unidad 1arquitectura de computadorasHernández Silva José Guadalupe

Organización y arquitectura.

• Arquitectura de computadoras• La arquitectura de computadoras es el diseño conceptual

y la estructura operacional fundamental de un sistema de computadora. Es decir, es un modelo y una descripción funcional de los requerimientos y las implementaciones de diseño para varias partes de una computadora, con especial interés en la forma en que la unidad central de proceso (UCP) trabaja internamente y accede a las direcciones de memoria.

• La arquitectura se refiere a las características del sistema que son visibles al programador, o sea que el programador va a tener que tener en cuenta al momento de programar (ejemplo de esto serian modos de direccionamiento, conjunto de instrucciones, cantidad de bits usados para representas los distintos tipos de datos. La organización en cambio es transparente a el programador, este no se preocupa por estos temas, señales del bus de control, interfaces entre periféricos y computador, tecnología usada en memoria, cantidad de caches, etc. 

• En general lo fabricantes de máquinas producen familias de pc con una misma arquitectura y a medida que pasa el tiempo salen nuevos modelos con la misma arquitectura, pero con una organización diferente, con lo cual logran una compatibilidad de software. Ejemplo de esto serian las PC comunes y una Macintosh, por poseer distinta arquitectura no son compatibles sus software. 

Evolución de las computadoras a través de la historia.

• Primera Generación: Válvulas de vacío (1945-1955).

• John Mauchly propuso construir una computadora electrónica digital para reemplazar al analizador diferencial, dando dos ventajas principales: la velocidad de la electrónica, y la precisión del principio digital. La computadora consistía de 18000 válvulas de vacío y 1500 relés. Consumía 140 KW/h y pesaba 30 toneladas. 

Segunda Generación: Transistores (1955-1965).• La primer computadora puramente basada en

transistores fue la TX-0 (Transitorized experimental computer 0), en el MIT. Esta fue un dispositivo usado para probar la TX-2. Uno de los ingenieros trabajando en este laboratorio, Kenneth Olsen, abandonó el laboratorio para formar la compañía DEC (Digital Equipment Company).

•En 1956, IBM introduce el primer disco duro. En el mismo año, se diseña la primer computadora comercial UNIVAC puramente basada en transistores. 

Tercera Generación: Circuitos Integrados (1965-1980)• Como fue mencionado, a fines de los años '50, ingenieros

en Fairchild Semiconductor Co. y en Texas Instrument desarrollaron el primer transistor plano, y mas adelante el primer circuito integrado plano. La invención del circuito integrado reveló el potencial para extender el costo y los beneficios de operación de los transistores a todos los circuitos producidos en masa. La invención del circuito integrado permitió que docenas de transistores se pusieran en el mismo chip. Este empaquetamiento permitió construir computadoras más pequeñas, rápidas y baratas que sus predecesores con transistores. Las primeras versiones de la IBM 360 eran transistorizadas, pero las versiones posteriores no solo eran más rápidas y poderosas, sino que fueron construidas en base a circuitos integrados. 

Cuarta Generación:• Computadoras personales y VLSI (1980 - ). 

En la década del '80, fue posible la Integración a Muy Alta Escala (VLSI - Very Large Sacel Integration) poniendo cientos de miles (y posteriormente millones) de transistores en un chip.

Jerarquía de niveles de una Computadora.

• Aplicación • Sistema operativo• Compilador• Ensamblador• Sistema de entrada/salida• Diseño digital• Diseño de circuitos

•Clasificación de las computadoras y sus niveles

SUPERCOMPUTADORAS•  Una supercomputadora es el tipo de computadora más

potente y más rápido que existe en un momento dado. Estas máquinas están diseñadas para procesar enormes cantidades de información en poco tiempo y son dedicadas a una tarea específica. Una de las llamadas supercomputadoras es capaz de procesar a la asombrosa velocidad de 600 megaflos (millones de flobs. Sistemas de computo caracterizados por su gran tamaño y enorme velocidad de procesamiento normalmente se utilizan en aplicaciones científicas y complejas. Dado que las supercomputadoras se construyen para procesar aplicaciones científicas complejas la velocidad del calculo del sistema es de primordial importancia. Para elevar al máximo la velocidad de los cálculos cada una de estas maquinas tienen procesadores de hasta 64 bits. 

• Así mismas son las más caras, sus precios alcanzan los 30 MILLONES de dólares y más; y cuentan con un control de temperatura especial, esto para disipar el calor que algunos componentes alcanzan a tener. Unos ejemplos de tareas a las que son expuestas las supercomputadoras son los siguientes: Búsqueda y estudio de la energía y armas nucleares. Búsqueda de yacimientos petrolíferos con grandes bases de datos sísmicos. El estudio y predicción de tornados. El estudio y predicción del clima de cualquier parte del mundo. La elaboración de maquetas y proyectos de la creación de aviones, simuladores de vuelo etc. 

Debido a su precio, son muy pocas las supercomputadoras que se construyen en un año. 

MINICOMPUTADORAS.• En 1960 surgió la mini computadora, una versión

más pequeña de la Macrocomputadora. Al ser orientada a tareas específicas, no necesitaba de todos los periféricos que necesita un Mainframe, y esto ayudo a reducir el precio y costos de mantenimiento. Las mini computadoras, en tamaño y poder de procesamiento, se encuentran entre los mainframes y las estaciones de trabajo. En general, una mini computadora, es un sistema multiproceso (varios procesos en paralelo) capaz de soportar de 10 hasta 200 usuarios simultáneamente. Actualmente se usan para almacenar grandes bases de datos, automatización industrial y aplicaciones multiusuario. 

MACROCOMPUTADORAS o MAINFRAMES. • Las macrocomputadoras son también conocidas como

Mainframes. Los mainframes son grandes, rápidos y caros sistemas que son capaces de controlar cientos de usuarios simultáneamente, así como cientos de dispositivos de entrada y salida. Los mainframes tienen un costo que va desde 350,000 dólares hasta varios millones de dólares. De alguna forma los mainframes son más poderosos que las supercomputadoras porque soportan más programas simultáneamente. Pero las supercomputadoras pueden ejecutar un sólo programa más rápido que un mainframe. En el pasado, los Mainframes ocupaban cuartos completos o hasta pisos enteros de algún edificio, hoy en día, un Mainframe es parecido a una hilera de archiveros en algún cuarto con piso falso, esto para ocultar los cientos de cables de los periféricos, y su temperatura tiene que estar controlada. 

Clasificación de las computadoras y sus instrucciones.

• Por introducción veremos que las computadoras por su capacidad de proceso se toman criterios demasiados ambiguos para marcar los tipos; así se tiene; 1. Las microcomputadoras o PC. 1. Mini computadoras. 1. Macrocomputadoras o Mainframe. 1. Supercomputadoras. 

microcomputadoras• 1.- Las microcomputadoras se utilizan para

aplicaciones caseras y de oficina normalmente para una sola persona por eso se les llama personales. 2.- Las mini computadoras emplean en aplicaciones de tamaño y medio usualmente para 30 o 40 usuarios. una escuela etc. 3.- En la categoría de las macrocomputadoras se utilizan para aplicaciones grandes tales como sistemas bancarios, administración, vuelos etc. 4.- Supercomputadoras. Se utilizan para aquellos problemas cuya solución requieren de una gran capacidad de computo, como una respuesta rápida por ejemplo: el control terrestre de un satélite, la administración de un rector nuclear, etc. 

Arquitectura de von Neumann

• La arquitectura de von Neumann es una familia de arquitecturas de computadoras que utilizan el mismo dispositivo de almacenamiento tanto para las instrucciones como para los datos (a diferencia de la arquitectura Harvard).

• La mayoría de computadoras modernas están basadas en esta arquitectura, aunque pueden incluir otros dispositivos adicionales, (por ejemplo, para gestionar las interrupciones de dispositivos externos como ratón, teclado, etc).

Arquitectura Harvard.• Este tipo de arquitectura se diferencia de la arquitectura Von

Neumann porque utiliza un sistema de almacenamiento separado físicamente para las instrucciones y para los datos. Las instrucciones y los datos se almacenan de manera separada en la memoria caché. El nombre proviene de la computador Harvard Mark I.La ventajas de uso de la arquitectura Harvard es cuando la frecuencia de lectura de las instrucciones y los datos es aproximadamente la misma. Esta arquitectura se usa principalmente en procesadores de señales digitales como el audio y el video.Cada memoria del micro dispone de un bus respectivo, lo que permite al CPU acceso de manera simultánea tanto a las instrucciones como a los datos. Un modelo de arquitectura Harvard sería el PIC16Fxxx con un bus de datos de 14-bits para memoria de programas y un bus independiente de 8-bits para acceder a la memoria de datos.

Procesadores: CISC y RISC• Los procesadores se agrupan hoy en dos familias, la más antigua y

común de las cuales es la "CISC" o "Complex Instruction Set Computer": computador de set complejo de instrucciones. Esto corresponde a procesadores que son capaces de ejecutarun gran número de instrucciones pre-definidas en lenguaje de máquina (del orden del centenar).

• Desde hace unos años se fabrican y utilizan en algunas máquinas procesadores "RISC" o "Reduced Instruction Set Computer", es decir con un número reducido de instrucciones. Esto permite una ejecución más rápida de las instrucciones pero requiere compiladores (o sea traductores automáticos de programas) más complejos ya que las instrucciones que un "CISC" podría admitir pero no un "RISC", deben ser escritas como combinaciones de varias instrucciones admisibles del "RISC". Se obtiene una ganancia en velocidad por el hecho que el RISC domina instrucciones muy frecuentes mientras son operaciones menos frecuentes las que deben descomponerse.

• Dentro de muy poco los usuarios dejaran de hacerse la pregunta ¿ RISC O CISC ?, puesto que la tendencia futura, nos lleva a pensar que ya no existirán los CISC puros.

• Hace ya tiempo que se ha empezado a investigar sobre microprocesadores "híbridos", es decir, han llevado a cabo el que las nuevas CPU's no sean en su cien por cien CISC, sino por el contrario, que estas ya contengan algunos aspectos de tecnología RISC. Este propósito se ha realizado con el fin de obtener ventajas procedentes de ambas tecnologías (mantener la compatibilidad x86 de los CISC, y a la vez aumentar las prestaciones hasta aproximarse a un RISC), sin embargo, este objetivo todavía no se ha conseguido, de momento se han introducido algunos puntos del RISC, lo cual no significa que hayan alcanzado un nivel optimo.

PRINCIPALES COMPONENTES DE LA COMPUTADORA.

• El procesador, también llamado Unidad Central de Proceso (UCP) (en inglés, Central Process Unit, CPU), es el lugar donde se interpretan y ejecutan las instrucciones de los programas. En él se distinguen dos partes principales: la unidad de control y la unidad aritmeticológica.

• La unidad de control se encarga de dirigir y coordinar todos los elementos de la Computadora. Cuando llega una instrucción de un programa, la interpreta y activa o desactiva los componentes necesarios para que se ejecute la acción indicada en la instrucción. Por ejemplo,si la instrucción indica que se muestre un valor en pantalla, se activará la pantalla y se enviará el valor que se debe mostrar, y el dato aparece en el monitor.

• La unidad aritmeticológica se encarga de realizar las operaciones aritméticas y lógicas. Las operaciones aritméticas se refieren a las operaciones de cálculo que realizan los programas: sumas, restas, multiplicaciones, etcétera. Las operaciones lógicas son generalmentede comparación, por ejemplo, saber si un valor es mayor que otro, si dos valores son iguales, etcétera.En las computadoras personales, la unidad de control y la unidad aritmeticológica se encuentran integradas en un solo chip que se denomina microprocesador.

• Un chip es una tarjeta pequeña con un conjunto diminuto de componentes electrónicos y sus conexiones.La memoria es uno de los principales componentes de la computadora. Su función consiste en almacenar las instrucciones y los datos durante la ejecución de los programas. Según su comportamiento, se pueden distinguir dos tipos de memorias: la memoria RAM y la memoria ROM.La memoria RAM (Random Access Memory) es el lugar donde se almacenan las instrucciones de los programas que se están ejecutando y los datos que éstos manejan. La capacidad de la memoria RAM de la computadora se indica en megabytes.

• La memoria RAM tiene las siguientes características:• Es de acceso aleatorio, puesto que se puede ir directamente a una determinada posición de la memoria sin pasar por las anteriores.• Es volátil, ya que cuando se apaga la computadora se borra todo su contenido.• Es de lectura/escritura, es decir, que se pueden leer los datos que tiene almacenados y escribir en ella nuevos datos o resultados.

• La memoria ROM (Read Only Memory) es una memoria permanente, es decir, no se borra al apagar la computadora. En ella están almacenadas las instrucciones básicas para el funcionamiento de la máquina y para las operaciones de entrada/salida (en inglés, Basic Input Output System, BIOS). Entre estas instrucciones se encuentra la rutina de arranque,que se encarga de indicar al hardware los pasos para comprobar el estado de los componentes de la computadora y cargar el sistema operativo para empezar a trabajar.

• Los dispositivos de entrada sirven para introducir información en la computadora. Los más utilizados son el teclado, el ratón, el escáner, el CD-ROM, el joystick, el micrófono y las cámaras digitales.

•Los dispositivos de salida sirven para obtener la información que ha sido procesada por la computadora. Los más utilizados son el monitor, las impresoras y el plotter.

• Los dispositivos de almacenamiento son utilizados tanto para guardar como para recuperar información, por lo que también son considerados como dispositivos de entrada/salida.

• TARJETA MADRE.•

la tarjeta madre es la tableta en donde se montan todos los componentes y sus interconexiones a manera de pistas (cobre adherido a la tarjeta). Básicamente es el dispositivo que aglutina a todos los demás, tales como microprocesador, buses, ranuras, zócalos, memoria, puertos, conectores, video, etc.

FUNCIONES DE UNA COMPUTADORA• Unidad de entrada. La mayor parte de los

ordenadores no aceptan los • datos en la forma en la que el hombre está

acostumbrado a manejarlos, • como son las formas escrita o hablada. Ya

sabemos que los datos deben • codificarse para que el ordenador los procese, lo

que se lleva a cabo en • dispositivos denominados unidades de entrada. El

ejemplo más común es el • teclado que poseen todos los ordenadores

personales.

• Los elementos básicos de un ordenador son: la unidad de entrada, el

• almacenamiento o memoria, la unidad aritmético-lógica, la unidad de salida y la

• unidad de control.

• Almacenamiento o memoria. Los datos y el programa encargado de

• procesarlos entra en la memoria o almacenamiento del ordenador y se

• mantienen allí mientras sea necesarios. El ordenador toma los datos de la

• memoria para procesarlos, finalizado el proceso, los devuelve de nuevo a la

• memoria.

• Proceso. Como ya sabemos, los datos se someten a un determinado

• proceso, es decir, sobre ellos el ordenador realiza operaciones de tipo

• aritmético, como sumarlos multiplicarlos, etc, o bien de tipo lógico, como

• compararlos. La parte del ordenador encargada de realizar el proceso con

• los datos recibe el nombre de unidad aritmético-lógica. En esta unidad las

• operaciones se llevan a cabo a velocidades verdaderamente muy altas:

• pueden sumarse muchos millones de cantidades en un solo segundo.

• Unidad de salida. Ya hemos visto que los resultados que provienen de un

• proceso se encuentran en la memoria. Para hacerlos visibles al usuario se

• utilizan medios especiales como impresoras, pantallas de video, etc. Se

• denominan, en general, unidades de salida. Así, se dice que una impresora

• produce una salida impresa o que unos resultados pueden verse en la

• pantalla o monitor del ordenador.

• Unidad de control. Ningún proceso se llevaría a cabo dentro del ordenador si

• éste no dispusiera de una unidad especial denominada unidad de control. Es

• la encargada de interpretar las operaciones a realizar con los datos y de

• producir las señales adecuadas para que el resto de las unidades que forman

• el ordenador, es decir, el hardware, realicen en cada momento y de forma

• adecuada la misión que tienen asignada.

• Agrupando ahora todas las funciones enumeradas anteriormente obtendremos

• el esquema general de un ordenador electrónico.

Estructuras de interconexión. • Cada uno de los componentes físicos • encargado de una determinada tarea • dentro del ordenador se denomina • módulo. Por ejemplo, el chip de la • memoria y el chip del • microprocesador son ejemplos de • módulos. • La ventaja de utilizar módulos es que • éstos se pueden interconectar entre • sí de una forma sencilla mediante • líneas bus o simplemente bus.

• Un bus interconecta distintos • dispositivos dentro de un sistema o • bien los distintos componentes • dentro de un dispositivo, por medio • de un conjunto de líneas eléctricas paralelas. La

figura muestra la interconexión de • la memoria con el procesador, a través de un bus. • Por un bus circulan realmente varios bits al mismo

tiempo, es decir, es una forma • de enviar datos en paralelo.

Funciones de entrada y salida. • Los dispositivos de entrada toman los datos que

son fácilmente legibles por el • hombre y los convierten en formato capaz de ser

interpretado por el ordenador. En • la Unidad anterior ya hemos hablado un poco de

como se lleva a cabo esa • conversión. Vamos a estudiar los medios físicos o

hardware de que dispone el • ordenado para la entrada de los datos.

• En general, existen dos clases de medios de • entrada: el teclado y la entrada directa. • Como ya sabemos el teclado convierte las • letras, los números y los caracteres • especiales en señales eléctricas que el • ordenador puede interpretar. • La entrada directa crea un conjunto de datos que

pueden ser interpretados por la • UCP directamente. No es necesario teclearlos, con

lo que se reduce el riesgo de • errores humanos.

La salida de información• Los datos que ha procesado el ordenador

permanecen en la memoria en una forma • interpretable por la máquina. • Para que puedan ser interpretados por las

personas es necesario emplear los • dispositivos de salida.