Hardware de SistemasHardware de Sistemas
Tecnologías de la Información
1º Bachillerato Ciencias y Tecnología
Jessica Pasto...
Modelo básico de un S.I.Modelo básico de un S.I.
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CPU
MEMORIA
Usuario(s)
Resto del
MUNDO!
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– 2ª Generación: “ con transistores discr...
Hardware: microelectrónicaHardware: microelectrónica
• Ley de Moore
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• En una visión simple, un Procesador
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• La tecnología de procesadores ha
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  • Denominamos HARDWARE (en Inglés común, significa chatarra, ferralla, ...) a todo lo que hay de “tangible” en un sistema de información [1]
    [1] Una máxima popular dice “Es Hardware todo aquello que puedes patear, mientras que es software si te tienes que conformar con maldecirlo”.
  • En términos muy generales, un Sistema de Información consta de uno o más nodos de procesamiento, con una -o varias- CPU y más o menos cantidad de memoria, donde se ejecutan aplicaciones..., unos dispositivos de almacenamiento (p. ej. discos...) donde hay datos persistentes (p.ej en bases de Datos), unos dispositivos (terminales, pantallas, etc...) donde los usuarios interactúan con el sistema y, generalmente, un mundo externo (otras aplicaciones de la empresa y/o de fuera de la empresa....) con quien se intercambia algún tipo de información
  • La Unidad central consta, fundamentalmente, de Procesador y Memoria. El procesador es el elemento responsable siempre de “tomar la iniciativa”; la memoria es un lugar de donde el procesador recupera las entidades sobre las que trabaja (datos) y donde las almacena cuando las transforma. Las instrucciones que gobiernan lo que se hace (programa) y las variables sobre las que se trabaja (datos) se encuentran en un espacio exterior direccionable (memoria) o en dos espacios separados (denominados respectivamente máquinas tipo Von Neuman[1] y máquinas tipo Harvard [2]) .
     
    [1] matemático húngaro (1903-1957) que, en los orígenes de la computación moderna (1947), sentó las bases de lo que se denominó máquinas de programa almacenado.
    [2] Es una alternativa a la arq. Von Neumann, en los que se proponen espacios separados para datos y programas. El término proviene del proyecto Harvard Mark 1 (1939-1944) un procesador electromecánico, a imagen de la “maquina analítica” de Babbage, realizado por esta Universidad y la compañía, entonces incipiente, IBM.
    Las arquitecturas tipo Harvard han estado olvidadas mucho tiempo, a causa de la mayor simplicidad conceptual de la
    Arquitectura Von Neuman, pero se han recuperado posteriormente como una medida de mejora del rendimiento
  • El desarrollo del Hw ha sido realmente espectacular. Desde los orígenes (año 1947) hasta hoy la industria ha reconocido cinco (cuatro más una...) grandes generaciones de hardware:
     
    1ª Generación: hasta finales 50’s: tecnología de válvulas de vacío (ej el ENIAC....)
    2ª Generación : hasta mediados 60’s: tecnología transistores (ej primeras series IBM)
    3ª Generación: hasta mediados 70’s: tecnología de C.I. de baja y media integración (ej IBM 360/series, PDP, VAX)
    4ª Generación: todavía vigente: tecnología de Alta Integración (LSI y VLSI) (todas las máquinas actuales Pentium, Power PC, SPARC, etc....)
    La 5ª Generación, iniciada a partir de los primeros 90’s, especialmente en Japón, y orientada a lo que se denominó “máquinas de flujos de datos”, técnicas heurísticas de IA, etc... Sin resultados útiles, puede considerarse a día de hoy un fracaso
     1, 2, 3 y 4 siguen el concepto máquina Von Neumann
    2,3,4 y 5 aprovechan la tecnología de Física del estado sólido
  • Desde mediados de los 60s hasta hoy, el Hardware ha experimentado un continuo aumento del nivel de integración (Baja, Media, Alta, Muy Alta.....)
     
    En 1965 un ingeniero de Fairchild Semiconductor (entonces líder, con Texas Instruments y National Semiconductor del mercado de electrónica en general y de C.I en particular) llamado Gordon Moore[1], afirmó que la tecnología de C.I. tenía futuro, ya permitiría que cada año se doblase el número de dispositivos por cm2. Posteriormente (1967) modificó el pronóstico, indicando que se doblaría cada 18 meses el numero de transistores por chip, lo que se conoce universalmente como Ley de Moore y que ha demostrado seguir vigente nada menos que 28 años después.
     
     
    [1] Moore abandonó Fairchild en 1971 para fundar Intel, empresa considerada la “inventora” del microprocesador y creadora, entre otras cosas, de las sagas ix86 y Pentium
  • Desde mediados de los 60s hasta hoy, el Hardware ha experimentado un continuo aumento del nivel de integración (Baja, Media, Alta, Muy Alta.....)
     
    En 1965 un ingeniero de Fairchild Semiconductor (entonces líder, con Texas Instruments y National Semiconductor del mercado de electrónica en general y de C.I en particular) llamado Gordon Moore[1], afirmó que la tecnología de C.I. tenía futuro, ya permitiría que cada año se doblase el número de dispositivos por cm2. Posteriormente (1967) modificó el pronóstico, indicando que se doblaría cada 18 meses el numero de transistores por chip, lo que se conoce universalmente como Ley de Moore y que ha demostrado seguir vigente nada menos que 28 años después.
     
     
    [1] Moore abandonó Fairchild en 1971 para fundar Intel, empresa considerada la “inventora” del microprocesador y creadora, entre otras cosas, de las sagas ix86 y Pentium
  • Es como el “motor” de un ordenador[1]. Es la parte “que tiene la iniciativa” dentro del ordenador. Esa iniciativa tiene su origen en que la conducta de su electrónica responde a la “decodificación” secuencial y progresiva de una serie de instrucciones que no residen en sus circuitos, sino que se obtienen de fuera. (lógica por programa almacenado).
    [1] Es un automóvil hay muchas cosas importantes (frenos, suspensión, neumáticos, dirección....) pero sin un motor que lo empuje, no se puede hablar de un automóvil.
     
  • En su visión más simple, el procesador dispone de una serie de registros internos y de unas unidades especializadas (unidad aritmético-lógica y unidad de control).
    El procesador es como “un motor de cuatro tiempos”, que está permanentemente ejecutando “instrucciones”. Una instrucción es una operación a realizar con unos operandos.
    El procesador repite una y otra vez el siguiente bucle:  
    Recuperar de memoria la siguiente instrucción
    Decodificarla para obtener su “operación” y sus “operandos”.
    Si la instrucción necesita operandos, recuperarlos de memoria
    En su caso, realizar las operaciones que correspondan
    Almacenar los resultados
    Obtener la siguiente instrucción y volver al punto 1
    Hay instrucciones para
    Cargar datos de memoria en registros
    Almacenar el contenido de los registros en memoria
    Operar con los registros y/o con datos de memoria
    Saltar a otra dirección
    etc...
  • Aunque hubo algún experimento anterior, hay un cierto consenso en reconocer al ENIAC [2]como el primer “ordenador electrónico” de la historia, (en el ENIAC todo estaba bastante mezclado, de manera que no sabemos lo grande que era el procesador, pero como dato, el conjunto tenía 18000 válvulas de vacío y ocupaba más de 100 metros cuadrados). En los primeros ordenadores, el procesador ocupaba varias tarjetas (incluso varios módulos).
    Con las válvulas, un procesador ocupaba muebles completos Con la llegada de los C.I. el procesador pasó a caber en unas pocas tarjetas (incluso en una sola).
    Al final de los años 70s aparecen el microprocesador (4004, 8008, 8080, ...) que, dicho en dos palabras, consiste en meter un procesador completo (CPU e incluso algo más...) en una sola pastilla, en lugar de los Chipset (una CPU en múltiples pastillas) que era lo habitual.
    [2] ENIAC (Electronic Numeric Integrator And Computer) 1946, es el primer ordenador “digital”, construido por el laboratorio de Balística del ejército americano.
  • Sobre el modelo simple de procesador que hemos descrito, se han ido añadiendo elementos de complejidad
    Pipeline. - como el ciclo de una ejecución tiene varias fases que afectan parcialmente la CPU,
    el procesador evoluciona hacia una línea de producción, con varias instrucciones en línea
    F.P.U. .- una operación matemática en punto flotante se resolvía por agregación de operaciones simples la Float Point Unit (y los coprocesadores en general) permite resolver estas operaciones por fuera
    Cache .- A mediada que la CPU se hace más rápida, la memoria se convierte en un cuello de botella la caché algo “intermedio” entre los registros y la Memoria para acelerar los cálculos
    Predicción .- Cuando hay un salto o una bifurcación , el contenido de la caché pierde utilidad y hay que empezar de cero ... La predicción consiste en usar heurísticas para tomar el camino más probable en cada caso ....
     - código La decodificación de las instrucciones, inicialmente “cableada”, se hace tan compleja que llega a valer la pena que haya para cada tipo de operación un pequeño “programa” que maneje la electrónica. Eso e slo que se llaman micro-programa y micro-código (un procesador que maneja el funcionamiento interno de la CPU)
    ....

  • La saga Intel es el mejor ejemplo de lo que se denomina CISC (Complex Instruction Set Computer) o sea Procesadores que son más potentes porque cada vez “saben” hacer cosas -repertorio de instrucciones ó Instruction Set- más y más grandes y más y más complejas. El problema con ello es que 1) requiere un número altísimo de transistores que hacen que la CPU sea muy compleja, 2) que consuma mucho 3) presente una gran dificultad en el tratamiento concurrente de instrucciones (pipelines, etc...). Además al usar compiladores, el subconjunto de instrucciones que se usan son una parte ínfima.
     En el otro extremo, algunas Universidades (proyecto RISC de Berkley, Stanford, ...) y algunas empresas (proyecto Power de IBM) buscaron un enfoque distinto: menos operaciones pero mucho más sencillas, flexibles y rápidas (1 ciclo de reloj), reemplazando lo que hace una instrucción compleja y lenta por una “serie predefinida” de operaciones sencillas y rápidas. El mismo programa se compila en MUCHAS más Ops, que son menores y mucho más rápidas, que se paralelizan mejor. La CPU tiene muchos menos transistores y consume una fracción; o sea que podrían caben varias RISC en el sitio y el consumo de un CISC .
    Situación actual:
    RISCs
    SPARC (SUN) es RISC desde siempre (1988...) WorkStations y Servidores
    Power-PC (IBM respaldado por Motorola y Apple) Mac, Midranges IBM, auto
    MIPS(Silicon Graphics) Estaciones Gráficas, Nintendo-64, PS-one
    ARM(ARM) Palms, Consolas portátiles (DS, Gameboy,...)
    PA-RISC(HP) Servidores tipo medio/alto bajo S.O. HP-UX 
    CICS
    Pentium-* (Intel) CISC. PCs y Servidores gama media-baja  
    Históricos
    PDP/VAX(DEC) CISC Pioneros del concepto de ordenador moderno.
    Alpha(DEC, luego Compack, luego HP) RISC. En desaparición
  • Al final de los años 70s aparece el microprocesador que, dicho en dos palabras, consiste en meter un procesador completo (incluso algo más...) en una sola pastilla, en lugar de los Chipset (una CPU en múltiples pastillas) que era lo habitual hasta entonces. Desde ese momento, la escalada de complejidad empieza a crecer de forma progresiva. INTEL (empresa “inventora del microprocesador”) dio lugar a una saga bien conocida:
    i4004 Año 1971 Datos de 4 bits, bus de 12 bits, 2300 transistores, 16 pines. Tecnología de 10  . Creado para ser usado en una calculadora de bolsillo.
    i8008 1972 Datos de 8 bits, bus de 14 bits , 3300 transistores, 18 pines. Evolución del 4004 a 8 bits. Fabricado por encargo para Datapoint... se retrasó y fue cancelado y se puso a la venta en el catálogo de Intel. Sin saberlo, Datapoint estaba especificando la tendencia de los siguientes 25 años).
    I8080 Año 1974 Datos de 8 bits, bus de 16 bits , 6000 Transistores, 40 pines Primer diseño de una CPU usable como propósito general.
    i8085 Año 1976 Datos de 8 bits, bus de 16 bits, 6500 Transistores, 40 pines. Versión mejorada del 8085. Tuvo varios competidores (Z80, ...).
    i8086 Año 1978 Datos de 16 bits, bus de 20 bits. 29000 Transistores, 40 pines
    i80286 Año 1982 Datos de 16 bits, bus de 24 bits, modo protegido, 134000 transistores, 48 pines, 12 MHhz.
    i80386 Año 1985. Datos de 32 bits, bus de 32 bits. 275000 Transistores.
    i80486 Años 1989 a 1992. 80386 mejorado y aumentado (cache, Coprocesador, I/O, etc.) más de un millón de transistores . Una gama de muchos modelos (Dx, Dx2, Sx,..)
  • Hardware De Sistemas_Jessica Pastor y Laura Mateos

    1. 1. Hardware de SistemasHardware de Sistemas Tecnologías de la Información 1º Bachillerato Ciencias y Tecnología Jessica Pastor Tomás. Laura M. Mateos Amat. CAP Julio 2009
    2. 2. Modelo básico de un S.I.Modelo básico de un S.I. Discos CPU MEMORIA Usuario(s) Resto del MUNDO! 22
    3. 3. Unidad Central de ProcesoUnidad Central de Proceso 33
    4. 4. • La evolución en Hw ha sido tremenda: – 1ª Generación: Ordenadores con válvulas – 2ª Generación: “ con transistores discretos – 3ª Generación: “ con C. I. SSI y MSI – 4ª Generación: “ C.I. LSI y VLSI – 5ª Generación: “ Máquinas de flujo de datos Hardware: generalidadesHardware: generalidades 44
    5. 5. Hardware: microelectrónicaHardware: microelectrónica • Ley de Moore Enunciada primero en 1965 (y finalmente en 1967 ) por Gordon Moore (entones ingeniero de Fairchild, y más tarde co-fundador de Intel). “El número de transistores que se pueden integrar en un C.I se duplica cada año (cada 18 meses)”. 55
    6. 6. VIDEO EVOLUCIÓN DE LA TECNOLOGÍA – Resultado “los precios bajan y las prestaciones suben de forma permanente”. – Un chip tiene hoy 40.000 veces más transistores que hace 23 años (cuando nació el IBM PC!), es más rápido y cuesta una fracción de lo que costaba aquél. Hardware: microelectrónicaHardware: microelectrónica 66 Video: Evolución de la Tecnología
    7. 7. • Elemento central de un Sistema Informático • El lugar donde “ocurren las cosas”. • Obtiene datos (de la memoria), los transforma y los almacena (en la memoria) • Arquitecturas de un solo bus (Von- Neumann) y de dos buses (Harvard). El ProcesadorEl Procesador 77
    8. 8. • En una visión simple, un Procesador dispone de varios registros donde almacenar datos y resultados y unas unidades para operar con esos registros y mover datos entre los registros y memoria. • Lo único que hace el procesador es ejecutar instrucciones. • Cada instrucción es a su vez un ciclo cerrado (obtener, decodificar, operar, almacenar...). El ProcesadorEl Procesador 88
    9. 9. • La tecnología de procesadores ha evolucionado de forma vertiginosa en estos poco más de 50 años • De 18000 válvulas que ocupan como una oficina entera a 50 Millones de transistores que caben en una caja de cerillas. El ProcesadorEl Procesador 99
    10. 10. ProcesadoresProcesadores Intel 486D x2 EN IA C Intel 386 Sun Sparc 1010
    11. 11. • La evolución en procesadores ha seguido dos caminos bastante opuestos: – CICS (Complex Instruction Set Computer): procesadores que cada vez ofrecen más instrucciones y más potentes. – RISC (Reduced Instruction Set Computer): máquinas con pocas instrucciones, muy rápidas y muy ortogonales, trabajando sobre muchos registros similares CISC - RISCCISC - RISC 1111
    12. 12. Procesadores: ix86/PProcesadores: ix86/P Procesador Año Datos Bus Transistors Pines MHz 4004 1971 4 12 2300 16 ? 8008 1972 8 14 3300 18 200 KHz 8080 1974 8 16 6000 40 2 MHz 8085 1976 8 16 6500 40 5 MHz 8086 1978 16 20 29000 40? 10 MHz 80286 1982 16 24 134000 48 12 MHz 80386 1985 32 32 275000 varios 16 MHz 80486 1989 32 32 1.2 MM varios 25 MHz Pentium 1993 32 64 3.1 MM Socket 5 7 60 MHz Pent-pro 1995 32 64 5.5 MM Socket 8 100 MHz P-II 1997 32 64 7.5 MM SEC 300 MHz P-III 1999 32 64 9.5 MM SEC 600 MHz P-IV 2001 32 64 42 MM 1.5 GHz P-IV 2004 32 64 55 MM 3.4 GHz 1212
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