Introducción a la arquitectura de computadores Índice - ELAI-UPM

09/03/2011
Introducción a la
arquitectura de
computadores
Ingeniería del Software
EUITI – UPM
Índice

Descripción computador
– Hardware

Estructura del computador
– Modelo de programación
– Registros del procesador
– Ejecución de instrucciones

Interrupciones
– Reloj del computador



Jerarquía de memoria
Entrada/salida
Protección
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Historia computadores

Precedentes
–
–
–
–
–



Sumadora de Pascal (S.XV)
Tejedora de Jacquard
Calculadora de Leibniz (S. XVII)
Babagge (S. XIX)
Hollerith (tarjetas perforadas) IBM
1944 MARK-1 calculador programable con clavijas
ENIAC. Fichas perforadas para datos y programas,
17000 tubos de vacío 100KHz, 30 toneladas.
1946 Von Neumann EDVAC
– Aritmetica binaria
– Programa almacenado (arquitectura Von Neumann)
Etapas

Primera generación

Segunda generación
– Tubo de vacío. Maquinas grandes pesadas, poco fiables.
– 1958, transistor.
– Lenguajes de alto nivel

Tercera generación
– IBM 360 circuitos integrados
– Cobol y Fortran

Cuarta generación

Quinta generación
– Años 70. Memorias electrónicas, aparición microprocesadorPC
– Años 90. SO con interfaz grafica.
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Orígenes del PC

1981 IBM PC
– 8088 de 16 bits, 16Kb de memoria, max 64 en
placa base y 256Kb max
– Cintas de cassete, luego disco 5 ¼ DE 180Kb y
360 Kb

1983 IBM PC-XT
– Disco duro de 10Mb

1984 IBM PC-AT
– Intel 286, bus ISA de 16 bits (antes eran de 8
bits)
– 20 Mb y disquetes de 5 ¼ de 1.2M
– Ordenador personal 286 y superiores (y
clonicos)
Arquitectura de Von Neumann

Arquitectura
– Sistema binario
– Programa y datos almacenados

Componentes
– Memoria principal
– E/S
– CPU



Buses
ALU
UC
– Bus de datos
– Bus de direcciones
– Bus de control
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Clasificación



Monoprocesador
Multiprocesador
Multicomputador
Clasificación



POTENCIA (Coste)
– Consola, PDA, etc.
– Ordenador portátil
– Ordenador personal: Tiene una potencia de proceso similar a la de un ordenador portátil, la
diferencia esta en su mayor volumen físico. Ambos suelen ser un lugar de trabajo típico de
ofimática y están destinados a un solo usuario.
– Estación de trabajo: Ordenador de características similares a la del ordenador personal,
pero con una potencia de cálculo superior. Es utilizado para trabajos técnicos y también está
dirigido a un solo usuario.
– Servidor: Este tipo de ordenador está pensado para diversos usuarios y puede incluir diversos
procesadores, tiene una memoria principal de gran dimensión y un disco duro de gran tamaño.
Los usuarios suelen conectarse desde otros ordenadores por lo que no se hace necesaria una
pantalla.
– Mainframe: Este es un ordenador de elevadas prestaciones con una capacidad de entradasalida muy elevada, que se destina sobretodo a aplicaciones técnicas, militares, gestion
– Superordenador: Ordenador con una potencia de cálculo muy elevada destinado sobre todo
a aplicaciones técnicas.
AMBITO
– Ordenadores de gestión (personal, mainframe)
– Ordenadores científicos (personal, estacion, superordenador)
– Ordenadores de control (personal industrial)
– Ordenadores de bases de datos (mainframe, servidor)
– Ordenadores de diseño, juegos y multimedia (personal, estacion)
ESTRUCTURA INTERNA
– Procesador convencional: Ejecuta las instrucciones una detrás de otra
– Procesador con paralelismo interno: Externamente parece que ejecuta las instrucciones
de manera secuencial, pero internamente puede realizar operaciones en paralelo.
– Procesador con paralelismo externo: Es el caso de los sistemas que incluyen diversos
procesadores, como los servidores
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Supercomputadores

BlueGene (USA)
–
–
–
–
–
–
–

Columbia (USA)
–
–
–




IBM
32768 0,7GHz PowerPC (IBM)
70 Teraflops (trillones)
Agencia de Seguridad Nuclear, biologicas, medicas
Chip incluye 2 procesadores, uno de calculo y otro de
comunicación con la memoria del chip
Linux
BlueGene eServer comercial
–
NASA
10240 Itanium 2, 1.5Ghz, 6Mb cache
20 Superclusters de 512 procesadores, 1 Terabyte
memoria por cluster
Linux
–
–
–
–
Acuerdo con IBM
3564 PowerPC 2,2Ghz
Linux
Bioinformatica, proteínas, astronomía
EarthSimulator NEC (Yokohama)
MareNostrum (Barcelona)
Linpack test
SuperComputacion PERSONAL
2011
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Comparativa
PC




Torre (CPU)
Monitores
Teclado, ratón
Otros
–
–
–
–
–
Altavoces
Impresoras
Escáner
Joystick
Cámaras
6
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PC
Placa base
7
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Placa base
Microprocesador




CPU
Intel Pentium, AMD
Velocidad en GHz
Cache, FSB
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Reloj del computador

Tres conceptos:
– Oscilador
– Interrupcion
periodica
– Contador fecha-hora


Nº segundos desde
1 de enero de 1990
HW con bateria o
software
Tipos de Procesador

CISC (años 60 a 80)
–
–
–
–

Instrucciones, mas y mas sofisticadas
Modos de direccionamiento
Ventajas: Potencia para el desarrollo de aplicaciones
Desventajas: Compiladores usaban 20% instrucciones 80% tiempo
RISC (Patterson, 80)
– Programas mas largos y mas lentos
– CPU mas sencilla: rendimiento, coste, robustez

T=I*M/F
– Cualquier instrucción nueva debe añadir 1% rendimiento
– 50-100 instrucciones, trabajo lo hace el compilador
– Instrucciones sencillas, con formato regular, un solo ciclo



CISC: Intel x86, Motorola 68000. Mercado
RISC: MIPS usados por SGI, Sparc, PowerPC (graficos,
matematicas)
Hibridos
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Historia de los
procesadores Intel



















1971: 4004 Microprocessor
1972: 8008 Microprocessor
1974: 8080 Microprocessor (cerebro del primer PC)
1978: 8086-8088 Microprocessor (IBM-PC)
1982: 286 Microprocessor (backward compatible, 6 años 15millones
de PC)
1985: Intel386™ Microprocessor (32, multitasking)
1989: Intel486™ DX CPU Microprocessor (Desktop, coprocesador
matematico)
1993: Intel® Pentium® Processor (manejo de datos: voz, sonido,
imágenes)
1995: Intel® Pentium® Pro Processor (servidores, CAD, cientifico,
cache optimizada)
1997: Intel® Pentium® II Processor (0, 25 micras, MMX multimedia)
1998: Intel® Pentium II Xeon Processor (servidores internet,
automatizacion, multiprocesador 8)
1999: Intel® Celeron® Processor (bajo coste)
1999: Intel® Pentium® III Processor (0, 25 micras, instrucciones
Interned streaming SIMD , reconocimiento voz, video)
1999: Intel® Pentium® III Xeon™ Processor
2000: Intel® Pentium® 4 Processor (0,18 – 0,13 micras velocidad
eq. Vehiculo de costa a costa en 13 segundos)
2001: Intel® Xeon™ Processor
2001: Intel® Itanium™ Processor (64 bits)
2002: Intel® Itanium™ 2 Processor
2003: Intel® Pentium® M Processor (+chipset, +network connection
= Centrino)
Procesadores Intel
Name
Date
Transistors
Microns
Clock speed
Data width
MIPS
8080
1974
6,000
6
2 MHz
8 bits
0.64
5 MHz
16 bits
8-bit bus
0.33
8088
1979
29,000
3
80286
1982
134,000
1.5
6 MHz
16 bits
80386
1985
275,000
1.5
16 MHz
32 bits
5
80486
1989
1,200,000
1
25 MHz
32 bits
20
Pentium
1993
3,100,000
0.8
60 MHz
32 bits
100
Pentium II
1997
7,500,000
0.35
233 MHz
32 bits
~300
Pentium III
1999
9,500,000
0.25
450 MHz
32 bits
~510
Pentium 4
2000
42,000,000
0.18
1.5 GHz
32 bits
~1,700
Pentium 4
"Prescott"
2004
125,000,000
0.09
3.6 GHz
32 bits
~7,000
1
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AMD





Am486
Am5x86
K5-K6
Duron
Athlon
– 32 bits
– 64 bits
– Mobile


Sempron, opteron
Turion
Coprocesador

Coprocesador matemático
– Coma flotante
– Primeros PC era opcional, separado
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Memoria

RAM
– Volatil
–
–
–
–
–

1 Kb= 210 bytes = 1.024 bytes = 1 kilobyte
1 Mb= 220 bytes = 1.048.576 bytes = 1 Megabyte
1 Gb = 230 bytes = 1.073.741.224 bytes = 1 Gigabyte
1 Tbyte= 240 bytes = 1 Terabyte
Tipos
 Estatica SRAM (10ns cache)
 Dinamica DRAM (60ns- mem ppal)
ROM
– PROM
– EPROM
– EEPROM
BIOS - Pila

BIOS= ROM, Flash
– Basic Input Output
System
– Test hardware
– Salta al sector
BOOT del disco
duro, lo carga en
RAM
– Ejecuta el boot
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Buses del PC (ranuras de
expansión)

IDE (Integrated Driver Electronics)
–
–
–
–
–
–
–
–
Discos duros, CD-ROM
Principio permitia 40Mb
Cable plano de 40 hilos
Estandar ATA (AT attachment)
ATAPI (ATA packet interface), CD-ROM
Ultra ATA, Ultra DMA, DMA 33
Sustituido por S-ATA
2 unidades por puerto

ISA (Industry Standard Architecture)

EISA (Extended ISA)
–
–
–
–

Desde años 90 por intel, 32 bits (64bits), Tambien usado por Mac
Alta velocidad transferencia
Plug & play
Compartir IRQ entre tarjetas
33Mhz66MHz, PCI bridge
AGP (Accelerated Graphics Port)
–
–
–
–

Ampliación a 32bits.
Compatible con ISA (dos niveles), lento (8Mhz, 32Mb/s)
PCI (Peripheral Component Interconnect)
–
–
–
–
–

Sonido, video, perifericos
8 a 16 bits y 8,33 Mhz, 8Mb/s
32 bits, 66Mhz
Muy alta transferencia de datos, 1 ranura (video)
Intel, conexión directa entre monitor y memoria de video.
Graficos 3D 1Gb/seg (4x)
PCI Express (1-16x)
–
64 bits, 133Mhz
Puertos del PC




PS/2
Puerto Serie (UART)
Puerto paralelo
SCSI (Small Computer System Interface)
– Tarjeta adaptadora
– 15 perifericos en cadena, cableado simple
– Estaciones de trabajo, sistemas redundantes

USB (Universal serial bus)
– Inicialmente: baja velocidad (teclados,
raton, escaner)
– 127 dispositivos (plug & play)
– 480 Mb/seg (USB 2.0)
– Alimentacion de dispositivos de bajo
consumo
– Integrados en Placa base

FireWire (IEEE 1394)
– Alta velocidad (High Performance Software
Bus)
– Plug & Play, camaras, almacenamiento.
– 400 Mb/seg, 67 dispositivos
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Puertos del PC

Comunicaciones
– Modems
– RDSI
– Adaptador a red de area local (LAN). ADSL (modem router
externo)
– IrDA

Corto alcance. PDA, movil, multimedia.
– Bluetooth

Corto alcance, seguridad. Impresoras, PDA, movil.
– WiFi


802.11b (2.Ghz) – 11Mbps
802.11g (2.Ghz) – 54Mbps
Chipset
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Disco duro





Herméticos, limpios
3,5 pulgadas
7 platillos, 14 cabezas
Pistas, Cilindros
Interfaz
– IDE- P-ATA
– SCSI
– S-ATA

Acceso
– PIO
– DMA
Disco duro




5400-7200 (10000)
rpm
Tiempo de
acceso=busqueda+
latencia (mseg)
Tiempo de lectura
Se manejan
bloques
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Resumen

Computador es un sistema complejo
– Distintas familias de procesadores, distintas
tecnologías
– Distintas variantes dentro de las familias.

VonNeumann
– Micro  Subsistemas




Buses
Memoria
Puertos
Discos
– Velocidades inferiores al micro
– Protocolos diferentes
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