UNIVERSITATEA DIN BACU

FACULTATEA DE INGINERIE

Culea George Buzdug Roxana

CALCULATOARE NUMERICE Note de curs - laborator

Editura Alma Mater Bacu 2007

3

1 INTRODUCERE

1.1 Scurt istoric privind dezvoltarea echipamentelor de prelucrare a datelor

Un calculator modern reprezint un sistem complex care nglobeaz n construcia sa

tehnologii diverse: electronice, magnetice, electromecanice, electrono-optice etc. Astfel, n prezent, pentru realizarea unitii centrale a unui calculator, care asigur stocarea programului i a datelor pe termen scurt, secvenierea instruciunilor i efectuarea operaiilor de calcul, se utilizeaz, cu precdere, tehnologii microelectronice.

Pentru stocarea datelor i a programelor pe termen lung se folosesc suporturi magnetice sub form de benzi sau discuri, bazate pe diverse tehnologii magnetice/optice.

Pentru implementarea operaiilor de intrare/ieire sunt folosite in principal tehnologiile electronice si electromecanice.

Evoluia calculatoarelor este strns legat de progresele nregistrate de tehnologiile amintite mai sus. Cercetrile efectuate pentru realizarea de calculatoare ct mai performante au impulsionat aprofundarea unor noi aspecte n cadrul acestor tehnologii. Calculatoarele moderne reprezint rezultatul unui ndelungat proces de cutri ale unor mijloace tehnice adecvate pentru mecanizarea i automatizarea operaiilor de calcul. n evoluia mijloacelor de tehnic de calcul se pot evidenia mai multe etape.

1. Etapa instrumentelor de calcul. Secolul 12 d.Cr.., China - abacul. Sfritul sec. 17 i nceputul sec.18 -rigla de calcul. 2. Etapa mainilor mecanice de calcul Aceste maini aveau la baz angrenaje cu roi dinate, roata dinat fiind considerat

un element cu mai multe stri stabile. Fiecare stare codific o cifr zecimal. 1642. B. Pascal realizeaz o main de adunat. 1694. Leibniz construiete o main de adunat i nmulit. 1823. Babbage proiecteaz primul calculator cu execuie automat a programului.

Proiectul prevedea principalele elemente ale calculatoarelor moderne: - unitate de memorie; - unitate de calcul; - unitate de comand; - uniti de intrare, ieire. 1872 - se realizeaz prima main de calcul cu imprimant. 1892. - se construiete o main de calcul pentru birou perfecionat. 1912. - se ncepe producia de mas a mainilor mecanice de calculat, cu patru operaii

aritmetice. Maini electromecanice de calculat Aceste maini sunt bazate pe roi dinate angrenate, acionate electric.

- 1930. Se ncepe producia de mas a mainilor electromecanice de calculat prevzute cu operaiile: adunare, scdere, nmulire, mprire, rdcin ptrat, subtotal etc.

4

- 1937 - 1945. Apar mainile electromecanice de calculat, bazate pe relee electromagnetice (Mark I ), cu program cablat. Releele electromagnetice i contactele lor joac rolul elementelor bistabile. Cu ajutorul lor se pot codifica cifrele sistemului de numeraie binar. n 1937 la Universitatea Harward, s-a propus proiectul Calculatorului cu Secven

Automat de Comand. Acesta folosea principiile enunate de Ch. Babbage i tehnologia de implementare pentru calculatoarele electromecanice produse de IBM.

Construcia calculatorului Mark I a nceput n 1939 i s-a terminat la 7 august 1944, dat ce marcheaz nceputul erei calculatoarelor.

Mainile electronice de calcul cu program memorat Acestea au fost bazate pe:

- tuburi electronice; - tranzistori; - circuite integrate; - pe scara simpla (SSI: sub 20 de tranzistori pe pastila de Si); - pe scara medie (MSI: 20 - 1000 de tranzistori pe pastila de Si); - pe scara larga (LSI: 1000 50.000 de tranzistori pe pastila de SI); - pe scara foarte larga (VLSI: 50.000 100.0000 de tranzistori pe pastila de Si); - pe scara ultra larga (ULSI: peste 1.000.000 de tranzistori pe pastila de Si).

Primele calculatoare realizate cu tuburi electronice: 1943: la Universitatea din Pennsylvania a nceput construcia primului calculator bazat

pe tuburi electronice ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer). Cu aceast ocazie s-a folosit ideea de a stoca n aceeai memorie, att datele, ct i programul, ceea ce a permis modificarea relativ uoara a programului;

1945: a nceput construcia unui alt calculator electronic EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer) pe baza lucrrii lui J. von Neumann. Dup elaborarea structurii logice de baza a calculatorului cu program memorat, au fost stabilite entitile funcionale care concurau la realizarea acestuia:

- un mediu de intrare care s permit introducerea unui numr nelimitat de operanzi i instruciuni;

- memorie din care se citesc operanzi sau instruciuni i n care se pot introduce, n ordinea dorit, rezultatele;

- seciune de calcul, capabil s efectueze operaii aritmetice sau logice asupra operanzilor citii din memorie;

- un mediu de ieire, care s permit livrarea unui numr nelimitat de rezultate ctre utilizator;

- unitate de comand, capabil s interpreteze instruciunile citite din memorie i s selecteze diverse variante de desfurare a operaiilor, n funcie de rezultatele obinute pe parcurs. Marea majoritate a calculatoarelor construite pan n prezent se bazeaz pe aceste

principii, purtnd numele de calculatoare de tip von Neumann. Pornind de la calculatorul EDVAC, in 1951, s-a realizat primul calculator comercial

UNIVAC 1. n 1951, la Universitatea Princeton, von Neumann a coordonat realizarea

calculatorului IAS, care dispunea de posibilitatea de a-i modifica partea de adres din instruciune. Aceast facilitate asigura reducerea spaiului ocupat n memorie de ctre program, ceea ce permite prelucrarea unor seturi mai mari de date.

5

Avnd n vedere tehnologiile utilizate in construcia calculatoarelor, ncepnd cu anul 1946, se pot evidenia cinci generaii de calculatoare.

Generaia I (1946-1956). Hardware calculatoare: relee, tuburi electronice, tambur magnetic, tub catodic. Software calculatoare: programe cablate, cod main, autocod. Exemple de calculatoare: ENIAC, EDVAC, UNIVAC 1, IBM 650, i produse n

Romnia: CIFA 1-4, CIFA 101-102, MARICCA, MECIPT-1 . Performantele calculatoarelor: capacitate memorie 2 Ko, viteza de operare 10.000

instruciuni/s. Generaia a II-a ( 1957 - 1963 ). Hardware calculatoare: tranzistoare, memorii cu ferite, cablaj imprimat, discuri

magnetice. Software calculatoare: limbaje de nivel nalt (Algol, FORTRAN). Exemple de calculatoare: NCR 501, IBM 7094, CDC 6600, DACICC-1/2 i din

Romnia CET 500/501, MECIPT-2,DACICC-200. Performantele calculatoarelor: capacitatea memoriei 32 Ko, viteza de operare

2.000.000 instruciuni/s. Generaia a III-a (1964 -1981) Hardware calculatoare: circuite integrate, memorii semiconductoare, cablaj imprimat

multistrat, microprocesoare, discuri magnetice, minicalculatoare. Software calculatoare: limbaje de nivel foarte nalt, programare structurata, LISP,

sisteme de operare orientate pe limbaje ( Algol, Pascal ),timp partajat, grafica pe calculator, baze de date.

Exemple de calculatoare: IBM 360-370, PDP11/XX, Spectra 70, Honeywell 200, Cray-1, Illiac IV, Cyber 205, RIAD 1-2, i din Romnia Felix C-256/512/1024, Independent 100/102F, Coral 4001/4030.

Performantele calculatoarelor: capacitatea memoriei 2 Mo, viteza de operare 5 mil.op/s.

Generaia a IV-a (1982 - 1989). Hardware calculatoare: VLSI, sisteme distribuite, discuri optice, microcalculatoare de

16/32 bii, superminicalculatoare, supercalculatoare. Software calculatoare: sisteme de operare evoluate, ADA, pachete de programe de

larg utilizare, sisteme expert, limbaje orientate pe obiecte, baze de date relaionale. Exemple de calculatoare: IBM-43xx, VAX-11/7xx, IBM-308x, RIAD3, i produse n

Romnia: Coral 4021, Independent 106, Felix 5000, Coral 8730. Performantele calculatoarelor: capacitatea memoriei 8 Mo, viteza de operare 30

mil.instr/s Generaia a V-a ( 1990 - ).

6

Hardware calculatoare: tehnici evoluate de mpachetare i interconectare, ULSI, proiectare circuite integrate 3D, componente optice, arhitecturi paralele pentru prelucrarea inferenelor, reele neuronale.

Software calculatoare: sisteme de operare cu interfa evoluat cu utilizatorul, limbaje concurente, programare funcional, prelucrare simbolic (limbaje naturale, recunoaterea formelor: imagini/voce), Prolog, baze de cunotine, sisteme expert evoluate, CAD, CAM, CAE, multimedia, realitate virtuala, web.

Exemple de calculatoare: staii de lucru, super-calculatoare, reele de supercalculatoare,

Performantele calculatoarelor: capacitatea memoriei zeci-sute Moct, viteza de operare 1 Ginstr - 1 Tinstr/s.

n prezent pentru circuitele integrate folosite in calculatoarele electronice se folosesc numeroase tehnologii care se pot grupa in tehnologii bipolare si tehnologii MOS.

Circuitele integrate care se folosesc n construcia calculatoarelor se plaseaz n categoriile: standard, specifice aplicaiilor (ASIC - Application Specific Integrated Circuits ) i programabile/configurabile.

Se amintete c tranzistorul a fost inventat in anul 1947 si c primele exemplare ocupau o suprafa de 3,5 mm2. La sfritul anilor 50 a aprut circuitul integrat care, grupnd pe aceeai pastil mai muli tranzistori, a avut o evoluie spectaculoas n sensul dublrii numrului de componente pe pastil, la fiecare 18 luni. Aceasta s-a datorat n primul rnd numeroaselor perfecionri ale proceselor tehnologice, care permit rezoluii de ordinul a 2,5m 0,18 m.

1.2 Evoluia procesoarelor

Istoria microprocesoarelor ncepe n anul 1970, prin producerea primului micro-procesor INTEL 4004, un procesor de 4 bii, care realiza calcule n BCD, cu o vitez de lucru de 60.000 operaii/s. Firma INTEL (INTegrated Ellectronics) a fost fondat spre sfritul anilor '60 de Robert Noyce