ARQUITECTURA DE COMPUTADORAS ARQUITECTURA VON NEUMANN Prof Juan

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. 5 ta. Edición. Editorial Prentice Hall, 2000. Código biblioteca: 004. 22/S 78( 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 32 K 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 64 KB hasta 512 KB • Velocidad de transferencia de datos de la memoria desde 0. 5 MB/s hasta 16. 0 MB/s • Velocidad de transferencia de datos de E/S desde 250 KB/s hasta 1250 KB/s • Tiempo de ciclo del procesador desde 1000 ns hasta 200 ns • 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

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