Estructura de ComputadoresIntroducción a los Computadores
Objetivos●   Conceptuales    –   Computador como máquina programable    –   Elementos y funciones básicas del computador  ...
Objetivos●   Procedimentales    –   Asociar cada tecnología electrónica con una generación de        computadores    –   C...
Objetivos●   Actitudinales     –   Valorar la generalidad y simplicidad de la estructura básica         de un computador  ...
Bibliografía●   Básica    –   [HAYE86] Excelente introducción al diseño de de sistemas        digitales y microprocesadore...
Bibliografía●   Complementaria    –   [BAEN97/1] Excelente libro de problemas. Incluye        numerosos problemas resuelto...
Contenidos●   Introducción●   Estructura y funcionalidad de los computadores●   Historia de los computadores●   Clasificac...
IntroducciónDefinición de computador: Máquina capaz de realizar de forma automática y en una secuencia programada cierto n...
Estructura del computador         Memoria              CPU                   Conexión                     E/S             ...
Estructura del computador●   CPU (Unidad central de proceso)     –   cerebro del ordenador, ejecuta instrucciones●   Memor...
Funciones básicas de un computador●   Procesamiento de datos    –   operaciones lógicas y aritméticas●   Almacenamiento de...
Estructura de la CPU●   Unidad de control     –   control de la secuencia de operaciones     –   captación de instruccione...
Función de la CPU. Ciclo de instrucción●   Captación de la instrucción que va a ejecutar de la    memoria●   Actualización...
Historia de los computadores●   Espectacular evolución durante el S.XX●   Desarrollo de las tecnologías electrónicas●   Re...
Generaciones de computadores●   Generación Cero (1642-1945): computadores mecánicos●   Primera Generación (1945-1955): tub...
Generación cero (1642-1945)Ábaco (3500 a.c.)         Pascalina● necesidad de calcular   ● Blaise Pascal (1642)● se sigue u...
Generación cero (1642-1945)                Máquina de                  diferencias                ● Charles Babbage       ...
Generación cero (1642-1945)Máquina analítica. Charles Babbage (1834)   –   primer computador digital de la historia   –   ...
Generación cero (1642-1945)Máquina Z1. Konrad Zuse (1930)  –   máquina de calcular electromecánica  –   secreto militar  –...
Generación cero (1642-1945)Mark I. Howard Aiken (1944)   –   Primer computador estadounidense de propósito general   –   T...
Primera generación (1945-1955)               COLOSSUS               ● Reino Unido (1943)               ● primer computador...
Primera generación (1945-1955)ENIAC. John Mauchley y J. Presper Eckert (1946)   –   inicio de la historia moderna de los c...
Primera generación (1945-1955)●   John von Neumann.      –   Estructura de los computadores modernos      –   EDSAC. Mauri...
Segunda generación (1955-1965)                Invención del transistor                  (1956)                     –   Joh...
Segunda generación (1955-1965)●   PDP-1. Kenneth Olsen. DEC (1961)      –   Primer mini-ordenador de la historia      –   ...
Segunda generación (1955-1965)         DEC PDP-8 (1965)
Segunda generación (1955-1965)●   IBM 7090 y 7094 (1962)    –   Versión transistorizada del IBM 709    –   Aplicaciones ci...
Segunda generación (1955-1965)           IBM 7090
Tercera generación (1965-1970)●   Circuitos Integrados (C.I.)    –   Decenas, cientos, miles ... de ttores/chip    –   Aum...
Cuarta generación (1970-?)Circuitos integrados LSI     (Large Scale of Integration)●   Intel 4004 (1971)     –   primer mi...
Cuarta generación (1970-?)●   Miniordenadores vendidos como kits (1975)     –   MITS Altair 8800●   Bill Gates y Paul Alle...
Cuarta generación (1970-?)●   Cray-1 (1976)    –   primer supercomputador con   Cray-1        arquitectura vectorial●   Ap...
Ley de Moore●   Gordon Moore (1964)    "La densidad de integración se duplica cada 18 meses"
Clasificaciones●   Diversidad de criterios:     –   Generaciones     –   Familias     –   Paralelismo     –   Repertorio d...
Clasificaciones. Paralelismo●   SISD: Single Instruction stream, Single Data stream     –   un único programa y un único c...
Clasificaciones. Repertorio de                    instrucciones●   RISC: Reduced Instruction Set Computer    –   pocas ins...
Clasificaciones. Tamaño, rendimiento y               área de aplicación●   Minicomputadores    –   Aplicaciones en tiempo ...
Clasificaciones. Tamaño, rendimiento y               área de aplicación●   Mainframes/Maxicomputadores:    –   elevada cap...
Niveles●   Los computadores pueden estudiarse desde distintos    niveles de abstracción:     –   nivel   de dispositivo (t...
Niveles●   Normalmente el programador escribe en un lenguaje de    alto nivel que es sucesivamente interpretado o traducid...
Niveles. Hardware/Software●   Hardware: conjunto de componentes o sistemas    electrónicos o mecánicos que componen el ord...
Niveles. Hardware/Software●   Cada nivel puede asociarse al hardware, software o    firmware●   Algunas tareas pueden impl...
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  1. 1. Estructura de ComputadoresIntroducción a los Computadores
  2. 2. Objetivos● Conceptuales – Computador como máquina programable – Elementos y funciones básicas del computador – Hitos clave en el desarrollo de los computadores – Generaciones de computadores y tecnologías asociadas – Concepto de familia de computadores – Elementos de clasificación de los computadores – Concepto de nivel de abstracción en el estudio de los computadores
  3. 3. Objetivos● Procedimentales – Asociar cada tecnología electrónica con una generación de computadores – Clasificar un computador o arquitectura dada en base a diversos criterios – Asociar una descripción formal dada con el nivel de abstracción correspondiente
  4. 4. Objetivos● Actitudinales – Valorar la generalidad y simplicidad de la estructura básica de un computador – Evaluar el impacto del desarrollo tecnológico en el área de la computación – Implicaciones del concepto de familia de computadores en el desarrollo de la ciencia e industria informática – Importancia de los niveles de abstracción en el estudio de los computadores
  5. 5. Bibliografía● Básica – [HAYE86] Excelente introducción al diseño de de sistemas digitales y microprocesadores. – [STAL00] Exposición clara y amena de aspectos generales. No abarca en profundidad el diseño de sistemas digitales. – [TANE99] Completa revisión histórica y buena referencia para el conjunto de los contenidos.
  6. 6. Bibliografía● Complementaria – [BAEN97/1] Excelente libro de problemas. Incluye numerosos problemas resueltos. Cubre parte de la asignatura. – [BAEN97/2] Excelente colección de apuntes sobre el diseño de sistemas digitales. Muy adaptado a los contenidos de la asignatura – [CRAM87] Manual de referencia del MC68000 – [KELL87] Referencia complementaria del MC68000 – [LIVA93] Arquitectura de computadores y MC68000 – [MIGU96] Introducción clara a la arquitectura de ordenadores – [SEPT95], [STEN92], [WAKE89] MC68000 avanzado
  7. 7. Contenidos● Introducción● Estructura y funcionalidad de los computadores● Historia de los computadores● Clasificaciones● Niveles
  8. 8. IntroducciónDefinición de computador: Máquina capaz de realizar de forma automática y en una secuencia programada cierto número de operaciones numéricas sobre unos datos suministrados por el operador● Características principales – Capacidad de cómputo – Ejecución de un programa – Alta velocidad de operación – Alta capacidad de almacenamiento de datos Gran rango de aplicaciones
  9. 9. Estructura del computador Memoria CPU Conexión E/S PeriféricosCPU Memoria E/S 1 E/S 2 BUS (Conexión)
  10. 10. Estructura del computador● CPU (Unidad central de proceso) – cerebro del ordenador, ejecuta instrucciones● Memoria – almacena datos y programas. Directamente accesible por la CPU● Entrada/Salida (E/S) – comunica la CPU con dispositivos "externos" (periféficos): monitor, teclado, red, modem, discos, etc.● Sistema de conexión – comunica la CPU con la memoria y los módulos de E/S
  11. 11. Funciones básicas de un computador● Procesamiento de datos – operaciones lógicas y aritméticas● Almacenamiento de datos – almacenamiento temporal a corto plazo – almacenamiento a largo plazo● Transferencia de datos – con periféricos (transferencias E/S) – con dispositivos remotos (comunicación)● Control – gestión de recursos del computador – gestión de las diversas unidades funcionales
  12. 12. Estructura de la CPU● Unidad de control – control de la secuencia de operaciones – captación de instrucciones – control de la ejecución de instrucciones● Unidad aritmético-lógica – lleva a cabo las operaciones aritméticas y/o lógicas necesarias para la ejecución de instrucciones● Registros – almacenamiento temporal dentro de la propia CPU (código de instrucciones, datos que están siendo procesados, direcciones de memoria, etc.)● Interconexiones
  13. 13. Función de la CPU. Ciclo de instrucción● Captación de la instrucción que va a ejecutar de la memoria● Actualización del contador de programa● Determina el tipo de instrucción captada● Si la instrucción utiliza datos determina donde están y accede a ellos● Almacena los datos en registros internos de la CPU● Ejecuta la instrucción● Almacena los resultados en el sitio adecuado
  14. 14. Historia de los computadores● Espectacular evolución durante el S.XX● Desarrollo de las tecnologías electrónicas● Reducción de coste y tamaño Pentium 4 - 2001 (42M ttores) ENIAC - 1946 (18000 válvulas)
  15. 15. Generaciones de computadores● Generación Cero (1642-1945): computadores mecánicos● Primera Generación (1945-1955): tubos de vacío● Segunda Generación (1955-1965): transistores● Tercera Generación (1965-1970): circuitos integrados● Cuarta Generación (1970- ?): VLSI. Ordenadores personales
  16. 16. Generación cero (1642-1945)Ábaco (3500 a.c.) Pascalina● necesidad de calcular ● Blaise Pascal (1642)● se sigue usando en la ● sumas y restas actualidad
  17. 17. Generación cero (1642-1945) Máquina de diferencias ● Charles Babbage (principios S.XIX) ● sumas y restas ● propósito específico: tablas de navegación
  18. 18. Generación cero (1642-1945)Máquina analítica. Charles Babbage (1834) – primer computador digital de la historia – establece la estructura del computador moderno: ● unidad de almacenamiento ● unidad de computación ● dispositivos de entrada y salida – propósito general: programable – programación mediante tarjetas perforadas: ● Ada Augusta Lovelace primera programadora – No llegó a ser operativa por problemas tecnológicos Charles Babbage es considerado el padre de la Informática
  19. 19. Generación cero (1642-1945)Máquina Z1. Konrad Zuse (1930) – máquina de calcular electromecánica – secreto militar – destruida en el bombardeo de Berlín (1944)
  20. 20. Generación cero (1642-1945)Mark I. Howard Aiken (1944) – Primer computador estadounidense de propósito general – Tecnología electromecánica (relés) – Memoria: 72 palabras de 23 dígitos decimales – Ciclo de instrucción: 6 seg. – Aplicaciones militares
  21. 21. Primera generación (1945-1955) COLOSSUS ● Reino Unido (1943) ● primer computador electrónico digital de la historia ● secreto militar hasta los años 70 ● destinado a descifrar los mensajes del codificador alemán ENIGMAENIGMA
  22. 22. Primera generación (1945-1955)ENIAC. John Mauchley y J. Presper Eckert (1946) – inicio de la historia moderna de los computadores – aplicaciones militares – 18000 válvulas, 1500 relés, 30 toneladas, 140 KW
  23. 23. Primera generación (1945-1955)● John von Neumann. – Estructura de los computadores modernos – EDSAC. Maurice Wilkes (1949) – IAS. von Neumann (1952)● UNIVAC. Mauchley y Eckert (1951) – Primer computador comercial de la historia – Empresas y universidades comienzan a usar computadores● IBM 701, 704, 709 (1953) – Computadores de propósito general – Aplicaciones científicas – Gran éxito comercial
  24. 24. Segunda generación (1955-1965) Invención del transistor (1956) – John Bardeen – Walter Brattain – William Shockley. ● Laboratorios Bell (AT&T) ● Nobel en 1956
  25. 25. Segunda generación (1955-1965)● PDP-1. Kenneth Olsen. DEC (1961) – Primer mini-ordenador de la historia – Se introduce el terminal CRT (monitor) – Gran éxito comercial e implantación en las universidades● PDP-8. DEC (1965) – Sucesor del anterior – Más pequeño, potente y económico – Arquitectura de un único BUS (omnibus) – Gran éxito: 50000 unidades vendidas
  26. 26. Segunda generación (1955-1965) DEC PDP-8 (1965)
  27. 27. Segunda generación (1955-1965)● IBM 7090 y 7094 (1962) – Versión transistorizada del IBM 709 – Aplicaciones científicas – Dominan el mercado en los años 60● IBM 1401 (1961) – Versión económica orientada a los negocios● CDC-6600 (1964) – Primera máquina en implementar procesamiento altamente paralelo – Diez veces más rápida que el IBM 7094● Borrows B5000 (1963) – Primer computador diseñado para ser programado en un lenguaje de alto nivel (Algol 60)
  28. 28. Segunda generación (1955-1965) IBM 7090
  29. 29. Tercera generación (1965-1970)● Circuitos Integrados (C.I.) – Decenas, cientos, miles ... de ttores/chip – Aumento de velocidad, disminución de tamaño● IBM System/360 (1964) – Introduce el concepto de "familia de ordenadores" – Sucesión de familias compatibles hasta mediados de los 80: 370, 4300, 3080 y 3090● DEC PDP-11 (1970) – Sucesor del PDP-8 – Minicomputador dominante en los años 70 – Gran expansión en las universidades – Ligado a los inicios de UNIX y el lenguaje C
  30. 30. Cuarta generación (1970-?)Circuitos integrados LSI (Large Scale of Integration)● Intel 4004 (1971) – primer microprocesador en un único chip● Intel 8008 (1972) – primer procesador de 8 bits● Intel 8080 (1974)● Zilog Z80● Motorola 6800 (1975)
  31. 31. Cuarta generación (1970-?)● Miniordenadores vendidos como kits (1975) – MITS Altair 8800● Bill Gates y Paul Allen fundan Microsoft (1975) – Intérprete de BASIC para el Altair 8800
  32. 32. Cuarta generación (1970-?)● Cray-1 (1976) – primer supercomputador con Cray-1 arquitectura vectorial● Apple II (1977) – primer computador personal de éxito● Intel 8086/8088 (1978) – procesador de 16 bits – familia IBM PC● Motorola 68000 (1979) – Familia Apple Macintosh
  33. 33. Ley de Moore● Gordon Moore (1964) "La densidad de integración se duplica cada 18 meses"
  34. 34. Clasificaciones● Diversidad de criterios: – Generaciones – Familias – Paralelismo – Repertorio de instrucciones – Tamaño, rendimiento, áreas de aplicación
  35. 35. Clasificaciones. Paralelismo● SISD: Single Instruction stream, Single Data stream – un único programa y un único conjunto de datos – máquina de von Neumann● SIMD: Single Instruction stream, Multiple Data stream – un único programa que se ejecuta sobre múltiples conjuntos de datos simultáneamente – máquinas vectoriales – procesadores matriciales● MIMD: Multiple Instruction stream, Multiple Data stream – múltiples programas, múltiples conjuntos de datos – multiprocesadores
  36. 36. Clasificaciones. Repertorio de instrucciones● RISC: Reduced Instruction Set Computer – pocas instrucciones y modos de direccionamiento – instrucciones simples de un ciclo – formato fijo de instrucciones● CISC: Complex Instruction Set Computer – muchas instrucciones y modos de direccionamiento – instrucciones complejas de varios ciclo – instrucciones de formato variable
  37. 37. Clasificaciones. Tamaño, rendimiento y área de aplicación● Minicomputadores – Aplicaciones en tiempo real ● control del tráfico aéreo ● automatización de fábricas – Integran microprocesador, memoria y E/S en una placa ● computadores personales, microcontroladores● Supermini/Estaciones de trabajo – minicomputador potente con bastante memoria – sistemas en tiempo compartido – servidores
  38. 38. Clasificaciones. Tamaño, rendimiento y área de aplicación● Mainframes/Maxicomputadores: – elevada capacidad de entrada salida – normalmente usados para aplicaciones no interactivas ● traspaso de grandes bases de datos ● largos trabajos que no requieren intervención● Supercomputadores: – especialmente diseñados para aumentar el número de operaciones en punto flotante por segundo – arquitecturas altamente paralelas
  39. 39. Niveles● Los computadores pueden estudiarse desde distintos niveles de abstracción: – nivel de dispositivo (transistores, ...) – nivel digital (puertas, ...) – nivel de microprogramación – nivel de máquina – nivel ensamblador – nivel de lenguaje● Cada nivel representa una abstracción distinta con distintos objetos y distintas operaciones. Esto nos permite suprimir detalles irrelevantes en un determinado nivel.● Los niveles más bajos son los más cercanos a la máquina y los más lejanos al programador.
  40. 40. Niveles● Normalmente el programador escribe en un lenguaje de alto nivel que es sucesivamente interpretado o traducido a los lenguajes de los distintos niveles. – Traducción: se sustituye cada instrucción del programa escrito en el nivel p por una secuencia de instrucciones equivalentes en el nivel p-1. Se genera un programa en el nivel p-1 y después se ejecuta. – Interpretación: un programa del nivel p-1 toma los programas escritos en nivel p, examina cada instrucción y la ejecuta con instrucciones del nivel p-1. No es necesario generar un programa en el nivel p-1. Cada instrucción es examinada, decodificada y ejecutada inmediatamente.
  41. 41. Niveles. Hardware/Software● Hardware: conjunto de componentes o sistemas electrónicos o mecánicos que componen el ordenador o sus periféricos.● Software: programas destinados a ser ejecutados por la CPU del ordenador. Son cargados en la memoria principal para su ejecución.● Firmware: programas grabados en memoria de sólo lectura. Suelen ir incluidos con el hardware "de serie".
  42. 42. Niveles. Hardware/Software● Cada nivel puede asociarse al hardware, software o firmware● Algunas tareas pueden implementarse en distintos niveles o entre niveles: codiseño hardware/software nivel n Aplicaciones Software Sistema Operativo Hardware nivel 0

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