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IntroducciónIntroducción

Organización de Computadoras - Mg. A. G. StankeviciusOrganización de Computadoras - Mg. A. G. Stankevicius 22

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ContenidosContenidosHistoria de la computación

Arquitectura von Newmann

Generaciones

Organización general

Ley de Moore

Evolución de las arquitecturas

Ciclo básico de un CPU

Organización de la memoria


¿¿Qué es una computadora?Qué es una computadora?Empecemos por acordar qué cosas califican como una computadora y cuáles no:

Una PC (Personal Computer)

Un celular (smartphone)

Una tableta android o un iPad

Una calculadora de bolsillo

Un TV inteligente (smart-tv)

Un lavarropa programable

Un ábaco


¿¿Qué es una computadora?Qué es una computadora?Bien, podemos acotar la respuesta un poco más para sólo considerar a las computadoras electrónicas (¡que son las que nos interesan!)

Consultemos que dice la RAE:

Computadora Electrónica: máquina electrónica, analógica o digital, dotada de una memoriade gran capacidad y de métodos de tratamientode la información, capaz de resolver problemas matemáticos y lógicos mediante la utilización automática de programas informáticos


Historia de la ComputaciónHistoria de la ComputaciónLa historia de la computación se remontan ala edad dorada de la Grecia clásica o incluso más atrás a los tiempos de los faraones

No obstante, como nos interesa la computación usando computadoras electrónicas, el repaso de la historia de la computación se centrará en los avances más recientes, si bien no podemos ignorar la rica historia que nos respalda

Después de todo, ¡la computación es meramenteuna rama de la matemática!


Charles BabbageCharles BabbageCharles Babbage (1791-1871) fue un famoso matemático, filósofo e ingeniero inglés a quien se le atribuye haber creadola primer computadoramecánica programable

Se lo considera el Padrede la Computación

Su principal creación fuela Máquina Diferencial


Máquina DiferencialMáquina DiferencialLa Máquina Diferencial, si bien completamente diseñada en papel, no pudo ser fabricada por Babbage por cuestiones ajenas a él

La calidad de los engranajes disponibles en su época no era la apropiada

En 1991, usando unmaquinado moderno,se pudo completarfinalmente y poneren funcionamiento


Herman HollerithHerman HollerithHerman Hollerith (1860-1929)fue un estadístico americanoque creo quizás la primermáquina electrónicaprogramable para contar

Su invención es conocidacomo el Telar de Hollerith

Se basaba en una idea parecida a la usada en los telares de la revolución industrial para “programar” los distintos patrones de la tela a ser confeccionada


Telar de HollerithTelar de HollerithLa idea central del Telar de Hollerith era hacer uso de tarjetas perforadas para codificar distintas características

Cambiando la ubicación y la cantidad delas perforaciones se codificaban distintos aspectos

Hollerith fundó unacompañía para vendersu máquina que luegose unió con otras paraformar a... ¡IBM!


Z3 (1941)Z3 (1941)La Z3, creada en Alemania por Konrad Zuse durante la segunda guerra mundial, esla primer computadora electromecánicadel mundo

Recientementese pudo demostrarque es Turingcompleta

¿Qué implica que seaTuring completa?


Z3 (1941)Z3 (1941)Características:

Velocidad de reloj: 5.3 hertz

Suma en 0,8 segundos, multiplica en 3 segundos

Capacidad de memoria: 64 palabras de 22 bits

Operaba sólo en punto flotante, base 10

Consumo de electricidad: 4.000 watts

Peso: unos 1.000 kilogramos

Componentes: unos 2.000 relés, de los cuales 1.400se usaban para representar la memoria


Colossus (1944)Colossus (1944)Del otro lado del Canal de la Mancha,los británicos no se quedaron atrás,creando la computadora Colossus

Su principal uso era romper el código usado porlos alemanes para codificar sus comunicaciones

Su existencia se ocultópor ser considerada unsecreto de estado

Churchill ordenó que sedestruya por completo


Colossus (1944)Colossus (1944)No confundir con el dispositivo electromecánico diseñado por Turing para quebrar el esquema de encriptado alemán llamado enigma

Para más data ver:

The Imitation Game


ENIAC (1946)ENIAC (1946)Los americanos John Mauchly y Presper Eckert construyeron la ENIAC, la primer computadora electrónica de propósito general que además era Turing completa

Su principal propósitoera calcular las tablasde artillería para losdistintos tipos decañones de aquellaépoca


ENIAC (1946)ENIAC (1946)Características:

Operaba en decimal

Contaba con 20 acumuladores de 10 dígitos

Se programaba a mano usando interruptores

Calculaba unas 5.000 sumas por segundo

Componentes: 18.000 válvulas y 7.200 diodos

Peso: unos 27.000 Kg

Tamaño: ocupaba alrededor de 167 m²

Consumo de electricidad: 150.000 watts


EDSAC (1949)EDSAC (1949)El británico Maurice Wilkes puso en prácticalas ideas de John von Newmann al diseñar y construir la EDSAC, la primera computadora electrónica práctica de programa almacenado

La revolucionaria idea de Johnvon Newmann era usar la memoriade la computadora para almacenarno sólo datos sino ademásel programa a ser ejecutado

De nuevo, Alan S. Turing colaborócon von Newmann en este diseño


EDSAC (1949)EDSAC (1949)Características:

Operaba en binario, en notación complemento a dos

Capacidad de memoria: 1.024 palabras de 17 bits

La memoria era de tipo dinámica (como hoy en día)

La industria del software nació en el momento quese desarrolló el ensamblador para esta máquina

Al no contar con registros índices, para recorrer arreglos se debía apelar al código automodificable

La entrada era a través de tarjetas perforadas yla salida a través de una teletipo


Arquitectura von NewmannArquitectura von NewmannLa arquitectura de programa almacenado propuesta por John von Newmann esla que sigue en uso hoy en día

Se basa en cuatro componentes principales:

La CPU (Unidad Central de Proceso), la cual cuenta con su respectiva ALU (Unidad Aritmético-Lógica)

La memoria principal

Uno o más dispositivos de entrada y/o de salida

Un componente de control que orquesta la interacción entre todos estos componentes


Arquitectura von NewmannArquitectura von Newmann

CPU


EDVAC (1951)EDVAC (1951)Los creadores de la ENIAC junto con John von Newmann crearon la EDVAC, una computadora de programa almacenado que corregía algunas de las deficiencias de su predecesora

La programación era mucho mássencilla (no más interruptores)

Adoptaba el sistema binarioen vez del sistema decimal

Incorporaba la mayor parte de lasmejoras tecnológicas disponiblesal momento de su creación


EDVAC (1951)EDVAC (1951)Características:

Componentes: 6.000 válvulas y 12.000 diodos

Consumo eléctrico: 56.000 watts

Tamaño: ocupaba unos 46 m²

Peso: 7.850 Kg

Sumaba en 864 µs y multiplicaba en 2900 µs

Contaba con una unidad lecto/escritora de cinta

Mucho más confiable que los modelos anteriores,se la podía usar... ¡hasta 20 horas por día!


Invención del transistorInvención del transistorLa invención del transistor en 1947 revolucionó al incipiente campo de la computación

Sirve como reemplazo directo de las válvulas

Son más pequeños y más baratos

Disipan menos calor, en otras palabras, consumen menos corriente eléctrica

Se trata de un dispositivode estado sólido

Se fabrica a partir desilicio... esto es, ¡arena!


GeneracionesGeneracionesEl invención del transistor permitió construir computadoras tan diferentes a las anterioresque se habla de distintas generaciones

La primera generación está compuestade las computadoras que hemos enumerado,las cuales están construidas usando válvulas

La segunda generación está compuestade las nuevas computadoras construidas usando transistores

Por caso, la familia IBM 7000 o la DEC PDP-1


GeneracionesGeneracionesClaramente para poder hablar de una tercera generación iba a hacer falta una invencióntan radical como la del transistor

La invención en la década del '60de los circuitos integradosconstituyó esa invención radical

En consecuencia, la tercerageneración está compuestapor computadoras construidasusando circuitos integrados


GeneracionesGeneracionesPrimera generación (1941-1957)

Computadoras construidas usando válvulas

Segunda generación (1958-1964)

Computadoras construidas usando transistores

Tercera generación (1965-2019)

Computadoras construidas usando circuitos integrados

Algunos autores consideran a las computadoras más recientes (1978-2019) como una cuarta generación


Niveles de integraciónNiveles de integraciónUsando integrados SSI y MSI (1965-1971)

SSI hasta 100 transistores por chip

MSI de 100 a 3.000 transistores por chip

Usando integrados LSI (1971-1977)

De 3.000 a 100.000 transistores por chip

Usando integrados VLSI (1978-1991)

De 100.000 a 100.000.000 de transistores por chip

Usando integrados ULSI (1991-2019)

Más de 100.000.000 de transistores por chip


Sistema OperativoSistema OperativoUn componente faltante en estas primeras computadoras es el sistema operativo

¿Tiene sentido que hoy en día una computadorano cuente con su correspondiente sistema operativo?

Las tareas del sistema operativo era realizadas por los propios operadores

No era de extrañar ver decenas de operarios en torno a estas computadoras, para que entre todos lograran llevar adelante un cierto cómputo


Proceso de compilaciónProceso de compilaciónProtocolo para compilar un programa escritoen un cierto lenguaje de programación:

Buscar en el armario la caja de tarjetas perforadas conteniendo el programa compilador del lenguaje(por caso, para la época sería Fortran o Cobol)

Hacer correr esos cientos de tarjetas por el lectorde tarjetas hasta que la computadora se detenga(a la espera de ingresar el programa a ser compilado)

Poner en el lector el conjunto de tarjetas perforadas correspondientes al programa que queremos compilar y esperar a que sean procesadas


Proceso de compilaciónProceso de compilaciónContinúa:

En ese momento la perforadora de cinta entra en acción (¡ya que no se usaban monitores!). Pueden pasar dos cosas, que la compilación sea exitosa oque haya habido un error en el programa fuente

Si la compilación fue exitosa, la perforadora de cinta genera la versión ejecutable del programa

Si la compilación falló, se genera un reporte de cuál fue el error, pero eso significa tener que descartar y volver a perforar una o más tarjetas (por así decir,las tarjetas perforadas son “sólo lectura”)


Proceso de ejecuciónProceso de ejecuciónProtocolo para ejecutar el programa una vez compilado satisfactoriamente

Buscar en el armario las tarjetas perforadas asociadas al cargador de programas

Hacer pasar esas tarjetas por el lector de tarjetas hasta que la computadora se detenga

En ese punto se hace pasar la cinta perforada antes generadas por el compilador por el lector de cinta

En este punto, el programa puede o bien finalizar satisfactoriamente, o bien abortar su ejecuciónpor la mitad, o bien ciclar indefinidamente


Proceso de ejecuciónProceso de ejecuciónContinúa:

Si el programa termina de ejecutar y además cuenta con alguna forma de salida, se activará el teletipo oel perforador de cinta según corresponda

Si el programa aborta por la mitad su ejecución,se genera un volcado en impresora del estadode la memoria en ese momento para que el autordel programa intente descubrir qué pasó

Si el programa cicla indefinidamente, el operador tiene que darse cuenta e interrumpir su ejecución, generándose un volcado como en el caso anterior


IBM System/360IBM System/360Esta computadora introducida en 1964 constituye la primer familia de computadoras:

Todas tienen un set de instrucciones similar o incluso idéntico y usan el mismo sistema operativo

La principal diferencia entre las distintas versiones de la familia es su velocidad y su capacidad de memoria

Popularizó el conceptode que un byte tiene 8 bits

¡Casi termina teniendo 4 bits,o alternativamente 6 bits!


DEC PDP-8DEC PDP-8DEC creo en 1964 la primer minicomputadora.

El nombre hace referencia a otra invención contemporánea, la minifalda

No requería un equipo de aireacondicionado propio

Era lo suficientemente pequeñacomo entrar en un escritorio

Una bicoca para la época:$16.000 (la System/360 de IBMarrancaba en unos $100.000)


Ley de MooreLey de MooreGordon Moore, uno de los fundadores de Intel, observó que la densidad de los circuitos integrados crecía constantemente

Predijo que la cantidad de transistoresen los chips iba a duplicarse cada año

Tan precisa fue esa predicción que hoy se la conoce como la Ley de Moore

Desde la década del '70 este crecimientose desaceleró un poco:

Ahora... ¡sólo se duplica cada 18 meses!


Transistores por CPUTransistores por CPU


Transistores por CPUTransistores por CPU¿Qué beneficio genera contar dentrode un mismo chip con más transistores?

Los transistores de los integrados CMOS cuanto más pequeños resultan más veloces y disipan menos calor

Al ser más pequeños todos los componentes, sus interconexiones son mas cortas, y por ende pueden funcionar a mayor velocidad

El costo de fabricar un chip se ha mantenido relativamente constante, por lo que al aumentarel nivel de integración baja el costo (es decir,pagando lo mismo podemos hacer más que antes)


Ley de… Ley de… ¿¿Alejandro?Alejandro?La ley de Moore nos permite contar con CPUs más veloces…

¿Por qué más pequeño resulta más rápido?

La forma más simple de recordarlo es teniendo en cuenta la siguiente aseveración:

“No se puede ir rápido y lejos al mismo tiempo”

Volveremos a este principio numerosas veces a lo largo del resto de la carrera.


Evolución de la memoriaEvolución de la memoriaLa tecnología de la memoria principal de las primeras computadora era bien diversa

Una de las alternativas más populares de la época (1955-1975) fue la memoria de núcleo

Cada bit se almacenaba enun pequeño toroide magnético

Se trata de una memoriapersistente, pero cuyocontenido se destruye al leerlo

Era fabricada sólo por mujeres


Evolución de la memoriaEvolución de la memoriaEn la década del '70 finalmente se pudo aplicar la tecnología de los circuitos integrados ala producción de memoria

La tecnología de los semiconductores permitió empaquetar unos 256 bits en el espacio ocupadopor un único toroide de la memoria de núcleo

Las lecturas no eran destructivas y ademásel ciclo de lectura era mucho más veloz

Eso si, se trata de una memoria dinámica,el contenido se pierde pasado un cierto tiempo


Evolución de la memoriaEvolución de la memoriaUna vez implementada la memoria dentro de un circuito integrado, se pudo sacar provecho de los avances en el nivel de integración:

La capacidad de los módulos de memoria se duplica cada unos 12 meses

No obstante, sólo la capacidad de los módulos se incrementa de forma exponencial, no asísu velocidad

Existe una separación cada vez mayor entrelas velocidades del procesador y de la memoria


CPU vs. MemoriaCPU vs. Memoria


Soluciones ensayadasSoluciones ensayadasA lo largo del tiempo se han ensayado distintas alternativas para atemperar el impacto de esta creciente diferencia de desempeño:

Traer más información a la vez (que los módulosde memoria tengan más “patitas”)

Incorporar múltiples niveles de memoria cache

Minimizar los accesos a memoria (tarea tantodel programador como del compilador)

Mejorar la interconexión entre CPU y memoria(por ejemplo, haciendo uso de múltiples canales)


IntelIntelIntel introdujo en 1971 el i4004, el primer microprocesador

Un microprocesador contiene todos los componentes del CPU dentro de un único chip

Se trata de una arquitectura de 4 bits

En 1972 introdujo el i8008, de 8 bits

Tanto el i4004 como el i8008 eran de propósito específico

Luego, en 1974 introdujo el i8080, el primer microprocesador de propósito general


Intel 4004 (1971)Intel 4004 (1971)Características:

Arquitectura de 4 bits

Capacidad de memoria:4 KB (12 bits)

Transistores: 2.250

Tamaño: 12 mm²

Frecuencia: 108 KHz




Capacidad de memoria:1 MB (20 bits)

Transistores: 29.000

Tamaño: 23 mm²

Frecuencia: 5.000 KHz




Capacidad de memoria:4 GB (32 bits)

Transistores: 275.000

Tamaño: 104-39 mm²

Frecuencia: 12-33 MHz





Transistores: 1.200.000

Tamaño: 81 mm²


Cache: 8 KB

Incluye por primera vez un coprocesador matemático en el mismo chip


Intel Pentium (1993)Intel Pentium (1993)Características:




Tamaño: 294 mm²


Cache: 16-32 KB

Primer arquitectura x86superescalar


Intel Pentium III (1999)Intel Pentium III (1999)Características:

Arquitectura de 32 bits.



Tamaño: 125 mm²


Cache: 256-512 KB

Esta arquitectura es aún la basede los procesadores modernos


Intel Pentium IV (2000)Intel Pentium IV (2000)Características:




Tamaño: 145 mm²

Frecuencia: 1.3-3.8 GHz

Cache: 256-2048 KB

Primera implementación dela técnica de hyperthreading


Intel Core2 (2006)Intel Core2 (2006)Características:


Capacidad de memoria:64 GB - 8 EB (36-64 bits)


Tamaño: 143 mm²


Cache: 1-12 MB

Núcleos: 1, 2 ó 4


Intel Core i7 (2008)Intel Core i7 (2008)Características:



Transistores: 1.600.000.000

Tamaño: 160 mm²


Cache: 5-15 MB

Núcleos: 2, 4 ó 6


Intel Core i9Intel Core i9Características:



Transistores: ¡top secret!

Tamaño: 322-484 mm²

Frecuencia: 2.6-4 GHz

Cache: 24-43 MB

Núcleos: 10, 12, 14, 16 o 18


ARM Cortex-A9 (2007)ARM Cortex-A9 (2007)Características:


Capacidad de almacenamiento:1 GB de RAM / 16 o 32 GB de datos


Tamaño: 31 mm²

Frecuencia: 1.5 GHz

Cache: 16-64 KB

Núcleos: 22.3


A15 (2010) + A7 (2007)A15 (2010) + A7 (2007)Características:




Tamaño: ¡top secret!

Frecuencia: 1.6 GHz + 1.2 GHz

Cache: 512 KB - 4 MB

Núcleos: 4 + 44.2.2


A57 (2012) + A57 (2012) + A53 (2012)A53 (2012)Características:






Cache: 512 KB - 2 MB

Núcleos: 4 + 45.0


M2 (2017) + A53 (2012)M2 (2017) + A53 (2012)Características:


Capacidad de almacenamiento:4-6 GB de RAM / 64-128 GB de datos




Cache: 2 MB

Núcleos: 4 + 47.0


M4 (2019) + A75 (2017) + A55 (2017)M4 (2019) + A75 (2017) + A55 (2017)Características:


Capacidad de almacenamiento:8-12 GB de RAM / 128GB-1TB datos



Frecuencia: 2.73/2.71/1.95 GHz

Cache: 2-4 MB

Núcleos: 2 + 2 + 49.0


Hardware vs. SoftwareHardware vs. SoftwareLas computadoras hoy en día se componen esencialmente de hardware y de softwarte

Denominamos hardware a todo componente tangible, es decir, que se puede tocar

Por caso, procesador, memoria, teclado, etc.

En contraste, denominamos software alos restantes componentes intangibles

Por caso, el sistema operativo, los programasde aplicación, etc.


Principio de equivalenciaPrincipio de equivalenciaEl principio de equivalencia nos brindaun puente entre el hardware y el software:

“Todo lo que pueda ser implementado a nivel de software también puede ser reimplementado a nivel de hardware y todo lo que pueda ser implementadoa nivel de hardware puede ser reimplementadoa nivel de software”

La decisión de qué implementar en hardware y qué en software depende de otros parámetros:

Velocidad, costo, facilidad de mantenimiento, etc.


MicroprogramaciónMicroprogramaciónUna aplicación inmediata de la ley de equivalencia se puede observar, por caso,en las minicomputadoras de la compañía DEC

En ocasiones, las instrucciones máquina más complicadas se implementaban en un software de bajo nivel llamado microcódigo

Parte de las instrucciones estaban implementadas directamente en hardware, pero parte tambiénse implementaban a través de microprogramación

La idea era balancear costo vs. desempeño


MicroprogramaciónMicroprogramaciónLa técnica de microprogramación floreció principalmente durante el período quela memoria principal era excesivamente lenta

El contar con un set de instrucciones complejo permite generar programas más compactos y con menor requerimiento de ancho de banda a memoria

Este tipo de arquitectura se denomina casualmente Complex Instruction Set Computer (CISC)

La familia de procesadores Intel es el ejemplo más conocido de esta arquitectura CISC


MicroprogramaciónMicroprogramaciónLa utilidad de la microprogramación empezóa ceder de la mano de dos avances:

Por un lado el crecimiento exponencial de la cantidad de transistores disponibles permitió reimplementaren hardware más y más funcionalidad

Pero el mayor impacto vino de la mano de la mejora en el desempeño de la memoria principal

En la actualidad se opta por simplificar el set de instrucciones (RISC), mejorando el desempeño mediante el uso de pipeline y múltiples núcleos

La arquitectura ARM implementa esta filosofía.


Ciclo básico del CPUCiclo básico del CPULas computadoras llevan adelante infinitas veces su ciclo básico de operación:

Etapa Fetch: se busca la próxima instrucción a ser ejecutada, la cual es apuntada por el registro PC

Etapa Decode: luego, se determina de qué tipode instrucción se trata

Etapa Effective Address: se calcula la dirección efectiva referida por la instrucción (si es que alguna) y/o se busca en memoria los operandos para poder ejecutar la instrucción


Ciclo básico del CPUCiclo básico del CPUContinúa:

Etapa Execute: sabiendo de qué instrucción se trata y contando con los operandos que se necesiten se puede enviar todo a la ALU para que sea ejecutado

Etapa Memory: las arquitecturas que no permiten acceder a operandos en memoria cuentan con una etapa específica donde se accede a memoria para leer o escribir una determinada locación

Etapa Write-Back: usualmente el resultado de la operación se almacena en alguno de los registrosde la máquina durante esta etapa


Ciclo básico del CPUCiclo básico del CPU

WRITEBACK

WRITEBACK

FETCHFETCH

MEMORYMEMORY

DECODEDECODE

EXECUTEEXECUTE

EFFECTIVEADDRESS

EFFECTIVEADDRESS


Organización de la memoriaOrganización de la memoriaLa memoria se organiza como un arreglo den locaciones, cada una de k bits

Cada locación cuenta con unidentificador que la caracterizadenominado dirección

De igual forma, cada locaciónalmacena un contenido de k bits

Las operaciones básicas con la memoria son:

Leer un valor de la memoria

Escribir un valor en la memoria

011100100000:0001:0010:0011:0100:

1110:1111:

11100101000110010111001000100101

0011100110010110

… …


Interfaz con la memoriaInterfaz con la memoriaLa unidad controladora de la memoria cuenta esencialmente con dos registros:

El registro MAR el cual almacena la direcciónde una locación de memoria

El registro MDR el cual almacena el contenidode una locación de memoria

unidad controladorade la memoria

MAR MDR


Interfaz con la memoriaInterfaz con la memoriaOperación de lectura (load):

El procesador escribe la locación que se desea acceder en el registro MAR, luego activa la señalde lectura y finalmente accede al valor en cuestiónel cual estará disponible en el registro MDR

Operación de escritura (store):

El procesador escribe la locación que se desea acceder en el registro MAR y el contenido que se desea almacenar en el registro MDR y por último activala señal de escritura


¿¿Preguntas?Preguntas?

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