Arquitectura de computadores - Resumen para Examen Final [Docente Duran] 2015 PDF

Preview

Summary

HISTORIA DE LOS COMPUTADORES cero Computadoras (1642 1945) de Pascal, Leibniz, Babbage, Atanasof, Mark1. Relay. La primera persona que una calculadora funcional fue Pascal en 1642. El dispositivo fue para ayudar a su padre, un cobrador de impuestos La calculadora era totalmente con engranajes y se i...

Description

HISTORIA DE LOS COMPUTADORES Generación cero – Computadoras mecánicas (1642 – 1945) Máquina de Pascal, Leibniz, Babbage, Atanasof, Mark1.

Relay. La primera persona que construyó una máquina calculadora funcional fue Pascal en 1642. El dispositivo fue diseñado para ayudar a su padre, un cobrador de impuestos francés. La calculadora era totalmente mecánica, con engranajes y se impulsaba una manivela operada a mano. Esta máquina solo podía sumar y restar (números enteros decimales). 30 años después el alemán Leibniz construyó otra máquina mecánica que también podía multiplicar y dividir. Luego de 150 años un matemático Charles Babbage diseñó y construyó su máquina de diferencias, la cual fue diseñada para calcular tablas de número sutiles para la navegación marítima. La característica más importante de esta máquina era su método de salida: perforaba sus resultados en una placa de cobre para grabados con un troquel de acero. Luego diseña y construye la máquina analítica, que tenía cuatro componentes: el almacén (memoria), el molino (unidad de cómputo), la sección de entrada (lector de tarjetas perforadas) y la sección de salida (salidas perforadas e impresas). El almacén servía para almacenar variables y resultados. El molino podía aceptar operandos del almacén y luego sumarlos, restarlos, multiplicarlos o dividirlos. El gran avance era que leía instrucciones de tarjetas perforadas y las ejecutaba. La máquina analítica era programable. La primera programadora fue Ada Lovelace (lenguaje ensamblador). El siguiente avance ocurrió a fines de la década de 1930 cuando el alemán Zuse construye una seria de máquinas calculadoras automáticas empleando relevadores electromagnéticos. Howard Aiken reconoce la importancia de poder efectuar cálculos con una máquina y construye el Mark I en 1944 (la máquina de propósito general que Babbage no había podido construir). La primera generación – Bulbos (1945 – 1955) Máquinas electrónicas. Cambios y avances de los componentes electrónicos. Potencia, tamaño que ocupan y capacidad de procesamiento/cálculo. Válvulas de vacío.

Válvula Termoiónica: emite electrones cuando se aumenta la temperatura de uno de los electrodos. El estímulo para la computadora electrónica fue la Segunda Guerra Mundial. Durante la guerra los alemanes enviaban ordenes por radio, estos mensajes se decodificaban mediante un aparato llamado ENIGMA, para el cual se requería un número muy grande de cálculos para decodificar el mismo. El gobierno británico construye una computadora electrónica llamada COLOSSUS (primera computadora electrónica digital). En 1943 John Mauchley, junto a Presper Eckert, construyó una computadora electrónica llamada ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer). La ENIAC consistía en 18.000 bulbos y 1500 relevadores, pesaba 30 toneladas y consumía 140 KW. La máquina quedó terminada en 1946 cuando la guerra ya había terminado pero comenzaron a dictar cursos de verano para describir el trabajo realizado. Esto despierta un gran interés por los investigadores quienes comienzan a construir computadoras electrónicas. Eckert y Mauchley comenzaron a trabajar en un sucesor, EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer). John Von Neumann, que había trabajado en el proyecto ENIAC, empieza a construir su propia versión de EDVAC, la máquina IAS. Él se da cuenta de que el programa podía representarse en forma digital en la memoria de la computadora, junto con los datos. Se usó en EDSAC, la primera computadora de programa almacenado, en 1949. La máquina de Von Neumann tenía cinco partes básicas: Memoria: 4096 palabras, cada una con 40 bits (0 o 1). Cada palabra contenía dos instrucciones de 20 bits o un entero con signo de 40 bits. 8 bits de cada instrucción estaban dedicados a indicar el tipo de instrucción y 12 bits se dedicaban a especificar una de las 4096 palabras de memoria. Unidad Aritmética Lógica: se ubicaba un registro interno de 40 bits llamado “acumulador”. Una instrucción típica sumaba una palabra de la memoria al acumulador o almacenaba el contenido del acumulador en la memoria. Unidad de control. Equipo de entrada. Equipo de salida. En 1953 IBM construye una máquina, la 701 (2048 palabras de 36 bits) y, posteriormente, la 704 (4K de memoria de núcleos, instrucciones de 36 bits y punto flotante). La segunda generación – Transistores (1955-1965) Transistor Bipolar: construcción en base a un material de estado sólido (materiales, minerales) "piedritas" que pegadas entre si forman un bloque en conjunto. Materiales semiconductores Disminuye el tamaño y baja el consumo. No necesitaba que le dieran calor, que era lo que hacía que consumiera mucha energía.

El transistor fue inventado en los Bell Labs en 1948. En un plazo de 10 años el transistor revolucionó las computadoras, y para fines de la década de los cincuenta las computadoras de bulbos eran obsoletas. La primera computadora transistorizada se llamó TX-0. En 1961, de la mano de Digital Equipment Corporation (DEC), aparece la PDP-1, que tenía 4K de palabras de 18 bits y un tiempo de ciclo de 5 microsegundos. 1

Unos cuantos años después DEC introdujo la PDP-8 que era una máquina de 12 bits pero mucho más económica que la PDP1. La PDP-8 tenía una gran innovación: un bus único. El bus es un conjunto de alambres en paralelo que sirve para conectar los componentes de una computadora. IBM construye una versión transistorizada de la 709, la 7090 y después la 7094. Era más rápida que la PDP-1 pero mucho más costosa. Por lo tanto, comienzan a vender una maquina más económica orientada hacia los negocios: la 1401 que podía leer y grabar cintas magnéticas, leer y perforar tarjetas e imprimir salidas casi tan rápidamente como la 7094. En 1964, Seymour Cray, de Control Data Corporation (CDC), introdujo la 6600 que tenía una gran velocidad. En su interior tenía varias computadoras pequeñas que permitían a la CPU dedicar su tiempo a procesar números. Se construyeron otras computadoras pero una sobresale del resto, la Burroughs B5000. Los diseñadores de ésta, adoptaron una estrategia diferente y construyeron una maquina con la intención de programarla en Algol 60, e incluyeron en el hardware muchas funciones que facilitaban la tarea del compilador. La tercera generación – Circuitos Integrados (1965 – 1980)

La invención del circuito integrado de silicio por Robert Noyce en 1958 hizo posible colocar docenas de transistores en un solo chip. Este empaquetamiento permitió construir computadoras más pequeñas, más rápidas y menos costosas. IBM dio un paso radical: introdujo una sola línea de productos, la System/360, diseñada tanto para computación científica como para comercial. Contenía muchas innovaciones, siendo la más importante que era una familia de cerca de media docena de máquinas con el mismo lenguaje ensamblador y con tamaño y potencias crecientes. Otra innovación de la 360 fue la multiprogramación: tener varios programas en la memoria a la vez de modo que mientras uno estaba esperando el término de una operación de E/S otro podía realizar cálculos. La 360 también fue la primera máquina que podía emular otras computadoras. La emulación era fácil en la 360 porque todos los modelos iniciales y casi todos los posteriores eran microprogramados. El mundo de las minicomputadoras también dio un gran paso en la tercera generación cuando DEC introdujo la serie PDP-11 que era como el hermano menor de la 360. Ésta tuvo un éxito enorme sobre todo en las universidades y mantuvo la ventaja de DEC sobre las otras compañías. CEO de Intel: MOORE. A finales de la Generación 3 y comienzos de la 4. Ley de Moore: circuitos integrados de memoria RAM. Curva desde 1972, comienza a determinar la cantidad de componentes que se pueden integrar los computadores. La cuarta generación – Integración a muy grande escala (1980 – ?)

Para los años ochenta la VLSI (Very Large Scale Integration), había hecho posible colocar miles, centenares de miles y luego millones de transistores en un solo chip. Esto dio pie a computadoras más pequeñas y más rápidas. En 1980 se había iniciado la era de la computadora personal. Las computadoras personales se usaban de forma muy diferente a las computadoras grandes; se utilizaban para procesamiento de textos, hojas de cálculos y demás. Una de las primeras computadoras personales fue la Intel 8080. Otra de las computadoras personales fue la Apple y posteriormente la Apple II (Jobs y Wozniak). Esta máquina se popularizó mucho entre los usuarios caseros y en las escuelas y la convirtió en protagonista. Estridge eligió el Intel 8088 como su CPU y construyó la IBM Personal Computer a partir de componentes comerciales. La maquina se introdujo en 1981 y se convirtió en la más vendida de la historia. IBM publica los planos completos de su PC a fin de aumentar su flexibilidad y popularidad. Por desgracia para IBM muchas compañías comenzaron a fabricar clones de la PC a un costo menor que la de IBM. La versión inicial de la IBM PC venia con MS-DOS provisto por Microsoft. Luego surge el OS/2 con una interfaz grafica con el usuario similar a la de la Apple Macintosh. Para mediados de los ochenta la idea de RISC comenzó a dominar reemplazando arquitecturas complejas (CISC) por mucho más sencillas y más rápidas. Las posibles divisiones se basan en los incrementos de niveles de integración y los avances en las capacidades de cálculos.

2

AÑO

NOMBRE

HECHA POR

1834

Máquina Analítica

Babbage

OBSERVACIONES 1º intento de construir una computadora digital

1836

Z1

Zuse

1º máquina calculadora a base de relevadores

1934 1944

COLOSSUS MARK I

Gobierno Británico Aiken

1º computadora electrónica 1º computadora americana de propósito general

1946

ENIAC I

Eckert Mauchley

La historia de la computación moderna se inicia aquí

1949

EDSAC

Wilkes

1º computadora con programa almacenado

1951

Whilwind I

MIT

1º computadora de tiempo real

1951

UNIVAC I

Eckert Mauchley

1º computadora vendida comercialmente

1952

IAS

Von Neumann

La mayoría de las computadoras actuales usan este diseño

1960

PDP-1

DEC

1º minicomputadora (50)

1961 1961

1401 7094

IBM IBM

Máquina pequeña de orientación comercial de gran popularidad Dominó la computación científica a principios de los años 60

1963

B5000

Burroughs

1º máquina diseñada para un lenguaje de alto nivel

1964

360

IBM

1º línea de productos diseñada como familia

1964

6600

CDC

1º máquina con paralelismo interno extensivo

1965

PDP-8

DEC

1º computadora para el mercado de masas (50000)

1970

PDP-11

DEC

Dominación de las minis en los años 70

1974

8080

Intel

Primer CPU de propósito general integrado

1974

CRAY-1

Cray

Primera supercomputadora

1978

VAX

DEC

1º Supermini de 32 bits

1981 1985

IBM PC MIPS

IBM MIPS

Inició la era de la computadora personal moderna 1º máquina RISC comercial

1987 1990

SPARC RSC6000

Sun IBM

1º estación de trabajo RISC basada en SPARC 1º máquina superescalar

Niveles de Integración: ZSI (Zero Scale Integration) componentes discretos. (1990) GSI (Giga Scale Integration) Hasta 1011 componentes. Ley de Moore La fuerza impulsora primordial es la capacidad de los fabricantes de chips para empacar cada vez más transistores en un chip. Un mayor número de transistores, que son diminutos interruptores electrónicos, implica memorias más grandes y procesadores más potentes. La rapidez del progreso tecnológico puede modelarse de acuerdo a una observación llamada Ley de Moore en 1965, director de INTEL. Moore se dio cuenta de que cada nueva generación de chips de memoria se estaba introduciendo tres años después de la anterior. Puesto que cada nueva generación tenía cuatro veces más memoria que su predecesora. Moore se percató de que el número de transistores en un chip estaba aumentando de forma constante y predijo que este crecimiento continuaría durante varias décadas. Se trata de una observación empírica acerca de la rapidez con que los físicos de estado sólido y los ingenieros de proceso están empujando hacia adelante las fronteras tecnológicas, y una predicción de que seguirán haciéndolo al mismo ritmo en el futuro. Evolución de la Familia INTEL En 1968 Noyce, Moore y Rock formaron INTEL CORPORATION para fabricar chips de memoria. Poner un una CPU de 4 bits de propósito general en un solo chip, y que esto efectuaría el mismo trabajo y sería además más simple y económico. Fue así como en 1970 nació la primera CPU en un solo chip, la 4004 de 4 bits. Data 0 a Data 3. Posteriormente, INTEL desarrolló una versión de CPU con 8 bits en un solo chip, la 8008, introducida en 1972 En 1974, presentó un nuevo chip de CPU que superara la limitación de 16K de memoria de la 8008, dando como resultado el 8080, una CPU pequeña, de propósito general. En 1978 llegó el 8086, una verdadera CPU de 16 bits en un solo chip. Luego le siguió la 8088, que tenía la misma arquitectura que el 8086 y ejecutaba los mismos programas, pero tenía un bus de 8 bits en lugar de uno de 16 bits, lo que la hacía más lento pero más económica que la 8086. Para principios de los 80, INTEL diseñó el 80286, una versión de la 8086 compatible hacia arriba. El siguiente paso lógico era una verdadera CPU de 32 bits en un chip, el 80386, que saló al mercado en 1985. Cuatro años más tarde salió el 80486, que era básicamente una versión más rápida del 80386 y además tenía una unidad de punto flotante y 8K de memoria caché en el chip. La memoria caché sirve para retener las palabras de memoria más comúnmente usadas dentro o cerca de la CPU, para evitar los (lentos) accesos a la memoria principal. Por problemas de marca, la nueva generación recibió el nombre “Pentium”, que tenía dos filas de procesamiento, y esto lo ayudaba a ser dos veces más rápido. El Pentium Pro tenía una organización interna muy distinta y podía ejecutar hasta 5 instrucciones a la vez. Otra innovación fue tener una memoria caché de dos niveles. 3

El siguiente procesador de INTEL fue el Pentium II, que era básicamente un Pentium Pro con la adición de extensiones multimedia especiales (llamadas MMX). Estas instrucciones estaban diseñadas para acelerar los cálculos requeridos para procesar audio y video.

4

MÁQUINAS CON MONOPROCESADORES Y MULTIPROCESADORES Un monoprocesador, es un procesador que solo puede ejecutar un proceso a la vez, esto quiere decir que si se requiere que se ejecuten varias tareas al mismo tiempo, no va a ser posible que se realicen con satisfacción. Lo que pueden hacer los monoprocesadores es alternar las tareas, y es por eso que los procesadores con grandes capacidades de velocidad, dan una simulación de multiprocesadores, ya que parece que se están ejecutando varios procesos al mismo tiempo, pero esto no es cierto. Se denomina multiprocesador a un computador que cuenta con dos o más microprocesadores (CPUs). Gracias a esto, el multiprocesador puede ejecutar simultáneamente varios hilos pertenecientes a un mismo proceso o bien a procesos diferentes. Los ordenadores multiprocesador presentan problemas de diseño que no se encuentran en ordenadores monoprocesador. Estos problemas derivan del hecho de que dos programas pueden ejecutarse simultáneamente y, potencialmente, pueden interferirse entre sí. Concretamente, en lo que se refiere a las lecturas y escrituras en memoria. Hay varios posibles esquemas de implementación. El más sencillo consiste en tener un solo bus con varias CPU, y una memoria conectadas a él. Otro diseño proporciona a cada procesador un poco de memoria local propia, inaccesible para los demás. El acceso a esta memoria privada no usa el bus principal, lo que reduce considerablemente el tráfico en el bus principal. Hay otros posibles esquemas (por ejemplo, uso de cachés). Para que un multiprocesador opere correctamente necesita un sistema operativo especialmente diseñado para ello. La mayoría de los sistemas operativos actuales poseen esta capacidad. MICROPROCESADOR El microprocesador (o simplemente procesador) es el circuito integrado central programable en bajo nivel que cumple la función de CPU. Se le suele llamar por analogía el «cerebro» de un computador. Es el encargado de ejecutar los programas, desde el sistema operativo hasta las aplicaciones de usuario; sólo ejecuta instrucciones programadas en lenguaje de bajo nivel, realizando operaciones aritméticas y lógicas simples, tales como sumar, restar, multiplicar, dividir, las lógicas binarias y accesos a memoria. La función de la CPU (Central Processing Unit) es ejecutar programas almacenados en la memoria principal buscando sus instrucciones y examinándolas para después ejecutarlas una tras otra. Los componentes están conectados por un bus, que es una colección de alambres paralelos para transmitir direcciones, datos y señales de control. Los buses pueden ser externos a la CPU, cuando la conectan a la memoria y a los dispositivos de E/S, pero también internos. La CPU se compone de varias partes. La unidad de control se encarga de buscar instrucciones de la memoria principal y determinar su tipo. La ALU (Unidad Aritmético Lógica) realiza operaciones como suma y AND booleano necesarias para ejecutar las instrucciones. La CPU también contiene una memoria pequeña y de alta velocidad que sirve para almacenar resultados temporales y cierta información de control. Esta memoria se compone de varios registros, cada uno de los cuales tiene cierto tamaño y función. Por lo regular, todos los registros tienen el mismo tamaño. El registro más importante es el contador de programa (Program Counter), que apunta a la siguiente instrucción que debe buscarse para ejecutarse. Otro registro importante es el registro de instrucciones (Instruction Register), que contiene la instrucción que se está ejecutando. El microprocesador está conectado generalmente mediante un zócalo específico de la placa base de la computadora; normalmente para su correcto y estable funcionamiento, se le incorpora un sistema de refrigeración que consta de un disipador de calor fabricado en algún material de alta conductividad térmica, como cobre o aluminio, y de uno o más ventiladores que eliminan el exceso del calor absorbido por el disipador. Entre el disipador y la cápsula del microprocesador usualmente se coloca pasta térmica para mejorar la conductividad del calor. Organización de la CPU Los registros alimentan dos registros de entrada de la ALU, A y B. Estos registros contienen las entradas de la ALU mientras ésta está calculando. El camino de datos es muy importante en todas las máquinas. La ALU suma, resta y realiza otras operaciones simples con sus entradas y produce un resultado en el registro de salida. El contenido de este se manda a un registro y luego se escribe en la memoria si se desea. Casi todas las instrucciones pueden dividirse en una de dos categorías: Registro-Memoria: permiten a los registros buscar palabras de la memoria. También permiten almacenar el contenido de un registro en la memoria. Registro-Registro: buscan dos operandos de los registros, los coloca en los registros de entrada de la ALU, realiza operaciones con ellos y coloca el resultado en uno de los registros (ciclo del camino de datos). Ejecución de instrucciones La CPU ejecuta cada instrucción en una serie de pasos pequeños, conocido como ciclo de búsqueda-decodificaciónejecución. A grandes rasgos, los pasos son los siguientes: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Buscar...