Arquitecturas de Computadores. 1 Introducción Prof. Javier Cañas R.

Transcripción

1 Arquitecturas de Computadores 1 Introducción Prof. Javier Cañas R.

2 Hardware PREGUNTA: Qué es el hardware? RESPUESTA: Lo que recibe los golpes cuando el software no funciona!

3 Temario 1. Ideas Preliminares 2. La Arquitectura de Computadores 3. Tendencias tecnológicas 4. Perspectiva Histórica

4 1 Ideas Preliminares La Arquitectura de Computadores constituye el fundamento de los llamados Sistemas de Computación y tiene una relación vital y sinérgica con un área muy importante de la economía mundial, siendo en la actualidad responsable de alrededor del 10% del PIB de USA.

5 ... Ideas Los computadores constituyen sin duda el área de mayor dinamismo e innovación con un crecimiento espectacular desde su introducción alrededor del año Los computadores han cambiado la sociedad y lo seguirán haciendo.

6 ... Ideas Por qué estudiar Arquitectura? Algunas respuestas: - La buena programación siempre ha considerado el desempeño los programas. Obtener resultados en forma rápida es un factor importantísimo en la elaboración de software exitoso.

7 ... Ideas - Entre los años 60 y 70 el tamaño de la memoria imponía una gran restricción en el desempeño de los programas. El dogma de fe de los programadores era: minimizar el uso de memoria para crear programas rápidos.

8 Evolución de la Tecnología Los Procesadores y la Memoria han evolucionado a tasas increíbles debido a que los diseñadores han ido de la mano con la última tecnología electrónica. La competencia ha sido un factor fundamental. El desempeño relativo por unidad de costo tiene un crecimiento explosivo. La siguiente diapositiva muestra una tabla con tecnologías relevantes.

9 Desempeño Relativo Año Tecnología Desempeño/costo unitario 1951 Tubos vacío Transistor Cicuitos Integrados VLSI

10 2 Arquitecturas de Computadores Qué es la Arquitectura de Computadores? Arquitectura de Computadores = Conjunto de Instrucciones + Organización de la Máquina

11 Qué es la Arquitectura de un Computador? Coordinación de muchos niveles de abstracción Todo bajo un Conjuntos de fuerzas cambiantes Aplicaciones Compilador Instr. Set Proc. Sistema Operativo Firmware I/O system Instruction Set Architecture Datapath & Control Diseño Digital Circuitos Elo Layout

12 Fuerzas que actúan sobre la Arquitectura de Computadores Tecnología Lenguajes de Programación Aplicaciones Arquitectura de computadores Sistemas Operativos Historia (A = F / M)

13 3 Tendencias Tecnológicas Capacidad de DRAM DRAM Año Tamaño Kb Kb Mb Mb Mb Mb Mb Gb Gb

14 ... Tendencias Procesador - Capacidad Lógica: cerca del 30% por año - Frecuencia reloj: cerca del 20% por año Memoria - Capacidad DRAM: cerca del 60% por año (4x cada 3 años) - Velocidad Memoria: cerca del 10% por año - Costo por bit: mejora cerca del 25% por año Discos - Capacidad: cerca del 60% por año

15 La Ley de Moore La Ley de Moore establece las Curvas de Aprendizaje de la Industria de Semiconductores Mejora MIP S = P B t t P: Factor de ajuste B: Factor de aprendizaje t: Tiempo en años Ley de Moore: A precio constante, el desempeño se duplica cada 18 meses B=1.48 (Ley de Moore) B=1.56 (Valor observado)

16 Tendencia en el desempeño Log del Desempeño Supercomputadores Mainframes Microprocesadores Minicomputadores Año

17 CISC y RISC En la década de los 80 se introduce la tecnología RISC (reduced instruction set computers). Este cambio fue motivado por mejoras en tecnologías de compiladores y reducción de costos de memoria. RISC al comienzo ganó la batalla tecnológica, pero perdió la batalla del mercado. Virtualmente todos los procesadores que surgen después de 1982 siguen la filosofía RISC. Ejemplos: MIPS, SPARC, PA-RISC y Power PC.

18 4 Perspectiva Histórica Entendiendo el pasado, se comprenden mejor las fuerzas que van formando las arquitecturas del futuro. Quienes inventaron el primer computador digital?

19 ... Perspectiva Fueron dos ingenieros: J. Presper Eckert y John Mauchly del Moore School de la U. de Pennsylvania. Este primer computador se llamó ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator). Se utilizó en la 2ª Guerra para cálculo balístico. Usaba tubos.

20 ... Perspectiva En 1946, John von Neumann se acercó al proyecto ENIAC y contribuyó a su mejora introduciendo el concepto de programa almacenado (Arquitectura von Neuman)

21 Eniac 1946

22 ... Perspectiva En 1946 Maurice Wilkes visitó el Moore School y al volver a su universidad (Cambridge), se embarcó en un proyecto denominado EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator). El EDSAC estuvo operativo en 1949, y fue el primer computador en funcionar bajo el concepto de programa almacenado, tal como lo entendemos actualmente.

23 ... Perspectiva Otros nombres que figuran en la prehistoria son John Atanasoff que construyó un computador en pequeña escala en 1940, pero nunca estuvo operativo.

24 Edsac 1949

25 ... Perspectiva A fines de 1930 y comienzo de 1940, en Alemania, Konrad Zuse, diseñó un computador programable, pero nunca consiguió recursos del gobierno para construirlo. El Z3 original fue destruido en 1943 durante un bombardeo aliado a Berlín.

26 ... Perspectiva El Z3 estaba construido con 2300 relés, tenía una frecuencia de reloj de ~5 Hz, y una longitud de palabra de 22 bits.

27 Réplica del Z3 del Museo de Munich

28 ... Perspectiva En Inglaterra, durante la 2ª Guerra se construyeron pequeños computadores de propósito general para desencriptar mensajes interferidos a los alemanes. El computador llamado Colossus fue mantenido en secreto hasta En este proyecto participó Alan Turing.

29 ... Perspectiva Mientras se daban a conocer resultados del ENIAC, Howard Aiken en Harvard, construía el MARK I, (máquina con relés electromecánicos) y el MARK II (máquina a tubos). El Mark III y Mark IV tenían memoria de datos y programas separados (Arquitectura Harvard).

30 Colossus

31 ... Perspectiva El proyecto Whirlwind comenzó en el MIT en 1947 para el análisis de señales de radar. Este proyecto motivó muchas innovaciones, pero la más importante fue la memoria magnética que se usó por 30 años. En diciembre de 1947, Eckert y Mauchly formaron una empresa que liberó el primer computador de propósito general en agosto de Se llamó el UNIVAC I (el precio fue US$10 6 ).

32 ... Perspectiva IBM comenzó a construir computadores en El primer computador fue el IBM 701, vendido en En 1965, después de invertir US$5*10 9 salió al mercado el famoso sistema IBM 360 que dominó por mucho tiempo.

33 Univac (5000 tubos)

34 IBM 701

35 ... Perspectiva Alrededor de 1966, DEC liberó el PDP-8, el primer minicomputador comercial. El costo era US$ En 1971 Intel inventó el primer microprocesador. El Intel 4004.

36 ... Perspectiva En 1963 se anunció el primer supercomputador. El CDC Fue construido por Seymour Cray que más tarde fundó Cray Research dando origen al Cray-1. En 1996 fue absorbida por Silicon Graphics marcando el fin de compañías especializadas en supercomputadores. En 1977 Steve Jobs y Steve Wozniak construyeron el Apple II fijando un estándar para la industria de computadores personales.

37 Apple II

38 ... perspectiva El IBM PC fue anunciado en 1981 y ha sido el computador más vendido de la historia. El éxito del IBM PC hizo que el procesador Intel fuera el más vendido, lo mismo que el sistema operativo de Microsoft.

39 Dispositivos actuales

40 Generaciones de Computadores Primera generación ( ) - tecnología: Tubos al vacío - producto principal: Computador electrónico comercial Segunda generación ( ) - tecnología: Transistores - producto principal: Computadores baratos Tercera generación ( ) - tecnología: Circuitos Integrados - producto principal: Minicomputador Cuarta generación (1978-???) - tecnología: LSI y VLSI - producto principal: PC y estaciones de trabajo

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