1. estructura y funcionamiento del computador...
TRANSCRIPT
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
Rev: 1.13
Aproximacion a la arquitectura de computadoresLa maquina programada von Neumann
Evolucion historica
Contenidos
1 Aproximacion a la arquitectura de computadores
2 La maquina programada von Neumann
3 Evolucion historica
Raul Duran Dıaz 1. Estructura y funcionamiento del computador 2 / 31
Rev: 1.13
Aproximacion a la arquitectura de computadoresLa maquina programada von Neumann
Evolucion historica
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!
Raul Duran Dıaz 1. Estructura y funcionamiento del computador 3 / 31
Rev: 1.13
Aproximacion a la arquitectura de computadoresLa maquina programada von Neumann
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.
Raul Duran Dıaz 1. Estructura y funcionamiento del computador 4 / 31
Rev: 1.13
Aproximacion a la arquitectura de computadoresLa maquina programada von Neumann
Evolucion historica
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.
Raul Duran Dıaz 1. Estructura y funcionamiento del computador 5 / 31
Rev: 1.13
Aproximacion a la arquitectura de computadoresLa maquina programada von Neumann
Evolucion historica
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.
Raul Duran Dıaz 1. Estructura y funcionamiento del computador 6 / 31
Rev: 1.13
Aproximacion a la arquitectura de computadoresLa maquina programada von Neumann
Evolucion historica
¿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.
Raul Duran Dıaz 1. Estructura y funcionamiento del computador 7 / 31
Rev: 1.13
Aproximacion a la arquitectura de computadoresLa maquina programada von Neumann
Evolucion historica
Antes de abrir la tapa. . .
Dispositivos de entrada/salida (E/S):
teclado,raton,pantalla.
Raul Duran Dıaz 1. Estructura y funcionamiento del computador 8 / 31
Rev: 1.13
Aproximacion a la arquitectura de computadoresLa maquina programada von Neumann
Evolucion historica
Lo que se ve. . .
Figura: Teclado (Foto: www.codinghorror.com)
Raul Duran Dıaz 1. Estructura y funcionamiento del computador 9 / 31
Rev: 1.13
Aproximacion a la arquitectura de computadoresLa maquina programada von Neumann
Evolucion historica
Lo que se ve. . .
Figura: Raton (Foto: www.germes-online.com)
Raul Duran Dıaz 1. Estructura y funcionamiento del computador 10 / 31
Rev: 1.13
Aproximacion a la arquitectura de computadoresLa maquina programada von Neumann
Evolucion historica
Lo que se ve. . .
Figura: Monitor tradicional (Foto: www.zimmers.net)
Raul Duran Dıaz 1. Estructura y funcionamiento del computador 11 / 31
Rev: 1.13
Aproximacion a la arquitectura de computadoresLa maquina programada von Neumann
Evolucion historica
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,. . . ).
Raul Duran Dıaz 1. Estructura y funcionamiento del computador 12 / 31
Rev: 1.13
Aproximacion a la arquitectura de computadoresLa maquina programada von Neumann
Evolucion historica
Abriendo la tapa. . .
Figura: Placa madre (Foto: www.learnthat.com)
Raul Duran Dıaz 1. Estructura y funcionamiento del computador 13 / 31
Rev: 1.13
Aproximacion a la arquitectura de computadoresLa maquina programada von Neumann
Evolucion historica
Abriendo la tapa. . .
Figura: Disco magnetico (Foto: img.zdnet.com)
Raul Duran Dıaz 1. Estructura y funcionamiento del computador 14 / 31
Rev: 1.13
Aproximacion a la arquitectura de computadoresLa maquina programada von Neumann
Evolucion historica
Abriendo la tapa. . .
Figura: Memoria RAM (Foto: www.ciscomonkeys.com)
Raul Duran Dıaz 1. Estructura y funcionamiento del computador 15 / 31
Rev: 1.13
Aproximacion a la arquitectura de computadoresLa maquina programada von Neumann
Evolucion historica
Abriendo la tapa. . .
Figura: Tarjeta de red Ethernet (Foto: cache.gizmodo.com)
Raul Duran Dıaz 1. Estructura y funcionamiento del computador 16 / 31
Rev: 1.13
Aproximacion a la arquitectura de computadoresLa maquina programada von Neumann
Evolucion historica
Abriendo la tapa. . .
Figura: Procesador Intel Core Duo (Foto: www.linuxhardware.org)
Raul Duran Dıaz 1. Estructura y funcionamiento del computador 17 / 31
Rev: 1.13
Aproximacion a la arquitectura de computadoresLa maquina programada von Neumann
Evolucion historica
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.
Raul Duran Dıaz 1. Estructura y funcionamiento del computador 18 / 31
Rev: 1.13
Aproximacion a la arquitectura de computadoresLa maquina programada von Neumann
Evolucion historica
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.
Raul Duran Dıaz 1. Estructura y funcionamiento del computador 19 / 31
Rev: 1.13
Aproximacion a la arquitectura de computadoresLa maquina programada von Neumann
Evolucion historica
Proyecto ENIAC
Figura: Vista de la maquina ENIAC (Foto: www.mrsec.wisc.edu)
Raul Duran Dıaz 1. Estructura y funcionamiento del computador 20 / 31
Rev: 1.13
Aproximacion a la arquitectura de computadoresLa maquina programada von Neumann
Evolucion historica
Proyecto ENIAC
Figura: Otra vista de la maquina ENIAC (Foto: www.mrsec.wisc.edu)
Raul Duran Dıaz 1. Estructura y funcionamiento del computador 21 / 31
Rev: 1.13
Aproximacion a la arquitectura de computadoresLa maquina programada von Neumann
Evolucion historica
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.
Raul Duran Dıaz 1. Estructura y funcionamiento del computador 22 / 31
Rev: 1.13
Aproximacion a la arquitectura de computadoresLa maquina programada von Neumann
Evolucion historica
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
Raul Duran Dıaz 1. Estructura y funcionamiento del computador 23 / 31
Rev: 1.13
Aproximacion a la arquitectura de computadoresLa maquina programada von Neumann
Evolucion historica
Maquina de von Neumann
Unidades funcionales
Unidad de control
Memoria
Pe
rifé
rico
s
Figura: Arquitectura von Neumann
Raul Duran Dıaz 1. Estructura y funcionamiento del computador 24 / 31
Rev: 1.13
Aproximacion a la arquitectura de computadoresLa maquina programada von Neumann
Evolucion historica
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.
Raul Duran Dıaz 1. Estructura y funcionamiento del computador 25 / 31
Rev: 1.13
Aproximacion a la arquitectura de computadoresLa maquina programada von Neumann
Evolucion historica
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.
Raul Duran Dıaz 1. Estructura y funcionamiento del computador 26 / 31
Rev: 1.13
Aproximacion a la arquitectura de computadoresLa maquina programada von Neumann
Evolucion historica
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).
Raul Duran Dıaz 1. Estructura y funcionamiento del computador 27 / 31
Rev: 1.13
Aproximacion a la arquitectura de computadoresLa maquina programada von Neumann
Evolucion historica
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.
Raul Duran Dıaz 1. Estructura y funcionamiento del computador 28 / 31
Rev: 1.13
Aproximacion a la arquitectura de computadoresLa maquina programada von Neumann
Evolucion historica
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.
Raul Duran Dıaz 1. Estructura y funcionamiento del computador 29 / 31
Rev: 1.13
Aproximacion a la arquitectura de computadoresLa maquina programada von Neumann
Evolucion historica
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.
Raul Duran Dıaz 1. Estructura y funcionamiento del computador 30 / 31
Rev: 1.13
Aproximacion a la arquitectura de computadoresLa maquina programada von Neumann
Evolucion historica
¿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.
Raul Duran Dıaz 1. Estructura y funcionamiento del computador 31 / 31