UNIDAD 2 Arquitectura de Computadoras

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1 DEPARTAMENTO DE ELECTRONICA Y AUTOMATICA UNIDAD 2 Arquitectura de Computadoras Cátedra: INFORMATICA I (BIO) COMPUTACION I (ELO)

2 UNIDAD 2 ARQUITECTURA DE COMPUTADORES Conceptos de bit, byte y word En una computadora, la unidad más elemental de información es el dígito binario (bit). Sin embargo, un solo bit puede brindar muy poca información. Por esta razón, la unidad primaria de información en una computadora es un grupo de bits que recibe el nombre de palabra. El tamaño de la palabra es tan importante que a menudo se usa para describir una computadora. El tamaño de la palabra también indica el tamaño de la palabra de la unidad de memoria. Por ejemplo, una computadora de 16 bits es aquella en la cual los datos e instrucciones se procesan en unidades de 16 bits y en consecuencia, una computadora de 16 bits tiene una unidad de memoria que almacena un cierto número de palabras de 16 bits. Los fabricantes de computadoras han utilizado una amplia variedad de tamaños de palabras. Las computadoras más grandes (maxi) tienen tamaños de palabra que van de 16 a 64 bits, con 32 bits como el número más común. Los tamaños de palabra en la microcomputadora van de 8 a 32, donde 16 bits representa la mayoría abrumadora. Muchas microcomputadoras utilizan un tamaño de palabra de 8 bits. Se hicieron varias microcomputadoras de 4 bits que fueron diseñadas para reemplazar a circuitos lógicos digitales. Las microcomputadoras de 16 bits y unas cuantas de 32 bits tienen como objetivo competir con las minicomputadoras. El Byte A un grupo de 8 bits se le conoce como byte y representa una unidad universalmente utilizada en la industria de la computación. Por ejemplo, una microcomputadora con una palabra de 8 bits se dice que tiene un tamaño de palabra de un byte. Puede decirse que una computadora de 16 bits tiene un tamaño de palabra de 2 bytes. Cuando se trabaja con microcomputadoras que tienen un tamaño de palabra de 8 bits, se usan los términos "palabra" y "byte" en forma intercambiable. Las microcomputadoras "antiguas" de 4 bits tienen un tamaño de palabra de medio byte. Esto se conoce con el nombre de "Nibble". Frecuentemente una computadora necesita procesar datos que no se pueden representar con solo una palabra, pues supera su campo de representación. En tales casos, pueden usarse dos o más palabras de memoria para almacenar los datos en partes. Arquitectura básica de computadoras Una computadora digital es una combinación de dispositivos y circuitos digitales que pueden realizar una secuencia programada de operaciones con un mínimo de intervención humana. A la secuencia de operaciones se le llama programa. el programa es un conjunto de instrucciones codificadas que se almacenan en la memoria interna de la máquina con todos los datos que el programa requiere. Cuando a la computadora se le ordena ejecutar el programa, ejecuta las instrucciones en el orden que están almacenadas en la memoria 2

3 hasta que el programa se completa. Esto lo hace a grandes velocidades y sin cometer errores. Las computadoras no piensan!. El programador ofrece un programa de instrucciones y los datos que especifican todos los detalles de lo que debe hacerse, para qué hacerlo y cuándo hacerlo. La computadora es simplemente una máquina de alta velocidad que puede manipular datos, resolver problemas y tomar decisiones, todo bajo el control del programa. Si el programador comete un error en el programa o introduce datos equivocados, la computadora producirá resultados erróneos. Un dicho popular en el campo de la computación es "si metes basura obtienes basura". Toda computadora contiene 5 elementos o unidades esenciales. La unidad aritmética y lógica (ALU), la unidad de memoria, la unidad de control, la unidad de entrada y la unidad de salida. La interconexión básica entre éstas unidades se muestra en la figura 2.1. Las flechas en ese diagrama indican la dirección del flujo de los datos, de la información y de las señales de control. En la figura, se usan dos flechas de diferente tamaño; las flechas mas anchas representan datos o información, las cuales consisten realmente en un número relativamente grande de líneas paralelas, a las cuales normalmente se le da el nombre de BUS, las flechas finas representan señales de control que por lo general constan de solo una línea, aunque puede corresponder a unas cuantas líneas. Las diversas flechas están numeradas para poder ser referenciadas. Unidad Aritmética y Lógica La ALU es el área de la computadora en la cual se realizan operaciones aritméticas y lógicas con datos (sumas, restas, transferencias, and, or, negación, etc). El tipo de operación que se realizará queda determinado por las señales de control que le envía la unidad de control (flecha 1). Los datos que serán utilizados por la ALU pueden provenir de la unidad de memoria (flecha 2) o de la unidad de entrada (flecha 3). Los resultados de las operaciones realizadas en la ALU pueden ser transferidos a la unidad de memoria para ser almacenados (flecha 4) o a la unidad de salida (flecha 5). Unidad de Memoria La memoria almacena grupos de dígitos binarios (palabras), que pueden representar instrucciones (programas) que la computadora ejecutará o datos que serán procesados por el programa. La memoria sirve también como almacenamiento de resultados intermedios y finales de operaciones aritméticas (flecha 4). La operación de la memoria es controlada por la unidad de control (flecha 6), que indica si se trata de una operación de lectura o escritura. Se accede a una locación dada en la memoria a través de un código de dirección adecuado entregado por la unidad de control (flecha 7). Se puede escribir información en la memoria proveniente de la ALU (flecha 4), o de la unidad de entrada (flecha 8), siempre bajo el control de la unidad de control. La memoria puede enviar información a ALU (flecha 2) o a la unidad de salida (flecha 9). Unidad de entrada Esta unidad agrupa a todos los dispositivos que se usan para ingresar información y datos del exterior a la computadora, a fin de colocarlos en la unidad de memoria (flecha 8) o en la ALU (flecha 3). La unidad de control determina hacia donde se envía la información de 3

4 entrada (flecha 10). La unidad de entrada se utiliza para introducir el programa y los datos en la unidad de memoria antes de iniciarse la operación de la computadora. Esta unidad se usa también para introducir datos en la ALU desde un dispositivo externo durante la ejecución de un programa. Algunos de los dispositivos de entrada mas comunes son los teclados, interruptores articulados (Joystick), teleimpresores, lectores de tarjetas perforadas, unidades de discos magnéticos, unidades de cintas magnéticas, conversores analógico-digital, etc. Figura Arquitectura general de una Computadora. Unidad de Salida Esta unidad agrupa a los dispositivos que se utilizan para transferir datos e información de la computadora al mundo exterior. Los dispositivos de salida están dirigidos por la unidad de control (flecha 12) y pueden recibir datos de la memoria (flecha 9) o de la ALU (flecha 5), después de colocarse en forma adecuada para su uso externo. Algunos ejemplos de dispositivos de salida mas comunes son luces indicadoras (display), impresoras, unidades de disco cinta, tubos de rayos catódicos, conversores digital-analógico, etc. Conforme la computadora ejecuta su programa, generalmente tiene resultados o señales de control que debe presentar al mundo exterior. Por ejemplo un sistema de computación grande podría tener una impresora de líneas como dispositivo de salida. Una microcomputadora podría exhibir sus resultados en un simple display. Sincronización. El aspecto más importante en las unidades de E/S es la sincronización, la cual se refiere a la adaptación de los distintos dispositivos, de manera que puedan funcionar de manera compatible y coordinada. La sincronización de la computadora se define más específicamente con la sincronización de la transmisión de información digital entre la computadora y los dispositivos externos de E/S. 4

5 Muchos dispositivos de E/S no son directamente compatibles con la computadora debido a las diferencias en sus características como por ej. velocidad de operación, formato de los datos (hex, ASCII, binarios), modo de trasmisión de datos (serie, paralelo) y nivel de señales lógicas. Dichos dispositivos de E/S requieren circuitos especiales de sincronización/adaptación (interfases) que le permitan comunicarse con las unidades de Control, de Memoria, ALU del sistema de cómputo. Un ejemplo muy común es la popular teletipo (TTY), la cual puede operar como dispositivo de E/S. La TTY transmite y recibe datos en forma serie (un bit por vez) mientras que la computadora maneja datos en paralelo. Por lo tanto, una TTY requiere de circuitos sincronizadores para poder enviar datos o recibirlos de un computador. Unidad de Control La función de la unidad de control es la de dirigir todas las operaciones que realizan las otras unidades, proporcionando las señales de habilitación y control. En este sentido, la unidad de control es como el director de una orquesta, quien es responsable de mantener a cada uno de los miembros de la orquesta en la sincronización adecuada. Esta unidad contiene circuitos lógicos y de habilitación que generan las señales necesarias para la ejecución de cada una de las instrucciones de un programa. La unidad de control busca y trae una instrucción de la memoria enviando una dirección (flecha 7) y un comando de lectura (flecha 6) a la unidad de memoria. La palabra de instrucción almacenada en la locación de memoria correspondiente, se transfiere a la unidad de control (flecha 11). Esta palabra de instrucción, que esta en alguna forma de código binario, es decodificada (interpretada) después por los circuitos lógicos de la unidad de control para determinar que instrucción es la solicitada. La unidad de control utiliza esta información para generar las señales necesarias para ejecutar la instrucción. Unidad central de procesamiento (CPU) En la figura 2.1, la ALU y la unidad de control se muestran combinadas en una unidad central de procesamiento (CPU). Esto se hace comúnmente con el objeto de separar el "cerebro" real de la computadora de las otras unidades. En las microcomputadoras la CPU está contenida en un solo circuito integrado de alta escala de integración (LSI) llamado microprocesador. Las funciones principales de un microprocesador utilizado como CPU de un microcomputador son: controlar el flujo de información. realizar operaciones con los datos. gestionar la memoria. gobernar toda la actividad del computador de acuerdo a las instrucciones recibidas. En torno al microprocesador prestan sus servicios las restantes unidades ya descritas, y que dan cuerpo a la máquina programable que denominamos computador. El ingreso del microprocesador en éste marco de aplicación ha dado nacimiento a la microinformática. Los microcomputadores o sistemas para el tratamiento de la información basados en un microprocesador, han alcanzado gran difusión. Ciertamente, son incontables las aplicaciones del microprocesador. Podemos encontrarlo constituyendo el núcleo electrónico de instrumentos de medidas, de aparatos electrónicos, de máquinas herramientas, de juegos electrónicos, de microcomputadores. 5

6 Arquitectura de dos Barras Esta arquitectura surge por la necesidad de reducir el numero de líneas físicas de interconexión entre las distintas unidades de la maquina. Por ejemplo, para una maquina de 8 bits y capacidad de direccionamiento de bytes con la arquitectura de la figura 2.1, se requiere de aproximadamente 70 líneas para comandar la Unidad de memoria. Para el caso de la arquitectura de dos barras (buses) se necesitarían de solo 28 líneas. Esta reducción en el número de interconexiones se logra a costa de perdida de velocidad ya que solo dos dispositivos pueden interactuar simultáneamente. El modo de trabajo de un dispositivo con esta arquitectura es prácticamente el mismo que el de la arquitectura general explicado en párrafos anteriores. Bus de Datos Unidad Central de Procesamiento Bus de Direcciones Memoria de Programa Memoria de Datos Enlace a Periféricos I T M Figura Arquitectura de dos barras. PROCESADORES A principios de 1970 los procesadores (microprocesadores - CPU) que dominaban la informática eran los de 8 bits, también llamados micros de ocho bits. En realidad esta cantidad (8 bits) se refiere al ancho de palabra que pueden manejar. Este fue el momento de las así llamadas Home Computers, tales como la línea MSX de Talent que utilizaba el procesador Z80 de Zilog, Radio Shack con un 6809 de Motorola, la Commodore 64 que utilizaba el procesador 6510 de Rockweil y Apple de Macintosh. Por aquellos días la empresa IBM decidió ingresar al mercado con una máquina más potente, nació así la IBM PC. la principal característica de esta computadora era el revolucionario procesador que 6

7 tenía, el Intel En realidad el primer, procesador creado por Intel fué el 8086 y luego modificado para lograr el Este procesador, el 8088 tiene las siguientes características: Arquitectura interna de 16 bits, esto significa que el ancho de palabra de datos que maneja internamente es de 16 bits. Si bien esto fue un gran avance consideremos que para la época todos los circuitos integrados asociados a un sistema de cómputo estaban pensados para procesadores de 8 bits, por lo cual el 8088 posee una arquitectura externa de 8 bits. Este tipo de arquitectura posibilitaba principalmente una potencia de cálculo varias veces mayor que las CPU's de 8 bits. El bus de direcciones posee 20 líneas posibilitando un direccionamiento de hasta 1 Megabyte que comparado a los 64 KB de una maquina de 8 bits. Velocidad de 4.77 Mhz, más del doble que sus predecesores. Posibilidad de agregar un coprocesador matemático cuya función era la de relevar a la CPU en cálculos matemáticos en aritmética de punto flotante su nombre fue Mientras tanto lntel Corporation continuaba con la evolución en la creación de nuevos procesadores, tanto que hoy se habla de la familia de procesadores 80x86. Debido a las grandes ventajas ofrecida por el IBM PC los usuarios se volcaron masivamente a su adquisición y al desarrollo de software y hardware adecuado para tal sistema. No pasó mucho tiempo y aparece en el mercado el IBM PC-XT llamado así por la incorporación de un disco rígido de 5 Mbytes. También se modifica la velocidad del procesador a 12Mhz (fabricado por NEC y denominado NE V20), potenciando aun más sus características. Casi simultáneamente a este suceso lntel lanza al mercado los procesadores y que no tuvieron demasiado eco en IBM prácticamente no fue utilizado para PC, su mejora simplemente no era sustancial. Demasiado pronto, el mercado comenzó a exigir mayor potencia en lo sistemas de cómputo. Al mismo tiempo, los ingenieros de Intel vieron la posibilidad de cambiar el rumbo en la familia de procesadores permitiendo que estos alivianaran a nivel de hardware la operación de los Sistemas Operativos multitarea y multiusuario, es decir más de una tarea trabajando simultáneamente y más de un usuario conectado al sistema. Para tal fin, Intel lanza al mercado el procesador con las siguientes características: Bus de datos 16 bits Bus de direcciones 24 bits (16 Mbytes) Velocidad 8, 10 Mhz Posibilidad de trabajar en dos modos: real 8086 y protegido. El modo real 8086 hacía que el procesador se comportara como un procesador 8086 mas rápido, no sólo por la velocidad del reloj sino también por su arquitectura total de 16 bits. El modo protegido se refería a que el procesador aceptaba Sistemas Operativos multitareas y multiusuarios tal como UNIX, protegiendo a cada usuario y a cada tarea (imposibilidad de mezcla de información y pérdida del control del procesador). Si bien esto parecía una buena solución existía el problema de que la conmutación entre estos modos no era trivial, por no decir casi imposible. Sin embargo IBM lanza al mercado el IBM PC-AT con este procesador como CPU. También permitía que se agregara el coprocesador matemático llamado que no era más que un 8087 más rápido. Dos años después, Intel crea el procesador con este último problema solucionado. Las características de este son: Bus de datos de 32 bits. 7

8 Bus de direcciones de 32 bits (4 Giga Bytes). Velocidad 16Mhz. Posibilidad de trabajar en tres modos: real 8086, protegido y virtual Conmutación de modos inmediato. Paginado y/o segmentación de la memoria. Unidad de manejo de memoria en el chip. Los modos real 8086 y protegido eran iguales a los del 80286, en cambio el modo virtual 8086 agregado significaba que en un sistema multiusuario el procesador le hacía corresponder a cada usuario un 8086, o visto de otra manera una XT completa. A este procesador se la llamó 80386DX. Para aprovechar las motherboard o placas madres basadas en el existentes se lanza también al mercado el procesador 80386SX que era un procesador con arquitectura interna 386 y externa 286 y con la conmutación entre modos mejorada, en definitiva un mas rápido. Con estos procesadores IBM saca los sistemas IBM PC-AT386DX y IBM PC-AT386SX. Las primeras son las que mayores ventas tuvieron aunque las SX para ambientes de red como estaciones de trabajo funcionaron muy bien. El sistema DX aceptaba un coprocesador matemático llamado adaptado a las características del procesador, en cambio el sistema SX aceptaba el En esta época de la evolución de los procesadores y sistemas aparecen otras fuentes fabricantes de procesadores tales como AMD (Advanced Micro Devices ) y Cyrix con procesadores 386 compatibles. Para hacer frente a tal efecto lntel modifica las velocidades de los procesadores llevándolos a 20, 25, 33, 60 Mhz. Como era de esperar los otros fabricantes hacen lo mismo y en algunos casas hasta superaron la velocidad de los procesadores de Intel. También aparecen en escena los llamados Rapid CAD, o conjunto de procesador y coprocesador extraídos de la misma oblea de silicio en el momento de la fabricación. Debido a que la tecnología en función del precio de los otros dispositivos, tales corno memorias, buses y placas no acompañó el avance de los procesadores, era inútil aumentar la velocidad de los mismos. Para solucionar este problema se utiliza una memoria de baja capacidad (256Kbyto 512Kbyte o 1Mbyte) pero de alta velocidad para que se comunique con el procesador, y a su vez esta memoria se comunica con la memoria principal a menor velocidad. A esta memoria se le llama memoria Caché. Para que esto funcione adecuadamente debe existir un mecanismo que arbitre tal situación denominada Unidad de manejo de memoria. Este tipo de memoria solo existe en sistemas basados en el 80386DX no así en el SX. El próximo procesador que apareció en el mercado fue llamado 80486, sus características principales son: Bus de datos 32 bits. Bus de direcciones 32 bits. Velocidad 33 y 50 MHz. Posibilidad de trabajar en tres modos: real 8086, protegido y virtual Conmutación de modos inmediato. Paginado y/o segmentación de la memoria. Unidad de manejo de memoria optimizada. 8

9 Coprocesador matemático integrado en el chip. De acuerdo a las características antes mencionadas se desprende de inmediato que la inclusión del coprocesador matemático y de la caché en el chip junto a la CPU hace que este procesador tenga un rendimiento mayor al del Por lo demás su comportamiento es similar al de su predecesor. Al mismo tiempo aparece el 80486SX que es un 486 sin el coprocesador matemático. Así nace la PC AT486. Las velocidades de trabajo de este procesador hacen que el diseño de las placas madres y de los materiales utilizados para su fabricación sea de buena calidad. No todos los fabricantes de sistemas PC estaban e condiciones de hacer frente a tal exigencia, por tal motivo Intel lanza al mercado el procesador 80486DX2 que tiene la particularidad de trabajar a dos velocidades diferentes, es decir internamente a alta velocidad y externamente a la mitad. Por ejemplo el procesador 80486DX2 de 66mhz de velocidad trabaja a 66Mhz internamente y a 33mhz externamente o para comunicar con el exterior. Luego apareció el DX4 que en lugar de trabajar internamente a 4 veces la velocidad externa lo hace a 3. Por ejemplo el DX4 de 100Mhz trabaja externamente a 33mhz. Otra modificación de los DX4 es su tensión de alimentación de 3,3 volts, estos son los procesadores ecológicos o verdes. Ya en la mitad de la década del 90 aparece en escena el procesador 586, P5 o como se lo conoce habitualmente Pentium, sus características son: Bus de datos 64 bits. Bus de direcciones 32 bits. Velocidad 66, 90, 100 y 133 MHz. Posibilidad de trabajar en tres modos: real 8086, protegido y virtual Conmutación de modos inmediato. Paginado y/o segmentación de la memoria Unidad de manejo de memoria optimizada. Coprocesador matemático integrado en el chip. Caché interna de 1 Kbyte a 8Kbyte. Dispone de dos ALU s. Si bien este procesador no satisfizo las expectativas generadas antes de su lanzamiento al mercado podemos decir que es el comienzo de una nueva generación de procesadores de altas prestaciones. El hecho de disponer de dos ALU s posibilita la ejecución de más de una instrucción simultáneamente, hecho que se refleja directamente en el rendimiento del sistema. La tendencia actual es PC s basadas en estos procesadores. Las empresas como Cyrix, AMD, Next y otras tienen sus propios procesadores que compiten con el Pentium, pero por ahora sin resultados satisfactorios debido a un problema tecnológico y de compatibilidad. Entre estos nuevos procesadores mencionamos al M1 y K5 que son dos de los más conocidos que compiten con el Pentium. Tabla Resumida de los Microprocesadores Bus de Datos Bus de Direcciones Velocidad Mhz 9 Coprocesa dor Caché Intern a Caché Externa Sistema 8086/88 16/ , 12 No No No PC-XT , 10, 16, No No No PC- 20,25 AT286

10 , 25, 33, 60 No No Si PC- AT , 50, 66 Si Si Si PC- AT486 Pentium , 90, Si Si Si Pentium 100 Pentium II , 450 Si Si Si Pentium II Pentium III , 860 Si Si Si Pentium III Pentium IV , 3000 Si Si Si Pentium IV EVOLUCION DE LOS MICROPROCESADORES Intel 4004 Primer microprocesador de un solo chip Diseñado para que pueda ser utilizado para diferentes aplicaciones Bus de datos de 4 bits (1 nibble) Año Vel. Reloj Transistores Fabricante MHz 2250 Intel Intel 8086 y 8088 Arquitectura básica de todas las PC actuales (286, 386, 486, Pentium, etc.) Terminó siendo la más exitosa entre sus competidoras de esa época (Motorola 68000, TI 9900 y Z-800) En parte su éxito se debió a: Compatibilidad con las 8080/8085 y la familia Z-80 Relativamente bajo precio La variante 8088 contenía un diseño de 16 bits internos y 8 para la E/S Año Vel. Reloj Transistores Fabricante MHz y 4-12MHz Intel Intel Fue principalmente diseñada para reducir costos No fué muy vendida porque la 286 salió casi inmediatamente después Año Vel. Reloj Transistores Fabricante MHz? Intel 10

11 Intel 286 La primera 286 fue diseñada después de la 386, pero como la 386 era muy cara y difícil de fabricar se creó la 286 como diseño intermedio lo que produjo el mayor éxito de ventas en 10 años. Todavía se ven algunas, trabajando principalmente como cajas registradoras Año Vel. Reloj Transistores Fabricante MHz Intel y otras fuentes 386DX - SX La 386DX-16 fue la primer 386. Escencialmente, todas los procesadores posteriores (486, pentium, etc) son básicamente 386 más veloces Posee un mejor manejo de la memoria, tiene capacidades multitarea, puede cambiar fácilmente entre el modo real, protegido, e introduce el modo virtual Es posible correr windows 95 y 98 (aunque muy lento), si se tiene la suficiente memoria. Hasta ahora ninguna máquina de la familia de la x86 ha logrado un salto tan grande como el producido con su aparición en el mercado. Las Pc s con 386 eran muy caras (hasta US$ 5000). Año Vel. Reloj Transistores Fabricante MHz a 40Mhz, dependiendo del modelo Intel Intel 486SX, DX, etc Eran básicamente 386s pero más rápidas, con algunas instrucciones más y más memoria Intodujo nuevas técnicas para el procesamiento de las instrucciones (Pipeline) Algunas no traían co-procesador matemático (486SX) para que intel bajara los precios y pudiera con la competencia de AMD y Cyrix Año Vel. Reloj Transistores Fabricante MHz a 120MHz a 3.1 millones Intel Intel Pentium 11

12 Con su aparición produjo un salto tecnológico muy importante, llevando la tecnología de las grandes computadoras (mainframes) a las computadoras de escritorio PC. Primera CPU x86 super-escalar, es decir ejecutaba más de 1 instrucción por ciclo de reloj, por lo que una Pentium 75 MHz podía ser más rápida que una Mhz. Los precios iniciales eran muy altos así como el de las placas principales (mother boards) necesarias para su funcionamiento. En casos ideales (programas compilados para Pentium) eran de casi el doble de velocidad del 486, pero pocos programas cumplían esta condición. Los procesadores ya empezaban a requerir disipadores y coolers debido a las altas temperaturas de funcionamiento. Año Vel. Reloj Transistores Fabricante MHz - 200MHz 3.1 millones millones Intel Cyrix 5x86 y AMD 5x86 Sólo eran 486 más rápidas Adaptadas para colocarse en sockets de 486 Tuvieron mucho éxito pero estuvieron poco tiempo en el mercado Año Vel. Reloj Transistores Fabricante MHz - 133MHz 1.4 millones millones AMD - IBM AMD K5 - Cyrix 6x86-120(M1) Cuando salió estaba muy atrás de sus competidores (en velocidad) Era técnicamente el más avanzado de su tiempo Utilizaba un diseño x86risc (Transformaba instrucciones CISC en "micro-ops" más pequeñas) Para propósitos prácticos, el primer K5 era equivalente a un Pentium-90 Ya no eran "clones" de intel, sino que implementaban su propia tecnología Año Vel. Reloj Transistores Fabricante MHz - 200MHz 4.3 millones millones AMD - IBM Pentium Pro 200 Eran 2 chips unidos en uno Cache secundario en el micro Era de gran tamaño, de alta temperatura de trabajo y costoso de producir Trabajaba a 32 bits (lo cual sólo era aprovechado por sistemas operativos de 32 bits) Introducía un núcleo RISC Año Vel. Reloj Transistores Fabricante MHz - 200MHz 5.5 millones Intel 12

13 Pentium MMX Incluía instrucciones para multimedia (MMX) Incluía una suma de pequeñas mejoras que lo convirtieron en el último y mejor de los Pentiums Año Vel. Reloj Transistores Fabricante MHz - 233MHz 4.4 millones Intel AMD K6 Producido por la fusión de las empresas AMD-NexGen Tuvo tanto éxito que no se podía satisfacer su demanda, por lo que su precio subió. Su mayor debilidad era la unidad de punto flotante. Las posteriores K6-2 incluían extensiones gráficas (3D-Now), además de las MMX Año Vel. Reloj Transistores Fabricante MHz - 266MHz 8.8 Millones AMD Cyrix IBM 6x86MX Muy rápida Extremadamente barata Tuvo mucho éxito Año Vel. Reloj Transistores Fabricante MHz - 200MHz 6.6 millones IBM Intel Pentium II Tuvo un mayor éxito que el Pentium Pro Esencialmente era un Pentium Pro con un encapsulado diferente, con algunas mejoras en la memoria cache. Tenía una excelente performance en punto flotante. Utilizaba un socket con forma de cartucho Año Vel. Reloj Transistores Fabricante MHz - 450MHz 7.5 millones Intel Intel Celeron Fueron creados principalmente para competir con los bajos precios de AMD y Cyrix Básicamente es un Pentium II sin memoria caché secundaria Año Vel. Reloj Transistores Fabricante MHz 7.5 millones Intel 13

14 Intel Celeron A Incluía una memoria caché secundaria Se aumentó la velocidad del procesamiento. Año Vel. Reloj Transistores Fabricante MHz 7.5 millones Intel Intel Pentium III Incluía instrucciones para gráficos (SSE) para competir con 3dNow de AMD. Introdujo un número de serie grabado, supuestamente para ayudar en las transacciones seguras en internet. Lo que produjo serias protestas. Básicamente no habían grandes cambios con respecto al Pentium II Año Vel. Reloj Transistores Fabricante MHz 9.5 millones Intel AMD Athlon Fué el procesador más esperado de la historia Fué rediseñado desde cero (a diferencia de K6-2 y K6-3, que sólo eran actualizaciones del K6) Disponía de un espacio mayor para el almacenamiento de las instrucciones a ser procesadas y unidades paralelas múltiples para procesamiento, en teoría también era posible utilizar mútiples procesadores Se presentaba en un cartucho como la Pentium II, pero no para Slot1, si no que introdujo el SlotA. Año Vel. Reloj Transistores Fabricante MHz -? 22 millones AMD AMD Duron Era básicamente un AMD Athlon Thunderbird con una memoria caché más pequeña Precio realmente barato con muy buena performance Año Vel. Reloj Transistores Fabricante MHz MHz? 25 millones AMD Pentium 4 El primer chip en superar a los de AMD desde el Pentium III 550 La velocidad no era mucho mayor a los de AMD y su precio era elevado Año Vel. Reloj Transistores Fabricante MHz -? 42 millones Intel 14

15 2.3.2 Liderazgo en Performance: Intel Intel 8008 April 1972 Intel 8080 April 1974 Zilog Z Intel Intel Intel Intel Intel Intel May 1990 Intel June 1991 Intel August 1992 Intel Pentium-66 March 1993 Intel Pentium-100 March 1994 Intel Pentium-120 March 1995 Intel Pentium-133 June 1995 Intel Pentium-166 January 1996 Cyrix 6x June 1996 Intel P-233 MMX January 1997 AMD K6-233 April 1997 Intel Pentium II 266 May 1997 Intel Pentium II 333 January 1998 Intel Pentium II 400 April 1998 Intel Pentium II 450 August 1998 Intel Pentium III 500 February 1999 AMD K6-III 450 February 1999 Intel Pentium III 550 May 1999 AMD Athlon 650 August 1999 AMD Athlon 700 October 1999 AMD Athlon 750 November 1999 AMD Athlon 800 January 2000 AMD Athlon 850 February 2000 AMD Athlon 1000 March 2000 AMD Thunderbird 1000 June 2000 AMD Thunderbird 1100 August 2000 AMD Thunderbird 1200 October 2000 AMD Thunderbird 1333 March 2001 AMD Thunderbird 1400 June 2001 Intel... Pentium August 2001 AMD Athlon XP October 2001 AMD Athlon XP November 2001 AMD Athlon XP January

16 Intel... Pentium January 2002 Intel... Pentium April 2002 Placa Principal o Placa Base (MotherBoard) La MotherBoard es una plaqueta en donde se encuentran los componentes más importantes de una computadora. Contiene un zócalo donde va el microprocesador, conectores (slots) para las memorias y también para las plaquetas que la conectan con el mundo exterior, los buses de datos, control y direcciones, la memoria del sistema, la memoria caché externa, el chipset y el BIOS (Basic Input Output System Sistema Básico de Entrada y Salida). En la actualidad la mayoría de las placas principales contienen las interfaces adaptadoras de los discos rígidos y los puertos de Entrada/Salida en la misma placa del circuito, para ahorrar conectores de expansión. Esquema funcional de una placa base moderna 16

17 Imagen de una placa base moderna 17

18 Memorias Descripción General. Llamaremos memoria a todo dispositivo electrónico capaz de almacenar información, de tal manera que el elemento que se sirva de él pueda acceder a la información solicitada en cualquier momento. En consecuencia, no consideramos como memorias las cintas y tarjetas perforadas, pero sí a la cinta magnética una vez montada en el dispositivo de lectura. Prácticamente la totalidad de las memorias emplean el almacenamiento binario, es decir, que la información mas elemental registrada es el bit, a cuyo soporte físico se lo suele llamar celda de memoria o punto de memoria. La celda de memoria puede ser perfectamente definida e individualizada como en el caso de un biestable electrónico o un núcleo de ferrita, en otros casos puede corresponder a una zona de una superficie continúa, como sucede en una cinta magnética. Vcc MEMORIA Bus de Direccio nes R/W CS0 Bus de Datos Masa R/W - Señal de lectura o escritura. CS0 - Señal de habilitación del dispositivo (Chip Select). Vcc Tensión de Alimentación Figura Diagrama en bloques de una memoria. Clasificación de las Memorias. Existen muchas formas de clasificar las memorias: 1- Según la forma de acceso: a) Memorias llamadas de acceso aleatorio o directo, en éstas la información está guardada en una dirección precisa. Se puede alcanzar directamente ese punto con la ayuda de la dirección; es el caso de las memorias centrales de núcleos o con circuitos integrados. En este tipo de memoria, tanto en el proceso de lectura como en el de escritura, el tiempo de acceso no depende de la dirección. b) Memorias de acceso secuencial. En este tipo de memorias tales como la cinta magnética, es preciso hacer pasar la cinta y, por consiguiente, toda la información grabada, para tener acceso a la dirección de la información deseada. Por lo tanto el tiempo empleado 18

19 para realizar alguna operación depende de la posición de información buscada respecto a una referencia. Algunos elementos de almacenamiento utilizan una combinación de los tipos de acceso por ejemplo en ciertos discos de cabezas móviles, es aleatorio la elección de la cabeza y su posicionamiento, o sea la elección de la pista y secuencial la búsqueda de la información dentro de dicha pista. 2- Según la operación que realiza. a- Memorias de lectura y escritura. En estas memorias, también llamadas vivas, es posible realizar las dos operaciones posibles en una memoria, lectura y escritura. La lectura puede ser destructiva (la información leída se borra de la memoria) o no destructiva. La escritura puede exigir o no de un borrado previo. Las memorias de Circuitos Integrados (C.I.) son de lectura no destructiva y no necesitan de un borrado previo, las memorias de núcleos eran de lectura destructiva y exigía de un borrado previo a la escritura. A las memorias de lectura-escritura se las denomina comúnmente memorias RAM (Random Access Memory), memorias de acceso aleatorio, lo cual no simboliza su tipo. b- Memorias de sólo lectura. Estas memorias también llamadas muertas o fijas, solo pueden leerse, son en general de acceso aleatorio y se las denomina comúnmente como ROM (Read Only Memory). Como casos particulares de este tipo de memorias podemos citar: PROM (Programable Read Only Memory), memoria programable de sólo lectura, la cual puede ser grabada por el usuario una sola vez. EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory), programable por el usuario que se puede borrar mediante rayos de luz ultravioleta. EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory): Se puede borrar selectivamente byte a byte con corriente eléctrica. FLASH: Está basada en las memorias EEPROM pero permite el borrado bloque a bloque y permite mayor densidad de información. 3- Según la permanencia del dato en memoria. a- Volátiles y no Volátiles. Son Volátiles cuando la memoria pierde su contenido al cortarse la tensión de alimentación, como por ejemplo las RAM de semiconductores. Son no volátiles cuando mantienen la información aún cuando se corta la alimentación, en este tipo encontramos las ROM de semiconductores y las RAM de núcleos magnéticos. b- Estáticas y Dinámicas. Cuando la información permanece en memoria indefinidamente, mientras este alimentada, se dice que es Estática. En cambio si el contenido se altera en el tiempo aunque no se suprima la alimentación, y además para mantener la información es necesario generar periódicamente una operación, llamada refresco, se dirá que la memoria es dinámica. Características de las memorias. En muchos casos es necesario diferenciar las memorias por sus características más importantes. Tiempo de escritura: es el tiempo que transcurre entre el momento en que se proveen a la entrada la información a guardar y su dirección, y el instante en que la información queda realmente registrada. Tiempo de lectura: es el que transcurre entre la aplicación de la dirección y el instante en que la información está disponible a la salida. 19

20 Tiempo de acceso: sin otra aclaración es comúnmente la media de los tiempos de escritura y de lectura. Deberá distinguirse entre el tiempo de acceso medio y el tiempo de acceso máximo cuando se trata de memorias secuenciales. Cadencia de transferencia o caudal: así se llama al número máximo de informaciones leídas o escritas por unidad de tiempo. Para las memorias de acceso por bloques se supone que las informaciones están situadas en lugares sucesivos de memorias. Generalmente se la mide en bits por segundo o Kbits por segundo. Capacidad: es el número de palabras o de bits que la memoria puede guardar. Se denomina también "volumen". Se hablará por ejemplo de una memoria de 64 Kbits, de un disco de 30 Mbits, donde un Kbits representa a 2 10 = 1024 bits. Densidad de información: es el número de informaciones por unidad de volumen físico. Jerarquías de las memorias En una máquina lo ideal sería disponer de una memoria central muy rápida y de gran capacidad. Esta solución sería demasiado costosa y técnicamente irrealizable. Por consiguiente se ha llegado a establecer una jerarquía de las memorias sobre todo a dos niveles: una memoria central relativamente rápida pero de capacidad limitada; una memoria auxiliar de mucha mayor capacidad pero con un tiempo de acceso considerable. De hecho pueden distinguirse 5 niveles de memoria, en cuanto a su utilización y localización en la arquitectura de la máquina. Las memorias borrador (memoria caché o scratch-pad memory) son memorias de acceso aleatorio muy rápidas y de baja capacidad, se utilizan memorias de circuitos integrados realizados con las tecnologías de mayor velocidad. La memoria central (o principal), es de acceso aleatorio, puesto que en ella busca la unidad central la información que necesita, se utilizan memorias de circuitos integrados realizados con tecnología que permite alta escala de integración, siendo de menor velocidades que las anteriores. Antiguamente se utilizaron memorias de núcleos magnéticos como memoria central. Extensiones de la memoria central, se realizan con circuitos integrados similares a los utilizados para la memoria central. Memorias de masa. Se caracterizan por ser de gran capacidad, tiempos de acceso considerables y grandes velocidades de transferencia. Se accede en ellas a bloques de información que son transferidos a la memoria central para ser utilizados allí. Para este tipo de memoria se utilizan generalmente unidades de disco. Memorias ficheros. Este tipo de memoria esta referido casi en particular a las cintas magnéticas y discos ópticos, las cuales se caracterizan por su acceso secuencial, que implica tiempos de acceso del orden del minuto, y debido a su intercambiabilidad que procura una capacidad casi infinita de almacenamiento, lo que implica manipulaciones humanas de búsqueda y montaje en los dispositivos lectores. PERIFÉRICOS Unidades de entrada Un periférico de entrada recoge datos u ordenes (comandos) del mundo exterior y los transmite al computador bajo la forma de códigos binarios. Analizaremos algunos de ellos. Teclado Ratón o Mouse Joystick o palanca manual de control 20

21 Lápiz óptico Lector óptico Lector de caracteres imantables Lector de bandas magnéticas Lector de tarjetas Chip o inteligentes (Smart Card) Reconocedores de voz Pantalla sensible al tacto El Teclado El teclado es el más común de los periféricos de entrada que, además de poseer una parte electrónica, dispone de otra mecánica. En un principio los teclados formaban un conjunto integrado en el computador. Posteriormente, y por comodidad, se les separo de la CPU, estableciendo entonces la comunicación por medio de un cable, de forma que pueda ser colocado por el usuario donde lo desee. Se pueden distinguir claramente dos partes en un teclado: Una electrónica y la otra mecánica como se mencionó anteriormente. La primera sirve para codificar de manera comprensible para la CPU, la información de cual ha sido la tecla pulsada; la segunda es para que nuestras manos introduzcan la información deseada con comodidad y fiabilidad al computador. Las teclas están unidas a un contacto eléctrico que puede estar diseñado de diversas maneras. Aunque existe una gran variedad de teclados en el mercado se pueden clasificar en: Profesionales y No profesionales. Los teclados No profesionales en general tienen teclas de material elástico, demasiado pequeñas, muy juntas y suelen fallar casi constantemente. Estos son teclados económicos y como es lógico no sirven para trabajo permanente. Este es el caso del teclado de la computadora ZX SPECTRUM. Los así llamados Profesionales, poseen teclas de material duro (plástico) y formas anatómicas para que los dedos se adapten con mayor facilidad. Algunos de estos suelen tener algunas teclas con puntos en sobre relieve (la K en General) para permitirle al usuario disponer de un punto de referencia para la posición de los dedos. Si bien la disposición de las teclas se ajusta a las de las máquinas de escribir, también depende de la nacionalidad del computador. Por este motivo, existe la posibilidad de elección. mediante software, del teclado de diseño nacional o del comúnmente estándar americano denominado QWERTY (denominación que corresponde a la disposición de las teclas en la esquina superior izquierda en la primera fila de letras). Para aplicaciones industriales existen teclados totalmente sellados que soportan ambientes agresivos, como por ejemplo aire, agua y atmósferas de vapores Estructura de un teclado. Un teclado profesional en la actualidad posee 102 teclas (84 en versiones antiguas) separadas en: doce teclas de función. diecisiete teclas en el panel numérico tipo calculadora. diez teclas de cursor y edición. cincuenta y cuatro teclas alfanuméricas. nueve teclas de funciones especiales. 21

22 Imagen de un teclado moderno (Gentileza IBM) La mayoría de las teclas alfanuméricas se encuentran en la misma posición y realizan las mismas funciones que sus equivalentes en una maquina de escribir. Sin embargo, existen también ciertas teclas adicionales que solas o en combinación con otras ejecutan funciones especiales, según se detalla a continuación: CAPS LOCK Conmuta el teclado de minúsculas a mayúsculas. Al pulsar esta tecla se enciende un luz en el panel luminoso, y las teclas alfabéticas pasan a mayúsculas (para acceder a minúsculas hay que presionar <SHIFT>). Las teclas numéricas, de edición y los símbolos no se ven afectados y para acceder a los caracteres de la parte superior hay que presionar <SHIFT>. Pulsando nuevamente <CAPS LOCK> se desactiva esta función. ENTER La Tecla <ENTER> cuando se presiona finaliza una línea (similar al retorno de carro de una maquina de escribir). Sirve también para ingresar un comando: primero se selecciona o escribe el comando, y al presionar <ENTER> comienza su ejecución. PrtScrn Presionando <SHIFT> y <PrtScrn> simultáneamente se envía una copia de la pantalla a la impresora. BACKSPACE La Tecla <BACKSPACE> (retroceso), mueve el cursor hacia la izquierda, borrando un carácter cada vez que se la presiona (excepción de algunos programas que no reconocen esta característica). BARRA ESPACIADORA Al presionarla, mueve el cursor hacia la derecha. Con esta acción "escribe" un espacio, o 22

23 mueve el carácter siguiente hacia la derecha. CTRL La tecla de CONTROL no actúa sola, sino siempre en combinación con otras, enviando códigos de control a la computadora, cuyas funciones variaran de acuerdo al software que se utiliza. En general: <CTRL> <BREAK> interrumpe la ejecución de un programa o comando, y regresa al sistema operativo. <CTRL><ALT><DEL> reinicia el sistema (Reset - Warm start). ESC Las funciones de esta tecla están determinadas por el software especifico que se utiliza. En la mayoría de los programas, esta función es la de cancelar una operación. TAB Esta tecla mueve el cursor hacia la derecha un cierto numero de espacios llamado tabulado. Presionando <SHIFT><TAB> mueve el cursor hacia la izquierda hasta el tabulado anterior. SHIFT El teclado posee dos teclas SHIFT. Cualquiera de las dos, cambia las teclas alfabéticas a mayúsculas. En las demás, números y símbolos, aparecerán los caracteres marcados en la parte superior de las teclas. ALT Tecla de funciones alternativas. Su función depende del software que se esta utilizando. NUMLOCK Al presionar <NUM LOCK>, las teclas del panel numérico 0 a 9 pasan a su función numérica, es decir, al digitarlas aparecerán los números en la pantalla. Mientras esta función este activa la luz indicadora permanecerá encendida. SCROLL LOCK Mientras esta activa (luz encendida), permite mover la pantalla hacia arriba o hacia abajo, hacia la derecha o izquierda con las teclas cursor. INS y INSERT Activa el modo inserción o el de sobre escritura (reemplazo). En modo inserción, el carácter que se escriba se insertará en la posición del cursor y todo el texto a continuación del mismo se desplazara un lugar hacia la derecha. En modo reemplazo, el carácter que se escriba reemplazará al carácter existente, en la posición en que este el cursor. DEL y DELETE Borra el carácter que ocupa la posición del cursor. 23

24 + - * / Estas teclas hacen aparecer los símbolos que poseen en la pantalla. CURSOR Esta tecla corresponde a la tecla 8 del panel numérico cuando la función Num Lock no esta activada o al panel de cursor separado. Su función es la de mover el cursor hacia arriba. CURSOR Esta tecla corresponde a la tecla 2 del panel numérico cuando la función Num Lock no esta activada o al panel de cursor separado. Su función es la de mover el cursor hacia abajo. CURSOR Esta tecla corresponde a la tecla 6 del panel numérico cuando la función Num Lock no esta activada o al panel de cursor separado. Su función es la de mover el cursor hacia la derecha. CURSOR Esta tecla corresponde a la tecla 4 del panel numérico cuando la función Num Lock no esta activada o al panel de cursor separado. Su función es la de mover el cursor hacia la izquierda. HOME Pertenece al panel de edición o al panel numérico, tecla 7 cuando la función Num Lock no esta activa. Su función, en la mayoría de los casos es mover el cursor a la línea 1, columna 1 del trabajo que se esta realizando. END Pertenece al panel de edición o al panel numérico, tecla 1 cuando la función Num Lock no esta activa. Su función, en la mayoría de los casos es mover el cursor al final del trabajo que se esta realizando. PG UP Pertenece al panel de edición o al panel numérico, tecla 9 cuando la función Num Lock no esta activa. Su función, en la mayoría de los casos es mover la pantalla y mostrar la anterior. PG DN Pertenece al panel de edición o al panel numérico, tecla 3 cuando la función Num Lock no esta activa. Su función, en la mayoría de los casos es mover la pantalla y mostrar la siguiente. F1 a F12 Las teclas de función permiten enviar a la computadora una serie de comandos, ya sea cuando se presionan solas o en forma simultanea con <SHIFT>. Las funciones que ejecuten pueden ser muy diversas dependiendo del software especifico de aplicación El Mouse (RATON) 24

25 El mouse es un pequeño periférico de aspecto, semejante al de un ratón, de ahí lleva su nombre. En el momento de activar el ratón, se asocia su posición con la del cursor en la pantalla. Si desplazamos sobre una superficie el mouse o ratón, el cursor seguirá dichos movimientos. Es muy empleado en aplicaciones dirigidas por menús o entornos gráficos, como por ejemplo Windows ya que con un pulsador adicional en cualquier instante se pueden obtener en programa las coordenadas (x,y) donde se encuentra el cursor en la pantalla, seleccionando de esta forma una de las opciones de un menú. Es un dispositivo, con uno o más pulsadores en la parte superior, conectada mediante un cable (la cola) a la computadora. Los mecánicos poseen una bola de goma o metal que gira con componentes de rotación en x-y cuando el usuario desliza el mouse sobre una superficie plana. Los ópticos producen el mismo efecto pero mediante luz láser. Estos dispositivos tienen algunas pequeñas diferencias ya que se conectan al computador a través de una interfase serie RS-232, del puerto PS2 o USB. Existen. También han aparecido en el mercado los TRACKBALL, que poseen la diferencia de que en lugar de desplazar el dispositivo haciendo girar la bola se hace girar la bola con los dedos reduciendo de esta manera el movimiento de la mano El Joystick Imagen de un mouse moderno (Gentileza Saltek) Se trata de un potenciómetro doble situado en un soporte que le permite girar en dos direcciones perpendiculares entre si. Una palanca controla el mecanismo de rotación y además permite accionar simultáneamente el potenciómetro doble, en proporciones variables según la inclinación de la palanca. El Joystick produce a la salida dos tensiones que se pueden enviar a las respectivas entradas del computador y que son, una de ellas proporcional al desplazamiento de la palanca en la dirección "x", y la otra proporcional al desplazamiento en la dirección "y". De esta forma el Joystick se puede transformar, según el programa, en el mando de un avión o de un misil, podrá ser utilizado para dibujar o para dirigir unos infatigables hombrecitos mientras juegan a la pelota. Existen versiones económicas de Joystick que en lugar de tener potenciómetros poseen cuatro contactos eléctricos y el programa del computador es el encargado de traducir el tiempo en que el contacto esta cerrado en el movimiento del cursor en la pantalla y con esto la coordenada x-y. 25

26 Lápiz óptico. Imagen de un joystick moderno Físicamente tiene la forma de una pluma o lápiz grueso, de uno de cuyos extremos sale un cable para unirlo a un monitor. El lápiz contiene un pulsador, transmitiéndose información hacia el monitor sólo en el caso de estar presionado. Al activar el lápiz óptico frente a un punto de la pantalla se obtienen las coordenadas del lugar donde apuntaba el lápiz Lector Óptico Nos referiremos en este apartado únicamente a los detectores de marcas, detectores de barras y detectores de caracteres manuscritos e impresos Lector Óptico De Marcas Los lectores ópticos de marcas son sistemas que aceptan información escrita a mano y la transforman en datos binarios inteligibles por el ordenador, central. El usuario se limita a marcar con su lápiz ciertas áreas preestablecidas del documento que representan posibles opciones o preguntas. Estos documentos pueden ser leídos posteriormente, a gran velocidad, por un ordenador con un lector óptico de marcas. Este detecta las zonas preestablecidas que están marcadas. Esta forma de introducir datos en la ordenador es útil, por ejemplo, para corregir exámenes de tipo test, escrutar quinielas, valorar encuestas, etc. Una variante sencilla de este sistema la constituye el método de reconocimiento de marcas. En este caso el dispositivo de lectura puede reconocer cuándo ciertas áreas se han ennegrecido con un lápiz u otro instrumento de escritura. Entre los documentos sometidos a esta forma de lectura se encuentran los cupones de las quinielas, los formularios para la lectura de los contadores de gas y luz, y los cuestionarios con respuesta de elección múltiple. Los métodos de OCR y de reconocimiento de marcas tienen la ventaja de que se pueden emplear para leer los datos directamente de los documentos originales, pero son lentos y sensibles a los errores, en comparación con otros métodos Detector de caracteres manuscritos e impresos Los lectores ópticos de caracteres pueden detectar caracteres (alfabéticos y/o numéricos), o bien impresos o mecanografiados, o bien manuscritos. Los lectores de caracteres impresos suelen utilizar patrones normalizados. 26