1. Estructura y funcionamiento del computador Contenidoshpc.aut.uah.es/~rduran/FFCC/pdf/Cap1Hand.pdf · Estructura y funcionamiento del computador Fundamentos de computadores Ingenier

Rev: 1.13

Aproximacion a la arquitectura de computadoresLa maquina programada von Neumann

Evolucion historica

1. Estructura y funcionamiento del computadorFundamentos de computadores

Ingenierıa de Telecomunicacion

Raul Duran Dıaz

Departamento de AutomaticaEscuela Politecnica Superior

Curso academico 2009–2010

Raul Duran Dıaz 1. Estructura y funcionamiento del computador 1 / 31

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Evolucion historica

Contenidos

1 Aproximacion a la arquitectura de computadores

2 La maquina programada von Neumann

3 Evolucion historica


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Estan en todas partes. . .

Los sistemas de computacion estan en todas partes.

Una revolucion total en 30 anos.

Nadie habıa previsto esto.

Todo esta basado en

¡la Fısica del Estado Solido!


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Evolucion historica

Estan en todas partes. . .

El desarrollo, la fabricacion, y el desarrollo de softwarerepresentan un gran porcentaje del PIB en muchos paıses.

El precio de los sistemas se ha dividido muchas veces por 10.

Esto ha permitido la tercera revolucion de nuestra civilizacion:crear la Sociedad de la Informacion.


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Sociedad de la Informacion

La activos importantes son intangibles.

Faciles de mover, transportar, replicar.Proteccion de la Propiedad Industrial.

La copia indiscriminada de software perjudica gravemente laindustria.


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Sociedad de la Informacion: la educacion

Sistemas de informacion en las aulas.

Ventajas:

Herramientas comodas para mejorar el aprendizaje.Flexibles.Contenido multimedia.

Inconvenientes:

Evanescencia.Imprecision.


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¿Que instrumento soporta todo esto?

Mision principal

Un sistema de informacion toma informacion, la procesa y devuelvela informacion transformada de acuerdo a un plan previsto.

Es como una fabrica de manufacturas, donde la materia prima esinformacion.

Almacenes: → memoria principal.

Oficina tecnica: → unidad de control.

Lıneas de produccion: → ruta de datos y unidades funcionales.


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Antes de abrir la tapa. . .

Dispositivos de entrada/salida (E/S):

teclado,raton,pantalla.


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Lo que se ve. . .

Figura: Teclado (Foto: www.codinghorror.com)


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Lo que se ve. . .

Figura: Raton (Foto: www.germes-online.com)


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Lo que se ve. . .

Figura: Monitor tradicional (Foto: www.zimmers.net)


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Abriendo la tapa. . .

Placa madre (motherboard), con

procesador,memoria,buses de interconexion,

bus del sistema, EISA (Extended Industry StandardArchitecture).bus IDE (Integrated Drive Electronics) para discos,bus de expansion de perifericos PCI (Peripheral ComponentInterconnect).otros buses de E/S (SCSI,. . . ).


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Figura: Placa madre (Foto: www.learnthat.com)


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Figura: Disco magnetico (Foto: img.zdnet.com)


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Figura: Memoria RAM (Foto: www.ciscomonkeys.com)


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Figura: Tarjeta de red Ethernet (Foto: cache.gizmodo.com)


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Figura: Procesador Intel Core Duo (Foto: www.linuxhardware.org)


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Un poco de historia

Charles Babbage (Londres, 1791–1871): analytical engine. Laprimera maquina programable, con ideas tomadas de un telarque podıa fabricar distintos tipos de telas mediante el uso deunas tarjetas perforadas (era un telar ((programable))).

Ada Lovelace (Londres, 1815–1852), hija de Lord Byron. Se laconsidera la primera programadora: parece que escribio unprograma para calcular los numeros de Bernoulli1 con elanalytical engine.

1Los numeros de Bernoulli son una sucesion de racionales, conectados convarias ramas de las matematicas. Se definen recursivamente:Pm

j=0

`m+1

j

´Bj = 0, con m > 0 y B0 = 1.


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Estamos en la Segunda Guerra Mundial

Proyecto ENIAC, dirigido por J. Mauchly y J.P. Eckert,durante la Segunda Guerra Mundial.

La maquina tenıa:

18.000 valvulas de vacıo,25 metros de larga, 2,5 metros de alta,20 registros de 10 dıgitos,1.900 sumas por segundo.Era programable mediante cableado y leıa los datos de tarjetasperforadas.


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Proyecto ENIAC

Figura: Vista de la maquina ENIAC (Foto: www.mrsec.wisc.edu)


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Proyecto ENIAC

Figura: Otra vista de la maquina ENIAC (Foto: www.mrsec.wisc.edu)


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Maquina de von Neumann

En 1944, J. von Neumann2 se unio al proyecto ENIAC ypropuso codificar las instrucciones como numeros yalmacenarlos en la memoria de la maquina.

Con la ayuda de Goldstine y Burks, todo este trabajocristalizo en un documento3, que se considera la fundacion delos computadores tal como los entendemos ahora.

Este es el origen de la Arquitectura von Neumann

2John von Neumann, Budapest, 1903 - Washington, 1957.3Burks, A.W., H.H. Goldstine, J. von Neumann, Preliminary discussion of

the logical design of an electronic computing instrument, Report to the U.S.Army Ordnance Department, 1946.


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Arquitectura de Computadores

Capa de abstracción 1

Capa de abstracción 2

Menos d

eta

lle Más d

eta

lle

Capa de abstracción n

...

Figura: Niveles de abstraccion

Abstraccion fundamental:Software de mas bajo nivel

mInterfaz hardware


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Maquina de von Neumann

Unidades funcionales

Unidad de control

Memoria

Pe

rifé

rico

s

Figura: Arquitectura von Neumann


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Desarrollos comerciales

1947: Eckert-Mauchly Corporation. Primera maquina BINAC.No prospera.

1951: E-M, adquirida por Remington-Rand. UNIVAC I. Exito:se venden 48 maquinas a 1 millon de dolares cada una.

1952: IBM 701, primer computador de IBM. Solo sevendieron 19.

1964: System/360: IBM define el concepto de arquitectura decomputadores desarrollando la familia 360.


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Instruction Set Architecture (ISA)

Arquitectura de computadores

La Arquitectura del Repertorio de Instrucciones consiste en todosaquellos elementos necesarios (instrucciones y registros) para queun programador consiga que un programa ejecute unafuncionalidad deseada.

Independencia funcionalidad ↔ implementacion

La ISA permite que un determinado programa (software) puedaejecutarse con identica funcionalidad sobre plataformas muyvariadas en coste, rendimiento y tecnologıas de implementacion.

NB: Debemos este concepto a IBM.


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Desarrollos comerciales

1965: DEC PDP-8 primer miniordenador comercial. Bajocoste, solo 20.000 dolares.

1963: Primer supercomputador: CDC 6000, fruto de SeymourCray.

1976: Cray sigue liderando el desarrollo de los grandes:CRAY-1.

1977: Primer ordenador personal Apple-II.

1981: IBM Personal Computer (Intel y Microsoft).


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Clasificacion de los sistemas

Un criterio puede ser la potencia de procesamiento:

microcomputador personal,microcomputador profesional,estacion de trabajo,minicomputador,computador (conocido tıpicamente como mainframe),supercomputador.


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Influencia de la tecnologıa

Primera etapa:

Valvulas de vacıo.Velocidades muy lentas.

Segunda etapa:

Circuitos integrados para el procesador.Memorias de nucleo de ferrita (mas lentas que el procesador).Instrucciones complejas, para reducir su numero.


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Influencia de la tecnologıa

Tercera etapa

Aumento en la densidad de integracion.Aparicion de memoria cache.La complejidad de instrucciones es un inconveniente.

Cuarta etapa

Mejoras de la velocidad del procesador.Instrucciones sencillas, con un numero total reducido almınimo.Reduccion del tiempo de ciclo-maquina.Ampliacion de cache para contener datos e instrucciones.


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¿A que llamamos rendimiento?

Si soy un usuario que ejecuta un programa sobre dosmaquinas distintas, prefiero la que termine antes.

Para mı el rendimiento es velocidad de respuesta.

Si soy el responsable de un centro de calculo con dosmaquinas que ejecutan trabajos para usuarios, prefiero la queejecute mas trabajos al dıa.

Para mı el rendimiento es productividad.

Como usuarios, estaremos interesados sobre todo en lavelocidad de respuesta.


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