Capítulo 1: Tecnologías de Computadores

Ing. Andrés Larco, MSc. Ing. Henry Paz, M.C.C.

2015B - SIC316

Agenda:0.0 Intro

1.1 Definición de computador

1.2 Estructura y función de un computador

1.3 Clasificación de los computadores

0.0 Intro

¿Por qué estudiar la organización y arquitectura de computadores?

IEEE/ACM

• El <<IEEE/ACM Computer curricula 2001 >> (Institute ofElectrical and Electronics Engineers/ Association forComputing Machinery), citan la Arquitectura deComputadores como uno de los temas centrales que debeestar en todos los currículos de todos los estudiantes delicenciatura e ingeniería informática.

IEEE/ACM

• El informe dice lo siguiente:

<<El computador está en el corazón de la informática. Sin él la mayoríade las asignaturas de informática serían hoy una rama de lamatemática teórica.

Para ser hoy un profesional en cualquier campo de la informática unono debe ver al computador como una caja negra que ejecutaprogramas magicamente.

Todos los estudiantes en cierta medida deben comprender y valorar loscomponentes funcionales de un computador, sus características, sufuncionamiento y sus interconexiones>>

IEEE/ACM

Razones para estudiar arquitectura de computadores:

• Asesorar en la selección del computador con la mejor relacióncalidad precio para ser utilizado en una gran empresa.

• Programar un procesador en C que este embebido en algún sistemaen tiempo real o sistema complejo, como un controlador electrónicode un auto.

• Los conceptos de arquitectura de computadores están relacionadoscon otras materias o cursos.

IMPORTANTEUso de acrónimos:

Un acrónimo es una palabra construida con las letras iníciales de cada palabra, como por ejemplo: RAM Random Access Memory

Abstracción.- Es la principal técnica para diseñar sofisticados sistemas de computación.

• Ejemplo:• Una memoria construida con circuitos integrados.

Internet Resources- Web sites to look for• WWW Computer Architecture Home Page

• CPU Info Center

• Processor Emporium

• ACM Special Interest Group on Computer Architecture

• IEEE Technical Committee on Computer Architecture

• Intel Technology Journal

• Manufacturer’s sites• Intel, IBM, etc.

Secretos de éxito:

• Esfuerzo• Dedicarse a leer e investigar intesamente• Dar lo mejor de usted como estudiante este semester

• Participación• Atender y participar en todas las clases y actividades prácticas.

• Planificación• Organizar su tiempo• Mejorar sus habitos de studio

• Altruismo• Ayudar y colaborar con sus compañeros

Máxima:

Escriba poco de lo que sabe

y nada de lo que no sabe

1.1 Definición de computador

Definición de computador

• La computadora, también conocida como computador u ordenador, es una máquina electrónica que permite el procesamiento de datos. El término proviene del latín computare (“calcular”).

• Una computadora está formada por una serie de circuitos integradosy otros componentes relacionados, que posibilitan la ejecución de una variedad de secuencias o rutinas de instrucciones indicadas por el usuario. Estas secuencias son sistematizadas en función de una gran variedad de aplicaciones prácticas y determinadas, en un proceso que se denomina como programación.

Definición de computador

• Para su funcionamiento, la computadora requiere de programas informáticos(software) que aportan datos específicos, necesarios para el procesamiento de datos.

• Aunque la tecnología ha evolucionado desde la aparición de las primeras computadoras en la década del ’40, la mayoría aún respeta la arquitectura de John von Neumann.

• Esta arquitectura concibe cuatro secciones principales en una computadora: la unidad lógica y aritmética (Arithmetic Logic Unit – ALU), la unidad de control, la memoria y los dispositivos de entrada y salida. Todas estas partes se encuentran interconectadas por un grupo de cables denominados buses.

• Los circuitos electrónicos más complejos son los incluidos en los chips de los microprocesadores modernos, que tienen dentro una ALU muy poderosa. Cada microprocesador puede contar con múltiples núcleos.

Computador de escritorio

1.2 Estructura y función de un computador

Arquitectura & Organización

• La arquitectura es un atributo visible para el programador• Conjunto de instrucciones, número de bits utilizados para la representación

de datos, mecanismos de E/S, técnicas de direccionamiento.

• Ejemplo: ¿Hay una instrucción de multiplicación?

• La organización es cómo se implementan las funciones• Las señales de control, interfaces, tecnología de memoria.

• Ejemplo: ¿Existe una unidad de multiplicación? O ¿se hace por adiciónrepetida?

Estructura & Función

•La estructura es la forma en que loscomponentes se relacionan entre sí

•La función es la operación de los componentesindividuales como parte de la estructura

Función

Las funciones del computador son:

• Procesamiento de datos

• Almacenamiento de datos

• Movimiento de datos

• Control

Vista Funcional

Operación (a) de Transferencia de Datos

Operación (b) Almacenamiento

Operación (c) Procesamiento desde/hasta el almacenamiento

Operación (d) Procesamientodesdealmacenamientohasta E/S

Estructura - Nivel Superior (WS)

Computador

Memoria

principal

Entrada

Salida

Sistemas de

interconección

Periféricos

Líneas de

comunicación

Unidad

central de

proceso

Computador

Estructura - Nivel Superior (P&H)

The Big Picture figura que muestra como es esta organización:

Estructura – CPU

Computador Unidad

aritmética y

lógica

Unidad de

control

Interconexión

CPU interna

Registros

CPU

E/S

Memoria

Buses del

Sistema

CPU

Estructura – Unidad de Control

CPU

Memoria

de control

Registros y

decodificadores

de la unidad de

control

Lógica

secuencialUnidad

de

Control

ALU

Registros

Unidad de Control

Buses

Sistema

1.3 Clasificación de los computadores

Clasificación general

Para tener una referencia más acertada de la clasificación de lascomputadoras de acuerdo a su capacidad de proceso, se consideraprincipalmente el tamaño en función del espacio que ocupa y lainfraestructura que requieren, también consideran diferentes tecnologías defabricación de sus procesadores, velocidades y capacidades deprocesamiento, sin perder de vista las aplicaciones que en ellas corren, sinembargo trataremos de hacer una clasificación general:

• De propósito general: cuando están dedicados a resolver cualquier tipode aplicación dependiendo de los programas o aplicaciones que se utilice.

• De propósito especial: cuando únicamente pueden resolver un tipoconcreto y particular de problemas como la computadora de un auto, enelevador o un controlador de temperatura.

Computadores analógicos, digitales e híbridos

• Computadores digitales: se caracterizan por procesar datos discretos (estos datos se conforman por unidades bien definidas, tales como dígitos de un valor numérico, letras, símbolos especiales, letras, etc.), la mayoría de las computadoras digitales son de propósito general, tales como una Desktop ó una Laptop.

• Computadores análogos: procesan datos continuos (se obtienen a partir de mediciones de aparatos), la mayoría de las computadoras análogas son de propósito específico, tales como las que controlan flujos de presión en refinerías ó las que controlan la inyección de diésel en los motores de autobús.

• Computadores híbridos: son aquellas que reúnen las características de las computadoras digitales y análogas, esto es, reciben datos procedentes de mediciones mediante un dispositivo electrónico interno y tales datos se transforman en valores discretos para su proceso, ejemplo son las básculas electrónicas.

Computadores digitales

Características de los computadores Digitales:

• Su funcionamiento está basado en el conteo de los valores que le son introducidos.

• Este tipo de computadora debe ser programada antes de ser utilizada para algún fin específico.

• Son máquinas de propósito general; dado un programa, ellas pueden resolver virtualmente todo tipo de problemas.

• Son precisas, proveen exactamente la respuesta correcta a algún problema específico.

• Estas computadoras tienen una gran memoria interna, donde pueden ser introducidos millones de caracteres.

Características de los computadores Digitales:

• Estas computadoras son las más utilizadas.

• En la actualidad el 95% de los computadores utilizados son digitales dado a su gran utilidad a nivel comercial, científico y educativo.

Una señal digital varía de forma discreta o discontinua a lo largo del tiempo. Parece como si la señal digital fuera variando "a intervalos" entre un valor máximo y un valor mínimo.

Por otra parte, una señal analógica es una señal que varía de forma continua a lo largo del tiempo.

Computadores digitales

Características de los Computadores Analógicos:

• Son rápidas pero la naturaleza directa de los circuitos que la componen las hacen aún más rápidas.

• La programación en estas computadoras no es necesaria; las relaciones de cálculo son construidas y forman parte de éstas.

• Son máquinas de propósitos específicos.

Computadores analógicos

Características de los Computadores Analógicos:

• Dan respuestas aproximadas, ya que están diseñadas para representar electrónicamente algunos conjuntos de daros del mundo real, por lo que sus resultados son cercanos a la realidad.

• Estos se utilizan generalmente para supervisar las condiciones del mundo real, tales como Viento, Temperatura, Sonido, Movimiento, etc

Generalmente se usan en problemas especiales en los que los datos de entrada provienen de mediciones convertidas a dígitos y son procesados por una computadora por ejemplo las Computadoras Híbridas controlan el radar de la defensa de Estados Unidos y de los vuelos comerciales.

Computadores analógicos

Computadores híbridos Características de los Computadores híbridos:

• La mayoría de las señales que representan una magnitud física (temperatura, luminosidad, humedad, etc.) son señales analógicas.

• Las señales analógicas pueden tomar todos los valores posibles de un intervalo; y las digitales solo pueden tomar dos valores posibles.

• Una computadora o cualquier sistema de control basado en un microprocesador no puede interpretar señales analógicas, ya que solo utiliza señales digitales.

• Es necesario traducir, o transformar en señales binarias, lo que se denomina proceso de digitalización o conversión de señales analógicas a digitales.

Clasificación de los computadores digitales

Clasificación de dependiendo del tamaño físico, desempeño y área de aplicación:

• Computadoras portátiles: Son equipos de cómputo pequeños, que pueden ser transportados con facilidad y no requieren instalaciones especiales (ej, Laptops, Palms, dispositivos handheld).

• Computadoras personales: Computadora para un usuario, de escritorio, con procesadores de una pastilla o circuito se usa en oficias, educación y aplicaciones doméstica.

• Minicomputadoras: En esencia es una computadora con grandes capacidades, basadas en un procesador de 32 o 64 bits y equipadas con muchos gigabytes de memoria. Su aplicación son los sistemas departamentales de tiempo compartido y servidores de red de archivos.

Clasificación de los computadores digitales

Clasificación de dependiendo del tamaño físico, desempeño y área de aplicación:

• Mainframes: Tienen capacidades de procesamiento muy sofisticadas, de igual forma en sus aplicaciones. Su uso se basa en el procesamiento de procesos en lote, en tiempo real y algunos otros de aplicaciones específica, dentro de sus aplicaciones están por ejemplo el procesamiento de transacciones, reservaciones aéreas, en donde se requiere el uso de grandes bases de datos y tiempos de respuesta muy rápidos.

• Supercomputadoras: diseñadas para maximizar el número de flops, no se considera supercomputadoras aquellas cuyo desempeño sea menor a un gigaflop/seg. Estas computadoras tienen arquitecturas en paralelo y son eficientes sólo para un rango reducido de problemas pero de consideraciones muy importantes.

Referencias:• Instructors: Mike Franklin and Dan Garcia

http://inst.eecs.berkeley.edu/~cs61c/fa11

• Instructors: Professor Krste Asanovic and Vladimir Stojanovic

http://inst.eecs.berkeley.edu/~cs61c/

• William Stallings, Computer Organization and Architecture: Designing for Performance, Ninth Edition, Prentice Hall, 2013, ISBN 13: 978-0-13-293633-0

• David A. Patterson and John L. Hennessy, Computer Organization And Design, Fourth Edition, Morgan Kaufmann Publishers, 2012, ISBN: 9780123747501

• Tanenbaum, Andrew S. and Todd Austin, Structured computer organization, 6th ed, Pearson Education, 2013, ISBN-13: 978-0-13-291652-3