Arquitectura de computadores - Trabajo colaborativo 1
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Este documento analiza los temas de la unidad 1 de arquitectura de computadores. Explica las diferencias entre organización y arquitectura, el funcionamiento y estructura básica de los computadores, la evolución histórica de los computadores desde la era mecánica hasta la cuarta generación, los tipos de computadores, métricas de rendimiento y componentes como la memoria, buses y entrada/salida. Finaliza con una bibliografía de referencias.
Arquitectura de computadores - Trabajo colaborativo 1
- 1. ANÁLISIS DE LOS TEMAS DE LA UNIDAD 1 ARQUITECTURA DE COMPUTADORES Por: WILMER MANUEL AMÉZQUITA OBANDO Código: 80378556 No. Grupo: 24 Tutor: JESÚS EMIRO VEGA UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA - UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS TECNOLOGÍA E INGENIERÍA Bogotá, Octubre de 2013
- 2. ORGANIZACIÓN Y ARQUITECTURA DE COMPUTADORES DIFERENCIAS ENTRE ORGANIZACIÓN Y ARQUITECTURA DE COMPUTADORES Organización de computadores Arquitectura de computadores Unidades funcionales y sus interconexiones. Atributos de un sistema, visibles para el programador. Permite establecer las especificaciones arquitectónicas de un sistema. Atributos que tienen impacto en la ejecución lógica de un programa. ESTRUCTURA Y FUNCIONAMIENTO DE LOS COMPUTADORES FUNCIONAMIENTO DE LOS COMPUTADORES A continuación se muestra gráficamente las cuatro funcionalidades básicas de un computador: Procesamiento de datos. Almacenamiento de Datos Transferencia de datos Control de los procesos. ESTRUCTURA DE LOS COMPUTADORES A continuación se muestran los componentes estructurales del computador: CPU Realiza funciones de procesamiento de datos. Sus componentes estructurales son: Unidad de Control, Unidad Aritmético-Lógica, Registros e Interconexiones CPU.
- 3. Memoria Principal Permite almacenar datos. Dispositivos E/S Permite transferir datos entre el computador y el entorno externo y viceversa. Sistema de Interconexión Sistema que permite la comunicación entre la CPU, la memoria principal y los dispositivos E/S.
- 4. EVOLUCIÓN DE LOS COMPUTADORES LA ERA MECÁNICA LA PASCALINA Máquina mecánica construida por Blaise Pascal para realizar adiciones. LA MÁQUINA DIFERENCIAL Charles Babbage diseñó la primera máquina procesadora de información, capaz de auto controlar su funcionamiento. Ésta máquina podía resolver ecuaciones polinómicas mediante el cálculo de diferencias sucesivas entre conjuntos de números. LAS LEYES DEL PENSAMIENTO George Boole publica las leyes del pensamiento sobre las cuales se basan las teorías matemáticas de lógica y probabilidad. LA PRIMERA GENERACIÓN DE COMPUTADORES LAS MÁQUINAS TABULADORAS En 1890 se utilizó una máquina desarrollada por Herman Hollerit, que consistía en un sistema eléctrico de tarjetas perforadas basado en la lógica de Boole, para tabular el censo del año 1890 en los Estados Unidos. En 1910 el sistema de Hollerit se cambió por uno desarrollado por James Powers. PROBLEMAS MATEMÁTICOS El interés en resolver los problemas matemáticos propuestos por David Hilbert, impulsó el desarrollo de nuevos modelos de computadora como el de Alan Turing quien a través de su Máquina de Turing demostró que había problemas tales que una máquina no podía resolver. Claude Shannon demostró como las operaciones booleanas elementales se podían representar mediante circuitos conmutadores eléctricos y cómo la combinación de estos circuitos podía representar operaciones aritméticas y lógicas complejas. LA SEGUNDA GUERRA MUNDIAL Al desencadenarse la segunda guerra mundial, la necesidad de realizar cálculos balísticos y descifrar los mensajes del enemigo, impulsó el desarrollo de las computadoras. Entre 1943 y 1946 se construyó el ENIAC (Computador Electrónico de Propósito General) por John W. Mauchly y J. Presper Eckert, basándose en las ideas del profesor John Vincent Antanasoff y con la consultoría de John Von Newman, quién es el autor junto con Arthur Burks y Herman Goldstine de la arquitectura de todos los computadores que se han construido desde 1946. En ENIAC ocupaba una superficie de 167 m2 y operaba con un total de 17468
- 5. válvulas electrónicas o tubos de vacío. LA SEGUNDA GENERACIÓN DE COMPUTADORES EL TRANSISTOR La invención del transistor permitió reducir el tamaño de las computadoras y aumentar su velocidad de procesamiento. INTELIGENCIA ARTIFICIAL Alan Turing publica el artículo Computing Machinery and Intelligence en la revista Mind, el cual desató el interés en la Inteligencia Artificial. LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN Grace Murray Hooper desarrolla COBOL en 1959, y en 1957 John Backus desarrolla el primer compilador para FORTRAN. En la actualidad COBOL sigue estando vigente y se siguen construyendo aplicaciones en este lenguaje de programación; por su parte FORTRAN no es muy utilizado actualmente por fuera de los campos científicos y del análisis numérico, aunque permanece como el lenguaje preferido para desarrollar aplicaciones de computación numérica de alto rendimiento. LA TERCERA GENERACIÓN DE COMPUTADORES EL CIRCUITO INTEGRADO La aparición de los circuitos integrados permite producir computadoras más pequeñas y rápidas con velocidades de hasta un millón de operaciones en coma flotante por segundo. EL PRIMER MICROPROCESADOR Fue desarrollado por Intel en 1971; tenía su propia Unidad Aritmético Lógica, su propia unidad de control y 2 chips de memoria. LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN El profesor Niklaus Wirth desarrolla el lenguaje PASCAL.
- 6. LA CUARTA GENERACIÓN DE COMPUTADORES EL ORDENADOR PERSONAL El primer ordenador personal fue el Altair 8800, al cual se le instaló un software desarrollado en BASIC por Bill Gates y Paul Allen. EL PRIMER COMPUTADOR CON GRÁFICOS A COLOR En 1977 se lanzó el Apple II, el primer computador con gráficos a color y carcasa de plástico que permitió la consolidación de Apple Company. LAS GRANDES COMPAÑÍAS Nace Microsoft después de que Bill Gates y Paul Allen desarrollan el lenguaje Altair BASIC para el Altair 8800. En 1976 nace Apple Computer al comercializarse el Apple I. TIPOS DE COMPUTADORES MACROCOMPUTADORA También denominada Mainframe es una supercomputadora utilizada a nivel empresarial para el manejo de grandes cantidades de información en poco tiempo. Son muy costosas y deben contar con condiciones especiales para su funcionamiento. MINICOMPUTADORAS Son computadoras desarrolladas para satisfacer las necesidades de pequeñas empresas o de grandes departamentos en grandes compañías. Una minicomputadora es un sistema multiproceso capaz de soportar de 10 a 200 usuarios simultáneamente. MICROCOMPUTADORAS Son computadoras personales que tuvieron su origen con el surgimiento del microprocesador. Estos computadores cuentan con puertos de expansión que permiten adicionar características de hardware y software para ampliar sus funcionalidades. Actualmente este tipo de computadores son muy potentes y ofrecen gran rendimiento para el manejo de información personal que va desde el desarrollo de software hasta el diseño gráfico y diseño y ejecución de juegos. LAPTOPS Son computadoras diseñadas para ser transportadas constantemente de un lugar a otro, se alimentan por medio de baterías recargables y traen integrada una pantalla de cristal líquido. Ofrecen características similares a los PC de escritorio en cuanto a rendimiento.
- 7. DISPOSITIVOS MÓVILES La tendencia en la actualidad es a la utilización de dispositivos móviles que son computadoras con cierto poder de procesamiento y almacenamiento de datos que se caracterizar por una interfaz de tipo touch que le permite al usuario manipular el dispositivo por medio de su pantalla. Estos dispositivos manejan sistemas operativos especializados y soportan conexiones con otros dispositivos de más alto rendimiento de tipo PC; ofrecen acceso a internet y la posibilidad de ejecutar programas. Algunos vienen integrados con teléfonos celulares. EL COMPUTADOR EL PAPEL DEL RENDIMIENTO El rendimiento de un computador está dado por el rendimiento y el tiempo de ejecución. El rendimiento óptimo se logra en un escenario en el cual el rendimiento aumenta al máximo y el tiempo de ejecución se reduce al mínimo. El tiempo es la medida de rendimiento del computador. MEDIDAS DE RENDIMIENTO Tiempo de Reloj: También denominado tiempo de respuesta, es el tiempo total que toma la realización de una tarea, incluyendo acceso al disco, acceso a memoria, actividades de Entrada/Salida y gastos de Sistema Operativo. Tiempo de CPU: Es el tiempo que el procesador emplea en la realización específica de la tarea sin contar el tiempo de espera de Entrada/Salida o de otros programas. MÉTRICAS DE RENDIMIENTO Tiempo de Ejecución CPU para un programa: Ciclos del Reloj CPU para un programa * Duración del ciclo del reloj. Tiempo de Ejecución CPU para un programa: Ciclos del Reloj CPU para un programa / Frecuencia del reloj BUSES DEL SISTEMA BUS PARALELO El bus paralelo presenta unas funciones en líneas dedicadas: Bus de Direcciones o Líneas de Dirección: Indican la posición de memoria o el dispositivo con el que se desea establecer conexión. Bus de Control o Líneas de Control: Envían señales de arbitraje entre los dispositivos que interconecta. Bus de Datos o Línea de Datos: Transmite los bits de forma aleatoria.
- 8. BUS SERIAL En este tipo de bus, los datos son enviados Bit a Bit y se reconstruyen por medio de registros o rutinas de software. LA MEMORIA Cuando se desea ejecutar un programa, el sistema operativo carga el programa en la memoria RAM desde un dispositivo de almacenamiento externo. Cuando el programa está cargado en la memoria, el procesador ejecuta las líneas del programa. Ancho de Banda: Velocidad total a la que se pueden transferir datos entre la memoria y el procesador. Ancho de Banda = Rendimiento * Cantidad de datos a los que se accede en cada operación SEGMENTACIÓN La segmentación consiste en atender varias tareas de manera concurrente para dar la impresión de que estas se están ejecutando paralelamente. Así, como se visualiza en el ejemplo, la tarea 1 se ejecuta primero, luego se ejecuta un segmento de la tarea 2 y luego un segmento de la tarea tres, posteriormente se ejecuta el segundo segmento de la tarea 2 y por último, el segundo segmento de la tarea tres. PARALELISMO Se consigue incorporando varias memorias al bus de memoria del procesador lo que permite que existan varios accesos de memoria en paralelo. Mientras una memoria atiende una petición, la siguiente petición se le asigna a otra memoria disponible y así sucesivamente.
- 9. JERARQUÍA DE MEMORIA Según la jerarquía de memoria ilustrada en el gráfico de la pirámide, en la cúspide están los registros de la CPU a los cuales se accede a la velocidad máxima de la CPU, aunque su capacidad de almacenamiento es muy pequeña. A medida que se desciende por la pirámide, aumenta el tiempo de acceso a la memoria y aumenta también la capacidad de almacenamiento de cada uno de los dispositivos. En la siguiente gráfica se compara el tiempo de acceso y la capacidad de almacenamiento. En este se observa que el tiempo de acceso a memoria de los dispositivos es directamente proporcional a su capacidad de almacenamiento: CPU Caché Memoria Disco
- 10. TECNOLOGÍAS DE MEMORIA Memoria SRAM Memoria DRAM Los valores almacenados en la memoria permanecen en ella indefinidamente siempre y cuando exista alimentación de corriente. Van perdiendo sus valores almacenados a medida que pasa el tiempo. El núcleo de la celda consiste en dos inversores conectados el uno a la salida del otro. Utiliza un condensador para el almacenamiento de datos. Son más rápidas que las memorias DRAM. Son más lentas que las memorias SRAM No requiere refrescar la información almacenada. Requieren refrescar el contenido de sus celdas para evitar la pérdida de la información almacenada. No maneja especificación de filas y columnas. Requiere la entrada de filas y columnas para especificar una dirección de memoria Señal RAS: Utilizada por la tecnología DRAM, indica que se está enviando la dirección de la Fila. Señal CAS: Utilizada por la tecnología DRAM, indica que se está enviando la dirección de la Columna. 1 10 100 1000 0 0.0000005 0.000001 0.0000015 0.000002 CapacidaddeAlmacenamiento Tiempo de Acceso Tiempo de Acceso Vs Capacidad de Almacenamiento CPU Caché Memoria Disco
- 11. ENTRADA/SALIDA Cualquier dispositivo de Entrada/Salida requiere una interfaz para conectarse con la CPU la cual define la manera como se van a entender el procesador y el controlador del dispositivo. La interfaz de Entrada Salida tiene la función de controlar la comunicación de la CPU con los periféricos. SOFTWARE OPERATIVO Es el conjunto de programas que controlan el funcionamiento del software y administra los recursos de hardware. Entre estos, el más importante es el sistema operativo que es un programa o conjunto de programas de control que facilitan el uso del computador con el objetivo de utilizar eficientemente sus recursos. BIBLIOGRAFÍA Wikipedia. (3 de octubre de 2013). Alan Turing. Recuperado el 12 de octubre de 2013, de Wikipedia: http://es.wikipedia.org/wiki/Alan_Turing Wikipedia. (7 de agosto de 2013). Altair 8800. Recuperado el 12 de octubre de 2013, de Wikipedia: http://es.wikipedia.org/wiki/Altair_8800 Wikipedia. (9 de octubre de 2013). Bus (Informática). Recuperado el 13 de octubre de 2013, de Wikipedia: http://es.wikipedia.org/wiki/Bus_(inform%C3%A1tica) Wikipedia. (2 de septiembre de 2013). Cobol. Recuperado el 12 de octubre de 2013, de Wikipedia: http://es.wikipedia.org/wiki/COBOL Wikipedia. (6 de octubre de 2013). Fortran. Recuperado el 12 de octubre de 2013, de Wikipedia: http://es.wikipedia.org/wiki/FORTRAN Wikipedia. (30 de septiembre de 2013). Intel 4004. Recuperado el 12 de octubre de 2013, de Wikipedia: http://es.wikipedia.org/wiki/Intel_4004 Wikipedia. (07 de octubre de 2013). Transistor. Recuperado el 12 de octubre de 2013, de Wikipedia: http://es.wikipedia.org/wiki/Transistor Wikipedia. (3 de octubre de 2013). Wikipedia. Recuperado el 12 de octubre de 2013, de Apple I: http://es.wikipedia.org/wiki/Apple_I