tema1 intro a las computadores

ESTRUCTURA Y TECNOLOGÍA DE ESTRUCTURA Y TECNOLOGÍA DE COMPUTADORESCOMPUTADORES

Universidad

Rey Juan Carlos

Sofía Bayona D. 0054. Edif. Ampliación de rectoradoTutorías X y J de 11 a [email protected]

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ESTRUCTURA Y TECNOLOGÍA DE ESTRUCTURA Y TECNOLOGÍA DE COMPUTADORESCOMPUTADORES

Universidad

Rey Juan Carlos

Tema 1:Introducción a la Estructura y Tecnología de Computadores

Introducción a la Estructura y Tecnología de Computadores

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ProgramaBibliografía

1. Introducción.2. Unidades funcionales de los computadores digitales.3. Niveles de estudio de los computadores.4. La Arquitectura y Tecnología de Computadores en el marco de la

Informática.5. Terminología y conceptos básicos.6. Evolución histórica de los computadores.


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EspecificaJ.M. ANGULO, J.GARCÍA. Sistemas Digitales y Tecnología de Computadores.

Paraninfo, 2002. (Cap. 1 al 2)C. CERRADA, V. FELIU. Estructura y Tecnología de Computadores I.

U.N.E.D., 1993. (Cap. 1 al 2)C. de MORA, M. CASTRO et al. Estructura y Tecnología de Computadores I.

U.N.E.D., (Cap. 1 al 2)T. L. FLOYD. Fundamentos de Sistemas Digitales. Prentice Hall. (Cap. 1)

GeneralP. DE MIGUEL. Fundamentos de los Computadores. 7ª edición. Paraninfo,

1999.W. STALLINGS. Organización y Arquitectura de Computadores. 5ª edición,

Prentice Hall, 2000.D.A. PATTERSON, J.L. HENNESSY. Estructura y Diseño de Computadores.

Reverté, 2000.S. ACHA, M. A. CASTRO et al. Electronica Digital, Introduccion a la Logica

Digital. Ra-Ma

Bibliografía específica


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1. IntroducciónUn computador es una máquina flexible capaz de procesar información.

Procesar información = manipular la información y realizar cálculos para resolver un problema determinado.

Flexible = programable, adaptable para resolver diferentes problemas.

Esta definición no hace referencia a la tecnología utilizada en su construcción.

Los computadores actuales se construyen utilizando tecnología electrónica.


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La información viene dada por los valores que toman un conjunto de magnitudes significativas.

Las magnitudes pueden ser de dos tipos: analógicas y digitales.

Magnitudes analógicas: toman valores en un rango continuo.Ejemplos: temperatura, voltaje, corriente eléctrica, tiempo, luminosidad, etc.Se corresponden matemáticamente con el concepto de números reales.

Magnitudes digitales: su rango de posibles valores es discreto.Ejemplos: número de personas en una habitación, número de libros en una

biblioteca, etc.Se corresponden matemáticamente con el concepto de números enteros.

Introducción

Z

X

Digital

Analógico


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Las señales son vehículos para transmitir información que cambia.Relacionan dos variables (y-x,voltaje-tiempo), con una variable independiente

(x, tiempo) y otra variable dependiente (y, voltaje): y(x), V(t).Las más importantes son las señales dependientes del tiempo.

Las señales pueden ser de dos tipos: continuas y discretas.Señales continuas: pueden cambiar en cualquier instante.Señales discretas: sólo pueden cambiar en instantes concretos. Es posible transformar señales continuas en discretas y viceversa

(conversión A/D y D/A).

Existen dos tipos de computadores:Analógicos: procesan información analógica (Amplificador operacional).Digitales: procesan información digital.

Introducción


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En esta asignatura estudiaremos los computadores digitales.Manejan información binaria (0 = FALSO, 1 = VERDADERO).

La magnitud utilizada para transmitir señales es el voltaje.VH, H: voltaje alto; VL, L: voltaje bajo.

Existen distintos tipos de lógicaLógica positiva: VH = 1 y VL = 0Lógica negativa: VH = 0 y VL = 1

Introducción

Zona de incertidumbre

0 V0 VVLmin

1 V0,8 VVLmax

3,5 V2 VVHmin

5 V5 VVHmax

CMOSTTLVoltajes típicos


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Forma de onda de una señal: muestra su evolución a lo largo del tiempo.•Las formas de onda digitales se suelen representar en forma ideal, con transiciones instantáneas.•Pulso: transiciones H→L y L→H (o viceversa) consecutivas de una anchura determinada.

Introducción

Pulso negativo Pulso positivo

Flanco de bajada Flanco de bajadaFlanco de subida


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Reloj (CLK): señal que varía periódicamente de forma infinita.•Los sistemas digitales suelen contar con una señal de reloj (o varias) que sincroniza(n) a todas las demás.

Introducción

ClkNivel alto

Nivel bajo

Flanco desubida

Flanco debajada

Ciclo de reloj(medido entre dosflancos de bajada)

Ciclo de reloj(medido entre dosflancos de subida)

Pulso denivel alto

Pulso denivel bajo


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IntroducciónEn un reloj, el nivel alto y el bajo no tienen por qué durar lo mismo.

Simetría del reloj: porcentaje de tiempo de un periodo en el que el reloj está a nivel alto o bajo.

Ejemplos de señales de reloj periódicas (simétricas y asimétricas):

Clk

Clk

Clk


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Cronograma o diagrama de tiempo: conjunto de formas de onda de varias señales de un sistema que normalmente están interrelacionadas.

Introducción

Evolución de las señales:

•En el periodo de reloj 1 A = “0” y B = “1”.

•En el periodo 2 A = “1” y B = “0”.

•Etc.

La flechas indican que el pulso de la señal A es una consecuencia del pulso de la señal B.

Reloj

A

B

1 2 3 4 5 6 7


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2. Unidades funcionales de los computadoresUn computador intercambia información con el exterior a través de periféricos (dispositivos conectados directamente al computador) o de líneas de comunicaciones (dispositivos conectados remotamente).

Un computador consta de cuatro unidades funcionales principales (arquitectura VonNeumann, 1945):

Unidad Central de Proceso (UCP)Memoria principal (central)Entrada/Salida (E/S)Interconexiones (buses)

PeriféricosLíneas de

comunicaciones

COMPUTADOR

Interconexiones

Memoriaprincipal

E/S

UCP


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Unidades funcionales de los computadoresUnidad central de proceso (UCP): ejecuta los programas (conjuntos de

instrucciones) almacenados en la memoria. Consta de:•Unidad de control (UC): gobierna y temporiza a los restantes elementos del computador.•Unidad aritmético-lógica (UAL): realiza las operaciones.

Unidad de memoria (memoria principal, memoria central): es la parte del computador que se usa para almacenar (grabar, escribir) y después recuperar (leer) datos e instrucciones.

Unidad de entrada/salida (E/S): encargada de comunicar la UCP con una gran variedad de dispositivos periféricos.

Unidad de interconexión (buses): está formada por todas las señales que conectan los distintos componentes estructurales del computador. Hay tres tipos de señales: de dirección, de datos y de control.


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Unidades funcionales de los computadores

MEM MEM E/SUCP

Control

Datos

Dirección

E/S

Bus

es


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3. Niveles de estudio de los computadores

Los computadores son máquinas complejas, lo cual aconseja abordar su diseño y su estudio desde varios niveles de abstracción jerárquicos.

Nivel de paquetes deaplicación

Nivel de componente

Nivel electrónico

Subnivel combinacional

Subnivel secuencial

Nivel de transferencias entreregistros

Nivel de instrucciones demáquina

Nivel de sistema operativo

Nivel de lenguajes de alto nivel

Elementos físicos: uniones P o N, metales, dieléctricos

Elementos eléctricos: transistores, resistencias, condensadores

Circuitos electrónicos: puertas lógicas, biestables, multivibradores

Circuitos combinacionales: sumadores, multiplexores,decodificadores

Circuitos secuenciales: contadores, registros, memorias

Unidad de control, unidad aritmético-lógica

Programas en lenguaje máquina o ensamblador

Programa gestor de los recursos del computador

Programas escritos en lenguajes de alto nivel

Paquetes de programas de aplicaciones

ZON

A H

AR

DW

AR

E

ZON

A S

OFT

WA

RE

Nivel digital


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4. La ATC en el marco de la Informática

La Arquitectura y Tecnología de Computadores (ATC) es una disciplina que trata sobre todo lo relacionado con el diseño, fabricación, configuración y explotación de computadores de cualquier tipo.

La ATC cubre desde el nivel electrónico hasta el de sistema operativo, y tiene interés en el de lenguajes de alto nivel (compiladores) y en el de componente.

La asignatura de ETC trata sobre los siguientes niveles:

Digital.Transferencias entre registros.Instrucciones de máquina.

Nivel de paquetes deaplicación

Nivel de componente

Nivel electrónico


Subnivel secuencial















ZON

A H

AR

DW

AR

E

ZON

A S

OFT

WA

RE

Nivel digital


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Algunas asignaturas relacionadas con ETC en ITISNivel de paquetes de

aplicación

Nivel de componente

Nivel electrónico


Subnivel secuencial















ZON

A H

AR

DW

AR

E

ZON

A S

OFT

WA

RE

Nivel digital

Arquitectura de Computadores (niveles TR e instrucciones de máquina).

Laboratorio de Tecnología de Computadores (niveles digital, TR e instrucciones de máquina).

Fundamentos Físicos de la Informática(niveles de componente y electrónico).

Ampliación de Física y Electrónica (niveles de componente y electrónico).

Sistemas Operativos (nivel de SO).

Compiladores (optativa, nivel de lenguajes de alto nivel).


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Bit, bitio o dígito binario (binary digit): unidad mínima de información. Puede valer 0 (falso) ó 1 (verdadero).

Cuarteto o nibble: cuatro bits.Octeto, carácter o byte: cantidad en bits necesaria para representar un carácter

alfanumérico. Usualmente, 8 dígitos binarios o bits.Palabra (precisión básica de un computador): máxima cantidad de información

accesible y tratable en paralelo por las unidades aritmético-lógicas del computador.•Es el tamaño de referencia para un computador y se mide en múltiplos de byte, existiendo tamaños de palabra de 8, 16, 32, 64, 128 bits, etc.

Multiplicadores de tamaño:Kilo (K): 210 = 1024 Mega (M): 220 = 1.048.576Giga (G): 230 = 1.073.741.824 Tera (T): 240

Peta (P): 250 Exa (E): 260

5. Terminología y parámetros característicos


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Capacidad de almacenamiento de la memoria•Se mide en Kbytes, Mbytes ó Gbytes, dependiendo del tipo de memoria al que nos referimos.•Memoria principal: RAM (también incluye ROM).•Memoria secundaria o masiva: discos o cintas, suelen tener desde algo más de 1 Mbyte (disquetes) hasta muchos Gbytes (discos duros, DVD-ROM, etc).

Tiempo de acceso a la memoria:•Tiempo que tarda en realizarse una operación de memoria.•Se mide en fracciones de segundo.•Memoria principal: del orden de nanosegundos (1ns = 10-9 s).•Discos: del orden de milisegundos (1 ms = 10-3 s) ó microsegundos (1 μs = 10-6 s).

Parámetros característicos de los computadores


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Frecuencia de trabajo del procesador•Indica el número de ciclos de reloj por segundo en el procesador.•Un ciclo de reloj es lo que tarda en ejecutarse una operación básica.•Se mide en hercios (Hz).

Tiempo de ejecución de un programa: el que transcurre desde su inicio hasta que finaliza su ejecución.

Rendimiento de un computador: inverso del tiempo de ejecución.•Se mide en tareas completadas por unidad de tiempo.•Algunas medidas de rendimiento:

MIPS: millones de instrucciones completadas por segundo.MFLOPS: millones de instrucciones de coma flotante (floating point)

completadas por segundo.•Benchmarks: programas de prueba para medir el rendimiento.

Parámetros característicos de los computadores


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ENIAC (Electronic Numerical Integratorand Calculator)

Primer computador digital electrónico de propósito general fabricado en EEUU.

Terminado en 1943.Utilizado en la 2ª guerra mundial con

fines militares.Programación manual externa mediante

interruptores y cables.Dimensiones: 24’4 metros de largo x 2’6

metros de alto.Constructores: Eckert y Mauchly

(Instituto Moore, Universidad de Pensilvania)

•John Von Neumann: consultor del proyecto.

6. Evolución histórica: ENIAC


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Eckert y Mauchly junto con sus colaboradores comenzaron a diseñar el EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer), terminado en 1952.

•Eckert y Mauchly abandonaron el proyecto en 1947 para crear otra empresa.En 1945 John Von Neumann publicó el informe “First Draft of a Report on the

EDVAC” sentando los pilares de la arquitectura de los computadores:•Unidad de memoria, en la que se almacenan los programas y los datos.•Unidad de entrada, que permite introducir los programas y los datos de partida y enviarlos a la memoria.•Unidad de control, que interpreta las instrucciones y controla su ejecución.•Unidad aritmético-lógica, que se encarga de realizar los cálculos.•Unidad de salida, que ofrece al operador del sistema los resultados obtenidos y los posibles mensajes producidos en la ejecución del programa.

Por ello se denomina “modelo Von Neumann” al modelo de arquitectura tradicional de los computadores.

El informe de John Von Neumann


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EDSAC (Electronic Delay StorageAutomatic Calculator )

Primer computador “modelo VonNeumann” con programa almacenado que estuvo operativo a gran escala.

Terminado en 1949.Diseñador: Maurice Wilkes.

Evolución histórica: EDSAC


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Ligadas a los avances en tecnología electrónica.•Sus fechas de comienzo y final están en discusión.

1ª generación (hasta 1959)•Primeros computadores electrónicos comerciales•Arquitectura programable.

2ª generación (desde 1960 hasta 1968)•Computadores construidos con transistores.

3ª generación (desde 1969 hasta 1977)•Computadores construidos con circuitos integrados.

4ª generación (desde 1978)•Computadores construidos con circuitos integrados de escala de integración grande (LSI) y muy grande (VLSI)•Microprocesador: unidad central de proceso completa contenida en un único circuito integrado.

Generaciones de computadores

tema1 intro a las computadores

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