Arquitectura de Computadores Introducción
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Contenido Ideas Preliminares Arquitectura y Organización Tendencias Tecnológicas Reseña Histórica Arquitectura de Computadores Introducción Prof. Rodrigo Araya E. raraya@inf.utfsm.cl Universidad Técnica Federico Santa Marı́a Departamento de Informática Valparaı́so, 1er Semestre 2006 RAE Arquitectura de Computadores Introducción Contenido Ideas Preliminares Arquitectura y Organización Tendencias Tecnológicas Reseña Histórica 1 Ideas Preliminares 2 Arquitectura y Organización 3 Tendencias Tecnológicas 4 Reseña Histórica RAE Arquitectura de Computadores Introducción Contenido Ideas Preliminares Arquitectura y Organización Tendencias Tecnológicas Reseña Histórica Ideas Preliminares La Arquitecturas de Computadores es parte de los Sistema Digitales y constituye el fundamento de los llamados Sistemas de Computación. Los computadores constituyen sin duda el área de mayor dinamismo e innovación con un crecimiento espectacular desde su introducción alrededor del año 1940. Los computadores han cambiado la sociedad y lo seguirán haciendo. RAE Arquitectura de Computadores Introducción Contenido Ideas Preliminares Arquitectura y Organización Tendencias Tecnológicas Reseña Histórica Ideas Preliminares ¿Por qué estudiar Arquitecturas? Conocer la arquitectura de un sistema permite construir SW de mayor desempeño. Ubicuidad de los procesadores: electrodomésticos, PDA, celulares etc... Desarrollo de sistemas embebidos. Desarrollo de procesadores propios. RAE Arquitectura de Computadores Introducción Contenido Ideas Preliminares Arquitectura y Organización Tendencias Tecnológicas Reseña Histórica Evolución Tecnológica Los Procesadores han aumentado su velocidad a tasas increı́bles, debido principalmente a la disminución del tamaño de sus componentes. Aumento del tamaño y velocidad de las memorias; y la velocidad de del sistema E/S. El desempeño relativo por unidad de costo tiene un crecimiento explosivo. RAE Arquitectura de Computadores Introducción Contenido Ideas Preliminares Arquitectura y Organización Tendencias Tecnológicas Reseña Histórica Evolución Tecnológica Año 1971 1978 1982 1985 1989 1993 1995 1997 1999 Chip 4004 8086 80286 386 486 Pentium Pentium Pro Pentium II Pentium III No transistores 2,3x103 29x103 134x103 275x103 1,2x106 3,1x106 5,5x106 7,5x106 9,5x106 RAE Tecnologı́a 10µ 3µ 1,5µ 1,5µ 1µ 0,8µ 0,6µ 0,35µ 0,18µ Arquitectura de Computadores Introducción Contenido Ideas Preliminares Arquitectura y Organización Tendencias Tecnológicas Reseña Histórica Evolución Tecnológica Ley de Moore: “El desarrollo de las tecnologı́as de fabricación permite que el número de transistores integrados en los microprocesadores se duplique cada 18 meses.” RAE Arquitectura de Computadores Introducción Contenido Ideas Preliminares Arquitectura y Organización Tendencias Tecnológicas Reseña Histórica Arquitectura La arquitectura esta determinada por los atributos de un sistema que son visibles para un programador. Por ejemplo... Conjunto de instrucciones. No de Bits utilizados. Mecanismos E/S. Direccionamiento de memoria. etc.. RAE Arquitectura de Computadores Introducción Contenido Ideas Preliminares Arquitectura y Organización Tendencias Tecnológicas Reseña Histórica Organización La organización tiene referencia a las unidades funcionales y sus interconexiones. No tiene un impacto para un programador, por lo que cambios en ella son transparentes al momento de la implementación. Sin embargo es necesario tenerla en cuenta. Por ejemplo... Detalles de HW internos. Señales de control Tecnologı́a de memoria utilizada. RAE Arquitectura de Computadores Introducción Contenido Ideas Preliminares Arquitectura y Organización Tendencias Tecnológicas Reseña Histórica Arquitectura y Organización Aspectos que intervienen en la arquitectura de un sistema: Tecnologı́a. Aplicaciones. Sistemas Operativos. Lenguajes de Programación RAE Arquitectura de Computadores Introducción Contenido Ideas Preliminares Arquitectura y Organización Tendencias Tecnológicas Reseña Histórica Procesadores Procesadores Los procesadores sufren un incremento anual de su frecuencia cercano al 20 %. La capacidad lógica de los procesadores tiene un incremento de un 30 % anual. RAE Arquitectura de Computadores Introducción Contenido Ideas Preliminares Arquitectura y Organización Tendencias Tecnológicas Reseña Histórica Memoria Ram Memoria Las memorias de acceso aleatorio (RAM) han ido aumentando en capacidad, llegando a un 60 % por año. No asi su velocidad de acceso la que solo alcanza un crecimiento de un 10 % anual. “640 Kb deberán ser suficientes para cualquiera” RAE Arquitectura de Computadores Introducción Contenido Ideas Preliminares Arquitectura y Organización Tendencias Tecnológicas Reseña Histórica Almacenamiento Discos Duros Los discos duros tienen un crecimiento anual cercano al 60 %. La información que se genera en todo el mundo aumenta a un ritmo de un 30 % anual. RAE Arquitectura de Computadores Introducción Contenido Ideas Preliminares Arquitectura y Organización Tendencias Tecnológicas Reseña Histórica Primera Generación David Hilbert, nacido en el conocido pueblo de Königsberg, estableció 23 problemas matemáticos y uno de ellos fue el enstcheidungsproblem. Es decir, ¿hay un método definido que pueda aplicarse a cualquier sentencia matemática y que nos diga si esa sentencia es cierta o no?. En 1936 Alan Turing respondió este problema, en términos de una máquina teórica, capaz de transformar con precisión operaciones elementales previamente definidas en sı́mbolos, en una cinta de papel.Máquina de Turing. RAE Arquitectura de Computadores Introducción Contenido Ideas Preliminares Arquitectura y Organización Tendencias Tecnológicas Reseña Histórica Colossus Como necesidad de la Segunda Guerra Mundial, para descifrar los mensajes alemanes, se construyó la máquina Colossus. Diseñada por Thomas H. Flowers, S. W. Broadbent y W. Chandler de forma ultrasecreta y más tarde con la ayuda de Turing. Se puso en funcionamiento en diciembre de 1943. Algunas de las caracterı́sticas más importantes de Colossus: Empleaba el sistema binario. Llego a tener 2,400 tubos de vidrio al vacı́o. Sus datos de entrada los leı́a de una cinta de papel perforada. Su velocidad de operación era de 5,000 Hertz Medı́a 2.25 metros de alto, 3 metros de largo y 1.20 metros de ancho. RAE Arquitectura de Computadores Introducción Contenido Ideas Preliminares Arquitectura y Organización Tendencias Tecnológicas Reseña Histórica Colossus RAE Arquitectura de Computadores Introducción Contenido Ideas Preliminares Arquitectura y Organización Tendencias Tecnológicas Reseña Histórica Primera Generación En 1940 Konrad Zuse terminó su modelo Z2 (la primera computadora electromecánica completamente funcional del mundo). Un año mas tarde construyo la Z3 que contaba con 2000 relés pesando 1 tonelada. RAE Arquitectura de Computadores Introducción Contenido Ideas Preliminares Arquitectura y Organización Tendencias Tecnológicas Reseña Histórica Primera Generación En la Universidad de Harvard, Howard Aiken en colaboración con IBM, empezó, en 1939, la construcción del computador electromecánico Mark I. Pero para cuando se terminó en 1944, ya habı́an aparecido las primeras computadoras totalmente electrónicas, que eran mucho más rápidas. En 1938 Shannon demostró cómo las operaciones booleanas elementales, se podı́an representar mediante circuitos eléctricos, y cómo la combinación de circuitos podı́a representar operaciones aritméticas y lógicas complejas. Shannon demostró además que mediante el álgebra de Boole se podı́an simplificar circuitos conmutadores. Con esto se estableció el vı́nculo entre la lógica y la electrónica. RAE Arquitectura de Computadores Introducción Contenido Ideas Preliminares Arquitectura y Organización Tendencias Tecnológicas Reseña Histórica MARK I RAE Arquitectura de Computadores Introducción Contenido Ideas Preliminares Arquitectura y Organización Tendencias Tecnológicas Reseña Histórica ENIAC entre 1943 y 1946, Mauchly y J. Presper Eckert, Jr, diseñaron y construyeron, entre los años 1943 y 1946, el computador eléctrico de propósito general ENIAC. John Von Neumann formó parte de las últimas fases de su diseño y construcción, aportando con la idea de la Máquina Von Neumann, que describe una novedosa arquitectura. Esta idea de arquitectura se aplica a todos los computadores que se han construido. RAE Arquitectura de Computadores Introducción Contenido Ideas Preliminares Arquitectura y Organización Tendencias Tecnológicas Reseña Histórica Segunda Generación Los problemas de los computadores de la primera generación radicaban en la escaza velocidad de procesamiento de los relés electromecánicos y la mala disipación de calor de los tubos de vacı́o. En 1947, John Bardeen, Walter Brattain y William Shockley inventan el transistor, recibiendo el Premio Nobel de Fı́sica en 1956. El transistor esta compuesto, generalmente, por silicio y funciona como un interruptor. RAE Arquitectura de Computadores Introducción Contenido Ideas Preliminares Arquitectura y Organización Tendencias Tecnológicas Reseña Histórica Segunda Generación Los computadores construidos con transistores eran más rápidos, más pequeños y producı́an menos calor, dando también oportunidad a que, más tarde, se desarrollaran los microprocesadores. Algunas de las máquinas que se construyeron en esta época fueron: TRADIC (Bell Laboratories). TX-0 (MIT). 704, 709 y 7094 (IBM). También aparece en esta generación el concepto de supercomputador. RAE Arquitectura de Computadores Introducción Contenido Ideas Preliminares Arquitectura y Organización Tendencias Tecnológicas Reseña Histórica Segunda Generación Además del transistor, otros hechos marcaron esta segunda Generación. Test de Turing (Inteligencia Artificial). El compilador (1951, Grace Murray Hooper). El primer compilador para FORTRAN (1957, John Backus). LISP (1958, John MacCarthy). Sin embargo el personaje más importante en el campo de los algoritmos es Edsger Dijkstra. En 1959, aparece el primer circuito integrado (Jack Kilby), compuesto por transistores interconectados, llamado chip. RAE Arquitectura de Computadores Introducción Contenido Ideas Preliminares Arquitectura y Organización Tendencias Tecnológicas Reseña Histórica Tercera generación Se producen máquinas mucho más pequeñas y rápidas. Algunas de las máquinas que se construyeron en esta época fueron: IBM 360/91, IBM 195, SOLOMON, ILLIAC IV. A mediados de los 60 se desarrolla el lenguaje Pascal (Niklaus Wirth). En 1971, Intel introduce el primer microprocesador (4004), que solo costaba 200 dolares. Luego nació el Intel 8008, el que se masificó en el mercado. De aqui nació la integración a gran escala (VLSI) y la integración a muy gran escala VLSI. Pero su costo era muy alto. RAE Arquitectura de Computadores Introducción Contenido Ideas Preliminares Arquitectura y Organización Tendencias Tecnológicas Reseña Histórica Cuarta generación En 1975 apareció el Altair 8800 (MITS) fue el primer microcomputador del mundo de bajo costo. William Gates y Paul Allen, ofrecieron al dueño de MITS, un software en BASIC que podı́a correr en el Altair. Luego crearon Microsoft. En 1976 Steven Wozniak y Steven Job crearon la Apple I. En 1977, lanzaron la Apple II, el primer computador con gráficos a color y carcasa de plástico. En 1981, IBM estrena la IBM Personal Computer con procesador Intel y sistema operativo de Microsoft. Con esto, los computadores comenzaron a penetrar en los hogares. En 1984, Apple lanza el Macintosh, con interfaz gráfica y un mouse. RAE Arquitectura de Computadores Introducción Contenido Ideas Preliminares Arquitectura y Organización Tendencias Tecnológicas Reseña Histórica Fin... RAE Arquitectura de Computadores Introducción
