Tema1 Intro A Las Computadores
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  • 1. Universidad Rey Juan Carlos ESTRUCTURA Y TECNOLOGÍA DE COMPUTADORES Sofía Bayona D. 0054. Edif. Ampliación de rectorado Tutorías X y J de 11 a 14 sofia.bayona@urjc.es Importante: Confirmar previamente por email la asistencia a las tutorías Poner en el asunto de los emails: [ETC] <resumen del mensaje>
  • 2. Universidad Rey Juan Carlos ESTRUCTURA Y TECNOLOGÍA DE COMPUTADORES Tema 1:Introducción a la Estructura y Tecnología de Computadores
  • 3. Introducción a la Estructura y Tecnología de Computadores Programa Bibliografía 1. Introducción. 2. Unidades funcionales de los computadores digitales. 3. Niveles de estudio de los computadores. 4. La Arquitectura y Tecnología de Computadores en el marco de la Informática. 5. Terminología y conceptos básicos. 6. Evolución histórica de los computadores. 3
  • 4. Introducción a la Estructura y Tecnología de Computadores Bibliografía específica Especifica J.M. ANGULO, J.GARCÍA. Sistemas Digitales y Tecnología de Computadores. Paraninfo, 2002. (Cap. 1 al 2) C. CERRADA, V. FELIU. Estructura y Tecnología de Computadores I. U.N.E.D., 1993. (Cap. 1 al 2) C. de MORA, M. CASTRO et al. Estructura y Tecnología de Computadores I. U.N.E.D., (Cap. 1 al 2) T. L. FLOYD. Fundamentos de Sistemas Digitales. Prentice Hall. (Cap. 1) General P. DE MIGUEL. Fundamentos de los Computadores. 7ª edición. Paraninfo, 1999. W. STALLINGS. Organización y Arquitectura de Computadores. 5ª edición, Prentice Hall, 2000. D.A. PATTERSON, J.L. HENNESSY. Estructura y Diseño de Computadores. Reverté, 2000. S. ACHA, M. A. CASTRO et al. Electronica Digital, Introduccion a la Logica Digital. Ra-Ma 4
  • 5. Introducción a la Estructura y Tecnología de Computadores 1. Introducción Un computador es una máquina flexible capaz de procesar información. Procesar información = manipular la información y realizar cálculos para resolver un problema determinado. Flexible = programable, adaptable para resolver diferentes problemas. Esta definición no hace referencia a la tecnología utilizada en su construcción. Los computadores actuales se construyen utilizando tecnología electrónica. 5
  • 6. Introducción a la Estructura y Tecnología de Computadores Introducción La información viene dada por los valores que toman un conjunto de magnitudes significativas. Las magnitudes pueden ser de dos tipos: analógicas y digitales. Magnitudes analógicas: toman valores en un rango continuo. Ejemplos: temperatura, voltaje, corriente eléctrica, tiempo, luminosidad, etc. Se corresponden matemáticamente con el concepto de números reales. Magnitudes digitales: su rango de posibles valores es discreto. Ejemplos: número de personas en una habitación, número de libros en una biblioteca, etc. Se corresponden matemáticamente con el concepto de números enteros. Digital Analógico Z X 6
  • 7. Introducción a la Estructura y Tecnología de Computadores Introducción Las señales son vehículos para transmitir información que cambia. Relacionan dos variables (y-x,voltaje-tiempo), con una variable independiente (x, tiempo) y otra variable dependiente (y, voltaje): y(x), V(t). Las más importantes son las señales dependientes del tiempo. Las señales pueden ser de dos tipos: continuas y discretas. Señales continuas: pueden cambiar en cualquier instante. Señales discretas: sólo pueden cambiar en instantes concretos. Es posible transformar señales continuas en discretas y viceversa (conversión A/D y D/A). Existen dos tipos de computadores: Analógicos: procesan información analógica (Amplificador operacional). Digitales: procesan información digital. 7
  • 8. Introducción a la Estructura y Tecnología de Computadores Introducción En esta asignatura estudiaremos los computadores digitales. Manejan información binaria (0 = FALSO, 1 = VERDADERO). La magnitud utilizada para transmitir señales es el voltaje. VH, H: voltaje alto; VL, L: voltaje bajo. Existen distintos tipos de lógica Lógica positiva: VH = 1 y VL = 0 Lógica negativa: VH = 0 y VL = 1 Voltajes típicos TTL CMOS VHmax 5V 5V VHmin 2V 3,5 V Zona de incertidumbre VLmax 0,8 V 1V VLmin 0V 0V 8
  • 9. Introducción a la Estructura y Tecnología de Computadores Introducción Forma de onda de una señal: muestra su evolución a lo largo del tiempo. •Las formas de onda digitales se suelen representar en forma ideal, con transiciones instantáneas. •Pulso: transiciones H→L y L→H (o viceversa) consecutivas de una anchura determinada. Pulso negativo Pulso positivo Flanco de bajada Flanco de subida Flanco de bajada 9
  • 10. Introducción a la Estructura y Tecnología de Computadores Introducción Reloj (CLK): señal que varía periódicamente de forma infinita. •Los sistemas digitales suelen contar con una señal de reloj (o varias) que sincroniza(n) a todas las demás. Pulso de Pulso de Flanco de nivel alto nivel bajo bajada Nivel alto Clk Nivel bajo Flanco de subida Ciclo de reloj Ciclo de reloj (medido entre dos (medido entre dos flancos de subida) flancos de bajada) 10
  • 11. Introducción a la Estructura y Tecnología de Computadores Introducción En un reloj, el nivel alto y el bajo no tienen por qué durar lo mismo. Simetría del reloj: porcentaje de tiempo de un periodo en el que el reloj está a nivel alto o bajo. Ejemplos de señales de reloj periódicas (simétricas y asimétricas): Clk Clk Clk 11
  • 12. Introducción a la Estructura y Tecnología de Computadores Introducción Cronograma o diagrama de tiempo: conjunto de formas de onda de varias señales de un sistema que normalmente están interrelacionadas. 1 2 3 4 5 6 7 Reloj A B Evolución de las señales: •En el periodo de reloj 1 A = “0” y B = “1”. •En el periodo 2 A = “1” y B = “0”. •Etc. La flechas indican que el pulso de la señal A es una consecuencia del pulso de la señal B. 12
  • 13. Introducción a la Estructura y Tecnología de Computadores 2. Unidades funcionales de los computadores Un computador intercambia información Líneas de comunicaciones Periféricos con el exterior a través de periféricos (dispositivos conectados directamente COMPUTADOR al computador) o de líneas de comunicaciones (dispositivos conectados remotamente). Un computador consta de cuatro unidades funcionales principales (arquitectura Von Neumann, 1945): Memoria E/S Unidad Central de Proceso (UCP) principal Memoria principal (central) Interconexiones Entrada/Salida (E/S) Interconexiones (buses) UCP 13
  • 14. Introducción a la Estructura y Tecnología de Computadores Unidades funcionales de los computadores Unidad central de proceso (UCP): ejecuta los programas (conjuntos de instrucciones) almacenados en la memoria. Consta de: •Unidad de control (UC): gobierna y temporiza a los restantes elementos del computador. •Unidad aritmético-lógica (UAL): realiza las operaciones. Unidad de memoria (memoria principal, memoria central): es la parte del computador que se usa para almacenar (grabar, escribir) y después recuperar (leer) datos e instrucciones. Unidad de entrada/salida (E/S): encargada de comunicar la UCP con una gran variedad de dispositivos periféricos. Unidad de interconexión (buses): está formada por todas las señales que conectan los distintos componentes estructurales del computador. Hay tres tipos de señales: de dirección, de datos y de control. 14
  • 15. Introducción a la Estructura y Tecnología de Computadores Unidades funcionales de los computadores UCP MEM MEM E/S E/S Control Buses Datos Dirección 15
  • 16. Introducción a la Estructura y Tecnología de Computadores 3. Niveles de estudio de los computadores Paquetes de programas de aplicaciones Nivel de paquetes de aplicación Los computadores son máquinas Programas escritos en lenguajes de alto nivel ZONA SOFTWARE complejas, lo cual aconseja abordar Nivel de lenguajes de alto nivel su diseño y su estudio desde varios Programa gestor de los recursos del computador niveles de abstracción jerárquicos. Nivel de sistema operativo Programas en lenguaje máquina o ensamblador Nivel de instrucciones de máquina Unidad de control, unidad aritmético-lógica Nivel de transferencias entre registros Circuitos secuenciales: contadores, registros, memorias Nivel digital Subnivel secuencial ZONA HARDWARE Circuitos combinacionales: sumadores, multiplexores, decodificadores Subnivel combinacional Circuitos electrónicos: puertas lógicas, biestables, multivibradores Nivel electrónico Elementos eléctricos: transistores, resistencias, condensadores Nivel de componente Elementos físicos: uniones P o N, metales, dieléctricos 16
  • 17. Introducción a la Estructura y Tecnología de Computadores 4. La ATC en el marco de la Informática Paquetes de programas de aplicaciones Nivel de paquetes de La Arquitectura y Tecnología de aplicación Programas escritos en lenguajes de alto nivel Computadores (ATC) es una disciplina ZONA SOFTWARE Nivel de lenguajes de alto nivel que trata sobre todo lo relacionado Programa gestor de los recursos del computador con el diseño, fabricación, Nivel de sistema operativo configuración y explotación de Programas en lenguaje máquina o ensamblador computadores de cualquier tipo. Nivel de instrucciones de máquina Unidad de control, unidad aritmético-lógica La ATC cubre desde el nivel Nivel de transferencias entre electrónico hasta el de sistema registros Circuitos secuenciales: contadores, registros, memorias operativo, y tiene interés en el de Nivel digital Subnivel secuencial ZONA HARDWARE lenguajes de alto nivel (compiladores) Circuitos combinacionales: sumadores, multiplexores, y en el de componente. decodificadores Subnivel combinacional La asignatura de ETC trata sobre los Circuitos electrónicos: puertas lógicas, biestables, multivibradores Nivel electrónico siguientes niveles: Elementos eléctricos: transistores, resistencias, condensadores Digital. Nivel de componente Transferencias entre registros. Elementos físicos: uniones P o N, metales, dieléctricos Instrucciones de máquina. 17
  • 18. Introducción a la Estructura y Tecnología de Computadores Algunas asignaturas relacionadas con ETC en ITIS Paquetes de programas de aplicaciones Nivel de paquetes de aplicación Arquitectura de Computadores Programas escritos en lenguajes de alto nivel ZONA SOFTWARE (niveles TR e instrucciones de máquina). Nivel de lenguajes de alto nivel Programa gestor de los recursos del computador Laboratorio de Tecnología de Nivel de sistema operativo Computadores (niveles digital, TR e Programas en lenguaje máquina o ensamblador instrucciones de máquina). Nivel de instrucciones de máquina Unidad de control, unidad aritmético-lógica Fundamentos Físicos de la Informática Nivel de transferencias entre registros (niveles de componente y electrónico). Circuitos secuenciales: contadores, registros, memorias Nivel digital Subnivel secuencial ZONA HARDWARE Ampliación de Física y Electrónica Circuitos combinacionales: sumadores, multiplexores, decodificadores (niveles de componente y electrónico). Subnivel combinacional Circuitos electrónicos: puertas lógicas, biestables, multivibradores Sistemas Operativos (nivel de SO). Nivel electrónico Elementos eléctricos: transistores, resistencias, condensadores Compiladores (optativa, nivel de Nivel de componente lenguajes de alto nivel). Elementos físicos: uniones P o N, metales, dieléctricos 18
  • 19. Introducción a la Estructura y Tecnología de Computadores 5. Terminología y parámetros característicos Bit, bitio o dígito binario (binary digit): unidad mínima de información. Puede valer 0 (falso) ó 1 (verdadero). Cuarteto o nibble: cuatro bits. Octeto, carácter o byte: cantidad en bits necesaria para representar un carácter alfanumérico. Usualmente, 8 dígitos binarios o bits. Palabra (precisión básica de un computador): máxima cantidad de información accesible y tratable en paralelo por las unidades aritmético-lógicas del computador. •Es el tamaño de referencia para un computador y se mide en múltiplos de byte, existiendo tamaños de palabra de 8, 16, 32, 64, 128 bits, etc. Multiplicadores de tamaño: Kilo (K): 210 = 1024 Mega (M): 220 = 1.048.576 Giga (G): 230 = 1.073.741.824 Tera (T): 240 Peta (P): 250 Exa (E): 260 19
  • 20. Introducción a la Estructura y Tecnología de Computadores Parámetros característicos de los computadores Capacidad de almacenamiento de la memoria •Se mide en Kbytes, Mbytes ó Gbytes, dependiendo del tipo de memoria al que nos referimos. •Memoria principal: RAM (también incluye ROM). •Memoria secundaria o masiva: discos o cintas, suelen tener desde algo más de 1 Mbyte (disquetes) hasta muchos Gbytes (discos duros, DVD-ROM, etc). Tiempo de acceso a la memoria: •Tiempo que tarda en realizarse una operación de memoria. •Se mide en fracciones de segundo. •Memoria principal: del orden de nanosegundos (1ns = 10-9 s). •Discos: del orden de milisegundos (1 ms = 10-3 s) ó microsegundos (1 μs = 10-6 s). 20
  • 21. Introducción a la Estructura y Tecnología de Computadores Parámetros característicos de los computadores Frecuencia de trabajo del procesador •Indica el número de ciclos de reloj por segundo en el procesador. •Un ciclo de reloj es lo que tarda en ejecutarse una operación básica. •Se mide en hercios (Hz). Tiempo de ejecución de un programa: el que transcurre desde su inicio hasta que finaliza su ejecución. Rendimiento de un computador: inverso del tiempo de ejecución. •Se mide en tareas completadas por unidad de tiempo. •Algunas medidas de rendimiento: MIPS: millones de instrucciones completadas por segundo. MFLOPS: millones de instrucciones de coma flotante (floating point) completadas por segundo. •Benchmarks: programas de prueba para medir el rendimiento. 21
  • 22. Introducción a la Estructura y Tecnología de Computadores 6. Evolución histórica: ENIAC ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator) Primer computador digital electrónico de propósito general fabricado en EEUU. Terminado en 1943. Utilizado en la 2ª guerra mundial con fines militares. Programación manual externa mediante interruptores y cables. Dimensiones: 24’4 metros de largo x 2’6 metros de alto. Constructores: Eckert y Mauchly (Instituto Moore, Universidad de Pensilvania) •John Von Neumann: consultor del proyecto. 22
  • 23. Introducción a la Estructura y Tecnología de Computadores El informe de John Von Neumann Eckert y Mauchly junto con sus colaboradores comenzaron a diseñar el EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer), terminado en 1952. •Eckert y Mauchly abandonaron el proyecto en 1947 para crear otra empresa. En 1945 John Von Neumann publicó el informe “First Draft of a Report on the EDVAC” sentando los pilares de la arquitectura de los computadores: •Unidad de memoria, en la que se almacenan los programas y los datos. •Unidad de entrada, que permite introducir los programas y los datos de partida y enviarlos a la memoria. •Unidad de control, que interpreta las instrucciones y controla su ejecución. •Unidad aritmético-lógica, que se encarga de realizar los cálculos. •Unidad de salida, que ofrece al operador del sistema los resultados obtenidos y los posibles mensajes producidos en la ejecución del programa. Por ello se denomina “modelo Von Neumann” al modelo de arquitectura tradicional de los computadores. 23
  • 24. Introducción a la Estructura y Tecnología de Computadores Evolución histórica: EDSAC EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator ) Primer computador “modelo Von Neumann” con programa almacenado que estuvo operativo a gran escala. Terminado en 1949. Diseñador: Maurice Wilkes. 24
  • 25. Introducción a la Estructura y Tecnología de Computadores Generaciones de computadores Ligadas a los avances en tecnología electrónica. •Sus fechas de comienzo y final están en discusión. 1ª generación (hasta 1959) •Primeros computadores electrónicos comerciales •Arquitectura programable. 2ª generación (desde 1960 hasta 1968) •Computadores construidos con transistores. 3ª generación (desde 1969 hasta 1977) •Computadores construidos con circuitos integrados. 4ª generación (desde 1978) •Computadores construidos con circuitos integrados de escala de integración grande (LSI) y muy grande (VLSI) •Microprocesador: unidad central de proceso completa contenida en un único circuito integrado. 25