Parte 1.- TEORÍA DEL PARALELISMO. Tema 1.- INTRODUCCION. Anexo 1.- HISTORIA Y EVOLUCIÓN DEL COMPUTADOR INDICE

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1 Parte 1.- TEORÍA DEL PARALELISMO Tema 1.- INTRODUCCION Anexo 1.- INDICE INDICE... 1 Capitulo HISTORIA PRELIMINAR LOS PRECURSORES... 2 El Ábaco... 2 Los autómatas de reloj... 3 John Napier ( )... 3 Blaise Pascal (1642) Leibnitz ( )... 4 Basil Bouda y Falcon (1728)... 5 Joseph Jacquard ( ) Charles Babbage ( ) La Maquina Analítica y Diferencial... 5 La Tabuladora y El Censo De Hernan Hollerith ( )... 7 La IBM... 8 Konrad Zuse... 8 La Mark-I y La ABC... 9 Electronic Numeric Integrator And Calculator - ENIAC... 9 John Von Newman Los Intérpretes Capitulo LAS GENERACIONES Capitulo INFLUENCIA DE LA TECNOLOGIA EN LA EVOLUCION DE LA ESTRUCTURA BASICA DE LOS COMPUTADORES Primera etapa Segunda etapa Tercera etapa Cuarta etapa Quinta etapa Capitulo PRIMERA GENERACION ( ) Capitulo SEGUNDA GENERACION ( ) Capitulo TERCERA GENERACION ( ) La multiprogramación El BASIC El Unix y el Lenguaje C El Microprocesador Capitulo CUARTA GENERACION ( ) Las computadoras personales (PC s) Cronología de las Computadoras Personales Capitulo QUINTA GENERACION (1987--) Supercomputadores de alta velocidad Computadores de funciones inteligentes CONCLUSION BIBLIOGRAFIA ETSII Dpto. Tecnología Electrónica Página: 1 / 39 MSA

2 Capitulo HISTORIA PRELIMINAR LOS PRECURSORES Los ordenadores procesan información digital, es decir información fundamentalmente discontinua, como cifras o caracteres alfabéticos, en tanto que los calculadores analógicos y simuladores tratan información analógica, de carácter esencialmente continuo, como voltajes o intensidades eléctricas. La naturaleza se ha adelantado a la inteligencia humana en producir máquinas digitales: la célula viva es un buen ejemplo de ello; los últimos descubrimientos indican que aquélla utiliza un sistema del tipo digital para conservar y transmitir la preciosa información hereditaria. En el estado de la computación actual, los modernos ordenadores vienen equipados con un hardware potentísimo y paquetes de software muy sofisticados, pero en su comienzo la tecnología de computación aunque prometía mucho no dejaba sospechar el tremendo avance experimentado en tan poco tiempo. Veamos su evolución histórica, los ordenadores han pasado por 2 estados de desarrollo claramente diferenciables: Mecánico y Electrónico. Aunque los antecedentes del computador se remontan al ábaco griego, en realidad su historia se inicia a mediados del siglo XX, porque hasta 1945 los ordenadores eran mecánicos o electromecánicos y se pueden citar como principales hitos: El Ábaco Antes de disponer de palabras o símbolos para representar los números, el hombre primitivo empleaba los dedos para contar. El antepasado del ábaco consistía en unas piedras introducidas en unos surcos que se practicaban en la arena. Estas piedras móviles llevaron al desarrollo del ábaco, que ya se conocía en el año 500 a. c., en Egipto. El Abaco Romano era de madera y las piedras se movían a lo largo de unas ranuras talladas en una tabla. La palabra cálculo significa piedra; de este modo surgió la palabra cálculo. El origen de la palabra ábaco no es muy claro; suele considerarse que proviene de la palabra fenicia abak, término que designa una superficie plana cubierta de arena, sobre la cual se pueden dibujar figuras. Unas formas de las palabras contar o calcular aparece en otras lenguas, como abg, que significa polvo y es de origen semítico, o abakión, en griego, y que se refiere a una tabla de cálculo marcada. Muchos pueblos utilizaron piedras con el mismo objeto; por ejemplo, los Incas peruanos empleaban cuerdas con nudos para su contabilidad que llamaban quipos. Con el tiempo se inventó el ábaco portátil que consistía en unas bolitas ensartadas en un cordón que a su vez se fijaban en un soporte de madera. Gracias al ábaco pudieron funcionar con cierta agilidad los negocios en el mundo antiguo y los comerciantes sumar, restar, multiplicar y dividir fácilmente. El uso del ábaco continuó en Europa hasta la Edad Media, pero cuando gracias a los árabes se implementó el sistema de numeración decimal, el uso de la Tabla de Cálculo o ábaco comenzó a declinar. Puede considerarse como primer ordenador mecánico al Ábaco y como la primera máquina típicamente digital que el hombre haya utilizado para ayudarse a resolver sus problemas aritméticos. En 1946 se celebró en Japón una competencia de rapidez de cálculo entre un norteamericano que empleaba una calculadora y un japonés que utilizaba un ábaco, ganó el japonés. Cuando un experto maneja un ábaco puede ser rapidísimo sumando y restando, pero no tanto multiplicando y dividiendo ya que los resultados intermedios no pueden registrarse en el ábaco ETSII Dpto. Tecnología Electrónica Página: 2 / 39 MSA

3 Los autómatas de reloj Menudearon en los campanarios de iglesias, fueron los directos antepasados de los automatismos secuenciales, muy extendidos ahora en la industria. También se denomina a éstos calculadores de programa interior o de programa fijo, significando con ello que están condenados a ejecutar la misma sucesión de operaciones, esto es, el mismo programa. John Napier ( ) El desarrollo de las matemáticas, la navegación y las ciencias durante el siglo XVII, potenciaron la creación de nuevas máquinas de calcular. Se necesitaron tablas seguras de las funciones trigonométricas para calcular la posición de los barcos, también fue necesario evitar los errores aritméticos cuando los negocios y el comercio se incrementaron. En 1614, un matemático escocés llamado John Napier publicó la primera tabla de logaritmos. Napier inventó los logaritmos para simplificar y agilizar los cálculos. Según él No hay nada peor que las multiplicaciones, divisiones y desarrollo de cuadrados de números grandes, que además de ser una tarea tediosa, dan lugar a muchos errores. Este dispositivo mecánico funcionaba utilizando palillos con números impresos y le permitía realizar operaciones de multiplicación y división. Este dispositivo, que recibió el nombre de Estructura de Napier, estaba constituido de nueve hileras, por cada una de los dígitos de 1 al 9. Cada hilera representaba una columna de una tabla de multiplicación. Los logaritmos fueron de gran utilidad, y simplificaron significativamente muchos cálculos. En 1620, Edmund Gunthen inventó una forma de emplear los logaritmos de una manera más simple aunque no exacta. Se trataba de situarlos en una recta, y las multiplicaciones y divisiones se efectuaban añadiendo o sustrayendo segmentos por medio de par de divisores. Esto se conoció en el año 1633 con el nombre de Método Gunther. Posteriormente William Oughtred empleó dos escalas móviles y las llamó Regla de Cálculo. Las escalas de la Regla de Cálculo se gradúan según los logaritmos de las cantidades que se han de calcular. Estaba constituida por marcas que representaban logaritmos de los números; en consecuencia los productos y cocientes se obtienen al sumar o restar longitudes. Las demás escalas permiten cálculos de exponentes, funciones trigonométricas y diferentes funciones matemáticas. Esta Regla de Cálculo era rápida, pequeña y a un precio razonable. Se hizo muy popular entre los científicos e ingenieros hasta hace poco tiempo, cuando fue sustituida por la calculadora de bolsillo. ETSII Dpto. Tecnología Electrónica Página: 3 / 39 MSA

4 Blaise Pascal (1642). De las nuevas condiciones de vida impulsadas por la sociedad burguesa y el desarrollo del capitalismo, las relaciones comerciales entre naciones, que cada día eran más complejas, nace la necesidad de disponer de instrumentos cómodos y rápidos, capaces de resolver los complicados cálculos aritméticos de la época. Un joven francés de 19 años llamado Blaise Pascal diseño y construyó un mecanismo (máquina de engranajes) para realizar operaciones aritméticas (sumar y restar) en Fue el primer calculador lo bastante seguro como para ser lanzado comercialmente. Pascal avanzó un primer paso en la mecanización del cálculo aritmético al construir una máquina sobre la base de un nuevo concepto: la rueda dentada. Esta calculadora, mejor conocida como la Pascalina, tiene una rueda que corresponde a cada potencia del 10; cada rueda tiene 10 posiciones, una por cada digito entre 0 y 9, cada vez que una rueda pasaba de la posición 9 a la posición 0, la rueda inmediatamente a izquierda avanzaba automáticamente una posición para tomar en cuenta el arrastre producido. Era una calculadora diseñada para sumar, restar y multiplicar a través de sucesivas sumas. La Pascalina se constituyó en la primera sumadora mecánica que se había creado hasta entonces. En su honor, existe un lenguaje de programación con su nombre. Las máquinas electrónicas de oficina y la unidad aritmética de nuestros ordenadores de gestión funcionan según el mismo principio, sustituyendo la rueda dentada por un circuito electrónico. Leibnitz ( ). El siguiente gran paso en el perfeccionamiento de las máquinas calculadoras lo dio el 1671 el matemático alemán Gottfried Wilheim Leibnitz. Los elementos claves en la máquina de Leibnitiz eran los cilindros escalonados. Esta máquina era más perfeccionada que la de Pascal, ya que podía multiplicar, dividir y obtener raíces cuadradas. Fue la mente más universal de su época. A este inventor se le atribuye el haber propuesto una máquina de calcular que utilizaba el sistema binario, todavía utilizado en nuestros días por los modernos computadores. Cuando a comienzos del siglo XIX se construyeron las primeras máquinas de calcular comerciales construidas por Charles Xavier Thomas, se incorporaron a ellas las ruedas escalonadas de Leibnitz. ETSII Dpto. Tecnología Electrónica Página: 4 / 39 MSA

5 Basil Bouda y Falcon (1728) A finales del siglo XVIII y principios del XIX, tuvo lugar un importante hecho para el posterior desarrollo de los ordenadores: la automatización de la industria textil. En el siglo XVIII, Francia estaba a la cabeza en la producción de tejidos elegantes y lujosos y algunos fabricantes se esforzaban por encontrar el modo de automatizar el proceso de fabricación para reducir los costos. Basil Bouda y Falcon en 1728, intentó programar el diseño del tejido por medio de fichas perforadas. De este modo, sólo determinadas agujas del telar podían atravesar los agujeros, pudiéndose conseguir así el dibujo de tejidos. La cinta y las fichas o tarjetas perforadoras, funcionaban como un programa para el telar. Esta técnica es la que se empleaba posteriormente para la introducción de datos en los ordenadores. Joseph Jacquard ( ). No fue hasta principios del siglo XIX, en 1805, cuando otro francés Joseph Marie Jacquard, perfeccionó la técnica de controlar las agujas tejedoras del telar mediante tarjetas perforadas. Las agujas podían solamente pasar por los lugares en los que había agujeros. Colocando las fichas en forma de correa móvil, se podían tejer automáticamente complicados diseños. Jacquard diseño en 1805 un telar que actualmente se denomina como su diseñador, con el resultado de que pocos años después aparecieron miles de telares con capacidad para reproducir perfectos dibujos a precios asequibles. El empleo de fichas perforadas fue también una aplicación muy afortunada y avanzada de los números binarios en la programación. El 0 equivale a que no hay perforación y el 1 a que hay perforación. Por lo tanto la perforación no era más que un lenguaje que comunicaba instrucciones al telar mecánico. En los modernos ordenadores, las instrucciones básicas siguen siendo binarias, y es lo que se denomina Lenguaje de Máquina. Charles Babbage ( ) La Maquina Analítica y Diferencial Los inventos citados anteriormente no pueden considerarse como máquinas automáticas, ya que estas requerían una constante intervención del operador para producir nuevos datos y/o efectuar las maniobras que implican cada operación. La sociedad de esa época exigía una máquina para resolver cálculos automáticamente, es decir, sin la intervención del operador en el proceso, con la exactitud y precisión deseada. En 1812, el matemático e ingeniero británico Charles Babbage profesor de matemáticas de la Universidad de Cambridge, preocupado por los muchos errores que contenían las tablas de cálculos que utilizaban en su trabajo diario, construyó el modelo funcional para calcular tablas denominada Máquina Diferencial (máquina de calcular logaritmos con veinte decimales). ETSII Dpto. Tecnología Electrónica Página: 5 / 39 MSA

6 En julio de 1823, el gobierno británico consintió en financiar la construcción de una versión mejorada de la máquina diferencial. La industria de fabricación de herramientas de aquella época, desafortunadamente no era lo suficientemente buena como para construir algunas de las partes y herramientas para fabricar sus piezas, lo que retardó considerablemente el proyecto. Con mucha frecuencia se excedía el presupuesto y algunas veces se detenía la producción por falta de fondos. Charles Babbage diseño un ingenio diferencial para ecuaciones polinómicas en Babbage reflexionó en lo inútil de aumentar la velocidad de las máquinas mecánicas, si las operaciones debían seguir siendo preparadas manualmente. Era preciso automatizar el paso de una operación a la siguiente. Pero, al contrario de los autómatas de reloj de las iglesias, que repiten ineludiblemente los mismos gestos a las mismas horas, las secuencias de operaciones a ejecutar no eran siempre las mismas. Entonces, tuvo la idea de recoger un concepto precedentemente utilizado por Jacquard para la automatización de los telares, el concepto de programa exterior. La máquina de Babbage debía, ya que de hecho no pudo concluirla, leer una ficha perforada que contenía la definición de la operación a ejecutar, ejecutar la operación; leer la ficha siguiente, etc. En el terreno de los principios, la máquina de Babbage es la antecesora de las mismas máquinas eléctricas de relés construidas por algunas empresas y universidades americanas en el curso de la última guerra mundial. Designamos a este tipo de máquinas, máquinas de programa exterior, subrayando con ello que el programa no forma parte de la máquina, sino que se'ejecuta paso a paso a partir de un soporte externo intercambiable. La Máquina Diferencial no llegó a salir al mercado en versión mejorada, por tal razón en el año 1833 Babbage se propuso mejorar sustancialmente la Máquina de Diferencias, pero esta vez en la construcción de una segunda máquina, la cual bautizó con el nombre de Máquina de Diferencia y podía ser programada para evaluar el amplio intervalo de funciones diferentes. Babbage no pudo completar ninguna de sus dos ingeniosas máquinas, ya que el gobierno británico, preocupado por la falta de progreso, le retiró la subvención económica. Tuvo que pasar un siglo para que sus ideas similares a estas fueran puestas en prácticas. ETSII Dpto. Tecnología Electrónica Página: 6 / 39 MSA

7 La Tabuladora y El Censo De 1890 Hacia 1887, surgió en Estados Unidos la idea del proceso automatizado de datos a causa de la urgente necesidad de confeccionar el censo de Para procesar manualmente los resultados del último censo de 1880, habían hecho falta siete largos años, y por lo tanto, se pensaba que para procesar el de 1890, serían necesarios más de diez años, debido al espectacular crecimiento de la población entre 1880 y El gobierno de los Estados Unidos nombró en 1889 un comité para estudiar la forma de procesar los datos del censo y convocó un concurso para otorgar un contrato al mejor producto. Se presentaron tres propuestas adjudicándose el encargo con su sistema eléctrico de tabulación, ideado en Hernan Hollerith ( ) Se le reconoce como uno de los precursores de las computadoras más importante debido a ser el creador de un dispositivo que se utilizó hasta hace poco tiempo: Las tarjetas perforadas. Hollerith trabajó afanosamente entre 1882 y 1889, en un equipo de tarjetas perforadas que podría usarse para la construcción de máquinas destinadas a la elaboración de los censos, en particular el recuento del censo de Laboraba en su máquina de censos mientras trabajaba como instructor en el Massachusets Institut of Technology (MIT), al mismo tiempo que también estaba empleado en la oficina de patentes de Estados Unidos. Antes de ingresar al MIT, se relacionó con el coronel John Shaw Billings, director de estadística para el censo. Billings estaba convencido de que la información sobre cada ciudadano de Estados Unidos podría registrase en una tarjeta perforada, y esto facilitaría el recuento de la información. Herman Hollerith aplicó el principio de las tarjetas perforadas para el almacenamiento de datos que ya había utilizado Babbage. Hollerith diseñó una tarjeta perforada del tamaño de un billete de un dólar de ese tiempo. Un tamaño conveniente para almacenarlo en gabinetes de archivo. Después de muchísimas pruebas, desarrolló una máquina que podría contar apariciones de cualquier característica que fuera codificada en las tarjetas. La forma de procesar los datos según el sistema de Hollerith, era la siguiente: Las fichas de los datos se perforaban recogiendo la información correspondiente. Las fichas de los datos se colocaban en una máquina lectora o de tabular, y unas hileras de agujas presionaban contra ellas. Cuando una aguja pasaba a través de una perforación entraba en un recipiente de mercurio situado debajo, y cerraba un circuito, avanzando así un cuadrante correspondiente a una cuenta. Los totales acumulados en cada, categoría de información se veían directamente en los cuadrantes. Un cable eléctrico conectaba la lectora o la clasificadora y se abría la tapa de la caja correspondiente. Se podía volver a programar la clasificadora cambiando el hilo eléctrico de los relees que abrían las tapas, y así se podían volver a agrupar los datos en subcategorías. Más tarde, las fichas se clasificaron automáticamente pero para la división en subcategorías tenían que volver a pasar por la clasificadora. El equipo de Hollerith derrotó a otros dos contendientes y fue escogido por el comité encargado del censo para realizar la tabulación de El equipo que Hollerith rentó al gobierno de Estados Unidos podía leer entre 50 y 80 tarjetas por minuto, y tomó poco más de dos años para considerar los 62.6 millones de habitantes de aquella época. ETSII Dpto. Tecnología Electrónica Página: 7 / 39 MSA

8 La IBM Luego del éxito de Hollerith en el censo norteamericano, varias naciones incluyendo Austria, Canadá y Rusia consideraron el uso de la máquina para los censos y Hollerith comenzó a rentar su sistema. En 1896 fundó la Tabulating Machine Company. Esta compañía se componía en su estructura básica del financiamiento de una persona adinerada, Thomas J. Watson, Sr. quien suplía los recursos necesarios para la construcción de las máquinas tabuladoras; y del ingenio de Herman Hollerith para construir las máquinas. Con el tiempo surgieron problemas debido a que mientras Hollerith insistía en desarrollar nuevos modelos, Thomas Watson estaba más interesado en incrementar la producción del modelo existente. Estas diferencias desembocaron en la venta de los derechos de la compañía por parte de Hollerith a Thomas Watson en 1912 y este último fusionó la compañía con un consorcio naciente del cual nacería posteriormente la International Business Machine IBM. En 1937, se puso en marcha el programa de Seguridad Social en Estados Unidos, que fue la mayor operación de proceso de datos realizada hasta entonces. Hicieron falta 415 máquinas IBM para perforar, clasificar, verificar y archivar medio millón de personas. Konrad Zuse Una persona poco conocida pero con un gran aporte al avance de las computadoras es sin duda alguna, Konrad Zuse. Si bien sus conocimientos pasaron desapercibidos para el oeste debido a la guerra que se aproximaba a Europa en los años 1936 en adelante, es de notarse que este hombre por sí solo logró construir la primera computadora binaria del mundo, desarrollar un sistema binario basado en el principio del Sí / No o de Abierto / Cerrado y la primera computadora electromecánica digital controlada por programación. Todo esto lo hizo iniciando desde cero, es decir, para el tiempo en que Konrad Zuse emprendió la difícil tarea de construir su computadora no sabía de los acontecimientos que se sucedían a su alrededor en este sentido, tanto así que ni siquiera sabía de la existencia de Charles Babbage y sus teorías. Nacido el 22 de junio de 1910 en Berlín, Alemania. En 1927 Konrad Zuse ingresa en la Universidad Técnica de Berlín graduándose de ingeniero civil en Inicia su carrera como ingeniero de diseño en la industria aeronáutica. Para este tiempo Konrad Zuse empezó a trabajar en su computadora, la Z1 en A este punto la industria de la computación se limitaba a ciertas calculadoras mecánicas y estaban orientadas básicamente al comercio, esto implica que los matemáticos y los ingenieros tenían que construir cada uno sus propias computadoras independientemente el uno del otro y Zuse, no era la excepción. El problema de Zuse consistía en que para los diseños de aviones requerían extensos cálculos matemáticos que deberían de hacerse una y otra vez de acuerdo a las variables que se suministraran. De esta manera la intención de Zuse era construir una computadora que fuera capaz de realizar una gran cantidad de complejos cálculos matemáticos y guardarlos en una memoria para referencias futuras. Zuse construyó su primera computadora en 1938 aunque tenía algunas fallas. Más tarde la modificó y excluyó de ellas los primeros defectos y la llamó la Z2. Konrad trató inútilmente de persuadir al gobierno nazi de las ventajas de su invento. La Z3 se terminó de construir en Sin embargo, ninguna de estas máquinas sobrevivieron a la II guerra mundial con excepción de la Z4, construida años más tarde en Austria. ETSII Dpto. Tecnología Electrónica Página: 8 / 39 MSA

9 La Mark-I y La ABC En 1937, Howard Aiken, profesor de Harvard, se fijó la meta de construir una máquina calculadora automática que combinara la tecnología eléctrica y mecánica con las técnicas de tarjetas perforadas de Hollerith. Con la ayuda de estudiantes de postgrado e ingenieros de la IBM, el proyecto se completó en El aparato terminado se denominó la computadora digital Mark I. Las operaciones internas se controlaban automáticamente con relevadores electromagnéticos, y los contadores aritméticos eran mecánicos; así, la Mark I era una computadora electromecánica. En muchos aspectos era el sueño de Babbage hecho realidad. El primer prototipo de computadora electrónica se concibió en el invierno de por el doctor John Vincen Atanasoff, profesor de física y matemática en el Iowa State College. Como ninguna de las calculadoras disponibles en ese entonces era adecuada par sus necesidades, Atanasoff decidió construir la suya. Empleando conceptos de diseño que cristalizaron en su mente a altas horas de una noche de invierno en un bar a al orilla de la carretera en Illinois, Atanasoff formó un equipo con Clifford Berry, su asistente de postgrado, y comenzó a construir la primera computadora electrónica, ABC (Atanasoff-Berry Computer). La ABC empleaba bulbos al vacío para almacenar datos y efectuar operaciones aritméticas y lógicas. Durante 1940 y 1941 Atanasoff y Berry se reunieron con John W. Mauchly y le mostraron su trabajo. Mauchly, que trabajaba en la School of Electrical Engineering de la Universidad de Pennsylvania, comenzó a pensar en la forma de construir una computadora de aplicación general (la ABC se diseñó con el objetivo específico de resolver sistemas de ecuaciones simultáneas). Mauchly formó un equipo con J. Presper Eckert Jr., estudiante de postgrado de ingeniería en la Moore School, para organizar la construcción de ENIAC a principios de la década de Electronic Numeric Integrator And Calculator - ENIAC Fue la primera computadora electrónica de aplicación general que entró en funcionamiento. Financiada por el ejército de Estados Unidos, se construyó en la Moore School como proyecto secreto durante la Segunda Guerra Mundial debido a que el ejército se interesaba en la preparación rápida de tablas de trayectorias de proyectiles. La ENIAC, con 30 toneladas de peso, llenaba un cuarto de 6 m x 12 m, contenía 18,000 bulbos, y podría realizar 300 multiplicaciones por segundo y cálculos matemáticos 1,000 veces más rápido que cualquier máquina sumadora de su tiempo. Este gigante tenía que programarse manualmente conectándola a tres tableros que contenían más de 6,000 interruptores. Ingresar un nuevo programa era un proceso muy tedioso que requería días o incluso semanas. Las instrucciones de operación de esta computadora no se almacenaban internamente más bien se introducían por medio de tableros de clavijas e interruptores localizados en el exterior. El ejército utilizó la ENIAC hasta ETSII Dpto. Tecnología Electrónica Página: 9 / 39 MSA

10 John Von Newman En 1945, John Von Newman, que había trabajado con J. Presper Eckert y John Mauchly en la universidad de Pennsylvania, publicó un artículo acerca del almacenamiento de programas que promueve el paso decisivo hacia la mecanización del tratamiento digital de la información, con la invención de dos nuevos conceptos: (1) El programa registrado: Las máquinas de relés de la época poseían elementos de memoria capaces de conservar en el curso del tratamiento resultados parciales con vistas a su utilización posterior. Von Neumann tuvo la idea de utilizar las memorias del calculador para almacenar el programa (las instrucciones para la computadora así como los datos que se manipulara): de ahí el nombre de máquina de programa registrado, que se dio al nuevo tipo de calculador. En lugar de ejecutar las operaciones al compás de su lectura en una cinta perforada, como en las máquinas de programa exterior, la nueva máquina supone almacenado en memoria el programa previamente a la ejecución de las operaciones. Esta es una idea importante porque el sistema de numeración binario utiliza únicamente dos dígitos (0 y 1) en vez de los 10 dígitos del sistema decimal con el que todo mundo está familiarizado. Dado que los componentes electrónicos están normalmente en uno de dos estados (encendido o apagado), el concepto binario simplificó el diseño del equipo. (2) La ruptura de secuencia. La máquina de programa exterior necesitaba de la intervención humana cada vez que se planteaba una toma de decisión, en otras palabras que el tratamiento consiguiente dependía de los resultados que iban obteniéndose. En base a las nuevas posibilidades de la técnica de programa registrado, Von Neumann concibió la idea de hacer automáticas las operaciones de decisión lógica, dotando a la máquina de una instrucción llamada salto condicional o también ruptura condicional de secuencia. Según el valor de un resultado ya obtenido, positivo o negativo por ejemplo, la máquina ejecutaría una u otra parte del programa. En consecuencia, nos referimos a ellos como máquinas del tipo Von Neumann o máquinas de registros, para distinguirlos de otros tipos tales como las máquinas de pilas. Casi todos los ordenadores actuales funcionan de acuerdo a este principio. Obviamente toda la computación y comunicación realizada con mecanismos mecánicos o electromecánicos estaban muy limitados en velocidad y escalabilidad, estas limitaciones se vieron rotas gracias a los componentes electrónicos por sus prestaciones y coste. La primera computadora en usar el citado concepto fue la llamada EDVAC (Electronic Discrete-Variable Automatic Computer), desarrollada por Von Newman, Eckert y Mauchly. Los programas almacenados dieron a las computadoras una flexibilidad y confiabilidad tremendas, haciéndolas más rápidas y menos sujetas a errores que los programas mecánicos. Una computadora con capacidad de programa almacenado podría ser utilizada para varias aplicaciones tan solo cargando y ejecutando el programa apropiado. Los Intérpretes Hasta ese punto, los programas y datos podrían ser ingresados en la computadora sólo con la notación binaria, que es el único código que las computadoras entienden. El siguiente desarrollo importante en el diseño de las computadoras fueron los programas intérpretes, que permitían a las personas comunicarse con las computadoras utilizando medios distintos a los números binarios. En 1952, Grace Murray Hopper una oficial de la Marina de Estados Unidos, desarrolló el primer compilador, un programa que puede traducir enunciados parecidos al inglés en un código binario comprensible por la máquina. Más tarde, desarrolló el llamado COBOL (Common Business Oriented Language), un proyecto financiado por compañías privadas y organismos educativos, junto con el gobierno federal durante la última parte de los años 50. COBOL permitía que un programa de computadora escrito para una máquina en especial, pudiera correrse en otras máquinas sin tener que recodificarse. De pronto, los programas se transportaban fácilmente, y el mundo de los negocios comenzó a aceptar a las computadoras con entusiasmo. ETSII Dpto. Tecnología Electrónica Página: 10 / 39 MSA

11 Capitulo LAS GENERACIONES Hasta la aparición y desarrollo de la Electrónica se puede afirmar que no existieron computadores tal como hoy se les considera. A partir de ese momento (1945 / 50), la historia de los computadores quedó íntimamente ligada a la de la Electrónica y las etapas que han ido cubriendo aquéllos, también llamadas generaciones, se han basado en los avances tecnológicos de la Electrónica. La estructura básica del procesador central ha sufrido una evolución que puede contemplarse en 5 generaciones de ordenadores sucesivas muy relacionadas con la tecnología de fabricación de sus componentes electrónicos. Las 3 primeras generaciones tienes una duración aproximada de 10 años. La 4 generación tienen una duración de unos 15 años. La 5 generación tiene en consideración los procesadores y las memorias con más de 1 millón de transistores en 1 solo chip de silicio. ETSII Dpto. Tecnología Electrónica Página: 11 / 39 MSA

12 Capitulo INFLUENCIA DE LA TECNOLOGIA EN LA EVOLUCION DE LA ESTRUCTURA BASICA DE LOS COMPUTADORES Primera etapa Los primeros computadores se construyeron siguiendo dos principios: a) El modelo propuesto por von Neumann, que incluía el concepto de programa almacenado y el de la ruptura de la secuencia en el programa. b) La tecnología electrónica de la época, que hacía uso de las válvulas de vacío, componentes voluminosos, caros, de elevado consumo, gran disipación de calor y una limitada vida de funcionamiento. Las memorias son de contactores interconectados por cables. La Unidad de Control extrae la instrucción de la memoria principal, la interpreta y efectúa las siguientes operaciones: a) Establece el conexionado eléctrico de la ALU. b) Extrae los datos de la memoria. c) Ordena la ejecución a la ALU. d) Almacena el resultado en la memoria. La Unidad Aritmético-Lógica o ALU es el bloque operativo que desarrolla todas las posibles funciones aritméticas y lógicas. Tanto la lógica de control como la memoria, estaban construidas con válvulas de vacío con lo que la velocidad de funcionamiento de ambas secciones era similar. La sencillez de la UCP y la escasez de registros internos de trabajo imponían una constante transferencia con la memoria empleando un conjunto reducido y básico de instrucciones máquina. ETSII Dpto. Tecnología Electrónica Página: 12 / 39 MSA

13 Segunda etapa La 2ª generación se caracteriza por el uso de transistores discretos, diodos y memorias de núcleos de ferrita interconectados por circuitos impresos, en esta etapa se produce un distanciamiento entre la tecnología usada en la construcción de la Unidad de Control y en la memoria principal. Los circuitos integrados de pequeña y media escala de integración (SSI y MSI) se usan para la construcción de la UCP, pero todavía no se han alcanzado cotas interesantes en la densidad de integración por lo que en la sección de la memoria principal se aplican otras tecnologías, como los núcleos de ferrita cuyos tiempos de acceso eran elevados. La velocidad de la memoria principal es mucho menor que la de la UCP (unas 10 veces), lo que provoca largos períodos de inactividad en la UCP, mientras se accedía a memoria, en los computadores de esta etapa. En esta época las máquinas comienzan a soportar lenguajes de alto nivel, como el FORTRAN y el COBOL, que tenían que ser traducidos a lenguaje máquina por compiladores, antes de ser ejecutados. En un intento de simplificar la compilación o traducción, se propició una potenciación de las instrucciones máquina para asemejarlas a las de alto nivel. Surgieron juegos de instrucciones complejos, en los que cada instrucción equivalía a varias operaciones simples, llamadas operaciones elementales, así se evitaban muchos accesos a la memoria principal, al mismo tiempo que se sacaba el máximo rendimiento de la rápida UCP. A este tipo de computadores se les denomina CISC (Computadores de juego de Instrucciones Complejo). En muchos computadores la UCP pasó a contener a la Memoria de Control, que se trataba de una rapidísima memoria en la que se almacenaban las operaciones elementales correspondientes a cada instrucción compleja o macrocódigo, llamándose microinstrucción a cada una de las posiciones de esta Memoria de Control. Se incrementa el proceso de decodificación de la macroinstrucción, pero se reduce el número de accesos a la memoria principal. Con este sistema se intentaba paliar el desfase de velocidades entre la UCP y la memoria principal. ETSII Dpto. Tecnología Electrónica Página: 13 / 39 MSA

14 En esta situación el computador quedaba limitado a la velocidad de la Memoria de Control, que, si bien se construía con semiconductores, con los que era mucho más rápida que la memoria principal, no permitía alcanzar las mismas velocidades que la lógica cableada. En los computadores CISC microprogramados hubo un intercambio, mediante la Memoria de Control, entre la lógica cableada de las instrucciones simples y la lógica programada de las complejas. Así, se resolvía el problema derivado de las distintas velocidades entre las dos secciones principales del procesador. El número de instrucciones complejas de los CISC sólo está limitado por la capacidad de la Memoria de Control. ETSII Dpto. Tecnología Electrónica Página: 14 / 39 MSA

15 Tercera etapa La 3ª generación se caracteriza por el empleo de circuitos integrados (IC) para la unidad aritmético-lógica (ALU) y memorias, se comienza con SSI ( Small Scale Integration) para concluir con MSI ( Médium Scale Integration). Aparece la memoria cache ultrarrápida, del tipo tampón, que se encarga de guardar la información de uso más frecuente de la memoria principal, para disminuir el número de accesos a esta última. Estas memorias equilibran la diferencia de velocidades entre la UCP y la memoria principal. Como se observa en la figura, la Unidad de Control se alimenta desde la memoria cache, o bien, cuando la información que necesita no está en ella, directamente desde la memoria principal. El contenido que guarda la cache está optimizado para que sea el de más uso, consiguiendo velocidades de 5 a 10 veces mayores que la memoria principal. Los computadores con memoria cache intermedia poseen, una UCP que, al tener que decodificar instrucciones complejas, tardan más en esta función que en el acceso a la memoria, por lo que este tipo de instrucción deja de parecer tan interesante. Para mejorar el diseño de los computadores se pasó a realizar un análisis de lo que sucedía con los programas en general y se comprobó: 1. Un mismo programa escrito en lenguaje de alto nivel, tenía muchas posibles traducciones a lenguaje máquina. 2. Los diseñadores de los compiladores empleaban conjuntos "reducidos" de instrucciones máquina, 3. Ciertas macroinstrucciones específicas apenas se empleaban. 4. Aproximadamente el 50% del tiempo lo invierte la UCP en ejecutar instrucciones simples del tipo: CARGA, ALMACENAMIENTO y BIFURCACION. ETSII Dpto. Tecnología Electrónica Página: 15 / 39 MSA

16 La frecuencia de utilización de las instrucciones máquina se puede analizar desde dos aspectos: a) Análisis estático. Cuando se estudian los Iistados de los programas y las instrucciones que aparecen en ellos. b) Análisis dinámico. Se tienen en cuenta las instrucciones que se van realizando en la ejecución de los programas, no las que aparecen en los listados. Téngase en cuenta que una instrucción de bifurcación condicional de un bucle, aunque sólo aparezca una vez en el listado del programa, se ejecuta muchas veces. Una conclusión generalizada es que la mitad de las instrucciones máquina se usan menos del 2%, por lo que se podían eliminar sin afectar, prácticamente, al rendimiento. Dichas instrucciones sólo son eficaces en aplicaciones específicas. Cuarta etapa La 4ª generación se caracteriza por el empleo de LSI y VLSI y memorias de semiconductores de alta velocidad. El vertiginoso desarrollo tecnológico de los circuitos integrados consiguió alcanzar la "Alta Escala de Integración" (LSI), que permitía la fabricación de memorias electrónicas rápidas y de cierta capacidad. Con el fin de mejorar la velocidad de la UCP y equilibrarla con la de la memoria cache, se han adoptado los siguientes criterios en el diseño de la arquitectura de los computadores: 1. Eliminación de la microcodificación. Todas las instrucciones serían del tipo elemental, no existiendo instrucciones complejas. 2. Reducción del tiempo del ciclo máquina, como consecuencia de la simplificación de las instrucciones. 3. Interpretación directa de las instrucciones por el hardware y ejecución de cada una de ellas en un solo ciclo máquina. 4. Selección del mínimo número de instrucciones simples. Con este nuevo enfoque surgieron los computadores RISC, Computadores de Conjuntos de Instrucciones Reducidos cuya arquitectura básica respondía al diagrama inicial, aunque con la inclusión de una memoria cache. ETSII Dpto. Tecnología Electrónica Página: 16 / 39 MSA

17 Los computadores RISC sólo disponen de las instrucciones máquina más importantes y usadas, que, generalmente, suelen ser menos de 50. Como, por otra parte, son sencillas y se llevan a cabo mediante lógica cableada, y no mediante microinstrucciones almacenadas, se pueden ejecutar en un ciclo máquina. En este tipo de computadores se ha incrementado el número de registros de propósito general para evitar accesos a memoria y ayudar a los compiladores a analizar los datos y controlar los flujos de forma óptima al conocerse las variables más usadas que se han asignado a los registros. Las instrucciones RISC tienen normalizados tanto su formato como su longitud, lo que favorece el funcionamiento segmentado o pipe-iine, al estar ubicados todos sus campos en sitios determinados. Quinta etapa La 5ª generación se basa en el uso de procesadores de muy alta densidad y alta velocidad y memorias en tecnologías de muy alta densidad y velocidad. Todo esto es gracias a la disminución de la escala de integración a nivel de chip con la microelectrónica y reducción del voltaje de trabajo a fin de disminuir al máximo posible el desprendimiento de calor, verdadero enemigo en los incrementos de velocidad de trabajo de los procesadores y en menor medida de las memorias. En el estado de la computación actual, los modernos ordenadores vienen equipados con un hardware potentísimo y paquetes de software muy sofisticados, pero en su comienzo la tecnología de computación aunque prometía mucho no dejaba sospechar el tremendo avance experimentado en tan poco tiempo. ETSII Dpto. Tecnología Electrónica Página: 17 / 39 MSA

18 Generación Tecnología y Arquitectura Software y Aplicaciones Sistemas representativos Tubos de vació y memorias de contactos, 1 CPU por ordenador y unidad aritmético lógica. Primera generación ( ) 1 CPU con Aritmética de punto fijo. Mono-usuario. Lenguajes Maquina y ensamblador, sin subrutinas linkables. CPU interviene en gestión memoria y I/O. Princeton IAS 1946 ENYAC 1950 IBM Segunda generación ( ) Transistores discretos en CPU y Memorias de núcleos de ferrita. Unidad aritmético lógica en coma flotante, procesos de I/O, acceso a memoria multiplexado. Discos intercambiables. HLL usados con compiladores (Cobol y Fortran). Aparece el ALGOL y PL/1. Librerías de subrutinas y Monitores de proceso batch IBM 7070 Univac LARC 1959 IBM CDC 60s Tercera generación ( ) IC de SSI y MSI Hasta 100 componentes. IC multicapas Memoria Cache y Pipeline SO de Multiprogramación y Tiempo compartido. HLL estructurados : Basic y Pascal Aplicaciones de Multiusuario. Interrupciones con niveles de prioridad. Comienzan los sistemas de memoria virtual paginada. IBM 360 / 370 series CDC 6600 / 7600 series TI-ASC PDP 8 y 11 de DIGITAL Cuarta generación ( ) Quinta generación ( 1991 presente) LSI + VLSI y memorias de semiconductores. Microprocesador Procesadores y Memorias de ULSI y VHSIC Arquitecturas escalables. 1) Supercomputadores de altísima velocidad. 2) Computadores de funciones inteligentes. SO Multiprocesadores Lenguajes, compiladores y entornos de procesamiento paralelo. MPP Massively Parallel Procesing Procesamiento heterogéneo VAX 9000 CRAY X-MP IBM 3090 VF BBM TC-2000 Fujitsu VPP 500 Cray MPP TMC CM5 Intel Paragon ETSII Dpto. Tecnología Electrónica Página: 18 / 39 MSA

19 Capitulo PRIMERA GENERACION ( ) Como los radiorreceptores del mismo tipo, esas computadoras de la primera generación emplearon válvulas para procesar información, mucho más grandes y generaban más calor que los modelos contemporáneos. Los operadores ingresaban los datos y programas en código especial por medio de tarjetas perforadas. El almacenamiento interno se lograba con un tambor que giraba rápidamente, sobre el cual un dispositivo de lectura / escritura colocaba marcas magnéticas. J. Presper Eckert y John W. Mauchly contribuyeron al desarrollo de computadoras de la primera generación formando una compañía privada, y construyendo UNIVAC 1, que el comité del censo utilizó para evaluar el de La Interrnational Business Machine (IBM), que vendía equipos de tarjetas perforadas y no había logrado el contrato para el censo de 1950 comenzó a construir computadoras electrónicas, y rápidamente se colocó como fuerte contendiente en el mercado. Aunque caras y de uso limitado, las computadoras fueron aceptadas rápidamente por las compañías privadas y el gobierno. A la mitad de los años 50, IBM y Remington Rand, que habían comprado la compañía de Eckert y Mauchly, se consolidaban como líderes en la fabricación de computadoras. Sus clientes incluían a las empresas Sylvania, General Electric, y el gobierno federal. La IBM 650 entró en servicio por primera vez en Boston a fines de Siendo una máquina relativamente barata para aquella época, tuvo gran aceptación, y dio a la IBM liderazgo en la producción de computadoras en Desde 1956, la IBM ha sido el fabricante de computadoras más grande del mundo. En el período de 1954 a 1959, muchos negocios adquirieron computadoras para procesar datos, aun cuando estas máquinas estaban diseñadas para aplicaciones científicas. Los no científicos solían considerar la computadora como un instrumento de contabilidad y las primeras aplicaciones de negocios se diseñaron para procesar tareas rutinarias como son las nóminas. Se subestimó el potencial real de las computadoras y muchas fueron adquiridas por el prestigio que conferían a la organización. Tecnología: Válvulas de vacío, eran componentes voluminosos, caros, de elevado consumo, gran disipación de calor y una limitada vida de funcionamiento. Arquitectura y Software: Fueron construidos con CPU - Unidad de Proceso Central simples que proporcionaba aritmética serie en punto fijo usando contador de programas y acumulador. Ordenadores mono-usuario. La CPU se encargaba de la gestión de los accesos a memoria y operaciones de I/O. Se evoluciona a la programación en ensamblador (para ayudar al programador), sin subrutinas linkables Desarrollo histórico: Mark I. Un dispositivo electromecánico, basado en relés, fabricado para la Marina de EU por Howard Aitken e ingenieros de la IBM. La ultima en su clase. Sustituida por la electrónica. ETSII Dpto. Tecnología Electrónica Página: 19 / 39 MSA

20 el Colossus. Durante la II Guerra Mundial ( ), un equipo de científicos y matemáticos que trabajaban en Bletchley Park, al norte de Londres, crearon lo que se consideró el primer ordenador digital totalmente electrónico. Hacia diciembre de 1943 el Colossus, que incorporaba válvulas o tubos de vacío, era ya operativo. Descifrador de códigos de propósito especial fabricado por los británicos. Fue utilizado por el equipo dirigido por Alan Turing para descodificar los mensajes de radio cifrados de los alemanes. En 1939 y con independencia de este proyecto, John Atanasoff y Clifford Berry ya habían construido un prototipo de máquina electrónica en el Iowa State College (EEUU) ABC. Siglas de Atanasoff-Berry Computer, fabricada en la Univ. Estatal de Iowa. Conocida ahora como la primera computadora digital electrónica. Se considera el más famoso de los primeros computadores al ENIAC (1946) y como al primero de los fabricados con Electrónica Digital. El proyecto del ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculador) fue dirigido por Eckert y Mauchy en la "Moore School Engineering" de la Universidad de Pensilvania. Constaba de unas válvulas, resistencias, interruptores y consumía 100 kw, por lo que necesitaba ventilación forzada para disipar la gran cantidad de calor que producía. Fabricada para aplicaciones balísticas del Ejército de EU, era capaz de sumar, restar, multiplicar y dividir en decimal; tenía tres tipos de tablas de funciones y la entrada y salida de datos y resultados se realizaban mediante tarjetas perforadas. El procesador del ENIAC disponía en su estructura de 20 registros de 10 dígitos. Tenía una velocidad de varios cientos de multiplicaciones por minuto, pero su programa estaba conectado al procesador y debía ser modificado manualmente. ETSII Dpto. Tecnología Electrónica Página: 20 / 39 MSA

21 UNIVAC I Primera computadora creada por una firma comercial pertenecientes a John W. Mauchly y J. Prespert Eckert. Manchester Mark I. Producida por la Universidad de Manchester; la primera computadora con "programa almacenado". Hasta ese momento, todas las computadoras tenían que ser reprogramadas mediante cambios en el alambrado. Esto fue un gran avance. EDVAC. Se construyó un sucesor del ENIAC con un almacenamiento de programa que estaba basado en los conceptos del matemático húngaro-estadounidense John von Neumann. Las instrucciones se almacenaban dentro de una llamada memoria, lo que liberaba al ordenador de las limitaciones de velocidad del lector de cinta de papel durante la ejecución y permitía resolver problemas sin necesidad de volver a conectarse al ordenador Dieron lugar al computador EDVAC en Dichos aspectos fueron: 1. Programa almacenado, en sustitución del programa "cableado" usado hasta entonces. Esto suponía mantener inalterable la organización física del computador para todas las aplicaciones. 2. Aritmética binarla codificada, en lugar de la decimal. Permitió simplificar enormemente los circuitos electrónicos encargados de realizar los cálculos. EDSAC Por otra parte, Wilkes construyó en 1949 el computador EDSAC para la Universidad de Cambridge, en el que se aportaba el concepto de memoria jerárquica en la ejecución de programas almacenados. ETSII Dpto. Tecnología Electrónica Página: 21 / 39 MSA

22 Junto a un sin fin de máquinas de proceso que seguían el patrón de von Neumann y se orientaban al tratamiento de los cálculos científicos, también se comenzó en el MIT la construcción de un computador orientado a trabajar en tiempo real. Se trataba del WWI, presentado en Ordenador de IAS ( Institute for Avanced Studies) con diseño propuesto por John von Neuman, Arthur Burks y Herman Goldstine en Princeton en IBM 701, primer ordenador electrónico comercial con programa almacenado construido por IBM en Avances en el equipo físico: La memoria principal, que inicialmente estaba formada por registros a base de válvulas de vacío, fue reemplazada por sistemas de núcleos de ferrita, cuyo ciclo medio de acceso era de unos pocos microsegundos. Previamente, también se habían utilizado los "tubos de Williarns", que almacenaban bits cada uno y tenían un tiempo de acceso de 25 us. Incluso, se llegaron a usar los tambores magnéticos. Como elementos de memoria secundaria, se comenzó a sustituir las tarjetas y cintas perforadas por tambores y cintas magnéticas. Se impulsó la arquitectura de von Neumann dirigiéndola hacia el empleo compartido de la memoria principal y los periféricos. También se introdujo la capacidad de interrumpir a la UCP y el control de interrupciones. Avances en el sistema lógico: Especialmente a partir de 1950, se mejoraron los aspectos relacionados con la lógica y la programación. Hasta entonces, sólo se había empleado el lenguaje máquina, lo que exigía excelentes programadores. Se evoluciona a la programación en ensamblador (para ayudar al programador), sin subrutinas linkables. Hubo intentos de mejora de los lenguajes ensambladores, macroensambladores y de alto nivel, pero el FORTRAN no estuvo disponible hasta Se introdujo el concepto de registros indexados, de gran valor en la simplificación de la programación. Modelos comerciales: El primer computador comercial fue el UNIVAC 1, construido para la oficina del censo de EE.UU. Diseñado por Eckert y Mauchly cuando abandonaron la Universidad de Pensilvania, se caracterizó por el empleo de cintas magnéticas. Al UNIVAC 1 le siguieron otros modelos, hasta llegar al UNIVAC 1103 en 1956, cuya circuitería le permitía operar en coma flotante y tenía capacidad para interrumpir los programas en curso. Se consideran modelos representativos de esta generación, además de los de UNIVAC, los de IBM. Las comerciales IBM 650, IBM 701, primer ordenador electrónico comercial con programa almacenado construido por IBM en 1953, al que siguieron el 704 y el 709. Otras compañías como Raytheon, Honeyweil y RCA, también se interesaron por el mercado de los computadores en esta época. ETSII Dpto. Tecnología Electrónica Página: 22 / 39 MSA