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- 9. Estructura y arquitectura Estructura Componentes de un computador Organización de los componentes Arquitectura: atributos visibles para un programador Juego de instrucciones que ofrece la máquina Tipo y formato de datos que es capaz de utilizar el computador Número y tamaño de los registros Técnicas y mecanismos de E/S Técnicas de direccionamiento de la memoria Tecnología: cómo se construyen los componentes ARCOS Estructura de Computadores 9
- 10. Conceptos de repaso Sistema binario Elementos constructivos de un computador Transistores Puertas lógicas Principales bloques conbinacionales Principales elementos secuenciales ARCOS Estructura de Computadores 10
- 11. Sistema binario Binario X= 1 0 1 0 0 1 0 1 ... 27 26 25 24 23 22 21 20 d31d30 ... d1d0 : nº de 32 bits (dígitos binarios) Valor = d31 × 231 + d30 × 230 + ... + d1 × 21 + d0 × 20 Hexadecimal Y = 0x F 1 F A 8 0 ... 165 164 163 162 161 160 De binario a hexadecimal: Agrupar de 4 en 4 bits, de derecha a izquierda Cada 4 bits es el valor del dígito hexadecimal Ej.: 1 1 0x 0 A 0 0 15 0 1 ARCOS Estructura de Computadores 11
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- 13. Transistor N-MOS A P-MOS E E B B E 1 0 A funcionamiento Conecta A con B (circuito abierto) No conecta A con B (circuito cerrado) E 0 1 funcionamiento Conecta A con B (circuito abierto) No conecta A con B (circuito cerrado) (valores lógicos) ARCOS Estructura de Computadores 13
- 14. Puertas lógicas. Inversor (NOT) V3,3 E ARCOS S E 3.3 0 Estructura de Computadores S 0 3.3 E 1 0 S 0 1 14
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- 30. Memoria Procesador Almacena: instrucciones datos Memoria principal Bus de control Bus de datos Bus de direcciones Módulo de E/S Periférico ARCOS Módulo de E/S Periférico Estructura de Computadores 30
- 31. Memoria 00001001110001101010111101011000 10101111010110000000100111000110 11000110101011110101100000001001 01011000000010011100011010101111 dirección Memoria MAR L MBR E Registro de direcciones de memoria ARCOS Dato/instrucción Estructura de Computadores Registro de datos de memoria 31
- 32. Procesador Estructura que almacena un conjunto de bits Realiza las operaciones Procesador ALU Ejecuta las instrucciones Registros Unidad de control Memoria principal Bus de control Bus de datos Bus de direcciones Módulo de E/S Periférico ARCOS Módulo de E/S Periférico Estructura de Computadores 32
- 33. Registros especiales PC: contador de programa RI: registro de instrucción Procesador ALU Registros Unidad de control Memoria principal Bus de control Bus de datos Bus de direcciones Módulo de E/S Periférico ARCOS Módulo de E/S Periférico Estructura de Computadores 33
- 34. Unidad aritmético-lógica Realiza operaciones elementales sobre los datos: Operaciones aritméticas Operaciones lógicas ARCOS Estructura de Computadores 34
- 35. Programa Secuencia consecutiva de instrucciones máquina 00001001110001101010111101011000 10101111010110000000100111000110 11000110101011110101100000001001 01011000000010011100011010101111 ARCOS Estructura de Computadores 35
- 36. Programa Secuencia consecutiva de instrucciones máquina 00001001110001101010111101011000 10101111010110000000100111000110 11000110101011110101100000001001 01011000000010011100011010101111 ARCOS Estructura de Computadores temp = v[k]; v[k] = v[k+1]; v[k+1] = temp; 36
- 37. Ejecución de un programa Memoria principal Disco Fichero ejecutable Procesador 00001001110001101010111101011000 10101111010110000000100111000110 11000110101011110101100000001001 PC RI 01011000000010011100011010101111 ARCOS Estructura de Computadores 37
- 38. Ejecución de un programa Memoria principal 00001001110001101010111101011000 10101111010110000000100111000110 11000110101011110101100000001001 01011000000010011100011010101111 Disco Fichero ejecutable Procesador 00001001110001101010111101011000 10101111010110000000100111000110 11000110101011110101100000001001 PC RI 01011000000010011100011010101111 ARCOS Estructura de Computadores 38
- 39. Ejecución de un programa Memoria principal 00001001110001101010111101011000 10101111010110000000100111000110 11000110101011110101100000001001 01011000000010011100011010101111 Disco Fichero ejecutable Procesador 00001001110001101010111101011000 10101111010110000000100111000110 11000110101011110101100000001001 PC RI 01011000000010011100011010101111 ARCOS Estructura de Computadores 39
- 40. Ejecución de un programa Memoria principal 00001001110001101010111101011000 10101111010110000000100111000110 11000110101011110101100000001001 01011000000010011100011010101111 Disco Fichero ejecutable Procesador 00001001110001101010111101011000 10101111010110000000100111000110 11000110101011110101100000001001 PC RI 01011000000010011100011010101111 ARCOS Estructura de Computadores 00001001110 40
- 41. Ejemplo Conjunto de instrucciones con las siguientes características: Tamaño de una posición de memoria: 16 bits Tamaño de la instrucción: 16 bits Código de operación: 3 bits ¿Cuántas instrucciones diferentes puede tener este computador? Número de registros de propósito general: 4 Identificadores simbólicos: R0 R1 R2 R3 ¿Cuántos bits se necesitan para representar estos 4 registros? ARCOS Estructura de Computadores 41
- 42. Ejemplo Conjunto de instrucciones con las siguientes características: Tamaño de una posición de memoria: 16 bits Tamaño de la instrucción: 16 bits Código de operación: 3 bits ¿Cuántas instrucciones diferentes puede tener este computador? 8 instrucciones Número de registros de propósito general: 4 (2 bits) R0 (00) R1 (01) R2 (10) R3 (11) ARCOS Estructura de Computadores 42
- 43. Ejemplo. Juego de instrucciones Instrucción Descripción 000EFABCDXXXXXXX Suma el registro AB con el CD y deja el resultado en EF 001AB00000000101 Almacena en el registro AB el valor 00000000101 010AB00000001001 Almacena en el registro AB el valor almacenado en la posición de memoria 00000001001 011AB00000001001 Almacena en la posición de memoria 00000001001 el contenido del registro AB 1000000000001001 Se salta a ejecutar la instrucción almacenada en la posición de memoria 0000000001001 101ABCD000001001 Si el contenido del registro AB es igual al del registro CD se salta a ejecutar la instrucción almacenada en 000001001 Siendo A,B, C, D, E, F = 0 o 1 ARCOS Estructura de Computadores 43
- 44. Formato de una instrucción máquina 001 AB 00000000101 ARCOS Estructura de Computadores 44
- 45. Formato de una instrucción máquina 001 AB 00000000101 Código de operación ARCOS Estructura de Computadores 45
- 46. Formato de una instrucción máquina 001 AB 00000000101 Código de operación Operandos ARCOS Registros Direcciones de memoria Números Estructura de Computadores 46
- 47. Ejemplo. Juego de instrucciones Instrucción Descripción 000010010XXXXXXX Suma el registro 00 con el 10 y deja el resultado en 01 0010100000000101 Almacena en el registro 01 el valor 00000000101 0100100000001001 Almacena en el registro 01 el valor almacenado en la posición de memoria 00000001001 0110100000001001 Almacena en la posición de memoria 00000001001 el contenido del registro 01 1000000000001001 Se salta a ejecutar la instrucción almacenada en la posición de memoria 0000000001001 1010100000001001 Si el contenido del registro 01 es igual al del registro 00 se salta a ejecutar la instrucción almacenada en 000001001 ARCOS Estructura de Computadores 47
- 48. Ejemplos Instrucción que almacena un 5 en el registro 00 Instrucción que almacena un 7 en el registro 01 Instrucción que suma el contenido del registro 00 y el registro 01 y deja el resultado en el registro 10 Instrucción que almacena el resultado anterior en la posición de memoria 1027 (en decimal) ARCOS Estructura de Computadores 48
- 49. Instrucción 000010010XXXXXXX Suma el registro 00 con el 10 y deja el resultado en 01 0010100000000101 Almacena en el registro 01 el valor 00000000101 0100100000001001 Almacena en el registro 01 el valor almacenado en la posición de memoria 00000001001 0110100000001001 Almacena en la posición de memoria 00000001001 el contenido del registro 01 1000000000001001 Se salta a ejecutar la instrucción almacenada en la posición de memoria 0000000001001 1010100000001001 Ejemplos Descripción Si el contenido del registro 01 es igual al del registro 00 se salta a ejecutar la instrucción almacenada en 000001001 Instrucción que almacena un 5 en el registro 00 Instrucción que almacena un 7 en el registro 01 Instrucción que suma el contenido del registro 00 y el registro 01 y deja el resultado en el registro 10 Instrucción que almacena el resultado anterior en la posición de memoria 1027 (en decimal) ARCOS Estructura de Computadores 49
- 50. Ejemplos Solución Instrucción que almacena un 5 en el registro 00 0010000000000101 Instrucción que almacena un 7 en el registro 01 0010100000000111 Instrucción que suma el contenido del registro 00 y el registro 01 y deja el resultado en el registro 10 000100001XXXXXXX Instrucción que almacena el resultado anterior en la posición de memoria 1027 (en decimal) 0111010000000011 ARCOS Estructura de Computadores 50
- 52. Inicio de la ejecución del programa Dirección Contenido 000100 0010000000000000 000101 0010100000000100 000110 0011000000000001 ? 000111 0011100000000000 ? 001000 1010001000001100 001001 0001111100000000 001010 0000000100000000 001011 1000000000001000 001100 0111100000100000 PC RI 00 01 10 11 ARCOS 000100 ? ? ? Estructura de Computadores 52
- 53. Fases de ejecución de una instrucción Lectura de la instrucción (ciclo de fetch) MAR PC Lectura MBR Memoria PC PC + 1 RI MBR PC 000100 RI MAR Decodificación de la instrucción Dirección 000100 MBR Contenido 0010000000000000 Ejecución de la instrucción Volver a fetch Memoria ARCOS Estructura de Computadores 53
- 54. Fases de ejecución de una instrucción Lectura de la instrucción (ciclo de fetch) MAR PC Lectura MBR Memoria PC PC + 1 RI MBR PC 000100 RI MAR Decodificación de la instrucción MBR 000100 Dirección 000100 Contenido 0010000000000000 Ejecución de la instrucción Volver a fetch Memoria ARCOS Estructura de Computadores 54
- 55. Fases de ejecución de una instrucción Lectura de la instrucción (ciclo de fetch) MAR PC Lectura MBR Memoria PC PC + 1 RI MBR PC 000100 RI MAR Decodificación de la instrucción MBR 000100 Dirección 000100 Contenido 0010000000000000 Ejecución de la instrucción Volver a fetch Memoria ARCOS Estructura de Computadores 55
- 56. Fases de ejecución de una instrucción Lectura de la instrucción (ciclo de fetch) MAR PC Lectura MBR Memoria PC PC + 1 RI MBR PC 000100 RI MAR Decodificación de la instrucción 000100 Dirección 000100 MBR 0010000000000000 Contenido 0010000000000000 Ejecución de la instrucción Volver a fetch Memoria ARCOS Estructura de Computadores 56
- 57. Fases de ejecución de una instrucción Lectura de la instrucción (ciclo de fetch) MAR PC Lectura MBR Memoria PC PC + 1 RI MBR PC 000101 RI MAR Decodificación de la instrucción 000100 Dirección 000100 MBR 0010000000000000 Contenido 0010000000000000 Ejecución de la instrucción Volver a fetch Memoria ARCOS Estructura de Computadores 57
- 58. Fases de ejecución de una instrucción Lectura de la instrucción (ciclo de fetch) MAR PC Lectura MBR Memoria PC PC + 1 RI MBR PC 000101 RI 0010000000000000 MAR Decodificación de la instrucción 000100 Dirección 000100 MBR 0010000000000000 Contenido 0010000000000000 Ejecución de la instrucción Volver a fetch Memoria ARCOS Estructura de Computadores 58
- 59. Fases de ejecución de una instrucción Lectura de la instrucción (ciclo de fetch) MAR PC Lectura MBR Memoria PC PC + 1 RI MBR PC 000101 RI 0010000000000000 MAR Decodificación de la instrucción 000100 Dirección 000100 MBR 0010000000000000 Contenido 0010000000000000 Ejecución de la instrucción Volver a fetch Memoria ARCOS Estructura de Computadores 59
- 60. Fases de ejecución de una instrucción Lectura de la instrucción (ciclo de fetch) MAR PC Lectura MBR Memoria PC PC + 1 RI MBR PC 000101 RI 0010000000000000 MAR Decodificación de la instrucción 000100 Dirección 000100 MBR 0010000000000000 Contenido 0010000000000000 Ejecución de la instrucción Volver a fetch Memoria ARCOS Estructura de Computadores 60
- 61. Ejecución de instrucciones 0010000000000000 RI R0 0000000000 Se carga en R0 el valor 0 ARCOS Estructura de Computadores 61
- 62. Ejecución de instrucciones 0100100000001001 RI R1 MP[00000001001] Dirección 00000001001 Contenido 0000000000000101 Se carga en R1 el contenido de la posición de memoria 00000001001 ARCOS Estructura de Computadores 62
- 63. Ejecución de instrucciones 1000000000001000 RI PC 0000000001000 Se modifica el PC con la dirección 0000000001000 de forma que la siguiente instrucción a ejecutar es la que se encuentra en 0000000001000 ARCOS Estructura de Computadores 63
- 64. Fases de ejecución de una instrucción Lectura de la instrucción (ciclo de fetch) MAR PC Lectura MBR Memoria PC PC + 1 RI MBR PC 000101 RI 0010000000000000 MAR Decodificación de la instrucción 000100 Dirección 000100 MBR 0010000000000000 Contenido 0010000000000000 Ejecución de la instrucción Volver a fetch Memoria ARCOS Estructura de Computadores 64
- 65. Fases de ejecución de una instrucción Lectura de la instrucción (ciclo de fetch) MAR PC Lectura MBR Memoria PC PC + 1 RI MBR PC 000101 RI 0010000000000000 MAR Decodificación de la instrucción 000100 Dirección 000100 MBR 0010000000000000 Contenido 0010000000000000 Ejecución de la instrucción Volver a fetch Memoria ARCOS Estructura de Computadores 65
- 67. Ejecución del programa Dirección Contenido 000100 0010000000000000 000101 0010100000000100 000110 0011000000000001 ? 000111 0011100000000000 ? 001000 1010001000001100 001001 0001111100000000 001010 0000000100000000 001011 1000000000001000 001100 0111100000100000 PC 000100 RI 0010000000000000 00 01 10 11 ? ? Fetch Lectura de la Inst. ARCOS Estructura de Computadores 67
- 68. Ejecución del programa Dirección Contenido 000100 0010000000000000 000101 0010100000000100 000110 0011000000000001 ? 000111 0011100000000000 ? 001000 1010001000001100 001001 0001111100000000 001010 0000000100000000 001011 1000000000001000 001100 0111100000100000 PC 000101 RI 0010000000000000 00 01 10 11 Fetch PC ARCOS ? ? PC + 1 Estructura de Computadores 68
- 72. Ejecución del programa Dirección Contenido 000100 0010000000000000 000101 0010100000000100 000110 0011000000000001 ? 000111 0011100000000000 ? 001000 1010001000001100 001001 0001111100000000 001010 0000000100000000 001011 1000000000001000 001100 0111100000100000 PC 000101 RI 0010100000000100 00 01 10 11 00000000000 ? Fetch Lectura de la Inst. ARCOS Estructura de Computadores 72
- 77. Ejecución del programa Dirección Contenido 0011000000000001 00 01 10 11 0010100000000100 0011000000000001 000111 0011100000000000 001000 1010001000001100 001001 0001111100000000 0000000100000000 001011 1000000000001000 0111100000100000 00000000000 00000000100 ? ? Fetch Lectura de la Inst. ARCOS 000101 001100 RI 0010000000000000 001010 000110 000100 000110 PC Estructura de Computadores 77
- 82. Ejecución del programa Dirección Contenido 000100 0010000000000000 000101 0010100000000100 000110 0011000000000001 00000000100 000111 0011100000000000 00000000001 001000 1010001000001100 001001 0001111100000000 001010 0000000100000000 001011 1000000000001000 001100 0111100000100000 PC 000111 RI 0011100000000000 00 01 10 11 00000000000 ? Fetch Lectura de la Inst. ARCOS Estructura de Computadores 82
- 87. Ejecución del programa Dirección Contenido 000100 0010000000000000 000101 0010100000000100 000110 0011000000000001 00000000100 000111 0011100000000000 00000000001 001000 1010001000001100 001001 0001111100000000 001010 0000000100000000 001011 1000000000001000 001100 0111100000100000 PC 001000 RI 1010001000001100 00 01 10 11 00000000000 00000000000 Fetch Lectura de la Inst. ARCOS Estructura de Computadores 87
- 90. Ejecución del programa Dirección Contenido 000100 0010000000000000 000101 0010100000000100 000110 0011000000000001 00000000100 000111 0011100000000000 00000000001 001000 1010001000001100 001001 0001111100000000 001010 0000000100000000 001011 1000000000001000 001100 0111100000100000 PC 001001 RI 1010001000001100 00 01 10 11 00000000000 00000000000 Ejecución Si el contenido del registro 01 es igual al del registro 00 se salta a ejecutar la instrucción almacenada en 000001100 ARCOS Estructura de Computadores 90
- 92. Ejecución del programa Dirección Contenido 000100 0010000000000000 000101 0010100000000100 000110 0011000000000001 00000000100 000111 0011100000000000 00000000001 001000 1010001000001100 001001 0001111100000000 001010 0000000100000000 001011 1000000000001000 001100 0111100000100000 PC 001001 RI 0001111100000000 00 01 10 11 00000000000 00000000000 Fetch Lectura de la Inst. ARCOS Estructura de Computadores 92
- 95. Ejecución del programa Dirección Contenido 000100 0010000000000000 000101 0010100000000100 000110 0011000000000001 00000000100 000111 0011100000000000 00000000001 001000 1010001000001100 001001 0001111100000000 001010 0000000100000000 001011 1000000000001000 001100 0111100000100000 PC 001010 RI 0001111100000000 00 01 10 11 00000000000 00000000001 Ejecución R3 R3 + R2 ARCOS Estructura de Computadores 95
- 97. Ejecución del programa Dirección Contenido 000100 0010000000000000 000101 0010100000000100 000110 0011000000000001 00000000100 000111 0011100000000000 00000000001 001000 1010001000001100 001001 0001111100000000 001010 0000000100000000 001011 1000000000001000 001100 0111100000100000 PC 001010 RI 0000000100000000 00 01 10 11 00000000000 00000000001 Fetch Lectura de la Inst. ARCOS Estructura de Computadores 97
- 100. Ejecución del programa Dirección Contenido 000100 0010000000000000 000101 0010100000000100 000110 0011000000000001 00000000100 000111 0011100000000000 00000000001 001000 1010001000001100 001001 0001111100000000 001010 0000000100000000 001011 1000000000001000 001100 0111100000100000 PC 001011 RI 0000000100000000 00 01 10 11 00000000001 00000000001 Ejecución R0 R0 + R2 ARCOS Estructura de Computadores 100
- 102. Ejecución del programa Dirección Contenido 000100 0010000000000000 000101 0010100000000100 000110 0011000000000001 00000000100 000111 0011100000000000 00000000001 001000 1010001000001100 001001 0001111100000000 001010 0000000100000000 001011 1000000000001000 001100 0111100000100000 PC 001011 RI 1000000000001000 00 01 10 11 00000000001 00000000001 Fetch Lectura de la Inst. ARCOS Estructura de Computadores 102
- 105. Ejecución del programa Dirección Contenido 000100 0010000000000000 000101 0010100000000100 000110 0011000000000001 00000000100 000111 0011100000000000 00000000001 001000 1010001000001100 001001 0001111100000000 001010 0000000100000000 001011 1000000000001000 001100 0111100000100000 PC 001100 RI 1000000000001000 00 01 10 11 00000000001 00000000001 Ejecución Se salta a ejecutar la instrucción almacenada en la posición de memoria 0000000001000 ARCOS Estructura de Computadores 105
- 107. Ejecución del programa Dirección Contenido 0010000000000000 000101 0010100000000100 000110 0011000000000001 00000000100 000111 0011100000000000 00000000001 001000 1010001000001100 001001 0001111100000000 001010 0000000100000000 1000000000001000 001100 RI 000100 001011 PC 0111100000100000 0001000 1000000000001000 00 01 10 11 00000000001 00000000001 Continúa la ejecución ARCOS Estructura de Computadores 107
- 108. Algoritmo del programa anterior i=0; s = 0; while (i < 4) { s = s + 1; i = i + 1; } El programa almacena en la posición de memoria 00000100000 el valor: 1 + 1 + 1 + 1 ARCOS Estructura de Computadores 108
- 109. Lenguaje ensamblador bucle: fin: ARCOS li R0, 0 li R1, 4 li R2, 1 li R3, 0 beq R0, R1, fin add R3, R3, R2 add R0, R0, R2 b bucle sw R3, 100000 Estructura de Computadores 109
- 110. Secuencia de ejecución de instrucciones Arranque Lectura de la instrucción Decodificación Ejecución de la instrucción Parada ARCOS Estructura de Computadores 110
- 111. Ley de Moore ARCOS Estructura de Computadores 111
- 112. Ley de Moore Doblar la densidad implica reducir las dimensiones de sus elementos en un 30% En 1971 el Intel 4004 tenía 2300 transistores con tamaños de 10 micrometros Hoy en día se consiguen chips con distancias de 45 nanometros Para cumplir la ley de Moore se necesita tecnología cuyo precio se dobla cada 4.4 años ARCOS Estructura de Computadores 112
- 113. Proceso de fabricación ARCOS Estructura de Computadores 113
- 114. Mejoras en la tecnología Memoria Capacidad de DRAM: 2x / 2 años (desde 96); 64x en la última decada Procesador Velocidad: 2x / 1.5 años (desde 85); 100X en la última decada. Discos Capacidad: 2x / 1 año (desde 97) 250X en la última decada. ARCOS Estructura de Computadores 114
- 115. Parámetros característicos de un computador Ancho de palabra Memoria principal o Memoria RAM Memoria auxiliar Ancho de banda MIPS MFLOPS ARCOS Estructura de Computadores 115
- 116. Prefijos Nombre Abr Factor SI Kilo K 210 = 1,024 103 = 1,000 Mega M 220 = 1,048,576 106 = 1,000,000 Giga G 230 = 1,073,741,824 109 = 1,000,000,000 Tera T 240 = 1,099,511,627,776 1012 = 1,000,000,000,000 Peta P 250 = 1,125,899,906,842,624 1015 = 1,000,000,000,000,000 Exa E 260 = 1,152,921,504,606,846,976 1018 = 1,000,000,000,000,000,000 Zetta Z 270 = 1,180,591,620,717,411,303,424 1021 = 1,000,000,000,000,000,000,000 Yotta Y 280 = 1,208,925,819,614,629,174,706,176 1024 = 1,000,000,000,000,000,000,000,000 ARCOS Estructura de Computadores 116
- 117. Ejercicio ¿Cuántos bytes almacena un disco duro de 250 GB ? ARCOS Estructura de Computadores 117
- 118. Prefijos Nombre Abr Factor SI Kilo K 210 = 1,024 103 = 1,000 Mega M 220 = 1,048,576 106 = 1,000,000 Giga G 230 = 1,073,741,824 109 = 1,000,000,000 Tera T 240 = 1,099,511,627,776 1012 = 1,000,000,000,000 Peta P 250 = 1,125,899,906,842,624 1015 = 1,000,000,000,000,000 Exa E 260 = 1,152,921,504,606,846,976 1018 = 1,000,000,000,000,000,000 Zetta Z 270 = 1,180,591,620,717,411,303,424 1021 = 1,000,000,000,000,000,000,000 Yotta Y 280 = 1,208,925,819,614,629,174,706,176 1024 = 1,000,000,000,000,000,000,000,000 1 KB = 1024 bytes, pero en el SI es 1000 bytes Los fabricantes de disco duros y en telecomunicaciones emplea el SI. Un disco duro de 30 GB almacena 30 x 109 bytes Una red de 1 Mbit/s transfiere 106 bps. ARCOS Estructura de Computadores 118
- 119. Evolución histórica http://history.sandiego.edu/GEN/recording/computer1.html http://www.computerhope.com/history/ http://www.computerhistory.org/ http://www.computersciencelab.com/ComputerHistory/History .htm Museos de informática Buscar en google: “Computer history” ARCOS Estructura de Computadores 119