Arquitecturas de Computadores1 Introducción

Prof. Javier Cañas R.

Hardware

• PREGUNTA: ¿Qué es el hardware?

• RESPUESTA:

¡Lo que recibe los golpes cuando el software no funciona!

Temario

1. Ideas Preliminares

2. La Arquitectura de Computadores

3. Tendencias tecnológicas

4. Perspectiva Histórica

1 Ideas Preliminares

• La Arquitectura de Computadores constituye el fundamento de los llamados Sistemas de Computación y tiene una relación vital y sinérgica con un área muy importante de la economía mundial, siendo en la actualidad responsable de alrededor del 10% del PIB de USA.

... Ideas

• Los computadores constituyen sin duda el área de mayor dinamismo e innovación con un crecimiento espectacular desde su introducción alrededor del año 1940.

• Los computadores han cambiado la sociedad y lo seguirán haciendo.

... Ideas

• ¿Por qué estudiar Arquitectura?

• Algunas respuestas:

- La buena programación siempre ha considerado el desempeño los programas. Obtener resultados en forma rápida es un factor importantísimo en la elaboración de software exitoso.

... Ideas

- Entre los años 60 y 70 el tamaño de la memoria imponía una gran restricción en el desempeño de los programas. El dogma de fe de los programadores era: “minimizar el uso de memoria para crear programas rápidos”.

Evolución de la Tecnología

• Los Procesadores y la Memoria han evolucionado a tasas increíbles debido a que los diseñadores han ido de la mano con la última tecnología electrónica. La competencia ha sido un factor fundamental.

• El desempeño relativo por unidad de costo tiene un crecimiento explosivo. La siguiente diapositiva muestra una tabla con tecnologías relevantes.

Desempeño RelativoAño Tecnología Desempeño/costo unitario

1951 Tubos vacío 1

1965 Transistor 35

1975 CicuitosIntegrados 900

1995 VLSI 2.400.000

2 Arquitecturas de Computadores

• ¿Qué es la Arquitectura de Computadores?

Arquitectura de Computadores = Conjunto de Instrucciones + Organización de la Máquina

¿Qué es la Arquitectura de un Computador?

• Coordinación de muchos niveles de abstracción

• Todo bajo un Conjuntos de fuerzas cambiantes

I/O systemInstr. Set Proc.

Compilador

SistemaOperativo

Aplicaciones

Diseño DigitalCircuitos Elo

Instruction Set Architecture

Firmware

Datapath & Control

Layout

Fuerzas que actúan sobre la Arquitectura de Computadores

Arquitecturade computadores

Tecnología Lenguajes deProgramación

SistemasOperativos

Historia

Aplicaciones

(A = F / M)

3 Tendencias Tecnológicas

DRAMAño Tamaño1980 64 Kb1983 256 Kb1986 1 Mb1989 4 Mb1992 16 Mb1996 64 Mb1999 256 Mb2002 1 Gb2009 4 Gb

Capacidad de DRAM

... Tendencias

• Procesador

- Capacidad Lógica: cerca del 30% por año

- Frecuencia reloj: cerca del 20% por año

• Memoria

- Capacidad DRAM: cerca del 60% por año (4x cada 3 años)

- Velocidad Memoria: cerca del 10% por año

- Costo por bit: mejora cerca del 25% por año

• Discos

- Capacidad: cerca del 60% por año

La Ley de Moore

• La Ley de Moore establece las Curvas de Aprendizaje de la Industria de Semiconductores

MIPS = P · BtMejora

tP: Factor de ajusteB: Factor de aprendizajet: Tiempo en años

Ley de Moore: A precio constante, el desempeñose duplica cada 18 meses

B=1.48 (Ley de Moore)B=1.56 (Valor observado)

Tendencia en el desempeño

Microprocesadores

Minicomputadores

MainframesSupercomputadores

1995

Año

19901970 1975 1980 1985

Lo

g d

el

De

sem

pe

ño

CISC y RISC• En la década de los 80 se introduce la tecnología RISC

(reduced instruction set computers).

• Este cambio fue motivado por mejoras en tecnologías de compiladores y reducción de costos de memoria.

• RISC al comienzo ganó la batalla tecnológica, pero perdió la batalla del mercado.

• Virtualmente todos los procesadores que surgen después de 1982 siguen la filosofía RISC.

• Ejemplos: MIPS, SPARC, PA-RISC y Power PC.

4 Perspectiva Histórica

• Entendiendo el pasado, se comprenden mejor las fuerzas que van formando las arquitecturas del futuro.

• ¿Quienes inventaron el primer computador digital?

... Perspectiva

• Fueron dos ingenieros: J. Presper Eckert y John Mauchly del Moore School de la U. de Pennsylvania. Este primer computador se llamó ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator). Se utilizó en la 2ª Guerra para cálculo balístico. Usaba 18.000 tubos.

... Perspectiva

• En 1946, John von Neumann se acercó al proyecto ENIAC y contribuyó a su mejora introduciendo el concepto de programa almacenado (Arquitectura von Neuman)

Eniac 1946

... Perspectiva

• En 1946 Maurice Wilkes visitó el Moore School y al volver a su universidad (Cambridge), se embarcó en un proyecto denominado EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator).

• El EDSAC estuvo operativo en 1949, y fue el primer computador en funcionar bajo el concepto de programa almacenado, tal como lo entendemos actualmente.

... Perspectiva

• Otros nombres que figuran en la prehistoria son John Atanasoff que construyó un computador en pequeña escala en 1940, pero nunca estuvo operativo.

Edsac 1949

... Perspectiva

• A fines de 1930 y comienzo de 1940, en Alemania, Konrad Zuse, diseñó un computador programable, pero nunca consiguió recursos del gobierno para construirlo.

• El Z3 original fue destruido en 1943 durante un bombardeo aliado a Berlín.

... Perspectiva

• El Z3 estaba construido con 2300 relés, tenía una frecuencia de reloj de ~5 Hz, y una longitud de palabra de 22 bits.

Réplica del Z3 del Museo de Munich

... Perspectiva

• En Inglaterra, durante la 2ª Guerra se construyeron pequeños computadores de propósito general para desencriptar mensajes interferidos a los alemanes.

• El computador llamado Colossus fue mantenido en secreto hasta 1970. En este proyecto participó Alan Turing.

... Perspectiva

• Mientras se daban a conocer resultados del ENIAC, Howard Aiken en Harvard, construía el MARK I, (máquina con relés electromecánicos) y el MARK II (máquina a tubos). El Mark III y Mark IV tenían memoria de datos y programas separados (Arquitectura Harvard).

Colossus

... Perspectiva

• El proyecto Whirlwind comenzó en el MIT en 1947 para el análisis de señales de radar. Este proyecto motivó muchas innovaciones, pero la más importante fue la memoria magnética que se usó por 30 años.

• En diciembre de 1947, Eckert y Mauchly formaron una empresa que liberó el primer computador de propósito general en agosto de 1949. Se llamó el UNIVAC I (el precio fue US$106).

... Perspectiva

• IBM comenzó a construir computadores en 1950. El primer computador fue el IBM 701, vendido en 1952.

• En 1965, después de invertir US$5*109 salió al mercado el famoso sistema IBM 360 que dominó por mucho tiempo.

Univac (5000 tubos)

IBM 701

... Perspectiva

• Alrededor de 1966, DEC liberó el PDP-8, el primer minicomputador comercial. El costo era US$20.000.

• En 1971 Intel inventó el primer microprocesador. El Intel 4004.

... Perspectiva

• En 1963 se anunció el primer supercomputador. El CDC 6600. Fue construido por Seymour Cray que más tarde fundó Cray Research dando origen al Cray-1. En 1996 fue absorbida por Silicon Graphics marcando el fin de compañías especializadas en supercomputadores.

• En 1977 Steve Jobs y Steve Wozniak construyeron el Apple II fijando un estándar para la industria de computadores personales.

Apple II

... perspectiva

• El IBM PC fue anunciado en 1981 y ha sido el computador más vendido de la historia. El éxito del IBM PC hizo que el procesador Intel fuera el más vendido, lo mismo que el sistema operativo de Microsoft.

Dispositivos actuales

Generaciones de Computadores

• Primera generación (1950-1959)

- tecnología: Tubos al vacío

- producto principal: Computador electrónico comercial

• Segunda generación (1960-1968)

- tecnología: Transistores

- producto principal: Computadores baratos

• Tercera generación (1969-1977)

- tecnología: Circuitos Integrados

- producto principal: Minicomputador

• Cuarta generación (1978-???)

- tecnología: LSI y VLSI

- producto principal: PC y estaciones de trabajo

Arquitecturas de Computadores1 Introducción

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