Asignación Nro. 1 Arquitectura del Computador TI PI Parte I El estimulo para la computadora electrónica fue la Segunda Guerra Mundial. Durante la primera parte de la guerra, submarinos alemanes hacían estragos entre la armada británica. Los almirantes alemanes enviaban órdenes por radio hasta los submarinos, pero eran interceptadas por los ingleses. El problema era que los mensajes se codificaban mediante un aparato llamado Enigma. A principios de la guerra, los espías británicos lograron adquirir una maquina Enigma de los espías polacos, quienes la habían robado a los alemanes. Sin embargo, se requería un número abrumador de cálculos para decodificar un mensaje, y esto tenia que hacerse inmediatamente después de interceptarse el mensaje para que sirviera de algo. Para decodificar estos mensajes, el gobierno estableció un laboratorio supersecreto que construyo una computadora electrónica llamada Colossus. El famoso matemático Alan Turing ayudo a diseñar esta maquina, la cual entro en operación en 1943. Ademas de estimular la construcción de Colossus, la guerra también afectó la computación es Estados Unidos. El resultado de esto fue la construcción de ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer). Esta maquina fue diseñada y construida bajo la supervisión de John Mauchly y John Eckert en la Universidad de Pensilvania, y fue el primer computador electrónico de propósito general del mundo. El BRL (Balistics Research Laboratory, Laboratorio de Investigación Balística) del Ejército, una agencia responsable del desarrollo de tablas de tiro y de trayectoria para nuevas armas, tenia dificultades para elaborarlas con exactitud y dentro de un plazo de tiempo razonable. Sin estas tablas de tiro, las nuevas armas y piezas de artillería eran inútiles para los artilleros. EL BRL empleo a mas de 200 personas, la mayoría mujeres, que utilizando calculadoras de mesa resolvían las ecuaciones balísticas necesarias. La preparación de las tablas para una sola arma le habría llevado a una persona muchas horas, incluso días. Mauchly, un catedrático de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Pensilvania, y Eckert, uno de sus alumnos de licenciatura, propusieron construir un computador de propósito general usando tubos de vacío para utilizarlo en las aplicaciones de la BRL. En 1943 esta propuesta fue aceptada por el ejercito y se comenzó a trabajar en al ENIAC. La maquina que construyeron era enorme, pesaba 30 toneladas, ocupaba 15000 pies cuadrados y contenía mas de 18000 tubos al vacío. Cuando funcionaba consumía 140 Kilovatios de potencia y podía efectuar 5000 sumas por segundo. El ENIAC era una maquina decimal y no binaria. Es decir, los números estaban representados de forma decimal y no binaria. Se termino en 1946, demasiado tarde para ser utilizado durante la guerra. En su lugar, su primera misión fue realizar una serie de cálculos complejos que se usaron para ayudar a 1
determinar la viabilidad de la bomba de hidrogeno. Además, se le permitió a Eckert y Mauchly realizar un curso en el que describieron su proyecto a sus colegas científicos, lo cual, marco el principio del auge del interés en construir computadoras. El uso de la ENIAC para una función distinta de aquella para la que fue construido demostró su naturaleza de propósito general. Así, 1946 marcó el comienzo de la nueva era de los computadores electrónicos, culminando años de esfuerzo. El ENIAC siguió funcionando bajo la dirección del BRL hasta 1955, cuando fue desmontado. Parte II Mientras Eckert y Mauchly trabajaban en la EDVAC, una de las personas que participaron en el proyecto ENIAC, John Von Neumann, acudió al IAS (Institute of Advanced Studies, Instituto de Estudios Avanzados) de Princeton para construir su propia versión de EDVAC, la maquina IAS. Von Neumann fue un genio del calibre de Leonardo da Vinci; hablaba muchos idiomas, era experto en las ciencias físicas y en matemáticas, y recordaba perfectamente todo lo que había escuchado, visto o leído. Podía citar de memoria el texto exacto de libros que había leído hacia años. Cuando se intereso por las computadoras, era uno de los matemáticos más eminentes del mundo. Una cosa que pronto fue obvia para el, era que cargar y modificar programas para el ENIAC con un gran número de interruptores era lento, tedioso e inflexible. Este proceso podría ser más fácil si el programa se representa en una forma adecuada para ser guardado en la memoria del computador junto con los datos. Von Neummann también percibió que la aritmética decimal en serie utilizada por la ENIAC podía ser sustituida por aritmética binaria. De esta forma un computador podría conseguir sus instrucciones leyéndolas de la memoria, y se podría hacer o modificar un programa colocando los valores en una zona de memoria. Esta es idea conocida como concepto del programa almacenado. La estructura general del computador IAS fue la siguiente: Como el dispositivo es principalmente un computador, tendrá que realizar las operaciones aritméticas elementales muy frecuentemente. Estas son la suma, la resta, la multiplicación y la división. Es por tanto razonable que contenga elementos especializados solo en estas operaciones. Esta parte puede denominarse CA (Central Arthmetical). El control lógico del dispositivo, es decir, la secuenciación adecuada de las operaciones debe ser realizado eficientemente por un órgano de control central. Los órganos de control general que se ocupan de que se lleven a cabo las instrucciones específicas se denominan CC (Central Control). Cualquier dispositivo que realice secuencias largas y complicadas de operaciones debe tener una memoria considerable. Esta parte se denomina M (Memoria). 2
El dispositivo tiene que estar dotado con la habilidad de mantener contacto de entrada y salida con medios específicos de este tipo. El medio será llamado medio de grabación exterior del dispositivo R (Recording) El dispositivo debe tener órganos para transferir información a partir de R hacia CA y CC. Estos órganos forman su entrada, que viene a ser la parte específica denominada I (Input). El dispositivo debe tener órganos para transferir información a partir de sus partes especificas CA y CC hacia R. estos órganos forman su salida, que viene a ser la parte especifica O (Output). Parte III Un circuito digital es en el que solo están presentes dos valores lógicos. Por lo regular, una señal entre 0 y 1 voltio (por ejemplo el 0 binario) y una señal entre 2 y 5 voltios representa el otro valor (por ejemplo el 1 binario). No se permiten valores fuera de estos dos intervalos. Diminutos dispositivos electrónicos, llamados compuertas, pueden calcular diversas funciones con estas señales de 2 valores. En la figura a) se muestra un transistor bipolar (el circulo) incorporado a un circuito sencillo. Este transistor tiene tres conexiones con el mundo exterior: el colector, la base y el emisor. Cuando el voltaje de entrada V in es menor que cierto valor critico, el transistor se apaga. Esto hace que la salida del circuito, V out, adquiera un valor cercano a V CC, un voltaje regulado externamente, que suele ser de +5 voltios para este tipo de transistor. Cuando V in excede el valor critico, el transistor se enciende, lo que hace que V out se baje a tierra (por convención, 0 voltios). 3
El aspecto importante es que cuando V in es bajo, V out es alto y viceversa. Así, este circuito es un inversor que convierte un 0 lógico en un 1 lógico, y un 1 lógico en un 0 lógico. El resistor (la línea en zigzag) es necesario para limitar la cantidad de corriente que el transistor absorbe y evitar que se queme. El tiempo necesario para conmutar de un estado a otro suele ser de unos cuantos nanosegundos. En la figura b), dos transistores se han conectado en serie. Si V 1 y V 2 son altos, ambos transistores conducirán y V out bajará. Si cualquiera de las dos entradas es baja, el transistor correspondiente se apagará y la salida será alta. En otras palabras, V out será bajo si y solo si tanto V 1 como V 2 son altos. En la figura c) los dos transistores están conectados en paralelo, no en serie. En esta configuración, si cualquiera de las entradas es alta, el transistor correspondiente se encenderá y ocasionará que la salida vaya a tierra. Si ambas entradas son bajas, la salida se mantendrá alta. Preguntas: Qué diferencia se puede notar entre el computador Colossus y el computador ENIAC según el ámbito o propósito para que fueron usados? Valor: 0,5 Puntos El computador ENIAC toma todas las características enunciadas en el concepto de Computador estudiado en clase? Valor: 0,5 Puntos Cuáles eran las características del computador ENIAC en cuanto a tamaño y consumo de energía? Valor: 0,5 Puntos Según Von Neumann, cuales eran las dificultades que presentaba el computador ENIAC? Valor: 1 Punto Es posible comparar o equiparar la estructura del computador IAS diseñado por Von Neumann con las funciones básicas del computador estudiadas en clase? Valor: 1 Punto A que tipos de compuertas lógicas corresponderían las situaciones señaladas en las figuras a), b) y c)? Valor: 1,5 Puntos Fecha de Entrega: Domingo 12 / 10 / 2010 Máximo 2 personas por grupo 4
Asignación Nro. 2 Arquitectura del Computador TI PI Parte I Los años cincuenta contemplaron el nacimiento de la industria de computadores con dos compañías, Sperry e IBM, dominando el mercado. En 1947 Eckert y Mauchly formaron la Eckert Mauchly Computer Corporation para fabricar computadores con fines comerciales. Su primera maquina de éxito fue el UNIVAC I, que fue empleada por la oficina de censo para sus cálculos en 1950. La Eckert Mauchly Computer Corporation formó luego parte de la división UNIVAC de la Sperry Rand Corporation, que siguió construyendo una serie de maquinas sucesoras de la primera. El UNIVAC I fue el primer computador comercial de éxito. Estaba diseñado, como su nombre indica, tanto para aplicaciones científicas como comerciales. Este, podía realizar, por ejemplo, operaciones con matrices, problemas de estadística y logísticos, cálculos de primas para compañías de seguros, entre otros. Tiempo después, fue creada el UNIVAC II, que poseía una mayor capacidad de memoria y mas aplicaciones que su antecesor. De esta forma se evidencio que con el pasar del tiempo, las compañías construían maquinas mas potentes, aunque compatibles con las anteriores, es decir, los programas escritos para las viejas maquinas pueden ejecutarse en las nuevas maquinas, reteniendo así a sus clientes que, probablemente al comprar una maquina nueva, se decidan por hacerlo a la misma compañía para evitar perder su inversión en programas. El primer cambio importante en los computadores electrónicos vino con la sustitución de los tubos de vacío por transistores. El transistor es mas pequeño, mas barato, disipa menos calor y puede ser usado de la misma forma que un tubo de vacío en la construcción de computadores. Mientras que un tubo de vacío requiere cables, placas de metal, una capsula de cristal y vacío, el transistor es un dispositivo de estado sólido hecho con silicio. El transistor fue inventado en los Laboratorios Bell en 1948 por John Bardeen, Walter Brattain y William Schockley, quienes fueron galardonados con el premio Nóbel de física de 1956 por su trabajo. Los computadores completamente transistorizados no estuvieron disponibles comercialmente hasta el final de los cincuenta. IBM no fue la primera compañía en lanzar esta tecnología, ya que NCR y RCA fueron los primeros en hacerlo. 5
Transistor Tubos al Vacío Un transistor simple tomo la denominación de Componente Discreto. Los componentes discretos se fabricaban separadamente, encapsulados en sus propios contenedores, y soldados o cableados juntos en tarjetas de circuitos en forma de panel, que eran instalados en los computadores. Cuando un equipo necesitaba un transistor, había que soldar este, que tenia una forma de pequeño tubo de metal y contenía una pieza de silicio del tamaño de la cabeza de un alfiler, en una tarjeta de circuitos. Todo este proceso se volvió cario y engorroso. Los primeros computadores de la Segunda Generación contenían alrededor de 10.000 transistores, cantidad que fue creciendo, haciendo más difícil la fabricación de nuevas maquinas. En 1958 surgió algo que revoluciono la electrónica y comenzó la era de la Microelectrónica: la invención del circuito integrado. Antes de continuar, es necesario señalar algo sobre la naturaleza de la electrónica digital: Los elementos básicos del computador deben ofrecer almacenamiento, procesamiento y control de funciones: para ello se requieren dos tipos fundamentales de componentes: puertas y celdas de memoria. Una puerta es un dispositivo que implementa una función lógica simple. Se les llama Puertas porque controlan el flujo en cierta manera, como lo hacen las puertas de un canal. La Celda de memoria es un dispositivo que puede almacenar un dato. Interconectando muchos de estos dispositivos fundamentales, es posible construir un computador, por tanto, este último consta de puertas, celdas de memoria e interconexiones entre estos elementos. 6
Los circuitos integrados utilizaron el hecho de que componentes como transistores, resistencias y conductores podían ser fabricados a partir de un semiconductor como el silicio. La idea es simple: en vez de ensamblar componentes discretos hechos a partir de trozos de silicio, se fabrica un circuito entero en un pequeño trozo de silicio. De esta forma se pueden construir cientos e incluso miles de transistores al mismo tiempo en una sola oblea de silicio. Los pasos básicos para la construcción de un circuito integrado son los siguientes: Se divide una fina oblea de silicio en una matriz de pequeñas áreas, cada una de unos pocos milímetros cuadrados. Se fabrica el mismo patrón de circuito en cada área, y la oblea se divide en chips. Cada chip consiste en muchas puertas más una serie de puntos para conexiones de entrada y salida. El chip es encapsulado en una carcasa que lo protege y proporciona patas para conectar en dispositivos fuera del chip. Varios de estos dispositivos pueden ser interconectados en una tarjeta de circuito impreso para producir circuitos complejos y mayores. Parte II La industria de la computación tiene un avance como ninguna otra. La fuerza impulsora primordial es la capacidad de los fabricantes de chips para empacar cada vez más transistores en un chip. Un mayor número de transistores implica memorias más grandes y procesadores más potentes. La rapidez del progreso tecnológico puede modelarse de acuerdo con una observación llamada Ley de Moore, descubierta por Gordon Moore en 1965. Moore se dio cuenta de que cada nueva generación de chips se estaba introduciendo tres años después de la anterior. También se percato de que cada generación tenía cuatro veces más memoria que su predecesora por lo que el número de transmisores en un chip chips estaba aumentando de forma constante y predijo que este crecimiento continuaría durante varias décadas. Hoy día, la ley de Moore suele expresarse como el número de transistores que se duplica cada 18 meses. Cabe señalar que esto equivale a un incremento del 60% en el número de transistores cada año. Desde luego, la ley de Moore no es realmente una ley, sino una observación empírica acerca de la rapidez con que se esta empujando las fronteras tecnológicas en cuanto al desarrollo del computador, y una predicción de que seguirán haciéndolo al mismo ritmo en el futuro. Algunas consecuencias de esta ley son las siguientes: El precio de un chip ha permanecido prácticamente invariable a través de este periodo de rápido crecimiento en densidad, dando pie a nuevos productos y aplicaciones más asequibles. El desarrollo de nuevas aplicaciones da pie a nuevos mercados y nuevas compañías que surgen para crearlos. Además, estas compañías crean una demanda económica de nuevas tecnologías con las cuales superar a todas las demás. 7
Hay una reducción de las necesidades de potencia y refrigeración de los componentes del computador. Las interconexiones de los circuitos integrados son más fiables que las conexiones soldadas. Ya que los elementos de un chip están más próximos y mas densamente encapsulados, la longitud de las interconexiones eléctricas ha disminuido, incrementando la velocidad operativa. John Bardeen, Walter Brattain y William Schockley John Von Neumann 1. Es posible afirmar que en la actualidad existe una situación similar a la que se produjo con los computadores UNIVAC I y UNIVAC II en la que los programas de maquinas antiguas funcionan con maquinas nuevas? Valor: 0,75 Puntos 2. Cuales fueron los dos principales aspectos que permitieron la creación del Circuito Integrado? Valor: 0,75 Puntos 3. A partir de cuales componentes básicos es posible construir un Circuito Integrado? Valor: 0,75 Puntos 4. En su opinión y basado en la lectura la situación expresada en la Ley de Moore es beneficiosa para los usuarios de computadoras? Valor: 0,75 Puntos Mauchly y Eckert Fecha de Entrega: Domingo 19 / 10 / 2010 Máximo 2 personas por grupo 8