Presentación guía sencilla en Microsoft Excel.pptx
Hardware De Sistemas_Jessica Pastor y Laura Mateos
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. Modelo básico de un S.I.Modelo básico de un S.I.
Discos
CPU
MEMORIA
Usuario(s)
Resto del
MUNDO!
22
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. 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. 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. • 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. • 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. • 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
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
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,..)