Circuitos Digitales II y Laboratorio Electrónica Digital II y Laboratorio

Transcripción

1 Circuitos Digitales II y Laboratorio Electrónica Digital II y Laboratorio Fundamentos de Arquitectura de Computadores Introducción - Un poco de historia Profesor: Felipe Cabarcas Correo:cabarcas@udea.edu.co Oficina: Departamento de Ingeniería Electrónica Universidad de Antioquia

2 Qué es Arquitectura de Computadores? Compilador Lenguaje Natural Algoritmo Lenguaje de alto nivel Arquitectura del Conjunto de Instrucciones (ISA) Micro-arquitectura Circuitos Electrones Foco principal de la Arquitectura de computadores c Yale Patt and Sanjay Patel, From bits and bytes to gates and beyond En su definición más amplia, la arquitectura de computadores es el diseño de las capas de abstracción que permiten implementar aplicaciones de procesamiento de información eficientemente usando las tecnologías de manufactura disponibles. Felipe Cabarcas (UdeA) Digitales II, Introducción / 21

3 La arquitectura está cambiando continuamente Las aplicaciones sugieren como mejorar la tecnología El mejoramiento de la tecnología permite nuevas aplicaciones El costo del desarrollo del software hace de la compatibilidad una fuerza importante del mercado. Aplicaciones Tecnologia Compatibilidad Felipe Cabarcas (UdeA) Digitales II, Introducción / 21

4 Primeros sistemas de computación EDSAC, University of Cambridge, UK, 1949 Felipe Cabarcas (UdeA) Digitales II, Introducción / 21

5 Desempeño de los uniprocesadores en el tiempo Tomado de Hennessy and Patterson, Computer Architecture: A Quantitative Approach, 4th edition, October, 2006 VAX : 25 %/year 1978 al 1986 RISC + x86: 52 %/year 1986 al 2002 RISC + x86:?? %/year 2002 al presente Felipe Cabarcas (UdeA) Digitales II, Introducción / 21

6 El final de la era de los uniprocesadores El más grande cambio en la historia de los sistemas de computación Felipe Cabarcas (UdeA) Digitales II, Introducción / 21

7 Desempeño de los uniprocesadores en el tiempo Tomado de s_law Felipe Cabarcas (UdeA) Digitales II, Introducción / 21

8 El quinto paradigma Tomado de s_law Felipe Cabarcas (UdeA) Digitales II, Introducción / 21

9 Charles Babbage Lucasian Professor of Mathematics, Cambridge University, Difference Engine (Máquina diferencial) 1823 El principio de la máquina diferencial es el método de las diferencias divididas de Newton (Cualquier polinomio puede ser calculado a partir de tablas de diferencias) Construida por el sueco Pehr Georg Scheutz, quien se la vende al gobierno Británico y a los EEUU Aplicaciones Tablas logarítmicas Tablas Matemáticas Astronomía Tablas Nauticas Armada Naval Analytic Engine (Máquina anaĺıtica) 1833 El predecesor de la computadora digital moderna! Inspirado por las máquinas de tejer de Jacquard que estaban controladas por tarjetas perforadas Las tarjetas perforadas dictaban el patrón a tejer o programa Felipe Cabarcas (UdeA) Digitales II, Introducción / 21

10 Harvard Mark I Construida en 1944 por IBM, funcionó hasta 1959 Esencialmente mecánica pero tenía algunos relés electro-magnéticos y engranajes Pesaba 5 toneladas y tenía 750,000 componentes Un reloj de sincronización de período segundos (66Hz) Desempeño 0.3 segundos la suma 6 segundos la multiplicación 1 minuto el cálculo del seno Aritmética decimal Sin saltos Condicionales! Se dañaba una vez a la semana! Felipe Cabarcas (UdeA) Digitales II, Introducción / 21

11 Atanasoff Berry Computer (ABC) Linear Equation Solver, Iowa State University 1930 s Solución de Ecuaciones lineales Usaba RAM dinámica (condensadores que debían ser refrescados) Aplicación Ecuaciones diferenciales integrales y lineales Trasfondo El analizador diferencial de Vannevar Bush una computadora analógica Tecnología 300 Tubos y relés electromecánicos Atanasoff y Berry decidieron que el modo correcto de computación era usar dígitos binarios electrónicos Felipe Cabarcas (UdeA) Digitales II, Introducción / 21

12 Electronic Numerical Integrator and Computer (ENIAC) Eckert y Mauchly Diseñada en 1943 en la Universidad de Pennsylvania, inspirados en la ABC Primera calculadora electrónica anaĺıtica operacional de propósito general. 30 toneladas, 72 metros cuadrados, 200KW No era muy confiable! Uso Cálculos Baĺısticos durante la Segunda guerra mundial. Desempeño Leía 120 tarjetas por minuto La suma tardaba 200 µs, la división 6 ms 1000 veces más rápida que Mark I Felipe Cabarcas (UdeA) Digitales II, Introducción / 21

13 Electronic Discrete Variable Automatic Computer Problemas de ENIAC solucionados por EDVAC El sistema de programación de ENIAC era externo La secuencia de instrucciones era ejecutada independiente del resultado de los cálculos (no habían if ) Se requería intervención de los humanos para ejecutar instrucciones fuera de orden Solución de Eckert, Mauchly, John von Neumann y otros El computador con programa almacenado (stored program computer): El programa puede ser manipulado como datos. Controversia Primer reporte publicado en 1945, solo firmado por John von Neumann! En 1973 la corte de Minneapolis atribuyó el honor de la invención de la computadora a John Atanasoff Felipe Cabarcas (UdeA) Digitales II, Introducción / 21

14 Origen de la idea del Stored-Program Computer Origen Se puede rastrear su concepto teórico al artículo de 1936 de Alan Turing sobre una máquina universal. Primer artículo completo En 1945 John von Neumann publicó el primer borrador de un reporte sobre EDVAC, y por lo tanto se conoce como la arquitectura von Neumann. Primer artículo completo En 19 Febrero de 1946 Alan Turing publicó un primer diseño detallado. Felipe Cabarcas (UdeA) Digitales II, Introducción / 21

15 Comparación entre ENIAC y EDVAC ENIAC vs EDVAC 18,000 tubos 4,000 tubos 20 Números de 10-digitos 2000 words de almacenamiento en ĺıneas de retardo de mercurio ENIAC Tenía muchas unidades paralelas asincrónicas, pero solo una estaba activa en un momento dado. BINAC Dos procesadores que se comprobaban mutuamente. No funcionó bien porque los procesadores nunca coincidían. Felipe Cabarcas (UdeA) Digitales II, Introducción / 21

16 Problema predominate: Confiabilidad Tiempo medio entre fallas (MTBF) La Whirlwind del MIT con un MTBF de 20 minutos era tal vez la máquina más confiable! Razones para la baja confiabilidad 1 Tubos de vacío 2 Medio de almacenamiento Lineas de retardo acústico Lineas de retardo mercurio Tubos de Williams Solución La confiabilidad fue resuelta con el invento de la memoria de núcleo magnético por J. Forrester del MIT en 1954 para el proyecto Whirlwind Felipe Cabarcas (UdeA) Digitales II, Introducción / 21

17 Primeras Computadoras Name Operacional Sistema Numérico Zuse Z3 (Alemania) Mayo 1941 Binario punto flotante Mecanismo Programación Turing complete Electro-mecánico Programa controlado por una peĺıcula fotográfica de 35mm perforada (sin saltos condicionales) In theory (1998) ABC (EEUU) 1942 Binario Electrónico No era programable un solo propósito No Colossus Mark 1 Febrero 1944 Binario Electrónico Controlado por programa a través de cables No (GB) de interconexión e interruptores Harvard Mark I Mayo 1944 Decimal Electro-mecánicta Controlado por programa a través de cin- No IBM ASCC de papel perforadas de 24 canales (sin (EEUU) saltos condicionales) Colossus Mark 2 Junio 1944 Binario Electrónico Controlado por programa a través de cables In theory (GB) de interconexión e interruptores (2011) Zuse Z4 (Alemaniato Marzo 1945 Binario pun- Electro-mecáni- Programa controlado por una peĺıcula fo- Yes flotante co tográfica de 35mm perforada ENIAC (EEUU) Julio 1946 Decimal Electrónico Controlado por programa a través de cables Yes de interconexión e interruptores Manchester Junio 1948 Binario Electrónico Programa almacenado en memoria de tubos Yes SSEM (GB) catódicos de Williams ENIAC Modificado Septiembre Decimal Electrónico Programación guardado en memorias de Yes (EEUU) 1948 solo lectura usando Tablas de Funciones EDSAC (GB) Mayo 1949 Binario Electrónico Programa guardado en memorias de ĺınea de retardo de mercurio Yes Manchester Mark 1 (GB) CSIRAC (Australia) Octubre 1949 Binario Electrónico Programa almacenado en memoria de tubos catódicos de Williams y tambores magnéticos Noviembre 1949 Binario Electrónico Programa guardado en memorias de ĺınea de retardo de mercurio Yes Yes Felipe Cabarcas (UdeA) Digitales II, Introducción / 21

18 Primer Bug Grace Murray Hopper Pionera programadora del Harvard Mark I. Desarrolló primer compilador para lenguaje de programación. Ayudó en el desarrollo de COBOL. Usos del término Ella siguió usando el término debugging cuando buscaban errores en los programas. El primer Bug, una polilla En 1947, trabajando en el Mark II, descubrieron una polilla (moth) en el contacto de un relé, que impedía su funcionamiento. Felipe Cabarcas (UdeA) Digitales II, Introducción / 21

19 Actividad Comercial Selective Sequence Electronic Calculator (SSEC) de IBM (basada en la Harvard Mark I). Considerada por algunos como la primera computadora. Almacenamiento de 150 palabras Las instrucciones, y tablas de datos eran leídos de casetes (tapes) de papel 66 estaciones de lectura de casetes! Los casetes podían ser pegados entre ellos para formar bucles! La salida de datos se daba en una fase de computación mientras que se leían datos en otra fase Felipe Cabarcas (UdeA) Digitales II, Introducción / 21

20 LEO I (Lyons Electronic Office I) 1951 Primera computadora usada para aplicaciones comerciales La compañia de alimentos del Reino Unido J. Lyons and Co., la desarrolló para sus tiendas de te. Funcionamiento Las tienda, en la tarde, llamaban a la central (primer call center computarizado). Calculaba la producción nocturna, instrucciones de empaquetado, distribución, facturas, cálculo de costos, reportes para jefes y administradores. Idea En viaje a EEUU los administradores observaron el potencial de las computadoras para su negocio, y que en la Universidad de Cambridge (UK) estaban diseñando EDSAC. Felipe Cabarcas (UdeA) Digitales II, Introducción / 21

21 Fuentes de Información Parte de este material fue tomado de: Krste Asanovic (UC Berkeley, curso cs152) Quien da los siguientes créditos o Acknowledgment: These slides contain material developed and copyright by: Arvind (MIT) Krste Asanovic (MIT/UCB) Joel Emer (Intel/MIT) James Hoe (CMU) John Kubiatowicz (UCB) David Patterson (UCB) MIT material derived from course UCB material derived from course CS252 Felipe Cabarcas (UdeA) Digitales II, Introducción / 21