reprezentativ dintre programele de baza este sistemul de operare, care, mpreuna cu programele utilitare, permit utilizatorului s foloseasc resursele fizice i logice.

2.4.1. Sisteme de operare

Sistemul de operare este structurat direct pe hardware i ofer programelor pe care le suport, inclusiv programelor utilizator, o independen (portabilitate) fa de structura hardware. Sistemul de operare este cel care "d via" mainii de calcul, asigurand interfaa dintre main la nivel hardware i aplicaia utilizatorului.

Sistemul de operare gestioneaz toate resursele sistemului de calcul, orict de complexe ar fi acestea. Aceasta nseamn c permite accesul apli-caiilor la ansamblul tuturor facilitilor sistemului, asigur securitatea proceselor

65

i informaiilor, asigur prestarea tuturor serviciilor, gestiunea obiectelor i a memoriei.

O alt funcie de baz a sistemului de operare este aceea c permite utilizatorilor pregtirea programelor de aplicaii, execuia, gestiunea lor i a datelor cu care opereaz.

Detaliind, principalele funcii ale sistemelor de operare sunt: gestionarea proceselor; procesarea ntreruperilor; gestionarea operaiilor de intrare-ieire; gestionarea sistemului de fiiere; organizarea, gestiunea i partajarea memoriei; protecia informaiilor.

Gestionarea proceselor

Sistemele actuale de operare se caracterizeaz prin activiti care se deruleaz n paralel, de exemplu execuia unui program de ctre procesor simultan cu derularea unei operaii de intrare/ieire printr-un periferic de intrare/ieire (paralelism autentic), sau situaia cnd mai multe segmente de

Terminal

Activ

Activat de scheduler

Alt proces activat de scheduler

Iniial Pregtit Blocat

Eveniment inclus

Fig. 2.8 Gestionarea proceselor

66

programe i mpart procesorul pentru intervale scurte de timp (cvasiparalelism). Privit dinspre utilizator, execuia acestor programe pare s se desfoare n paralel, dei n realitate este un sistem de partajare a timpului (time sharing). Pentru a face abstracie de dependena relativ complicat de timp i de loc, sistemele de operare moderne folosesc conceptul de proces.

Prin proces se nelege evoluia n timp a unei succesiuni de operaii descrise printr-un program i informaiile necesare execuiei acestora.

Un program (entitate pasiv) devine proces doar atunci cnd este n execuie (devine entitate activ), iar n timpul executrii sale, un proces poate crea alte procese. Procese diferite pot utiliza acelai cod program pentru seturi de date diferite (shared program), fiecare proces constituind fire de execuie distincte.

Pentru gestiunea proceselor, fiecare bloc este subordonat unui bloc de control al procesului care indic starea curent a execuiei i evoluia sa (starea prezent i trecut a procesului). n timpul existenei sale, (fig. 2.8), procesul poate fi activ (running - n execuie) (atunci cnd i este alocat un procesor i se execut programul su), poate fi blocat, (cnd continuarea execuiei depinde de un eveniment, ca de exemplu ncheierea unei operaii de intrare / ieire), sau poate fi pregtit (ready runnable) (dac evenimentul ateptat s-a produs i ateapt alocarea procesorului).

Procesele care se afl n starea "pregtit" sunt ordonate ntr-o coad de ateptare (process queue). Atribuirea procesorului este executat de modulul programator (scheduler) al sistemului de operare.

Execuia concurent a proceselor presupune comunicarea intre procese din doua motive:

sincronizarea proceselor care trebuie s coopereze (de exemplu, pentru ca un proces s atepte ncheierea unei operaii de intrare/ieire);

gestionarea accesului concurenial la aceleai resurse, cum ar fi echipamentele de intrare/ieire sau memoria comun. n cazul accesului concurenial exist pericolul de blocare (dead lock),

dac procesele ateapt resurse pe care i le blocheaz reciproc. Aceast situaie poate fi rezolvat prin aa numit "excludere reciproc" care

67

ndeplinete urmtoarele cerine: la fiecare moment de timp, cel mult un proces se afl n seciunea sa critic, care solicit cu prioritate execuia (excluderea reciproc propriu-zis); dac nici unul din procesele concurente nu se afl n seciunea sa critic i exist procese care doresc s intre n seciunile lor critice, atunci unul dintre acestea va intra efectiv (competiia constructiv, neantagonist) (procesele nu se mpiedic unul pe altul pentru a intra n seciunile critice, dar nici nu se invit la nesfrit unul pe altul pentru a intra n seciunea critic); dac un proces "ntrzie" n seciunea sa critic, el nu trebuie s mpiedice alt proces s intre n seciunea sa critic dac dorete acest lucru. Dac din diferite motive (eroare hard sau soft) "ntrzierea" este permanent, ea nu trebuie s blocheze ntregul sistem (o blocare local nu trebuie s antreneze o blocare global).

Pentru rezolvarea problemelor de excludere reciproc s-au dezvoltat mai multe modele printre care amintim: algoritmul lui Dekker, algoritmul lui Peterson, algoritmul lui Lamport.

Procesarea ntreruperilor

Pentru sigurana n funcionare a unui sistem de comand trebuie realizat protejarea sistemului de operare fa de accesele nepermise ale software-ului de aplicaii (programe utilizator).

Baza acestui sistem de protecie o reprezint modurile de operare fixate la nivelul hardware al procesorului, privind acordarea nivelelor de prioriti. Se folosesc la ora actual sisteme cu dou sau patru nivele.

Mecanismul de protecie const in indicarea, prin semnale de stare, a modului de operare a procesorului. Acestea pot fi utilizate de o unitate de gestiune a memoriei pentru a restrnge (de exemplu permite numai accesul de citire) sau pentru a interzice total accesul unui program care ruleaz n modul utilizator, ntr-o anumita zona a memoriei.

68

Gestionarea operaiilor de intrare ieire

Software-ul de sistem pentru gestiunea operaiilor de intrare / ieire pune la ndemna utilizatorilor o interfa independent de particularitile echipamentelor de intrare/ieire. Aceasta se realizeaz prin rutine de intrare /ieire independente de dispozitive.

Alt parte a acestui software este format din programele specifice pentru comanda dispozitivelor periferice (device drivers). Acestea sunt subordonate nivelului utilizator ca procese de sistem i sunt acionate ca procese de rutinele de intrare/ieire ale sistemului de operare. De exemplu, pentru citirea unui bloc de date al unui fiier memorat pe un disc magnetic, driverul formeaz din adresa abstract a blocului, un numr concret de pist i sector. Se d apoi comanda de poziionare a capului de citire/scriere i apoi comanda de citire a sectorului. Pentru aceste operaii programul trebuie s se sincronizeze cu unitatea de comand. Dup fiecare operaie starea controlerului va fi verificat i, la apariia unor erori, se trece la testarea acestora.

Gestionarea sistemului de fiiere

Programele i datele sunt memorate n memoria auxiliar ca fiiere, gestiunea lor efectundu-se de ctre sistemul de operare. Utilizarea fiierelor permite ignorarea particularitilor fizice i funcionale ale diferitelor suporturi de memorie, utilizatorul efectund o adresare simbolic a fiierelor.

Organizarea, gestiunea si partajarea memoriei

Prin partajarea memoriei, informaiile se depoziteaz intr-o zona de memorie comun, la care au acces dou sau mai multe procese. Conceptul de memorie virtual se refer la mecanismul de gestiune dinamic a memoriei disponibile care ofer produselor program un spaiu de adresare virtual (logic) conform nevoilor lor, n funcie de care aloc n memoria intern un spaiu de adresare fizic conform disponibilitilor sistemului la un moment dat. Spaiul de adresare virtual este mai mare, n general, dect spaiul de adresare fizic,

69

pentru c poate fi extins i la memoria auxiliar pe disc magnetic. Printre sarcinile unui sistem de operare (SO) se numr i evidena

zonelor de memorie libere i ocupate, alocarea de spaiu de memorie (allocation) i eliberarea acestuia (deallocation), asigurarea comunicaiei ntre memoria principal i memoria secundar (auxiliar), precum i partajarea zonelor de memorie mpotriva accesului nepermis.

2.4.1.1 Tipuri de sisteme de operare

Sistemele de operare ofer o flexibilitate deosebit mainii, iar gradul lor de complexitate determin inteligena mainii. Din aceste motive, de la apariia mainii electronice de calcul, preocuprile privind aceste produse au crescut permanent. A fost creat o gam foarte diversificat de sisteme de operare din ce n ce mai complexe, pe tipuri de probleme, activitatea n acest sens fiind n continu dezvoltare.

Cele mai vechi sisteme de operare sunt cele de tip batch processing cu prelucrare pe loturi, la care execuia unei sarcini a sistemului este comandat de operator de la un pupitru de comand sau prin intermediul unui limbaj de comand al job-urilor. Astfel, programele aezate serial sunt executate tot serial, pe msura citirii i introducerii lor n memoria central a calculatorului. n cazul n care se introduc mai multe job-uri simultan, sistemul de operare are posibilitatea de lucru aparent n paralel cnd programele se afl n faz de execuie. n acest caz, au prioritate programele care ocup cea mai mic zon de memorie intern. Sistemele de operare batch processing au caracteristic interfee tip linie de comanda, care asigura rnd pe rnd: semnalarea strii de ateptare prin promptul sistem; citirea comenzilor de la consola si verificarea lor; lansarea n execuie a programelor specificate corect.

Sistemele de operare actuale lucreaz n regim de multiprogramare (multiprogramming, multitasking). Pentru aceasta, mai multe job-uri sunt ncrcate simultan n memoria de lucru. Dac un job aflat curent n execuie ajunge la o cerere de intrare/ieire, aceasta este transferat unui canal de intrare/ieire care funcioneaz independent n paralel, iar procesorului i se

70

repartizeaz alt job pe durata ateptrii. Pentru aceasta, sistemul de operare este dotat cu un mecanism de protecie a memoriei, bazat pe suportul hardware, care mpiedic accesul noului job n zonele de memorie ale celorlalte job-uri. Un suport pentru prelucrarea aparent paralel este oferit de aa numitul spooling (simultaneous peripheral operation on-line). n acest caz, job-urile sunt pregtite imediat dup prezentare pe o unitate de disc magnetic care servete ca memorie tampon. n acelai mod, fiierele de ieire ale unui job sunt memorate temporar pe disc i pot fi furnizate astfel perifericelor, independent de prelucrrile unitii centrale, de ndat ce acestea se elibereaz.

Sistemele de operare multitasking au specifica interfaa grafica (GUI-Graphical User Interface), la care introducerea comenzilor este mult simplificat prin utilizarea meniurilor i a pictogramelor (icons). Aceste sisteme aduc i alte perfecionri precum o mai bun gestionare a memoriei, folosirea modulelor de program DLL (Dynamic Linking Libraries) care sunt ncrcate dinamic doar cnd este nevoie, eliberarea unei zone din memoria intern prin scrierea temporar a informaiilor pe disc (permind astfel rularea unor programe mai mari dect memoria intern a calculatorului), help interactiv sensibil la context i fonturi true type, care fac posibil ca un caracter s arate la fel pe diferite tipuri de monitoare sau de imprimante.

Prin mai multe mecanisme care permit schimbul de informaii, precum clipboard (memorietemporar), import-export, DDE (Dynamic Data Exchange) i OLE (Object Linking an Embading), aciunile operatorului se deplaseaz de la aplicaii ctre documente, care devin mult mai complexe i mai interesante. De asemenea, posibilitatea de a asocia anumite tipuri de documente cu o anumit aplicaie simplific modul de deschidere a acestora.

2.4.1.2. Sistemul de operare UNIX

UNIX este numele unei familii de sisteme de operare n continu dezvoltare i diversificare, scrise n limbajul C. A fost singurul sistem de operare cu trsturi de timp real la nceputul anilor '80 si are urmtoarele caracteristici principale:

71

este de tip time-sharing, multiutilizator i multitasking; asigur protecia fiierelor i a modului de execuie prin existena unor parole i chei de acces; promoveaz modularitatea i poate cobor la nivel de echipament hardware, facilitnd astfel interconectarea calculatoarelor n reele; operaiile de intrare-ieire sunt integrate n sistemul de fiiere, realizndu-se aa numitele operaii de intrare/ieire generalizate; posed un sistem de gestiune a proceselor reentrante i asincrone multiple, care se pot sincroniza prin intermediul unui sistem de ntreruperi logice; gestiunea memoriei ntr-un mecanism care permite schimbul de pagini ntre memoria intern i memoria extern, gestionndu-se spaiul afectat execuiei proceselor i controlndu-se timpul de acces la procesele n ateptare; interfaa simpl i interactiv cu utilizatorul; portabilitate deosebit, care creeaz premisele unui sistem deschis; acoper o gam foarte larg de aplicaii: baze de date, reele de calculatoare, grafic (CAD/CAM, ORCAD, proiectare vizual, realitate virtual etc.), inteligen artificial, simulare, gestiune statistic, gestiune n timp real;

posibilitatea de a se executa aplicaii i sub MS-DOS, n paralel cu aplicaiile de baz executate n UNIX; ntreinere i dezvoltare simpl.

Sistemul UNIX este ntlnit n numeroase variante: Irix (Silicon Graphics), OS i Solaris (Sun) ULTRIX (DEC), HP-UX (Hewlett Packard), AIX (IBM), OSF/1 (DEC). Pe lng acestea ncep s fie utilizate i versiunile Linux i FreeBSD, realizate de entuziati care au permis rspndirea Ior liber. Din cauza diferenelor existente att ntre procesoare, ct i ntre sistemele de operare portabilitatea aplicaiilor pe staiile grafice rmne la stadiul de deziderat.

72

2.4.1.3. Sistemele de operare Windows, WARP i Mac OS

Aceste sisteme de operare (realizate de Microsoft, IBM i Apple) reprezint nivelul superior atins de calculatoarele personale. Ele sunt mai fiabile, mai rapide (folosesc din plin posibilitii calculatoarelor cu magistrala de date pe 32 de bii) i permit multitasking adevrat. Interfeele grafic au devenit mai performante, mai intuitive i mai uor de nvat, iar majoritatea aciunilor poate fi efectuat cu ajutorului unui mouse. Mediul de lucru poate fi configurat de fiecare utilizator al calculatorului, cu culori, dimensiuni ale fonturilor i multe alte opiuni.

Alocarea automat a resurselor prin tehnica plug and play (cupleaz i funcioneaz), partajare perifericelor, simplificarea lucrului n reea, dezinstalarea aplicaiilor sau gsirea unui fiier pe baza unor criterii de cutare sunt doar cteva din noile lor posibiliti. Spre deosebire de sistemele anterioare se permite utilizarea numelor de fiier lungi (maxim 255 caractere).

Unul dintre domeniile n care s-a progresat foarte mult este cel legat de posibilitatea d comunicare i informare: faciliti multimedia, briefcase pentru transportarea i actualizarea fiierelor pe mai multe calculatoare, lucrul n reelele locale i n Internet.

Sistemele de operare Windows NT, 2000, 2003 sunt replicile sistemului UNIX pentru calculatoarele personale care utilizeaz microprocesoare INTEL III i IV. Spre deosebire de primele versiuni Windows multitasking (95-98), acesta asigur cerinele n privina evitrii incidentelor, proteciei datelor i a modului de comunicare impus de reelele de calculatoare.

MAC OS 8 este un sitem de operare Macintosh i este destinat calculatoarelor Macintosh care suport operaiuni multitasking, acces la internet i dispun de faciliti puternice de grafic i multimedia. Utilizatorii pot integra clipuri video, semnale audio stereo i secvene animate cu programe de grafic i text convenionale.

73

2.4.2. Programe utilitare i medii de programare

Programele utilitare permit efectuarea comod a lucrrilor de ntreinere a fiierelor (copiere, mutare, tergere, editare, comparare, arhivare). Ele se mpart in:

gestionatoare de fiiere (Norton Commander, Windows Explorer, Window Commander);

gestionatoare de disc (Norton Disk Doctor, Speed Disk); Mediile integrate de programare dispun de tot ce este necesar pentru a

putea realiza un program ntr-un anumit limbaj de programare, i anume: lucrul cu fiiere; editarea programelor surs; interpretarea, respectiv compilarea i editarea de legturi; depanarea (cu ajutorul unor module numite debugger), cu multe

posibiliti precum execuia pas cu pas, vizualizarea valorilor unor expresii, execuia pe poriuni;

execuia programelor. Pentru realizarea de programe se folosesc compilatoare, de la cele mai

simple (Pascal, Basic, Fortran, LISP, Prolog), pn la cele mai complicate i puternice (C++, Visual C/C++, Java, Delphi). Compatibilizarea ntre diferite sisteme de operare, diferite limbaje sau norme de codificare a informaiei, se face cu programe i pachete de programe de convertire (importul i exportul de texte, desene i baze de date etc).

2.4.3. Programele specializate (Aplicaiile)

Aplicaiile sunt programe software proiectate pentru realizarea unor tipuri de probleme bine definite. Principalele domenii n care se utilizeaz aplicaii sunt:

Baze de date - asigur organizarea structurat a datelor i gestiunea lor. Un exemplu este gestiunea financiar-contabil asistat de calculator, iar principalele medii de dezvoltare a bazelor de date pentru OC-uri sunt: Oracle,

74

DB2, Acces, Fox Pro, Paradox, dBASE, Visual Studio Net; Procesoarele de documente - pot fi utilizate pentru a scrie, a aranja i a compune documnente (AmiPro, WordPro, MS Word, Word Perfect, MS Works, page Maker, Ventrua, MS Publisher); Calcul tabelar - ofer facilitate de organizare i exploatare a datelor (Excel, Lotus 1-2-3, Quatro); Editarea de materiale grafice statice inclusiv grafic de prezentare, care permite dezvoltri multimedia (Corel Draw, Adobe Illustrator, Power Point); Ediatrea materialelor audio-video crearea de animaie, producie video, programe de grafic tridimensional, editare i captur video (3D StudioMax, Autodesk Animator, Adobe Premier); Managementul resurselor umane (Unicenter, Tivoli, Aim IT, Enterprise Charter); Organizarea fluxurilor de productie asist i optimizeaz procesul managerial (Flow Chart, Micrografx); Programe de planificare a resurselor de timp configurarea agendei, contracte, sincronizri n grupuri de lucru (TeamWare, Lotus Organizer, Scheduler); Sisteme expert baze de informaii care includ inteligena algoritmic (PC Jurist, Meck Manual); Comunicaii i teletransmisii de date fax digital, e-mail i video-conferine (Outlook, Eudora, Messenger); Realizarea revistelor, prospectelor (desktop publishing): editoare de text i grafic profesionale (Adobe Page Maker); Calcul matematic general (Mathcad, Matlab, Matematika); Inginerie asistat de calculator: calcule inginereti specifice, desenare

asistat, achiziie de date i procesare a semnalelor, (AutoCAD, Pro-Engineer, Solid Works, Catia, Solid Edge, I-DEAS).

75

2.4.4. Aplicaii CAD/CAM/CAE

Uriaul impact al aplicrii tehnologiei calculatoarelor n inginerie, fabricare, construcii i multe altele se reflect prin integrarea calculatoarelor n ntregul ciclu dintre proiectare i fabricare al unui produs, al unei hale sau al unei construcii.

Sistemele CAD (Computer Aided Design) ofer faciliti pentru crearea interactiv de modele geometrice ale ansamblurilor i subansamblurilor care se proiecteaz, faciliti ce sunt caracteristice desenului tehnic: vederi, seciuni, haurri, cotri automate, calculul proprietilor ineriale.

Sistemele CAE (Computer Aided Engineering) furnizeaz mijloace care faciliteaz evaluare rapid a diferitelor alternative de proiectare, realiznd gestiunea spaiului n care sunt incluse subansamblurile, efectund calcule de distribuie a ncrcrilor, a forelor de inerie, simuleaz dinamica structurilor sau mecanismelor, detectnd interfeele dintre componentele unui sistem complex, analiznd ergonomicitatea sistemului mecanic ce se proiecteaz, etc.

Sistemele CAM (Computer Aided Manufacturing) nglobeaz proceduri de generare automat instruciunilor pentru conducerea mainilor unelte cu comand numeric pornind de la model geometric al piesei ce se dorete a fi fabricat.

Este greu de gsit un domeniu al ingineriei n care CAD/CAM/CAE s nu fie implicat n vreun fel. Dintre acestea sunt enumerate n continuare cteva aplicaii de acest gen ntlnite la disciplinei inginereti majore:

proiectarea mecanic: desenarea automat, modelarea geometric, analiza cu elemente finite ; cinematica i dinamica mecanismelor, testarea produselor; proiectarea electronic: proiectarea componentelor i conexiunilor, modelarea circuitelor, analiza logic, simularea defeciunilor; ingineria industrial: generarea traseelor de prelucrare pentru sistemele de producie si comand numeric, programarea mainilor unelte i a roboilor cu comand numerici; planificarea proceselor industriale, logistica i managementul unitilor

76

productive; proiectarea n arhitectur: conceperea planurilor etajelor, realizarea schielor de instalaii; modelare 3D; inginerie civil: proiectarea confeciilor metalice i din lemn, proiectarea ansamblurilor (prefabricate, analiz cu elemente finite, organizarea aglomerrilor urbane); topografie cartografiere electronic; inginerie naval: proiectarea carenelor, instalaiilor electrice i hidropneumatice, calculul proprietilor ineriale i al stabilitii micrii; inginerie aerospaial: modelarea suprafeelor, instalaii electrice i hidropneumatice, integrarea sistemelor, propagarea fisurilor, calculul proprietilor ineriale i al manevrabilitii, obinerea unor simulatoare de zbor pentru pregtirea piloilor i cosmonauilor. .

Aplicaiile inginereti CAD/CAM/CAE amintite anterior tind de acum s devin "tradiionale". Pe lng acestea exist nc multe utilizri mai "exotice", la care se vor aduga altele, pe msur ce noi, instrumente hardware i software vor deveni disponibile. Astfel de aplicaii se ntlnesc i n chimia organic i n bioinginerie, unde CAD este folosit pentru modelarea i pstrarea n baze de date a geometriei spaiale a componentelor organice.

Proiectarea structurilor 2D i 3D pentru cldiri, construcii i alte destinaii. Managementul datelor: gestionarea informaiilor de produs, biblioteci, acces

la date (mai ales pentru partea de proiectare i simulare, dar i pentru administrarea, ntreinerea i explorri ulterioare ale produsului).

Desenare: desenare i adnotare, generarea vederilor/seciunilor/detaliilor, dimensionare i tolerane.

Proiectarea sistemelor electrice: proiectarea reelelor i instalaiilor, generarea elementelor auxiliare ale acestora.

Analize inginereti pentru studierea solicitrilor mecanice, termice, electromagnetice etc.