introducciòn a los computadores

1. Estructura de Computadores
Introducción a los Computadores

2. Objetivos
● Conceptuales
– Computador como máquina programable
– Elementos y funciones básicas del computador
– Hitos clave en el desarrollo de los computadores
– Generaciones de computadores y tecnologías asociadas
– Concepto de familia de computadores
– Elementos de clasificación de los computadores
– Concepto de nivel de abstracción en el estudio de los
computadores

3. Objetivos
● Procedimentales
– Asociar cada tecnología electrónica con una generación de
computadores
– Clasificar un computador o arquitectura dada en base a
diversos criterios
– Asociar una descripción formal dada con el nivel de
abstracción correspondiente

4. Objetivos
● Actitudinales
– Valorar la generalidad y simplicidad de la estructura básica
de un computador
– Evaluar el impacto del desarrollo tecnológico en el área de
la computación
– Implicaciones del concepto de familia de computadores en
el desarrollo de la ciencia e industria informática
– Importancia de los niveles de abstracción en el estudio de
los computadores

5. Bibliografía
● Básica
– [HAYE86] Excelente introducción al diseño de de sistemas
digitales y microprocesadores.
– [STAL00] Exposición clara y amena de aspectos generales.
No abarca en profundidad el diseño de sistemas digitales.
– [TANE99] Completa revisión histórica y buena referencia
para el conjunto de los contenidos.

6. Bibliografía
● Complementaria
– [BAEN97/1] Excelente libro de problemas. Incluye
numerosos problemas resueltos. Cubre parte de la
asignatura.
– [BAEN97/2] Excelente colección de apuntes sobre el diseño
de sistemas digitales. Muy adaptado a los contenidos de la
asignatura
– [CRAM87] Manual de referencia del MC68000
– [KELL87] Referencia complementaria del MC68000
– [LIVA93] Arquitectura de computadores y MC68000
– [MIGU96] Introducción clara a la arquitectura de
ordenadores
– [SEPT95], [STEN92], [WAKE89] MC68000 avanzado

7. Contenidos
● Introducción
● Estructura y funcionalidad de los computadores
● Historia de los computadores
● Clasificaciones
● Niveles

8. Introducción
Definición de computador: Máquina capaz de realizar de
forma automática y en una secuencia programada cierto
número de operaciones numéricas sobre unos datos
suministrados por el operador
● Características principales
– Capacidad de cómputo
– Ejecución de un programa
– Alta velocidad de operación
– Alta capacidad de almacenamiento de datos
Gran rango de aplicaciones

9. Estructura del computador
Memoria CPU
Conexión
E/S
Periféricos
CPU Memoria E/S 1 E/S 2
BUS (Conexión)

10. Estructura del computador
● CPU (Unidad central de proceso)
– cerebro del ordenador, ejecuta instrucciones
● Memoria
– almacena datos y programas. Directamente accesible por la
CPU
● Entrada/Salida (E/S)
– comunica la CPU con dispositivos "externos" (periféficos):
monitor, teclado, red, modem, discos, etc.
● Sistema de conexión
– comunica la CPU con la memoria y los módulos de E/S

11. Funciones básicas de un computador
● Procesamiento de datos
– operaciones lógicas y aritméticas
● Almacenamiento de datos
– almacenamiento temporal a corto plazo
– almacenamiento a largo plazo
● Transferencia de datos
– con periféricos (transferencias E/S)
– con dispositivos remotos (comunicación)
● Control
– gestión de recursos del computador
– gestión de las diversas unidades funcionales

12. Estructura de la CPU
● Unidad de control
– control de la secuencia de operaciones
– captación de instrucciones
– control de la ejecución de instrucciones
● Unidad aritmético-lógica
– lleva a cabo las operaciones aritméticas y/o lógicas
necesarias para la ejecución de instrucciones
● Registros
– almacenamiento temporal dentro de la propia CPU (código
de instrucciones, datos que están siendo procesados,
direcciones de memoria, etc.)
● Interconexiones

13. Función de la CPU. Ciclo de instrucción
● Captación de la instrucción que va a ejecutar de la
memoria
● Actualización del contador de programa
● Determina el tipo de instrucción captada
● Si la instrucción utiliza datos determina donde están y
accede a ellos
● Almacena los datos en registros internos de la CPU
● Ejecuta la instrucción
● Almacena los resultados en el sitio adecuado

14. Historia de los computadores
● Espectacular evolución durante el S.XX
● Desarrollo de las tecnologías electrónicas
● Reducción de coste y tamaño
Pentium 4 - 2001 (42M ttores)
ENIAC - 1946 (18000 válvulas)

15. Generaciones de computadores
● Generación Cero (1642-1945): computadores mecánicos
● Primera Generación (1945-1955): tubos de vacío
● Segunda Generación (1955-1965): transistores
● Tercera Generación (1965-1970): circuitos integrados
● Cuarta Generación (1970- ?): VLSI. Ordenadores
personales

16. Generación cero (1642-1945)
Ábaco (3500 a.c.) Pascalina
● necesidad de calcular ● Blaise Pascal (1642)
● se sigue usando en la ● sumas y restas
actualidad

17. Generación cero (1642-1945)
Máquina de
diferencias
● Charles Babbage
(principios S.XIX)
● sumas y restas
● propósito específico:
tablas de navegación

18. Generación cero (1642-1945)
Máquina analítica. Charles Babbage (1834)
– primer computador digital de la historia
– establece la estructura del computador moderno:
● unidad de almacenamiento
● unidad de computación
● dispositivos de entrada y salida
– propósito general: programable
– programación mediante tarjetas perforadas:
● Ada Augusta Lovelace primera programadora
– No llegó a ser operativa por problemas tecnológicos
Charles Babbage es considerado el padre de la Informática

19. Generación cero (1642-1945)
Máquina Z1. Konrad Zuse (1930)
– máquina de calcular electromecánica
– secreto militar
– destruida en el bombardeo de Berlín (1944)

20. Generación cero (1642-1945)
Mark I. Howard Aiken (1944)
– Primer computador estadounidense de propósito general
– Tecnología electromecánica (relés)
– Memoria: 72 palabras de 23 dígitos decimales
– Ciclo de instrucción: 6 seg.
– Aplicaciones militares

21. Primera generación (1945-1955)
COLOSSUS
● Reino Unido (1943)
● primer computador
electrónico digital de la
historia
● secreto militar hasta los
años 70
● destinado a descifrar los
mensajes del codificador
alemán ENIGMA
ENIGMA

22. Primera generación (1945-1955)
ENIAC. John Mauchley y J. Presper Eckert (1946)
– inicio de la historia moderna de los computadores
– aplicaciones militares
– 18000 válvulas, 1500 relés, 30 toneladas, 140 KW

23. Primera generación (1945-1955)
● John von Neumann.
– Estructura de los computadores modernos
– EDSAC. Maurice Wilkes (1949)
– IAS. von Neumann (1952)
● UNIVAC. Mauchley y Eckert (1951)
– Primer computador comercial de la historia
– Empresas y universidades comienzan a usar computadores
● IBM 701, 704, 709 (1953)
– Computadores de propósito general
– Aplicaciones científicas
– Gran éxito comercial

24. Segunda generación (1955-1965)
Invención del transistor
(1956)
– John Bardeen
– Walter Brattain
– William Shockley.
● Laboratorios Bell (AT&T)
● Nobel en 1956

25. Segunda generación (1955-1965)
● PDP-1. Kenneth Olsen. DEC (1961)
– Primer mini-ordenador de la historia
– Se introduce el terminal CRT (monitor)
– Gran éxito comercial e implantación en las universidades
● PDP-8. DEC (1965)
– Sucesor del anterior
– Más pequeño, potente y económico
– Arquitectura de un único BUS (omnibus)
– Gran éxito: 50000 unidades vendidas

26. Segunda generación (1955-1965)
DEC PDP-8 (1965)

27. Segunda generación (1955-1965)
● IBM 7090 y 7094 (1962)
– Versión transistorizada del IBM 709
– Aplicaciones científicas
– Dominan el mercado en los años 60
● IBM 1401 (1961)
– Versión económica orientada a los negocios
● CDC-6600 (1964)
– Primera máquina en implementar procesamiento altamente
paralelo
– Diez veces más rápida que el IBM 7094
● Borrows B5000 (1963)
– Primer computador diseñado para ser programado en un
lenguaje de alto nivel (Algol 60)

28. Segunda generación (1955-1965)
IBM 7090

29. Tercera generación (1965-1970)
● Circuitos Integrados (C.I.)
– Decenas, cientos, miles ... de ttores/chip
– Aumento de velocidad, disminución de tamaño
● IBM System/360 (1964)
– Introduce el concepto de "familia de ordenadores"
– Sucesión de familias compatibles hasta mediados de los 80:
370, 4300, 3080 y 3090
● DEC PDP-11 (1970)
– Sucesor del PDP-8
– Minicomputador dominante en los años 70
– Gran expansión en las universidades
– Ligado a los inicios de UNIX y el lenguaje C

30. Cuarta generación (1970-?)
Circuitos integrados LSI
(Large Scale of Integration)
● Intel 4004 (1971)
– primer microprocesador en un
único chip
● Intel 8008 (1972)
– primer procesador de 8 bits
● Intel 8080 (1974)
● Zilog Z80
● Motorola 6800 (1975)

31. Cuarta generación (1970-?)
● Miniordenadores vendidos como kits (1975)
– MITS Altair 8800
● Bill Gates y Paul Allen fundan Microsoft (1975)
– Intérprete de BASIC para el Altair 8800

32. Cuarta generación (1970-?)
● Cray-1 (1976)
– primer supercomputador con Cray-1
arquitectura vectorial
● Apple II (1977)
– primer computador personal
de éxito
● Intel 8086/8088 (1978)
– procesador de 16 bits
– familia IBM PC
● Motorola 68000 (1979)
– Familia Apple Macintosh

33. Ley de Moore
● Gordon Moore (1964)
"La densidad de integración se duplica cada 18 meses"

34. Clasificaciones
● Diversidad de criterios:
– Generaciones
– Familias
– Paralelismo
– Repertorio de instrucciones
– Tamaño, rendimiento, áreas de aplicación

35. Clasificaciones. Paralelismo
● SISD: Single Instruction stream, Single Data stream
– un único programa y un único conjunto de datos
– máquina de von Neumann
● SIMD: Single Instruction stream, Multiple Data stream
– un único programa que se ejecuta sobre múltiples conjuntos
de datos simultáneamente
– máquinas vectoriales
– procesadores matriciales
● MIMD: Multiple Instruction stream, Multiple Data stream
– múltiples programas, múltiples conjuntos de datos
– multiprocesadores

36. Clasificaciones. Repertorio de
instrucciones
● RISC: Reduced Instruction Set Computer
– pocas instrucciones y modos de direccionamiento
– instrucciones simples de un ciclo
– formato fijo de instrucciones
● CISC: Complex Instruction Set Computer
– muchas instrucciones y modos de direccionamiento
– instrucciones complejas de varios ciclo
– instrucciones de formato variable

37. Clasificaciones. Tamaño, rendimiento y
área de aplicación
● Minicomputadores
– Aplicaciones en tiempo real
● control del tráfico aéreo
● automatización de fábricas
– Integran microprocesador, memoria y E/S en una placa
● computadores personales, microcontroladores
● Supermini/Estaciones de trabajo
– minicomputador potente con bastante memoria
– sistemas en tiempo compartido
– servidores

38. Clasificaciones. Tamaño, rendimiento y
área de aplicación
● Mainframes/Maxicomputadores:
– elevada capacidad de entrada salida
– normalmente usados para aplicaciones no interactivas
● traspaso de grandes bases de datos
● largos trabajos que no requieren intervención
● Supercomputadores:
– especialmente diseñados para aumentar el número de
operaciones en punto flotante por segundo
– arquitecturas altamente paralelas

39. Niveles
● Los computadores pueden estudiarse desde distintos
niveles de abstracción:
– nivel de dispositivo (transistores, ...)
– nivel digital (puertas, ...)
– nivel de microprogramación
– nivel de máquina
– nivel ensamblador
– nivel de lenguaje
● Cada nivel representa una abstracción distinta con
distintos objetos y distintas operaciones. Esto nos permite
suprimir detalles irrelevantes en un determinado nivel.
● Los niveles más bajos son los más cercanos a la máquina
y los más lejanos al programador.

40. Niveles
● Normalmente el programador escribe en un lenguaje de
alto nivel que es sucesivamente interpretado o traducido
a los lenguajes de los distintos niveles.
– Traducción: se sustituye cada instrucción del programa
escrito en el nivel p por una secuencia de instrucciones
equivalentes en el nivel p-1. Se genera un programa en el
nivel p-1 y después se ejecuta.
– Interpretación: un programa del nivel p-1 toma los
programas escritos en nivel p, examina cada instrucción y
la ejecuta con instrucciones del nivel p-1. No es necesario
generar un programa en el nivel p-1. Cada instrucción es
examinada, decodificada y ejecutada inmediatamente.

41. Niveles. Hardware/Software
● Hardware: conjunto de componentes o sistemas
electrónicos o mecánicos que componen el ordenador o
sus periféricos.
● Software: programas destinados a ser ejecutados por la
CPU del ordenador. Son cargados en la memoria principal
para su ejecución.
● Firmware: programas grabados en memoria de sólo
lectura. Suelen ir incluidos con el hardware "de serie".

42. Niveles. Hardware/Software
● Cada nivel puede asociarse al hardware, software o
firmware
● Algunas tareas pueden implementarse en distintos
niveles o entre niveles: codiseño hardware/software
nivel n
Aplicaciones
Software
Sistema Operativo
Hardware
nivel 0