Arhitectura calculatoarelor

Descarcă fragment

Autor: Floarea Baicu
Editura: Editura Universitară

ISBN: 978-606-591-987-7

Doi: 10.5682/9786065919877
Anul publicării: 2014

Ediţia: I

0⁰⁰ RON

Disponibilitate: stoc epuizat

Acest produs nu este pe stoc momentan.

Cuprinsul cărţii Arhitectura calculatoarelor

Introducere/11

CAPITOLUL 1 Arhitectura Von Neumann a calculatorului digital/16

1.1. Principii de bază privind arhitectura calculatorului electronic/16

1.2. Scurt istoric şi tipuri de calculatoare/17

1.2.1. Primele maşini de calcul/17

1.2.2. Primele calculatoare/22

1.2.3. Calculatoare moderne/24

1.3. Principiile Von Neumann pentru arhitectura unui calculator/26

1.4. Structura Von Neumann a unui calculator electronic/29

1.5. Structura fizică a calculatorului/ 32

1.5.1. Unitatea centrală de Procesare (CPU) /32

1.5.1.1. Unitatea Aritmetico-Logică/32

1.5.1.2. Unitatea de comandă/33

1.5.2. Unitatea de memorie/34

1.5.3. Unitatea de Intrare/Ieşire/37

1.5.3.1. Unitatea de intrare/37

1.5.3.2. Unitatea de ieşire/38

1.6. Interconexiuni/38

1.7. Structura funcţională a calculatorului electronic/40

CAPITOLUL 2 Reprezentarea numerelor/41

2.1. Introducere/ 41

2.2. Baze de numeraţie/ 42

2.2.1. Reprezentarea numerelor în diverse baze de numeraţie/ 42

2.2.2. Conversia numerelor între baze/ 43

2.3. Reprezentarea numerelor în virgulă fixă/45

2.3.1. Consideraţii generale/45

2.3.2. Interval şi precizie la numerele în virgulă fixă/46

2.3.3. Moduri de reprezentare a numerelor cu semn în virgulă fixă/ 47

2.3.3.1. Magnitudine cu semn/47

2.3.3.2. Complement faţă de unu/47

2.3.3.3. Complement faţă de doi/ 48

2.3.3.4. Reprezentare în exces/48

2.4. Reprezentarea numerelor în virgulă mobilă/ 50

2.4.1. Consideraţii generale/50

2.4.2. Interval şi precizie în reprezentarea numerelor în virgulă mobilă/51

2.4.3. Normalizare şi bitul ascuns/52

2.5. Reprezentarea numerelor în virgulă mobilă în calculator/53

2.5.1. Procedura de reprezentare/53

2.5.2. Erori în reprezentarea numerelor în virgulă mobilă/55

2.5.3. Standardul IEEE 754 pentru reprezentarea în virgulă mobilă/56

2.6. Operaţii aritmetice cu numere binare/59

2.6.1. Adunarea în binar/59

2.6.2. Scăderea în binar/60

2.6.3. Înmulţirea în binar/ 61

2.6.4. Împărţirea în binar/62

2.7. Coduri de caractere/63

2.7.1. Setul de caractere ASCII/63

2.7.2. Setul de caractere EBCDIC/64

2.7.3. Setul de caractere UNICODE/66

2.8. Coduri corectoare de erori/68

2.8.1. Rata de erori la nivel de bit/68

2.8.2. Detectarea şi corectarea erorilor cu ajutorul bitului de paritate/68

2.8.3. Coduri Hamming/70

2.8.4. Codificare SECDED/71

2.8.5. Verificarea ciclică a redundanţei (CRC)/72

CAPITOLUL 3 Circuite logice/74

3.1. Consideraţii generale/ 74

3.2. Funcţii logice fundamentale/ 76

3.3. Porţi logice/81

3.3.1. Prezentare generală/81

3.3.2. Parametrii caracteristici ai porţilor logice/82

3.4. Consideraţii asupra funcţionării circuitelor logice combinaţionale/85

3.5. Decodificatorul/89

3.6. Demultiplexorul/91

3.7. Codificatorul/ 93

3.8. Multiplexorul/95

3.9. Sumatoare şi circuite de scădere/97

3.10. Multiplicatoare combinaţionale/100

3.11. Circuite basculante/102

3.11.1. Principiul de funcţionare al circuitelor basculante/ 102

3.11.2. Circuite basculante bistabile R-S/104

3.11.3. Circuite basculante bistabile de tip Delay/108

3.11.4. Structuri Master-Slave cu bistabili R-S/ 110

3.12. Circuite basculante de tip T/112

3.13. Circuite basculante de tip J-K/114

3.14. Numărătoare electronice în binar/ 116

3.14.1. Numărătoare electronice asincrone/117

3.14.2. Numărătoare electronice sincrone/ 120

3.15. Circuite de deplasare/122

CAPITOLUL 4 Arhitectura setului de instrucţiuni/124

4.1. Introducere/124

4.2. Caracteristici ale ISA/125

4.3. Formatul instrucţiunilor /127

4.4. Organizarea UCP în funcţie de numărul de adrese din instrucţiune/128

4.5. Ciclul instrucţiunii/132

4.6. Tipuri de instrucţiuni/135

4.6.1. Instrucţiuni aritmetice/135

4.6.2. Instrucţiuni logice/136

4.6.3. Instrucţiuni pentru transferul informaţiei/137

4.6.4. Instrucţiuni pentru deplasarea şi rotirea datelor/139

4.6.5. Instrucţiuni de ramificare/140

4.6.6. Instrucţiuni pentru controlul procesorului/142

4.6.7. Instrucţiuni pentru operaţii cu şiruri de date/ 142

4.7. Moduri de adresare ale instrucţiunilor/143

CAPITOLUL 5 Unitatea de memorie/148

5.1. Principii generale referitoare la unitatea de memorie/148

5.2. Caracteristici ale unităţii de memorie/152

5.3. Memorii de tip ROM/154

5.3.1. Prezentare generală/154

5.3.2. Principiul de funcţionare ale memoriilor ROM/155

5.3.3. Caracteristicile temporare ale unui ROM/158

5.4. Memorii de tip RAM/159

5.4.1. Circuite de memorie elementară/159

5.4.2. Structura unei memorii RAM/161

5.4.3. Memorii RAM statice (SRAM)/162

5.4.3.1. Intrări şi ieşiri/162

5.4.3.2. Structura internă a memoriei SRAM RAM/164

5.4.3.3. Parametrii temporali ai SRAM/165

5.4.4. Memoria dinamică RAM (DRAM)/168

5.4.4.1. Celula elementară de memorie DRAM/168

5.4.4.2. Matrice de memorie DRAM/169

5.4.4.3. Caracteristicile temporale ale memoriilor DRAM/171

5.5. Memoria adresabilă prin conţinut (CAM)/175

5.5.1. Aplicaţii ale memoriei CAM/176

5.5.2. Arhitectura CAM/177

5.5.3. Avantaje oferite de CAM/ 180

5.6. Memoria cachè/182

5.7. Memoria externă/183

5.7.1. Prezentarea generală/ 183

5.7.2. Hard Discul/ 184

5.7.2.1. Componentele HDD/185

5.7.2.2. Principiul de funcţionare/186

5.7.2.3. Performanţele HDD/188

5.7.3. Flash memory/188

5.7.3.1. Principiul de funcţionare/188

5.7.3.2. Tipuri de memorii flash/190

5.8. Gestionarea memoriei/190

5.8.1. Segmentarea/191

5.8.2. Paginarea/193

5.8.3. Memoria virtuală (MV)/194

CAPITOLUL 6 Unitatea Centrală de Procesare

6.1. Consideraţii generale asupra Unităţii Centrale de Procesare/193

6.2. Componentele Unităţii Centrale de Procesare/ 195

6.2.1. Unitatea Aritmetico-Logică (ALU)/195

6.2.2. Unitatea de control/200

6.2.3. Organizarea CPU /202

6.3. Registrele procesorului / 203

6.3.1. Generalităţi / 203

6.3.2. Organizarea ariei de registre/205

6.3.3. Principii referitoare la funcţionarea registrelor /207

6.3.3.1. Registre de uz general /207

6.3.3.2. Registre de segment/214

6.3.3.3. Registre de stare şi control/ 215

6.4. Semnale la interfaţa CPU cu exteriorul /217

6.5. Categorii de semnale din magistrala de control / 220

6.5.1. Semnale de control pentru transferul datelor cu memoria şi dispozi-

tivele de I/O / 220

6.5.2. Semnale de control a cererilor de cedare a controlului magis- tralelor/ 221

6.5.3. Semnale de sincronizare cu evenimente externe ce generează cereri de întrerupere / 221

6.5.4. Semnale indicatoare de stare a CPU/222

6.5.5. Semnale utilitare / 222

6.6. Întreruperi şi priorităţi 223

CAPITOLUL 7 Unitatea Intrare / Ieşire

7.1. Module de I/O /229

7.1.1. Funcţiile modulelor de I/O/229

7.1.2. Structura unui modul de I/O/ 231

7.2. Circuite de interfaţă/232

7.3. Echipamente periferice /234

7.4. Magistralele / 240

7.4.1. Tipuri de magistrale/240

7.4.2. Organizarea magistralelor /241

7.5. Interfeţe externe/ 244

7.6. Metode de transfer a datelor /246

7.6.1. Transferul prin program/246

7.6.2. Transferul prin întreruperi /248

7.6.3. Transferul prin acces direct la memorie/250

7.6.4. Transferul prin canale de I/O /253

Bibliografie/257

Cuvânt înainte Arhitectura calculatoarelor

A scrie o carte într-un domeniu în care în fiecare săptămână apare ceva nou, în fiecare lună este o întâlnire, o conferinţă, o lansare de produs nou, este o provocare, fără prea mulţi sorţi de izbândă. Şi totuşi, această carte apare acum şi conţine noutăţi de ultimă oră, alături de principii fundamentale şi adevăruri stabilite cu mult timp înainte.

Bazele arhitecturii calculatoarelor moderne au fost puse acum aproape 70 ani de genii creatoare precum Von Neumann, Alan Turing şi colaboratorii lor. Tot ce se face acum în domeniul arhitecturii calculatoarelor se bazează pe principiul programului memorat şi se îmbunătăţeşte permanent, se pun la punct dispozitive noi de prelucrare şi stocare a informaţiilor, pentru rezolvarea facilă a oricărei probleme matematice, tehnice sau de altă natură. Toate noile apariţii în domeniul tehnicii de calcul, a limbajelor de programare sau de asamblare sunt rezolvări optimizate ale unor probleme de evoluţie firească în acest domeniu.

Dezvoltarea limbajelor noi, a microelectronicii şi tehnologiilor de realizarea circuitelor digitale integrate la scară foarte largă şi mult miniaturizate, oferă soluţii tehnice de neimaginat acum 70 ani pentru a răspunde unor necesităţi din ce în ce mai pretenţioase.

Există principii de bază care au rămas valabile, precum reprezentarea numerelor în binar, aritmetica acestora şi algebra booleană, modul de calcul a erorilor şi nevoia de a diminua acestor erori, de a îmbunătăţii precizia, viteza de procesare şi securitatea informaţiilor prelucrate.

Modul de implementare al operaţiilor cu ajutorul dispozitivelor semiconductoare VLSI este diferit, mult mai facil, mai rapid şi cu consumuri mult reduse faţă de acum 70 ani.

Au apărut numeroase tipuri de microprocesoare, unele de uz general, altele cu funcţii ultraspecializate, cu nenumărate instrucţiuni pe care se bazează realizarea funcţiilor lor (peste 15000 la Intel). Totuşi cele mai performante procesoare lucrează cu aceleaşi tipuri de instrucţiuni (aritmetice, logice, de transfer, deplasare şi rotire a datelor, de ramificare şi control) ca şi acum 40 ani. Ce s-a schimbat este viteza de lucru şi capacitatea de procesare, ceea ce presupune un management mai bun al capacităţilor de procesare şi stocare.

Modul de implementare tehnică a acestor instrucţiuni este în continuare o provocare. Miniaturizarea, virtualizarea, creşterea capacităţii de prelucrare şi a vitezei de răspuns sunt preocupări majore la nivel mondial, preocupări cu investiţii majore de timp, bani, inteligenţă, dar şi cu realizări pe măsura efortului.

Referitor la memorii, apar mereu noi tipuri de memorii semiconductoare, cu funcţii speciale, toate sunt însă îmbunătăţiri pornind de la clasicele ROM şi RAM, de la celula elementară de memorie cu porţi logice.

Dispozitivele de intrare/ieşire se îmbunătăţesc permanent adaptate la cerinţele de piaţă şi exigenţele tinerilor utilizatori, aceasta impune optimizarea interfeţelor şi modului de acces.

A scrie o carte despre un domeniu atât de dinamic este o mare provocare, şi totuşi am îndrăznit în idea că va ajunge în mâna cuiva care va şti ce să facă cu ea, care va folosi cunoştinţele, entuziasmul şi experienţa autorilor puse în carte în scop creator şi că va aduce o mică contribuţie la dezvoltarea armonioasă a ştiinţei calculatoarelor.

AUTORII