Estructura basica del computador

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Estructura basica del computador

  1. 1. Estructura de Computadores Introducción 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. Introducción Definición 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. Memoria E/S Conexión CPU Periféricos E/S 2CPU Memoria BUS (Conexión) E/S 1 Estructura del computador
  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. ENIAC - 1946 (18000 válvulas) Pentium 4 - 2001 (42M ttores) Historia de los computadores ● Espectacular evolución durante el S.XX ● Desarrollo de las tecnologías electrónicas ● Reducción de coste y tamaño
  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.) ● necesidad de calcular ● se sigue usando en la actualidad Pascalina ● Blaise Pascal (1642) ● sumas y restas
  17. 17. Generación cero (1642-1945) Máquina de diferencias ● Charles Babbage (principios S.XIX) ● sumas y restas ● propósito específico: tablas de navegación
  18. 18. Charles Babbage es considerado el padre de la Informática 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
  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. 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 Generación cero (1642-1945)
  21. 21. ENIGMA 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 ENIGMA
  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. DEC PDP-8 (1965) Segunda generación (1955-1965)
  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. IBM 7090 Segunda generación (1955-1965)
  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. Cray-1 Cuarta generación (1970-?) ● Cray-1 (1976) – primer supercomputador con 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 Aplicaciones Sistema Operativo Hardware Software nivel 0 nivel n ● Cada nivel puede asociarse al hardware, software o firmware ● Algunas tareas pueden implementarse en distintos niveles o entre niveles: codiseño hardware/software

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