Arquitectura de Computadores I

1. Arquitectura de Computadores I Introducción – Breve reseña histórica

2. Arquitectura de computadores El concepto de arquitectura de un computador se refiere a la integración de su estructura física con su estructura lógica. ¿ Qué disciplinas integra el estudio de la arquitectura de computadores ? ¿ Por qué es importante para un ingeniero de sistemas y computación poseer conocimientos sobre arquitectura de computadores ? La arquitectura de computadores es un concepto que integra software, hardware, algoritmos y lenguajes de programación para el procesamiento de datos y la generación de información.

3. Arquitectura de Computadores La disciplina dedicada al estudio, diseño, construcción y aplicación de los computadores recibe el nombre de Arquitectura de Computadores. Su estudio se puede dividir en cinco grandes áreas: • 1. Entrada – Salida. • 2. Comunicaciones. • 3. Control. • 4. Procesamiento. • 5. Almacenamiento.

4. Sistemas de cómputo - Introducción “Hace 25 años había no más de 50.000 computadores en todo el mundo, hoy se venden diariamente alrededor de 150.000 computadores” El campo de la computación es extremadamente dinámico. A cada momento se diseñan y construyen máquinas cada vez mejores. Solo en Estados Unidos, el mercado de la computación representa entre el 5 y el 10 % del producto nacional.

5. Sistemas de cómputo - Introducción Los computadores han traído consigo la tercera revolución a nuestra civilización: La revolución de la información. El desarrollo y evolución de los sistemas de cómputo sirve de impulso a otras ciencias. El costo de estos sistemas disminuye a un ritmo solo comparable al del aumento en su potencia computacional. Las aplicaciones que antes eran poco factibles se convierten ahora en prácticas: Cajeros automáticos, Computadores en automóviles, Computadores de bolsillo, proyecto Genoma Humano, world wide web.

6. Sistemas de cómputo - Introducción Los buenos programadores siempre están interesados en el desempeño de sus programas. • En los años 60´s: Tamaño de la memoria. • Modelo actual: Esquema jerárquico de la memoria del sistema y la naturaleza paralela de los procesadores (*). • Construir software competitivo hoy en día implica necesariamente un conocimiento de la organización de los sistemas de cómputo.

7. Historia y evolución La era “de piedra” (5000 a.c. – 1650 d.c.): • Primeros dispositivos de cálculo: Huesos usados para contabilizar eventos, tablillas de arcilla, el ábaco, tablas para predecir eventos astronómicos, geometría y matemática aplicada. • Se desarrollan y escriben los primeros algoritmos. • Aparecen las primeras reglas de cálculo.

8. Historia y evolución La era mecánica (1620 - 1940): • Se perfeccionan las reglas de cálculo. • En el siglo XVII aparecen las primeras calculadoras mecánicas, destinadas a la relojería y juguetes. • A partir del siglo XIX aparecen los primeros dispositivos electromecánicos.

9. Historia y evolución La primera generación de computadores electrónicos: • Primeros computadores: Aparecen entre 1938 y 1939. Discretos y análogos. Relés de conmutación. • Tubos de vacío: ENIAC. Se bosqueja la “máquina de Von Newmann”. Aparición EDVAC y EDSAC. En Inglaterra aparece Colossus. Desarrollo de la arquitectura Harvard. • Uso de cables aislados y de aritmética bit a bit. No se maneja punto flotante. • UNIVAC I: Primera computadora comercial. Tubos de vació y cintas magnéticas.

10. Historia y evolución Segunda generación (1952 - 1963): • En 1954 Bell Laboratories construye el primer computador transistorizado del mundo. TRADIC. Usaba memorias de núcleo de ferrita y corrientes coincidentes. • Aparecen los lenguajes de programación de alto nivel (FORTRAN en 1957, COBOL en 1959 y ALGOL en 1960). • Aparecen los primeros PCB´s. • Paquetes de discos intercambiables.

11. Historia y evolución Tercera generación (1962 - 1975): • Aparecen los SSI. • PCB´s multicapa. • Desarrollo de compiladores inteligentes  Lenguajes de alto nivel más elaborados. • Multiprogramación: Intercalar la ejecución de programas en operaciones de Entrada – Salida. • Sistemas de tiempo compartido y computadores vectoriales. • El concepto de Memoria virtual.

12. Historia y evolución La cuarta generación (1972 - actualidad): • Uso de tecnologías LSI y VLSI. • Multiprocesamiento y mejora del desempeño usando pipelining. • Lenguajes de programación más elaborados. • Aparece el concepto de procesamiento en paralelo. • Computador y estaciones de trabajo personales.

13. Rendimiento y desempeño Por rendimiento o desempeño se entiende la manera en la que un sistema de cómputo particular resuelve cierto problema y enfrenta los casos previstos. Es una medida relativa y se usa como base de comparación En general para medir el desempeño se toma como base una operación común y muy sencilla para el sistema de cómputo y se evalúa la cantidad de operaciones que se pueden realizar en una base de tiempo dada.

14. Rendimiento y desempeño Es muy común adoptar la velocidad del sistema de cómputo para evaluar su desempeño  La frecuencia de reloj. La frecuencia de reloj del procesador no es una buena medida para comparar el desempeño de un sistema de cómputo, ni siquiera entre sistemas de la misma marca. La frecuencia de reloj sería útil como parámetro para comparar el desempeño entre sistemas con una misma arquitectura (CPU).

15. Rendimiento y desempeño Tiene más sentido medir las capacidades internas de la CPU. Por ejemplo: • En un DEC PDP – 11 con una frecuencia de reloj de 21 MHz (1983) , tomaría 480 s multiplicar dos enteros sin signo de 16 bits. • La misma operación le toma alrededor de 30 s a un 8088 de 4.77 MHz (1981).

16. Rendimiento y desempeño

17. Desarrollo de los microprocesadores 1975 Intel 8080. 2 MHz. 4 ciclos de reloj / ciclo de memoria de 8 bits (500kB/s). 1977 Zilog Z – 80. 4 MHz. 4 ciclos / 8 bits. (1 MB / s). 1981 Intel 8088. 5 MHz*. 5 ciclos / 8 bits. (1 MB / s).

18. Desarrollo de los microprocesadores • Intel 80286. 8 MHz. 3 ciclos / 16 bits. (5.3 MB / s). • Intel 80386. 33 MHz. 2 ciclos / 32 bits. (66 MB / s). • Intel 486DX2. 66 MHz. 2 ciclos / 32 bits. (132 MB / s). • Intel Pentium. 90 MHz y bus de 60 MHz. Picos de 160 MB / s. • Pentium II. 400 MHz. El bus de memoria tiene un 1 ciclo de 64 bits a 100 MHz, con picos de 800 MB / s. Es muy difícil calcular un valor exacto del desempeño real o promedio del procesador.