ARQUITECTURA COPUTACIONAL

Dr. Ricardo Rossi ValverdeArquitectura de computadoras
ARQUITECTURA DE
COMPUTADORAS
1

¿QUÉ ES “ARQUITECTURA DE COMPUTADORAS”?
Es la teoría detrás del diseño de una computadora.
De la misma forma que un arquitecto de una edificación fija los
principios y objetivos de la construcción, como base para el diseño
de los planos del proyecto inmobiliario; un arquitecto de
computadoras define la base para las especificaciones del diseño
final de una computadora. (van de Goor, 1989)
Se ocupa de la estructura y desempeño de los diferentes
módulos funcionales de la computadora y cómo interactúan
para atender las necesidades de procesamiento del usuario.
Incluye los formatos de información, el conjunto de
instrucciones y las técnicas para el direccionamiento de la
memoria. (Morris, 1994, p. 4)
Está referida a aquellos atributos del system visible para un
programador (instruction set, data types, I/O mechanisms,
addressing of memory), o bien, representa aquellos
atributos que tienen un impacto directo sobre la ejecución
lógica de un programa. (Stallings, 2010, p. 9)

Diseñar un computador que cumpla ciertos requerimientos
funcionales para una relación precio – rendimiento previamente
establecida. Estos requerimientos pueden ser características
específicas determinados por el mercado.
El software de aplicación conduce, con frecuencia, a la elección de
ciertos requerimientos funcionales, al determinar cómo se utilizará la
máquina. Si existe un software consistente para cierta arquitectura a
nivel lenguaje máquina, el arquitecto puede decidir que la nueva
máquina utilice un repertorio de instrucciones de este software.
(Hennessy y Patterson, 1993, p. 14)
¿QUÉ HACEN LOS “ARQUITECTOS DE COMPUTADORAS”?

“REQUERIMIENTOS FUNCIONALES” QUE SE PUEDEN
CONSIDERAR, SEGÚN HENNESSY Y PATTERSON (1993, p. 15)
Requerimientos funcionales Características típicas
Área de aplicación
Propósito especial
Propósito general
Científica
Comercial
Objetivo del computador
Rendimiento más alto para
aplicaciones específicas.
Rendimiento equilibrado para un rango
de tareas.
Punto flotante de alto rendimiento.
Soporte para COBOL (aritmética
decimal), soporte para bases de datos
y tratamiento de transacciones.
Nivel de compatibilidad software
En lenguaje de programación
Código objeto o binario compatible
Determina la cantidad de software
existente para la máquina
Más flexible para el diseñador, necesita
nuevo compilador.
La arquitectura está completamente
definida – poca flexibilidad – , pero no
necesita inversión en software ni en
portar programas.

Requerimientos del Sistema
Operativo (SO)
Tamaño del espacio de direcciones
Gestión de memoria
Protección
Cambio de contexto
Interrupciones y traps
Características necesarias para
soportar el SO escogido
Característica muy importante; puede
limitar aplicaciones.
Requerida para SO´s modernos; puede
ser plana, paginada, segmentada.
Diferentes SO´s y necesidades de
aplicación: protección de páginas
frente a protección de segmentos.
Requerido para interrumpir y
recomenzar un programa; el
rendimiento varía.
Tipos de soporte impactan sobre el
diseño del hardware y SO.

Estándares
Punto flotante
Bus de E/S
Sistemas operativos
Redes
Lenguajes de programación
Ciertos estándares pueden ser
requeridos por el mercado
Formato y aritmética: IEEE, DEC, IBM.
Para dispositivos de E/S: VME, SCSI;
NuBus, Futurebus.
UNIX, DOS o patente del vendedor.
Soporte requerido para distintas redes:
Ethernet, FDDI.
Lenguajes (ANSI C, FORTRAN 77,
ANSI COBOL), que afectan al
repertorio de instrucciones.

HISTORIA DE LA EVOLUCION
DE LAS COMPUTADORAS
“Con la reducción del trabajo de varios meses de cálculo a uno pocos días, el
invento de los logaritmos parece haber duplicado la vida de los astrónomos”
Pierre Simon Laplace (1749 – 1827); astrónomo, físico y matemático francés.

Una de las actividades más frecuente y compleja que el ser
humano ha tratado de simplificar, desde siempre, es el de los
cálculos numéricos o las operaciones matemáticas; y el
ábaco, permitió solucionar en parte el problema.
Se atribuye el invento del ábaco a los chinos, en el año 1300
a.C., quienes lo denominan "Suan Pan“, y luego los japoneses
empezaron a usarlo llamándolo “Soroban".
Actualmente, en China y Japón este instrumento es de uso
común entre sus habitantes.
HISTORIA DE LA EVOLUCIÓN DE LAS COMPUTADORAS

El ábaco es un instrumento de cálculo compuesto por un
conjunto de cuentas insertadas en varillas paralelas, que
permite realizar operaciones matemáticas: suma, resta,
multiplicación, división, raíz cuadrada y potencias.
La ventaja del uso del ábaco es que enseña a pensar y
razonar lógicamente, al realizar alguna operación matemática.
Este instrumento precede a las calculadoras actuales.
6789 321 + 553 = 874

En 1614, el escocés Napier publicó una obra
para dar a conocer la función logarítmica, que
permite transformar las multiplicaciones en
sumas y las divisiones en diferencias. Esta
propuesta matemática la complementó en 1617,
al dar a conocer su instrumento para calcular
productos y cocientes, el cual estaba
compuesto por una tabla numerada en un
lateral y varias varillas de marfil codificadas.

Entre 1620 y 1630, aparece la Regla de
Cálculo, invento que se atribuye a William
Oughtred. La regla de cálculo se basa en los
logaritmos, y permite realizar productos,
cocientes, potencias, raíces,
cálculos trigonométricos, logarítmicos,
exponenciales.
Este instrumento
consta de tres partes:
regla, reglilla y cursor.
La regla es el bastidor
fijo, la reglilla es la
regla deslizante del
medio, y el cursor es lo
que facilita la lectura.

En 1623 el astrónomo alemán Wilhelm
Schickard inventa la primera máquina
mecánica de cálculo, a la que llamó “reloj
calculador”, y que fabricó para su amigo el
astrónomo Johannes Kepler. Era una
máquina a base de discos dentados.

En 1642, el físico y matemático francés Blaise
Pascal diseñó un calculador mecánico
denominado Pascalina, que realizaba sumas y
la resta se hacía por técnicas de complemento
a 9. Usaba un sistema de ruedas dentadas,
cuya base de operaciones consistía en contar
los dientes de un engranaje.

Gottfried Wilhelm Leibniz, filósofo,
matemático, físico, jurista y político
alemán, creó el cálculo infinitesimal y
diferencial. Fue precursor de la lógica
matemática; y en 1701 publicó un
ensayo para describir formalmente el
sistema binario, vislumbrando su
potencial para el cálculo.
En 1674, mostró su
calculadora por pasos, que
realizaba las cuatro
operaciones aritméticas.
Tenía un tambor cilíndrico
con nueve dientes de
longitud variable, llamado
rueda escalonada.

El francés Charles Xavier Thomas de
Colmar (1785 – 1870), en 1822, construyó
una máquina de calcular denominada
Aritmómetro, la cual era capaz de realizar
las cuatro operaciones aritméticas en forma
rápida y fue la primera calculadora
mecánica eficaz que fue producida y
comercializada masivamente, entre 1851
hasta 1915.

El matemático e
ingeniero británico
Charles Babbage
(1791 – 1871), es
considerado el
padre de las
computadoras.
En 1834, Babbage diseña y construye su
“máquina de diferencias” y luego empieza a
trabajar en el diseño de su “máquina
analítica”, la cual permitiría resolver
problemas matemáticos. Babbage obtuvo la
atención de la matemática Ada Augusta
Byron o Condesa de Lovelace durante una
conferencia.
La “máquina analítica debería funcionar con
energía a vapor y constaría de un
mecanismo de entrada y salida, una
memoria para 1000 números de 50 cifras,
una unidad de control para un orden
correcto de las operaciones y una unidad
aritmético – lógica para los cálculos. Incluso
dispondría de un sistema de impresión.

En 1842, la Condesa de Lovelace traduce y
analiza la obra de Menabrea: “Elements of
Charles Babbage Analytical Machine”;
describiendo el calculo de los valores de los
números de Bernoulli, mediante un algoritmo.
Explicó, además, que era viable usar tarjetas
perforadas (inventadas por Jacquard para
telares mecánicos) para “tejer” fórmulas
algebraicas, almacenando en la “memoria”
una serie de instrucciones codificadas; e
incluyendo un “salto condicional” para las
instrucciones recurrentes.
Lamentablemente Babbage murió sin lograr
terminar de construir su “máquina analítica”,
pero sus ideas sentaron las bases para el
desarrollo de las futuras computadoras.
La Condesa de
Lovelace (1815 –
1852) es
considerada la
primera
programadora de la
historia.
En la década de los
80 el Departamento
de Defensa de los
Estados Unidos de
América desarrolló
el lenguaje de
programación ADA
en su honor.

George Boole, matemático y filósofo británico,
hizo público en 1854 un estudio sobre las leyes
del pensamiento en las que se basan las teorías
matemáticas de la lógica y la probabilidad,
aplicando símbolos a operaciones lógicas.
Surge así el álgebra de Boole, que a partir del
siglo XX sería aplicado en la construcción de
computadoras y circuitos electrónicos. George Boole
(1815 – 1864)
ideó el Algebra
de Boole, que
trabaja con
variables
binarias. Las
tres
operaciones
lógicas básicas
son AND, OR y
complemento.
Cuando Boole se planteó la siguiente pregunta:
En el álgebra ordinaria, donde x representa un
número, ¿cuándo es verdadera la ecuación
xx = x?
La respuesta que dedujo fue que solo cuando x
toma el valor de “0” o “1”.
El álgebra de Boole es justamente el álgebra
ordinaria restringida al sistema binario.

Herman Hollerith, ingeniero norteamericano, fue
requerido para agilizar el censo de 1880,
patentando su máquina tabuladora en 1884, la
cual procesaba gran cantidad de datos al utilizar
tarjetas en las que se representaba la información
mediante perforaciones que eran detectadas y
clasificadas para el conteo. Antes de ello los
resultados de un censo se obtenían en 10 años,
pero la máquina tabuladora lo redujo a 3 años.
Herman
Hollerith (1860 –
1929) es
considerado el
primer
informático.En 1896, Hollerith fundó Tabulating
Machine Company. En 1911 se fusiona
con otras dos empresas formando la
Computing Tabulating Recording
Company (CTR). En 1914, CTR pasa a
ser propiedad de Thomas Watson, y en
1924 se transforma en IBM.

William Seward Burroughs (1858 – 1898) inventor
norteamericano recibió una patente para su
máquina sumadora el 21 de agosto de 1888, la
cual fue desarrollada y comercializada a partir de
1892.
Lo peculiar de esta máquina es que fue una de las
primeras en tener una impresora de cinta de papel
(periférico de salida) y un teclado numérico
(periférico de entrada)

Alonzo Church, durante la década de 1930,
propone que el concepto matemático preciso de
recursión, tal y como lo había definido Alan
Turing, se correspondía exactamente con el
concepto intuitivo de computatibilidad efectiva.
Church fundamentó su tesis en su “cálculo
lambda”, un sistema lógico propio o el más
pequeño lenguaje universal de programación,
donde establece su concepto de función, la
noción de aplicación de funciones y la recursión;
distinguiendo claramente entre el valor de una
función para un argumento, F(x), y la propia
función lxF(x). La funcionalidad propuesta por
Church permitió que, posteriormente, John Mc
Carthy cree el lenguaje funcional LISP.
Alonzo Church
(1903 – 1995)
filósofo, lógico
matemático y
científico
norteamericano,
fue maestro de
Alan Turing.
Toda función
recursiva es
calculable
mediante un
algoritmo.

Alan Turing publicó en 1936 “On computable
numbers, with an application to the
Entscheidungsproblem” describiendo su
Máquina de Turing, un máquina abstracta para
realizar mecánicamente una tarea mediante un
solo “algoritmo”.
Alan Turing (1912
– 1954)
matemático y
científico
británico, padre
de la ciencia de
la computación.
Colossus (1943)
Durante la Segunda Guerra
Mundial participó en proyectos
secretos para descifrar mensajes
encriptados de los nazis.
En 1945, diseñó la Automatic Computing Engine (ACE) para el
National Physical Laboratory de Londres, que incluyó: un
“registro especial” para guardar la posición de memoria
explorada por el programa, el uso de “subrutinas” y
“bibliotecas de programas”. Pero, solo trabajó hasta 1947.

En 1949 Turing fue nombrado director
delegado del laboratorio de computación de
la Universidad de Manchester.
A pesar de la renuncia de Turing al proyecto
ACE, éste se completó en 1950, con una
memoria de líneas de retardo de mercurio.
Ese mismo año, Turing publicó Computing
Machinery and Intelligence, reflexionando
sobre la “inteligencia artificial” y proponiendo
el Test de Turing.
La ACM otorga anualmente el Premio Turing a
personas destacadas en el ámbito de la
computación.

Durante la Segunda Guerra Mundial se
produjo el gran empuje para el
desarrollo de las computadoras, aunque
con fines bélicos, puesto que lo que se
buscaba era que facilitaran los cálculos
balísticos.
Podríamos designar a ese
lapso de tiempo como la
era de las computadoras
electromecánicas (1938 –
1950), por su predominio,
que luego dio paso a las
computadoras
electrónicas.

El ingeniero alemán Konrad Zuse construyó
en 1938 la Z1, una máquina mecánica
binaria con entrada/salida en sistema
decimal, números de punto flotante y
programable, aunque el programa no se
almacenaba en memoria. Luego, en 1939,
construyó la Z2, con control y unidad
aritmética basados en 800 relés y memoria
mecánica.
En 1941 creó la Z3, enteramente basada en
2200 relés, binaria con entrada/salida en
sistema decimal, números de punto flotante
y programable. Ese año, Zuse fundó Zuse
Apparatebau, y en 1942 empezó el diseño
de la Z4. En 1950 realiza la primera venta de
un ordenador a una compañía suiza.
Konrad Zuse (1910
– 1995) creador de
una computadora
electromecánica
soportada en relés
electromagnéticos.

El norteamericano Howard Aiken, en 1937,
entró en contacto con IBM para desarrollar
la Automatic Sequence Controlled
Calculator (ASCC), que luego pasó a
llamarse Mark I; la primera computadora
electromecánica construida en la
Universidad Harvard y concluida a finales
de 1943, con un coste de $ 250 000. La
programación estuvo a cargo de Grace
Hooper.
Howard Aiken (1900 –
1973) ingeniero
electrónico y Ph.D en
Física.
En 1946, volvió a
Harvard y fue
nombrado profesor de
matemáticas y director
de los laboratorios de
informática.
Con la Segunda Guerra Mundial, la marina
de U.S.A. requisó la Mark I y a su inventor
para el cálculo de las tablas navales de
Artillería.

Mark I medía 155 centímetros de largo, 240
centímetros de alto y 60 centímetros de ancho,
pesaba 5 toneladas y tenía cubiertas de cristal
que dejaban ver sus 750 mil piezas, entre
ruedas rotatorias, relés, etc. El cableado
interno tenía una longitud de 800 kilómetros y
disponía de 3 millones de conexiones.
Era capaz de realizar las cinco operaciones
aritméticas y hacia referencia a resultados
anteriores. Usaba datos en el sistema decimal
y el programa, no almacenado en memoria,
era una secuencia de instrucciones a través
de lectoras de cinta perforada. Los datos se
transferían por medio de señales eléctricas y
los resultados se imprimían en máquinas de
escribir eléctricas o perforadoras de tarjetas.
Mark I tenía la
capacidad de
manejar números
de 23 dígitos y
realizar sumas en
menos de 0,5
segundos,
multiplicaciones
en 3 segundos y
operaciones
logarítmicas en
poco más de un
minuto.
Poseía las
características de
una verdadera
computadora.

Posteriormente, Aiken desarrolló otras
computadoras electrónicas como: Mark
II (1947), Mark III y Mark IV (1952).
Mark III utilizó algunos componentes
electrónicos, Mark IV fue
completamente electrónico y ambas
utilizaron memoria de tambor
magnético.
Aiken conocía los trabajos de Babbage,
pero no supo lo que hizo Zuse, y como
su trabajo tuvo amplia difusión, por un
tiempo se creyó que Mark I fue la
primera computadora programable que
se había construido en ese entonces.
Mark III

Tanto Zuse como Aiken identificaron:
 La importancia de los conmutadores
o relés en la construcción de sus
computadoras.
 La necesidad de que la máquina
fuera programable.
 La facilidad que representaba el usar
el sistema binario para facilitar los
cálculos y simplificar la construcción
de la máquina.
 Y la fortaleza de usar la lógica como
herramienta de diseño para los
circuitos binarios.
Al mismo tiempo empezarían a surgir las
computadoras electrónicas digitales.

PRIMERA GENERACIÓN DE
COMPUTADORAS
LOS TUBOS DE VACIO

John Vincent
Atanasoff (1903 –
1995) doctor en
Física teórica e
ingeniero electrónico
estadounidense,
diseñó con Clifford
Berry el ABC, primer
computador
electrónico de
propósito específico.
Entre 1937 y 1942, John Atanasoff con la
colaboración de Clifford Berry construyeron
en la Universidad de Iowa una computadora
electrónica, no programable, que podía
resolver sistemas de hasta 29 ecuaciones
lineales simultáneas con 29 incógnitas por
medio de la eliminación Gaussiana.
El Atanasoff Berry Computer (ABC)
funcionaba con tubos al vacío (componentes
electrónicos), usaba el sistema binario y
condensadores como elementos de la
memoria; además su diseño estaba basado
en la lógica.
La tecnología electrónica permitiría una
velocidad de conmutación más alta, y, por
ende, computadoras más veloces.

John William Mauchly y John Presper
Eckert construyeron el ENIAC (Electronic
Numerical Integrator And Computer) la
primera computadora electrónica
programable de propósito general, fue
presentada públicamente el 15 de febrero
de 1946.
El ENIAC pesaba 30 toneladas, ocupaba
un espacio de 30 m. de largo y 2,4 m. de
alto y tenía: 17468 tubos de vacío, 7200
diodos de cristal, 1500 relés, 70000
resistencias, 10000 condensadores, 6000
interruptores manuales y un consumo de
140 Kw. Realizaba 5000 sumas y 360
multiplicaciones por segundo, su
memoria consistía en 20 acumuladores.
John William Mauchly y
John Presper Eckert en
la Universidad de
Pennsylvania
construyeron el ENIAC,
el cual fue usada en el
cálculo de trayectorias
balísticas.

ENIAC, utilizaba el sistema binario y la
programación se hacía cableando sus
unidades y pulsando interruptores
específicos. Para cálculos normales se
requería desde media hora a
un día entero de programación.
Por tanto, ENIAC estaba limitada por una
pequeña capacidad de memoria y su
complicada programación.
Fue desmantelada en 1955.
En tanto, Eckert y Mauchly crearon una
empresa y fabricaron, en 1951, la
computadora UNIVAC (Universal
Automatic Computer); vendiendo 46u por
$1,2 millones.

En 1944, John von Neumann se incorporó al
proyecto ENIAC. El grupo quería mejorar la
forma en que se introducían los programas y
pensaron en almacenar los programas como
números; von Neumann ayudó a cristalizar
las ideas y escribió un memorándum
proponiendo un computador de programa
almacenado denominado EDVAC (Electronic
Discrete Variable Automatic Computer).
En 1946, Maurice Wilkes, de la Universidad de Cambridge, visitó la
Moore School para asistir a la última parte de una serie de lecturas
sobre desarrollos de computadores electrónicos. Cuando volvió a
Cambridge, Wilkes decidió embarcarse en un proyecto para
construir un computador de programa almacenado denominado
EDSAC, siglas de Electronic Delay Storage Automatic Calculator. El
EDSAC llegó a estar operativo en 1949 y fue el primer computador
de programa almacenado del mundo, operativo a escala completa

Referencias bibliográficas:
Morris, M. (1994). Arquitectura de computadoras. (3ª
ed.). México: Prentice Hall Hispanoamericana S.A.
A. J. van de Goor. (1989). Computer Architecture and
Desing. Addison – Wesley.
Stallings, W. (2010). Computer organization and
architecture: Designing for performance. New Jersey:
Pearson Education, Inc.
Hennessy, J. y Patterson, D. (1993). Arquitectura de
computadores: Un enfoque cuantitativo. Madrid: McGraw – Hill
/ Interamericana de España.

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