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Unidad Curricular: ARQUITECTURA DEL COMPUTADOR Modulo: ESTRUCTURA DEL COMPUTADOR

Trimestre 1 – Trayecto 1 Año 2011 Código: PIAC113

Unidad 1: El Computador Arquitectura de computador es el estudio de la estructura, funcionamiento y diseño de computadores. Esto incluye, sobre todo a aspectos de hardware, pero también afecta a cuestiones de software de bajo nivel. Normalmente una arquitectura se usa para definir un modelo de referencia como pueden ser los ordenadores basados en arquitectura Pentium o los basados en el OS/390 de IBM. Para que aún quede más claro, una arquitectura puede quedar dividida de 5 maneras fundamentales que son: entrada/salida, almacenamiento, comunicación, control y proceso. Definición del Computador. El computador es una máquina electrónica hecha por circuitos integrados (CI), y por la cual gracias a esto puede recibir y procesar datos para convertirlos en información. Máquina capaz de realizar de forma automática y en una secuencia programada cierto número de operaciones numéricas sobre unos datos suministrados por el operador Máquina automática para el tratamiento de la información, que obedece a programas formados por sucesiones de operaciones aritméticas y lógicas. Una computadora comprende una parte física (hardware), constituida por circuitos electrónicos de alta integración, y una parte no física (software). Máquina electrónica de propósito general que permite el procesamiento de datos (internamente en forma binaria) cuando se introducen en su memoria un grupo de instrucciones (en forma binaria) denominadas programas. Toda la información que procesa un computador está codificada en forma binaria. Entendiéndose por binario al sistema numérico binario que posee dos únicos dígitos el uno (1) y el cero (0) a los cuales también se les denomina BITs, en otras palabras un BIT puede ser un uno (1) o un cero (0). Toda la información ya sean instrucciones o datos a procesar son interpretados en forma binaria como BYTES. Siendo un byte una agrupación ordenada y consecutiva de 8 Bits. Es decir el mundo interno del computador es el mundo de los BYTES y de los Bits, todo se debe organizar internamente en forma de BYTES para que pueda ser manejado por el computador. El computador realiza cualquier operación matemática en su sistema numérico nativo, el sistema binario o llamado también sistema de base 2, por lo tanto cualquier potencia numérica que haga referencia a un computador estará dada en potencias de 2, esta máquina electrónica solo conoce dos operaciones matemáticas la suma y la resta

binaria, y basándose en estas puede realizar el más complejo calculo matemático, como puede ser un logaritmo natural, una función trigonométrica, entre otros. Un byte representa un solo carácter (una letra, un número, un signo, etc). Historia de los computadores  Espectacular evolución durante el S.XX  Desarrollo de las tecnologías electrónicas  Reducción de coste y tamaño

Generación de computadoras:

Generación Cero (1642-1945): Computadores mecánicos

Ábaco (3500 a.c.) Necesidad de calcular. Se sigue usando en la actualidad

Pascalina. Blaise Pascal (1642) Sumas y restas

Máquina de diferencias ● Charles Babbage (principios S.XIX) Sumas y restas. Propósito específico: Tablas de navegación. Máquina analítica. Charles Babbage (1834): Primer computador digital de la historia. Establece la estructura del computador moderno: Unidad de almacenamiento, Unidad de computación, Dispositivos de entrada y salida. – propósito general: programable – programación mediante tarjetas perforadas: No llegó a ser operativa por problemas tecnológicos. Ada Augusta Lovelace primera programadora.

Charles Babbage es considerado el padre de la Informática

Primera Generación (1945-1955): Tubos de vacío

Máquina Z1. Konrad Zuse (1930): Máquina de calcular electromecánica. Secreto militar. Destruida en el bombardeo de Berlín (1944). Mark I. Howard Aiken (1944): Primer computador estadounidense de propósito general. Tecnología electromecánica (relés). Memoria: 72 palabras de 23 dígitos decimales. Ciclo de instrucción: 6 seg. Aplicaciones militares. COLOSSUS: Reino Unido (1943). Primer computador electrónico digital de la historia. Secreto militar hasta los años 70. Destinado a descifrar los mensajes del codificador alemán ENIGMA.

ENIAC. John Mauchley y J. Presper Eckert (1946): Inicio de la historia moderna de los computadores. Aplicaciones militares. 18000 válvulas, 1500 relés, 30 toneladas, 140 KW.

John von Neumann: Estructura de los computadores modernos. EDSAC. Maurice Wilkes (1949). IAS. Von Neumann (1952) UNIVAC. Mauchley y Eckert (1951): Primer computador comercial de la historia. Empresas y universidades comienzan a usar computadores IBM 701, 704, 709 (1953): Computadores de propósito general. Aplicaciones científicas. Gran éxito comercial. Segunda Generación (1955-1965): Transistores Invención del transistor (1956): John Bardeen. Walter Brattain. William Shockley.  Laboratorios Bell (AT&T)  Nobel en 1956

PDP-1. Kenneth Olsen. DEC (1961): Primer mini-ordenador de la historia. Se introduce el terminal CRT (monitor). Gran éxito comercial e implantación en las universidades. PDP-8. DEC (1965): Sucesor del anterior. Más pequeño, potente y económico. Arquitectura de un único BUS (omnibus). Gran éxito: 50000 unidades vendidas. IBM 7090 y 7094 (1962): Versión transistorizada del IBM 709. Aplicaciones científicas. Dominan el mercado en los años 60 IBM 1401 (1961): Versión económica orientada a los negocios CDC-6600 (1964): Primera máquina en implementar procesamiento altamente paralelo. Diez veces más rápida que el IBM 7094 Borrows B5000 (1963): Primer computador diseñado para ser programado en un lenguaje de alto nivel (Algol 60). Tercera Generación (1965-1970): circuitos integrados. Circuitos Integrados (C.I.): Decenas, cientos, miles de chip. Aumento de velocidad, disminución de tamaño IBM System/360 (1964): Introduce el concepto de "familia de ordenadores". Sucesión de familias compatibles hasta mediados de los 80: 370, 4300, 3080 y 3090 DEC PDP-11 (1970): Sucesor del PDP-8. Minicomputador dominante en los años 70. Gran expansión en las universidades. Ligado a los inicios de UNIX y el lenguaje C. Cuarta Generación (1970- Actualmente). VLSI. Ordenadores personales Miniordenadores vendidos como kits (1975): MITS Altair 8800. Bill Gates y Paul Allen fundan Microsoft (1975): Intérprete de BASIC para el Altair 8800.

Cray-1(1976): Primer supercomputador con arquitectura vectorial. Apple II (1977): Primer computador personal de éxito. Intel 8086/8088 (1978): Procesador de 16 bits. Familia de IBM PC. Motorola 68000 (1979): Familia de Apple Macintosh

Estructura del Computador. Unidad Central de Procesamiento o CPU: Es el cerebro de la computadora, ya que en él se manipulan los datos. En una computadora personal o PC, la CPU entera está contenida en un pequeño chip llamado microprocesador. Cada CPU tiene dos partes fundamentales: la Unidad de Control (Control Unit) y la Unidad Aritmético-Lógica (Arithmetical-Logical Unit ALU). Memoria Principal o RAM (Random Access Memory): Es el dispositivo de almacenamiento principal en tiempo real donde se guardan los datos y programas mientras se están utilizando. La RAM consiste de chips, ya sea en la Tarjeta Madre o en un pequeño tablero de circuitos conectados a ésta. La CPU contiene las instrucciones básicas necesarias para operar la computadora, pero no tiene capacidad suficiente para almacenar programas enteros o conjuntos grandes de datos de manera permanente, por tanto, se apoya en la RAM para esta importante función de almacenar y recuperar datos con gran rapidez. La Memoria RAM es de acceso aleatorio y de naturaleza volátil ya que pierde su contenido cuando se apaga la computadora. La CPU está conectada a dos clases de memoria: la RAM que es volátil, y la ROM, que es no volátil (conserva los datos que contiene, aun cuando la computadora esté apagada).  Periféricos: son los dispositivos de hardware que se encuentran en la computadora con la finalidad

de aumentar las posibilidades de acceso, almacenamiento y salida del equipo de cómputo. Incluyen los dispositivos de Entrada y los de Salida. o Dispositivos de entrada: son periféricos cuya función es la de reunir y traducir los datos de

entrada a una forma que sea aceptable para la computadora. Los dispositivos de entrada más comunes son el teclado y el ratón o “mouse”. o Dispositivos de salida: son periféricos que representan, imprimen o transfieren los resultados

del procesamiento, extrayéndolos de la Memoria Principal de la computadora. Entre los dispositivos de salida más utilizados se encuentran el Monitor o Pantalla y la Impresora.

 Sistema de conexión: Comunica la CPU con la memoria y los módulos de E/S.

Funciones básicas del computador. Procesamiento de datos: Operaciones lógicas y aritméticas Almacenamiento de datos: Almacenamiento temporal a corto y largo plazo. Transferencia de datos. Con periféricos (transferencias E/S) y con dispositivos remotos (comunicación). Control: Gestión de recursos del computador, gestión de diversas unidades funcionales.

Estructura de la CPU Unidad de Control: Es el centro de administración de los recursos de la computadora (como un fiscal de tránsito). La Unidad de Control tiene incorporadas las instrucciones o conjunto de instrucciones. Éstas enumeran todas las operaciones que puede realizar la CPU. Cada instrucción en el juego de instrucciones es expresada en microcódigo, el cual consta de una serie de direcciones básicas que le dicen al CPU cómo ejecutar operaciones más complejas. Unidad Aritmético-Lógica: En esta Unidad se realizan las Operaciones Aritméticas (Suma “+”, Resta “-“, Multiplicación “x”, División “/”, Elevar a Potencia “^”) y las Operaciones Lógicas tales como igual a, no igual a ; mayor que, no mayor que ; menor que, no menor que ; mayor que o igual a, no mayor que ni igual a ; menor que o igual a, no menor que ni igual a. Muchas instrucciones realizadas por la Unidad de Control involucran tan sólo mover datos de un lugar a otro; de RAM al Almacenamiento Auxiliar (por ejemplo Disco Duro); de RAM a la Impresora o a la Pantalla y así sucesivamente. No obstante, cuando la Unidad de Control encuentra una instrucción que implica aritmética o lógica, pasa esa instrucción a la Unidad Aritmético-Lógica o UAL. En la UAL se encuentran un grupo de registros, que son ubicaciones de memoria de alta velocidad construidas directamente en la CPU, las cuales se utilizan para conservar los datos que se están procesando en ese momento. Por ejemplo, la Unidad de Control podría cargar “dos números desde la Memoria RAM” a los registros de la ULA. Después podría pedirle a la ULA que “divida los dos números” (una operación aritmética) o que “determine si los números son iguales” (una operación lógica). Registros: Almacena temporalmente dentro de la propia CPU (código de instrucciones, datos que están siendo procesados, direcciones de memoria, entre otros.)

Clasificación de las computadoras: Las computadoras de acuerdo a su tamaño y precio se clasifican en cuatro grandes categorías, a saber: Microcomputadoras, Minicomputadoras, Mainframes y Supercomputadoras. Microcomputadora o PC: Es el tipo más común de computadora, por eso se le llama Computadora Personal, por estar diseñada para ser utilizada por una sola persona a la vez. A pesar de su pequeño tamaño, la PC moderna es más potente que cualquiera de las computadoras de las décadas de 1950 a 1960. Han llegado a ser tan fundamentales para la sociedad del siglo XXI, que sin ellas la economía mundial se detendría. Son herramientas tan flexibles y poderosas que la mayoría de las personas en el mundo de las actividades económicas de los sectores públicos, privados, ONG’s, Cooperativas, PYMES las utilizan normalmente. Aunque no se trabaje en una entidad económica, las computadoras nos afectan todos los días. Cada vez que vamos al banco, renovamos una suscripción, pedimos información de un número telefónico, etc., nos estamos beneficiando con el poder y la velocidad de las computadoras. Incluso, al comprar comestibles, medicinas, o gasolina, interactuamos con computadoras. Minicomputadoras: Son algo mayores que las PC y casi siempre las usan empresas e instituciones en formas específicas, como el procesamiento de la nómina. Estos aparatos pueden ejecutar las tareas de muchos usuarios desde una CPU Central a la que se conectan terminales los cuales son dispositivos de entrada y salida (parecidos a un PC pero sin capacidad de cómputo), dotados de un teclado, una Pantalla y el cable de conexión al CPU Central. Transmiten las solicitudes de proceso a la Minicomputadora, la cual realiza el proceso de los datos y envía el resultado al terminal correspondiente. La Impresora de la Minicomputadora realiza el trabajo de impresión para todos los Usuarios conectados por terminal. El Dispositivo de Almacenamiento de la Minicomputadora contiene los datos para todos los usuarios en un solo lugar. Las Minicomputadoras tienden a desaparecer ante el crecimiento de la capacidad de cómputo distribuido en las Redes de Computadoras. Mainframes o Computadoras Centrales: Son grandes, rápidas y bastante costosas. Frecuentemente, son utilizadas por empresas privadas y oficinas gubernamentales para centralizar el almacenamiento, procesamiento y administración de grandes cantidades de datos, y estar en capacidad de proporcionar estos datos a petición de muchos usuarios conectados. Son el sistema preferido cuando se requieren: confiabilidad, seguridad en los datos y control centralizado. La computadora central ejecuta tareas de procesamiento para muchos usuarios, quienes introducen sus peticiones desde sus terminales. Para procesar grandes cantidades de datos, suelen tener múltiples CPUs: Un CPU dirige las operaciones generales, otro CPU maneja la comunicación con todos los usuarios que solicitan datos; un tercer CPU localiza los datos solicitados en Bases de Datos.

Supercomputadoras: Constituyen el tipo más grande, rápido y costoso de estos aparatos. Contrario a los Minicomputadores y las Computadoras Mainframe, no son diseñados para optimizar el procesamiento de múltiples usuarios; utilizan su gran poder de cómputo en la solución de problemas muy complejos, como la predicción del clima, modelar reacciones nucleares, o control de vuelos espaciales. La velocidad de una Supercomputadora puede llegar a superar los “miles de millones de instrucciones por segundo”. Niveles de Abstracción: Las computadoras pueden estudiarse en distintos niveles de abstracción, como se muestra a continuación:

Nivel 0: Nivel de lógica digital Es el hardware de la máquina. El nivel inferior sería el nivel de dispositivo. En este nivel: Puertas lógicas, Circuitos integrados, Circuitos combinacionales, Circuitos aritméticos, Relojes, Memorias, Microprocesadores, Buses. Nivel 1: Nivel de microprogramación Existe un programa llamado microprograma. La función del microprograma es interpretar las instrucciones del nivel 2. En algunas máquinas no existe el nivel de microprogramación. Nivel 2: nivel de máquina convencional o Cada fabricante publica el “Manual de referencia del lenguaje máquina” para cada uno de los computadores.

o Las instrucciones del nivel de máquina las interpreta el microprograma. o En las máquinas en las que no existe el nivel de microprogramación, las instrucciones del nivel de máquina son realizadas directamente por los circuitos electrónicos. Nivel 3: Nivel del sistema operativo o La mayoría de las instrucciones de este nivel están también en el nivel 2 pero además tiene un nuevo conjunto de instrucciones, una organización diferente de la memoria, posibilidad de ejecutar 2 o más programas ... o

Las nuevas instrucciones las interpreta el sistema operativo.

o Las que son idénticas a las del nivel 2 las lleva a cabo el microprograma. Nivel 4: Nivel del lenguaje ensamblador o o

o

Los niveles 4 y superiores son utilizados por los programadores de aplicaciones. Los niveles inferiores están diseñados para ejecutar los intérpretes y traductores de los niveles superiores y son escritos por los programadores de sistemas. El ensamblador es el programa que lleva a cabo la traducción de un programa del nivel 4.

Nivel 5: Nivel de lenguajes de alto nivel o

Los lenguajes de alto nivel son más fáciles de utilizar que los lenguajes de niveles inferiores.

o

Son utilizados por los programadores de aplicaciones.

o

Los traductores de programas en lenguaje de alto nivel pueden ser compiladores o intérpretes

Glosario de terminos: HARDWARE incluye todos los dispositivos eléctricos, electrónicos y mecánicos (que se pueden ver y tocar) que se utilizan para procesar los datos. SOFTWARE – o programas – es el conjunto de instrucciones electrónicas para controlar el hardware de la computadora. FIRMWARE programas grabados en memorias de sólo lectura. Suelen ir incluidos con el hardware. Algunos Programas existen para que la Computadora los utilice como apoyo para el manejo de sus propias tareas y dispositivos. Otros Programas existen para que la Computadora le dé servicio al Usuario. Por ejemplo, la creación de documentos electrónicos que se imprimen. DATOS: se refieren a los elementos crudos (materia prima) que la computadora puede manipular, para convertirlos en resultados o datos procesados, conocidos como información (producto terminado). Los datos pueden consistir en letras, números, sonidos o imágenes. Independientemente del tipo de datos que sean, la computadora los convierte en números para procesarlos. Por lo tanto, los datos computarizados son digitales, lo que significa que han sido reducidos a dígitos o números. Los datos se guardan en medios de almacenamiento auxiliar como parte de archivos. ARCHIVOS DE COMPUTADORA son conjuntos de datos interrelacionados a los que se les ha asignado un nombre. Un archivo que contiene datos que el usuario puede abrir y utilizar a menudo se llama documento. Un documento de computadora puede incluir muchas clases de datos, tales como: Un archivo de texto (como una carta); un grupo de números (como un presupuesto); un fragmento de video (que incluya imágenes y sonidos, como un “video clip”). Los programas de computadora (software) también se organizan en archivos, pero debido a que no se consideran texto, no son archivos de documentos. USUARIO es toda persona que interactúa con la computadora para proporcionar datos de entrada o para obtener resultados del sistema de cómputo, que normalmente se despliegan por Pantalla o se imprimen a través de la Impresora. PROGRAMA es una secuencia de instrucciones. Los circuitos electrónicos de cada computadora reconocen un conjunto limitado de instrucciones muy simples. LENGUAJE MÁQUINA es el conjunto de instrucciones básicas de una computadora.