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Benemrita Universidad Autnoma
de Puebla
Organizacin de computadoras
Un panorama sobre el estado del arte delas computadoras
Grupo de Sistemas Digitales
Otoo 2014
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Contenido
1.1 Introduccin
1.2 Historia de la arquitectura de
computadoras
1.3 Conceptualizacin dearquitectura y organizacin decomputadoras
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1.1 Introduccin
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1.1 Introduccin
Las computadoras han originado unarevolucin de la informacin en lacivilizacin que continua en formaconstante.
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1.1 Introduccin
Cada vez que surge una mejora seincrementan las posibilidades dedesarrollo.
Aplicaciones econmicamente inviables enel pasado reciente, ahora son factibles.
ejemplos?
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1.1 Introduccin
Ejemplos de ciencia computacional ficcinen el pasado reciente:
Los cajeros automticos hubieran sido unconcepto no aceptado en los 50s.
Pc ms econmica -> $500,000 US
Tamao -> similar a un automvil
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1.1 Introduccin
Ejemplos de ciencia computacional ficcin:
Computadoras en automviles (mejorasen precio y desempeo en los 80s)
Laptops
alguna idea de su posible existencia en elpasado reciente?
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1.1 Introduccin
Ejemplos de ciencia computacional ficcin:
Proyecto Genoma Humano (presupuestoactual de cientos de millones de dolares)
cul sera el costo hace 10 aos? 10+
WWW transformacin de la sociedad
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1.1 Introduccin
Ejemplos de ciencia computacional ficcindel futuro:
Sociedad sin efectivo
Carreteras inteligentes automatizadas
Computadoras disponibles en todo lugar
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1.1 Introduccin
Estudio de la organizacin decomputadoras
elementos clsicos de una computadora?
Relevancia de su estudio?
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1.1 Introduccin
Componentes clsicos de una computadora
Entrada, salida, memoria y procesador(datapath y control)
Independencia de la tecnologa hardware
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1.1 Introduccin
Una computadora es un sistema digital dealta capacidad de procesamiento deinformacin, recibe datos de entrada,genera resultados a gran velocidad y con
gran exactitud, mediante la ejecucin deprogramas.
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1.1 Introduccin
Bloques bsicos que forman una computadora
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1.1 Introduccin
Tres tipos de aplicaciones seran:
Computadoras de escritorio
Supercomputadoras, servidores
Computadoras embebidas
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1.1 Introduccin
Comp. de escritorio.- diseada para usoindividual, incorporando una interfazgrfica, teclado y mouse.
Servidor.- usada para ejecutar programasgrandes con mltiples usuariossimultneamente y accesada va algntipo de red.
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1.1 Introduccin
Supercomputadora.- mximo desempeoy costo, configuradas como servidores ycosto en millones de dlares.
Comp. embebida.-computadora incluidaen otro dispositivo usada para ejecutaruna predeterminada aplicacin
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1.1 Introduccin
Discusin:
Ejemplos prcticos de cada tipo.
En equipos comentar un ejemplo decada tipo y un representante loscomentar frente a grupo.
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1.1 Introduccin
Situaciones de anlisis
Industria: cmo seleccionar unacomputadora con la mejor relacin
calidad-precio? Relevancia de la decisin y visin a futuro
Un procesador de 2 GHz
es 2x ms rpido que un
modelo 1 GHz?
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1.1 Introduccin
Discusin:
Cmo seleccionar una computadora(procesador, I/O, memoria) para lossiguientes casos?
Oficina, diseo VLSI y agente de viajes.
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1.2 Historia de la arquitectura de
computadoras
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1.2 Historia de la arquitectura de comp.
Se analiza a travs de generaciones:
Cero - computadoras mecnicas
Primerabulbos
Segunda transistores
Tercera circuitos integrados
Cuarta integracin a muy grandeescala
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1.2 Historia de la arquitectura de comp.
Generacin cero (1642-1945)
Blaise Pascal construy una mquinacalculadora funcional en 1642. Eramecnica, con engranes y se impulsabacon una manivela. Inclua la suma y laresta
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1.2 Historia de la arquitectura de comp.
30 aos despus Leibniz construy otramquina mecnica que tambin podadividir y multiplicar (4 funciones de unacalculadora de bolsillo).
150 aos despus Babbage (1792-1871)construy su mquina de diferencias, slosumaba y restaba y uso era para calculartablas para la navegacin martima.
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1.2 Historia de la arquitectura de comp.
Mquina de diferencias deBabbage
Solo poda ejecutar un
solo algoritmo, el mtodode las diferencias finitasempleando polinomios.
Como salida, perforabasus datos en una placa decobre con un troquel deacero.
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1.2 Historia de la arquitectura de comp.
Detalles de la mquina de diferencias de Babbage
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1.2 Historia de la arquitectura de comp.
Babbage inici el diseo y construccin desu sucesora mquina analtica, la cualtena cuatro componentes:
Almacn (memoria) 1000 palabras de 50
dgitos decimales.
Molino (unidad de cmputo)
Seccin de entrada (lector de tarjetasperforadas)
Seccin de salida (salidas perforadas y lasimpresoras)
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1.2 Historia de la arquitectura de comp.
Era una mquina totalmente mecnica, lacual era programada con un sencillolenguaje ensamblador.
Para el desarrollo del software, Babbagecontrat a Ada Lovellace, en honor a ellase llam as a un lenguaje deprogramacin (Ada, orientado a objetos).
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1.2 Historia de la arquitectura de comp.
Mquina analtica de Babbage
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1.2 Historia de la arquitectura de comp.
Mquina MARK 1 (1944)
Diseada por Howard Aiken, fue unamquina de relevadores, diseada enHarvard y tena la capacidad para
trabajar con 72 palabras de 23 dgitosdecimales cada una; tiempo deinstruccin: 6 segundos. E/S mediantecinta perforada.
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1.2 Historia de la arquitectura de comp.
Primera generacin bulbos(1945-1955)
El estmulo para la computadoraelectrnica fue la segunda guerramundial
Codificacin de mensajes mediante elaparato ENIGMA presente en lasegunda guerra mundial y usado porlos alemanes
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1.2 Historia de la arquitectura de comp.
Mquina COLOSSUS
Originada en un laboratoriosupersecreto del gobierno ingls, AlanTuring ayud a disear esta mquina,
funcion en 1943 y fue un secretomilitar durante 30 aos.
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1.2 Historia de la arquitectura de comp.
Mquina ENIAC (Electronic Numerical Integrator and
Computer), consista de 18000 bulbosy 1500 relevadores, pesaba 30
toneladas y consuma 140 KW depotencia.
Tena 20 registros, cada uno de elloscapaz de almacenar un nmero decimalde 10 dgitos.
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1.2 Historia de la arquitectura de comp.
Se programaba ajustando 6000 interruptoresde multiposicin y conectando numerosasbases con una verdadera maraa de cablesinterconectados.
Se termin en 1946 diseada por Mauchley yEckert.
Inici el inters a partir de un curso de veranopara describir su trabajo a la comunidadcientfica
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1.2 Historia de la arquitectura de comp.
ENIAC
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1.2 Historia de la arquitectura de comp.
Mquina EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic
Calculator), arquitectura basada enacumulador; construida en 1949 por
Maurice Wilkes en la Universidad deCambridge.
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1.2 Historia de la arquitectura de comp.
IAS
(Institute Advanced Studies Princeton)construida por Eckert, Mauchly, VonNewman. Aparece el diseo bsico de
lo que hoy conocemos comoarquitectura de Von Newman, se usen la EDSAC, la primera computadorade programas almacenados.
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1.2 Historia de la arquitectura de comp.
Arquitectura de Von Neumann
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1.2 Historia de la arquitectura de comp.
Esta mquina tena 5 partes bsicas:Memoria, ALU, Unidad de Control, y elequivalente de entrada y salida.Memoria de 4096 palabras; de 40 bits
cada una. Cada palabra tena 2 instrucciones de
20 bits, o un entero con signo de 40bits. 8 bits indicaban el tipo deinstrucciones y 12 bits especificabanuna de las 4096 palabras de memoria.
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1.2 Historia de la arquitectura de comp.
Segunda generacin transistores
(1955-1965)
La PDP-1 apareci en 1961 por partede DEC (digital equipmentcorporation), tena 4K de palabras de 8bits y un tiempo de ciclo de 5us.
La PDP-1 costaba $120,000 y la 7090de IBM costaba millones.
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1.2 Historia de la arquitectura de comp.
Se genera la industria de lasminicomputadoras.
Innovacin de un bus nico u mnibus.
Control Data Corporation (CDC) introdujola 6600 con un alto grado de paralelismo
Construccin de supercomputadoras
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1.2 Historia de la arquitectura de comp.
Tercera generacin circuitosintegrados (1965-1980)
IBM era el principal fabricante decomputadoras pero tena dos productosincompatibles (7094 y 1401)
Clientes corporativos necesitabanmantener departamentos deprogramacin para cada producto
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1.2 Historia de la arquitectura de comp.
IBM dio un paso radical introduciendo unasola lnea de productos, la System/360
Surge la idea de las familias de mquinas
Software de un modelo inferior seejecutaba en modelos superiores(compatibilidad)
Ventaja y desventaja de la compatibilidad
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1.2 Historia de la arquitectura de comp.
Propiedad Modelo 30 Modelo 40 Modelo 50 Modelo 65
Desempeo relativo 1 3.5 10 21
Tiempo de ciclo (ns) 1000 625 500 250
Memoria mxima (KB) 64 256 256 512
Bytes obtenidos por ciclo 1 2 4 16
No. Mximo de canales de datos 3 3 4 6
Oferta inicial de la lnea de productos IBM 360
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1.2 Historia de la arquitectura de comp.
La 360 gener:
Multiprogramacin.- varios programas enla memoria a la vez
La emulacin y la microprogramacinpara el conjunto de instruccionescorrespondiente
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1.2 Historia de la arquitectura de comp.
Cuarta generacin integracin a
muy alta escala (1980-?)
VLSI Very Large Scale Integrationgener la era de la computadorapersonal
Surge Apple y Apple II posteriormente
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1.2 Historia de la arquitectura de comp.
IBM personal computer inclua el Intel8088 como su CPU.
Computadora ms vendida de la historia.
Surgen clones de PC debido a que IBMpublic los planos completos y no patent
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1.2 Historia de la arquitectura de comp.
A mediados de los 80s la idea RISC(Reduced Instruction Set Computer)domina sobre CISC (Complex Instruction
Set Computer).
Reemplazo de arquitecturas complejaspor otras ms sencillas pero ms rpidas
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1.2 Historia de la arquitectura de comp.
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1.3 Conceptualizacin de arquitectura y
organizacin de computadoras
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1.3 Conceptualizacin de arquitectura y
organizacin de computadoras
Organizacin y arquitectura
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1.3 Conceptualizacin de arquitectura y
organizacin de computadoras
Organizacin de computadoras
Unidades lgicas: CPU, memoria, E/S.
Funciones y operacin
Interconexin y caracterstica de cadaelemento
Explicacin de cmo se encuentra formada lacomputadora
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1.3 Conceptualizacin de arquitectura y
organizacin de computadoras
La organizacin de computadoras serefiere a las unidades lgicas que lascomponen (unidad central de proceso,unidad de memoria y la unidad de
entrada/salida), las funciones querealizan, su operacin, la forma en que serelacionan y se comunican unas conotras.
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1.3 Conceptualizacin de arquitectura y
organizacin de computadoras
Arquitectura de computadora
forma de construir cada unidad lgica para querealicen las funciones especificadas por suorganizacin.
atributos de un sistema que son visibles a unprogramador
atributos que tienen un impacto directo en laejecucin lgica de un programa
diseo de componentes
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1.3 Conceptualizacin de arquitectura y
organizacin de computadoras
Arquitectura de computadora.- se ocupade la estructura y comportamiento de lacomputadora desde el punto de vista delusuario, incluye los formatos deinformacin, el conjunto de instruccionesy las tcnicas para direccionamiento dememoria
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1.3 Conceptualizacin de arquitectura y
organizacin de computadoras
Los fabricantes de computadorasofrecen una familia de modelos, todoscon la misma arquitectura pero condiferencias en la organizacin.
Una arquitectura puede sobrevivirmuchos aos, pero su organizacincambia con la evolucin de latecnologa.
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1.3 Conceptualizacin de arquitectura y
organizacin de computadoras
Caractersticas clave de la familiaSistema/360
Caractersticas Modelo
30 40 50 65 75
Memoria (bytes) 64K 256K 256K 512K 512K
Velocidad de transferencia de datosprocedentes de la memoria (MB/seg)
0.5 0.8 2.0 8.0 16.0
Tiempo de ciclo del procesador (u/seg) 1.0 0.625 0.5 0.25 0.2
Velocidad relativa 1 3.5 10 21 50
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1.3 Conceptualizacin de arquitectura y
organizacin de computadoras
Ejemplo:
La arquitectura del Sistema/370 con unaspocas mejoras ha sobrevivido hasta hoy dacomo la arquitectura de la lnea de grandesproductos de computacin IBM.
Esta arquitectura apareci por primera vez en1970 e inclua varios modelos.
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1.3 Conceptualizacin de arquitectura y
organizacin de computadoras
A travs de los aos IBM ha introducidomodelos nuevos con tecnologa mejoradapara reemplazar a modelos anteriores,ofreciendo mayor velocidad y menoresprecios.
Los modelos nuevos conservaban laarquitectura para proteger la inversin ensoftware del consumidor.
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1.3 Conceptualizacin de arquitectura y
organizacin de computadoras
Ejemplo entre fabricantes:
AMD Opteron 64 y el Intel Pentium 4tienen misma arquitectura de conjunto
de instrucciones pero diferenteorganizacin.
Ambos implementan el conjunto deinstrucciones X86, pero con diferentesorganizaciones de cache.
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