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ARQUITECTURA DE COMPUTADORAS
ARQUITECTURA VON NEUMANN
Prof. Juan Álvarez
CONTENIDO
Arquitectura y organización de computadoras. Conceptos
generales. Evolución de las computadoras. El estado actual
de la tecnología.
Estructura de la Máquina de von Neumann. Unidad Central
de Procesamiento (CPU), Memoria, Unidad de Interfaz de
Entrada/Salida, Buses y Periféricos. Principios de
operación.
Stallings, William. Organización y Arquitectura de
Computadores. 5ta. Edición. Editorial Prentice Hall, 2000.
Código biblioteca: 004.22/S78( Capítulo 2)
ARQUITECTURA DE COMPUTADORAS
Los términos de arquitectura y organización del computador
suelen tomarse como sinónimos en algunos textos. Stallings
se esfuerza en dar una definición precisa.
“La Arquitectura de computadores se refiere a los atributos de
un sistema que son visibles al programador”.
“La Organización de computadores se refiere a las unidades
funcionales y sus interconexiones, que materializan
especificaciones arquitectónicas”.
• El conjunto de instrucciones, el tamaño de los buses y de
los registros, el direccionamiento de memoria, son ejemplos
de atributos arquitectónicos. En cambio las señales de
control, las interfaces y los periféricos, la tecnología usada
en las memorias, son atributos de organización.
DATOS HISTÓRICOS
• Los computadores se clasifican por generaciones
basándose en la tecnología de hardware empleada.
• Cada nueva generación se caracteriza por una mayor
velocidad, mayor capacidad de memoria y menor tamaño
Gen
Fechas
Tecnología
Velocidad (MOPs)
1
1946-1957
Válvulas
0.04
2
1958-1964
Transistores
0.2
3
1965-1971
MSI
1
4
1972-1977
LSI
10
5
1978-????
VLSI
100
DATOS HISTÓRICOS
LA PRIMERA GENERACIÓN (1945-1957)
• El ENIAC (Electronic Numerical Integrator and
Computer) diseñado por John Mauchly y John Eckert en
la Universidad de Pennsylvania, fue el primer computador
electrónico. Esta máquina era de gran tamaño, pesaba 30
toneladas, ocupaba 15000 pies cuadrados, contenía más de
18000 tubos de vacío, consumía 140 kilowatios, efectuaba
5000 sumas por segundo. Era una máquina decimal.
EL ENIAC
DATOS HISTÓRICOS
• En 1946, Von Neumann, del Instituto para Estudios
Avanzados (IAS) de Princeton, inicia con sus colegas el
diseño de un nuevo computador basado en el
almacenamiento del programa y de los datos en una
memoria, donde el procesador leía las instrucciones.
MEMORIA
PRINCIPAL
Datos e
instrucciones
UNIDAD
ARITMETICO
LOGICA
Operaciones binarias
E/S
UNIDAD DE
CONTROL
ESTRUCTURA DE LA COMPUTADORA IAS
VON NEUMANN
DATOS HISTÓRICOS
• La estructura del computador IAS es similar a la expuesta
al inicio de estos apuntes. La Unidad de Control de
Programas y la Unidad Aritmético Lógica estarían
contenidos en lo que sería la Unidad Central de Proceso.
• En 1947, Eckert y Mauchly formaron una compañía para
fabricar computadores con fines comerciales y crearon la
línea de computadores UNIVAC (Universal Automatic
Computer).
DATOS HISTÓRICOS
• En 1953, la IBM sacó su primer computador con
programas almacenados electrónicamente utilizando
tarjetas perforadas. Con la serie de computadores
700/7000 la IBM se convierte en el fabricante de
computadores dominante.
DATOS HISTÓRICOS
SEGUNDA GENERACIÓN (1958-1964)
• El invento del transistor produce un cambio tecnológico
muy importante en la fabricación de computadoras:
reducción del calor disipado y de la energía consumida,
reducción del tamaño y aumento de la velocidad, reducción
del costo.
• En esta generación, las unidades aritméticas y lógicas y las
unidades de control son más complejas, se usa lenguajes de
alto nivel y se crea un software del sistema.
• El IBM 7094 es un ejemplo de esta generación. El tamaño
de la memoria principal es de 32K palabras de 36 bits, el
tiempo de acceso a memoria es de 1.4 microsegundos, el
número de códigos de operación es 185.
IBM 7094
DATOS HISTÓRICOS
TERCERA GENERACIÓN (1965-1971)
• Los primeros computadores de la segunda generación
contenían alrededor de 10000 transistores.Esta cantidad creció
a cientos de miles y se hizo difícil la fabricación de máquinas
más potentes.
• Los transistores se montaban individualmente con
encapsulados independientes interconectados con cables
separados en tarjetas de circuito impreso. Este proceso era
complejo, consumía tiempo y era propenso a fallas.
DATOS HISTÓRICOS
• Con los circuitos integrados los elementos electrónicos y
sus interconexiones se fabricaban en una misma oblea de
silicio. Con la tecnología microelectrónica surgieron chips
con una alta densidad de circuitos.
• Inicialmente se fabricaban y encapsulaban juntas unas
cuantas puertas o celdas de memoria: integración de
pequeña escala (SSI). Con el transcurrir del tiempo la
densidad de integración se incrementó rápidamente.
SSI CHIPS
DATOS HISTÓRICOS
Los circuitos integrados aportaron varias ventajas:
• Disminución del costo de los circuitos
• Incremento de la velocidad operativa
• Reducción del tamaño de la computadora
• Reducción de los requerimientos de potencia
• Mayor fiabilidad de los circuitos
DATOS HISTÓRICOS
Esta generación es liderada por la familia de computadoras
IBM/360 que produce un conjunto de modelos compatibles
con las siguientes características:
• Tamaño de memoria desde 64KB hasta 512KB
• Velocidad de transferencia de datos de la memoria desde
0.5MB/s hasta 16.0MB/s
• Velocidad de transferencia de datos de E/S desde 250KB/s
hasta 1250KB/s
• Tiempo de ciclo del procesador desde 1000ns hasta 200ns
• Número de módulos de datos de E/S independientes desde
3 hasta 6
IBM 360
DATOS HISTÓRICOS
CUARTA GENERACIÓN (1972-1977)
• En la década de los 70 se da un incremento en la densidad
de componentes de los circuitos integrados arriba de los
1000 transistores: integración a gran escala (LSI).
• Se construyeron los primeros procesadores de datos de 8
bits que tuvieron aplicaciones importantes en la industria
para controlar máquinas y circuitos.
• Aparecieron las memorias semiconductoras de creciente
capacidad, mejor rendimiento y menor costo que las
memorias magnéticas de la generación anterior.
LSI CHIPS
DATOS HISTÓRICOS
QUINTA GENERACIÓN (1978-????)
• A fines de los 70 se incrementa la densidad de transistores
arriba de los 100000 (VLSI) llegando a pasar del millón de
transistores a fines de siglo.
• En esta generación se desarrollan los microprocesadores de
gran poder y a partir de la década de los 80, las
computadoras personales invaden el mercado sustituyendo
significativos aparatos domésticos y de oficina en un lapso
de 20 años: la máquina de escribir, la calculadora de mesa,
el fax, los receptores y reproductores de video y de audio, el
servicio de correo tradicional, etc.
• Las computadoras son dotadas de medios de
comunicación, trabajo en red e inteligencia artificial.
VLSI CHIPS
DATOS HISTÓRICOS
GENERACION COMPUTADORAS HARDWARE
ENIAC, UNIVAC I, Tubos, tambores
1
IBM 700
magnetico
SOFTWARE
Codigo de maquina,
programa en
memoria
Transistores,
Lenguajes de alto
memoria de ferrita nivel
2
IBM 7094
3
IBM 360 Y 370,
PDP11
4
IBM 3090, Cray
XMP IBM PC
CI’s, memoria de
semiconductores,
microprocesadores
VLSI, redes,
discos opticos
5
SUN SPARC,
INTEL Paragon
ULSI, sistemas
paralelos
PERFORMANCE
2 Kb de memoria,
10 KIPS
32 Kb de memoria,
200 KIPS
Graficos, programas 2Mb de memoria, 5
estructurados
MIPS
Lenguajes orientado
a objetos, sistemas
expertos
Lenguajes paralelos,
procesamiento
simbolico
8 Mb de memoria,
30 MIPS
64 Mb de memoria
10 GFLOPS
ESTRUCTURA BÁSICA DEL COMPUTADOR
Uno de los computadores con el que se trabaja a diario es la
PC (la computadora personal). Al hacer una lista de sus
partes se ubican visiblemente el monitor, el teclado, el
mouse, la impresora, el scanner, los parlantes y una caja
sellada de la que salen o llegan todos los cables de
conexión.
En la caja sellada se puede observar la presencia de la
diskettera y del CDrom.
Si alguna vez se abre la caja sellada se encontrará adentro la
tarjeta madre, el disco duro, la fuente de alimentación.
La tarjeta madre contiene el procesador, las memorias, las
interfaces, los buses, la tarjeta modem, la tarjeta de video,
los conectores.
ESTRUCTURA BÁSICA DEL COMPUTADOR
ESTRUCTURA BÁSICA DEL COMPUTADOR
¿Son todas estas partes indispensables en un computador?
La lavadora de ropa contiene un computador, lo mismo que
la fotocopiadora, la cámara de video, el horno de
microondas, etc. Pero en estos casos no se advierte la
presencia de teclado, mouse, disco duro, diskettera,
impresora, monitor, parlantes. A estos dispositivos se les
llama periféricos. El computador está oculto, no visible,
dentro del aparato y contiene como mínimo un procesador,
memoria e interfaces.
ESTRUCTURA BÁSICA DEL COMPUTADOR
Por lo tanto, un computador está formado por tres bloques
básicos y por los medios de conexión llamados “buses” o
carriles.
Estos bloques son:
• la Unidad Central de Proceso (CPU),
• la Memoria
• las Interfaces de Entrada/Salida.
ESTRUCTURA BÁSICA DEL COMPUTADOR
ESTRUCTURA BÁSICA DEL COMPUTADOR
• La CPU coordina todas las actividades dentro del sistema:
secuencia la ejecución de instrucciones, coordina el
movimiento de los datos, los manipula, los conduce desde
la entrada hasta la salida.
• La Memoria sirve para almacenar instrucciones,
información codificada que dirige las actividades de la
CPU, y la Data a ser manipulada.
• El computador dispone de Puertos de Entrada o de Salida,
también llamados Interfaces de E/S, para permitir que la
CPU pueda recibir datos o comunicar sus resultados al
exterior.
ESTRUCTURA BÁSICA DEL COMPUTADOR
• La CPU puede alcanzar a cualquier dato almacenado en
memoria, pero también recurre a sistemas de
almacenamiento masivo externos con los que se comunica a
través de los puertos.
• La CPU unifica el sistema, controla las funciones
realizadas por otros componentes, siendo capaz de detectar
las instrucciones de memoria, decodificarlas y ejecutarlas.
Debe reconocer y responder a ciertas señales de control
como las de interrupciones y las de espera. Controla el
almacenamiento y lectura de los datos de la memoria y el
flujo de información vía interfaces de entrada salida.
ESTRUCTURA BÁSICA DEL COMPUTADOR
Cada una de las unidades del sistema consiste generalmente
en más de un circuito integrado, todos ellos están
interconectados a través de conductores agrupados según
el tipo de información que conducen.
Se distinguen tres tipos básicos de grupos de conductores:
• Bus de Datos
• Bus de Direcciones
• Bus de Control
ESTRUCTURA BÁSICA DEL COMPUTADOR
ESTRUCTURA BÁSICA DEL COMPUTADOR
• El Bus de Datos: conduce únicamente datos y/o
instrucciones que van a ser manipulados por la CPU.
• El número de conductores del bus de datos está en relación
directa al número de bits que constituye cada dato que
puede ser de 8, 16, 32, 64 ó 128 bits.
• La capacidad de manejo de información de un sistema
depende directamente del número de líneas del bus de
datos.
• En el bus de datos la información puede circular en ambos
sentidos, es bidireccional.
ESTRUCTURA BÁSICA DEL COMPUTADOR
• El Bus de Direcciones: cada unidad del sistema debe ser
direccionada para localizar la información contenida ya
sea en la memoria o en las interfaces.
• Estos buses transportan estas señales de direccionamiento
y el número de líneas puede ser de 4, 8, 12, 16, 20, 24, 32 ó
36 bits.
• Este bus transporta la dirección en un sólo sentido: desde
la CPU hacia la memoria o los puertos.
• El Bus de Control: forma el conjunto de conductores que
conducen señales de control y temporización del sistema.
Su número varía en cada sistema y la información fluye en
un sólo sentido, pero hay conductores que transmiten
información desde la CPU hacia las otras unidades y otros
que la transmiten desde las unidades hacia la CPU.
DEFINICIÓN
• Un microprocesador es un circuito integrado (CI) que
responde a las funciones de una CPU, en tanto que la
memoria está compuesta por varios CI formando un
conjunto de celdas de memoria para almacenar la Data. Lo
mismo se puede decir de las interfaces o puertos de
entrada/salida constituidos por varios circuitos integrados.
EVOLUCIÓN DE LOS PROCESADORES INTEL
Los microprocesadores Intel para PCs han evolucionado en
varios aspectos:
• Crecimiento exponencial de la frecuencia de reloj
• Crecimiento exponencial de la densidad de integración
• Incremento del número de bits en el Bus de Datos y en el
Bus de Direcciones
• Incremento de la Memoria Caché
• Continua incorporación de aplicaciones
• En el siguiente cuadro y la subsiguientes figuras se da un
resumen de varios de estos aspectos.
LEY DE MOORE
LEY DE MOORE