1 Asignación Nro. 1 Arquitectura del Computador TI – PI

Asignación Nro. 1
Arquitectura del Computador TI – PI
Parte I
El estimulo para la computadora electrónica fue la Segunda Guerra Mundial. Durante la primera parte de
la guerra, submarinos alemanes hacían estragos entre la armada británica. Los almirantes alemanes
enviaban órdenes por radio hasta los submarinos, pero eran interceptadas por los ingleses. El problema
era que los mensajes se codificaban mediante un aparato llamado Enigma.
A principios de la guerra, los espías británicos lograron adquirir una maquina Enigma de los espías
polacos, quienes la habían robado a los alemanes. Sin embargo, se requería un número abrumador de
cálculos para decodificar un mensaje, y esto tenia que hacerse inmediatamente después de
interceptarse el mensaje para que sirviera de algo. Para decodificar estos mensajes, el gobierno
estableció un laboratorio supersecreto que construyo una computadora electrónica llamada Colossus. El
famoso matemático Alan Turing ayudo a diseñar esta maquina, la cual entro en operación en 1943.
Ademas de estimular la construcción de Colossus, la guerra también afectó la computación es Estados
Unidos. El resultado de esto fue la construcción de ENIAC (Electronic Numerical Integrator And
Computer). Esta maquina fue diseñada y construida bajo la supervisión de John Mauchly y John Eckert
en la Universidad de Pensilvania, y fue el primer computador electrónico de propósito general del
mundo.
El BRL (Balistics Research Laboratory, Laboratorio de Investigación Balística) del Ejército, una agencia
responsable del desarrollo de tablas de tiro y de trayectoria para nuevas armas, tenia dificultades para
elaborarlas con exactitud y dentro de un plazo de tiempo razonable. Sin estas tablas de tiro, las nuevas
armas y piezas de artillería eran inútiles para los artilleros. EL BRL empleo a mas de 200 personas, la
mayoría mujeres, que utilizando calculadoras de mesa resolvían las ecuaciones balísticas necesarias.
La preparación de las tablas para una sola arma le habría llevado a una persona muchas horas, incluso
días.
Mauchly, un catedrático de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Pensilvania, y Eckert, uno de sus
alumnos de licenciatura, propusieron construir un computador de propósito general usando tubos de
vacío para utilizarlo en las aplicaciones de la BRL. En 1943 esta propuesta fue aceptada por el ejercito y
se comenzó a trabajar en al ENIAC. La maquina que construyeron era enorme, pesaba 30 toneladas,
ocupaba 15000 pies cuadrados y contenía mas de 18000 tubos al vacío. Cuando funcionaba consumía
140 Kilovatios de potencia y podía efectuar 5000 sumas por segundo.
El ENIAC era una maquina decimal y no binaria. Es decir, los números estaban representados de forma
decimal y no binaria. Se termino en 1946, demasiado tarde para ser utilizado durante la guerra. En su
lugar, su primera misión fue realizar una serie de cálculos complejos que se usaron para ayudar a
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determinar la viabilidad de la bomba de hidrogeno. Además, se le permitió a Eckert y Mauchly realizar
un curso en el que describieron su proyecto a sus colegas científicos, lo cual, marco el principio del
auge del interés en construir computadoras.
El uso de la ENIAC para una función distinta de aquella para la que fue construido demostró su
naturaleza de propósito general. Así, 1946 marcó el comienzo de la nueva era de los computadores
electrónicos, culminando años de esfuerzo. El ENIAC siguió funcionando bajo la dirección del BRL hasta
1955, cuando fue desmontado.
Parte II
Mientras Eckert y Mauchly trabajaban en la EDVAC, una de las personas que participaron en el
proyecto ENIAC, John Von Neumann, acudió al IAS (Institute of Advanced Studies, Instituto de Estudios
Avanzados) de Princeton para construir su propia versión de EDVAC, la maquina IAS. Von Neumann
fue un genio del calibre de Leonardo da Vinci; hablaba muchos idiomas, era experto en las ciencias
físicas y en matemáticas, y recordaba perfectamente todo lo que había escuchado, visto o leído. Podía
citar de memoria el texto exacto de libros que había leído hacia años. Cuando se intereso por las
computadoras, era uno de los matemáticos más eminentes del mundo.
Una cosa que pronto fue obvia para el, era que cargar y modificar programas para el ENIAC con un gran
número de interruptores era lento, tedioso e inflexible. Este proceso podría ser más fácil si el programa
se representa en una forma adecuada para ser guardado en la memoria del computador junto con los
datos. Von Neummann también percibió que la aritmética decimal en serie utilizada por la ENIAC podía
ser sustituida por aritmética binaria. De esta forma un computador podría conseguir sus instrucciones
leyéndolas de la memoria, y se podría hacer o modificar un programa colocando los valores en una
zona de memoria. Esta es idea conocida como concepto del programa – almacenado. La estructura
general del computador IAS fue la siguiente:
→ Como el dispositivo es principalmente un computador, tendrá que realizar las operaciones
aritméticas elementales muy frecuentemente. Estas son la suma, la resta, la multiplicación y la
división. Es por tanto razonable que contenga elementos especializados solo en estas
operaciones. Esta parte puede denominarse CA (Central Arthmetical).
→ El control lógico del dispositivo, es decir, la secuenciación adecuada de las operaciones debe
ser realizado eficientemente por un órgano de control central. Los órganos de control general
que se ocupan de que se lleven a cabo las instrucciones específicas se denominan CC (Central
Control).
→ Cualquier dispositivo que realice secuencias largas y complicadas de operaciones debe tener
una memoria considerable. Esta parte se denomina M (Memoria).
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→ El dispositivo tiene que estar dotado con la habilidad de mantener contacto de entrada y salida
con medios específicos de este tipo. El medio será llamado medio de grabación exterior del
dispositivo R (Recording)
→ El dispositivo debe tener órganos para transferir información a partir de R hacia CA y CC. Estos
órganos forman su entrada, que viene a ser la parte específica denominada I (Input).
→ El dispositivo debe tener órganos para transferir información a partir de sus partes especificas
CA y CC hacia R. estos órganos forman su salida, que viene a ser la parte especifica O
(Output).
Parte III
Un circuito digital es en el que solo están presentes dos valores lógicos. Por lo regular, una señal entre
0 y 1 voltio (por ejemplo el 0 binario) y una señal entre 2 y 5 voltios representa el otro valor (por ejemplo
el 1 binario). No se permiten valores fuera de estos dos intervalos. Diminutos dispositivos electrónicos,
llamados compuertas, pueden calcular diversas funciones con estas señales de 2 valores.
En la figura a) se muestra un transistor bipolar (el circulo) incorporado a un circuito sencillo. Este
transistor tiene tres conexiones con el mundo exterior: el colector, la base y el emisor. Cuando el voltaje
de entrada Vin es menor que cierto valor critico, el transistor se apaga. Esto hace que la salida del
circuito, Vout, adquiera un valor cercano a VCC, un voltaje regulado externamente, que suele ser de +5
voltios para este tipo de transistor.
Cuando Vin excede el valor critico, el transistor se enciende, lo que hace que Vout se baje a tierra (por
convención, 0 voltios).
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El aspecto importante es que cuando Vin es bajo, Vout es alto y viceversa. Así, este circuito es un
inversor que convierte un 0 lógico en un 1 lógico, y un 1 lógico en un 0 lógico. El resistor (la línea en
zigzag) es necesario para limitar la cantidad de corriente que el transistor absorbe y evitar que se
queme. El tiempo necesario para conmutar de un estado a otro suele ser de unos cuantos
nanosegundos. En la figura b), dos transistores se han conectado en serie. Si V1 y V2 son altos, ambos
transistores conducirán y Vout bajará. Si cualquiera de las dos entradas es baja, el transistor
correspondiente se apagará y la salida será alta. En otras palabras, Vout será bajo si y solo si tanto V1
como V2 son altos.
En la figura c) los dos transistores están conectados en paralelo, no en serie. En esta configuración, si
cualquiera de las entradas es alta, el transistor correspondiente se encenderá y ocasionará que la salida
vaya a tierra. Si ambas entradas son bajas, la salida se mantendrá alta.
Preguntas:
¿Qué diferencia se puede notar entre el computador Colossus y el computador ENIAC según el ámbito
o propósito para que fueron usados? Valor: 0,5 Puntos
¿El computador ENIAC toma todas las características enunciadas en el concepto de Computador
estudiado en clase? Valor: 0,5 Puntos
¿Cuáles eran las características del computador ENIAC en cuanto a tamaño y consumo de energía?
Valor: 0,5 Puntos
¿Según Von Neumann, cuales eran las dificultades que presentaba el computador ENIAC? Valor: 1
Punto
¿Es posible comparar o equiparar la estructura del computador IAS diseñado por Von Neumann con las
funciones básicas del computador estudiadas en clase? Valor: 1 Punto
¿A que tipos de compuertas lógicas corresponderían las situaciones señaladas en las figuras a), b) y c)?
Valor: 1,5 Puntos
Fecha de Entrega: Domingo 12 / 10 / 2010
Máximo 2 personas por grupo
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Asignación Nro. 2
Arquitectura del Computador TI – PI
Parte I
Los años cincuenta contemplaron el nacimiento de la industria de computadores con dos
compañías, Sperry e IBM, dominando el mercado.
En 1947 Eckert y Mauchly formaron la Eckert – Mauchly Computer Corporation para fabricar
computadores con fines comerciales. Su primera maquina de éxito fue el UNIVAC I, que fue
empleada por la oficina de censo para sus cálculos en 1950. La Eckert – Mauchly Computer
Corporation formó luego parte de la división UNIVAC de la Sperry – Rand Corporation, que siguió
construyendo una serie de maquinas sucesoras de la primera.
El UNIVAC I fue el primer computador comercial de éxito. Estaba diseñado, como su nombre
indica, tanto para aplicaciones científicas como comerciales. Este, podía realizar, por ejemplo,
operaciones con matrices, problemas de estadística y logísticos, cálculos de primas para
compañías de seguros, entre otros.
Tiempo después, fue creada el UNIVAC II, que poseía una mayor capacidad de memoria y mas
aplicaciones que su antecesor. De esta forma se evidencio que con el pasar del tiempo, las
compañías construían maquinas mas potentes, aunque compatibles con las anteriores, es decir, los
programas escritos para las viejas maquinas pueden ejecutarse en las nuevas maquinas,
reteniendo así a sus clientes que, probablemente al comprar una maquina nueva, se decidan por
hacerlo a la misma compañía para evitar perder su inversión en programas.
El primer cambio importante en los computadores electrónicos vino con la sustitución de los tubos
de vacío por transistores. El transistor es mas pequeño, mas barato, disipa menos calor y puede
ser usado de la misma forma que un tubo de vacío en la construcción de computadores. Mientras
que un tubo de vacío requiere cables, placas de metal, una capsula de cristal y vacío, el transistor
es un dispositivo de estado sólido hecho con silicio.
El transistor fue inventado en los Laboratorios Bell en 1948 por John Bardeen, Walter Brattain y
William Schockley, quienes fueron galardonados con el premio Nóbel de física de 1956 por su
trabajo.
Los
computadores
completamente
transistorizados
no
estuvieron
disponibles
comercialmente hasta el final de los cincuenta. IBM no fue la primera compañía en lanzar esta
tecnología, ya que NCR y RCA fueron los primeros en hacerlo.
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Transistor
Tubos al Vacío
Un transistor simple tomo la denominación de Componente Discreto. Los componentes discretos se
fabricaban separadamente, encapsulados en sus propios contenedores, y soldados o cableados
juntos en tarjetas de circuitos en forma de panel, que eran instalados en los computadores. Cuando
un equipo necesitaba un transistor, había que soldar este, que tenia una forma de pequeño tubo de
metal y contenía una pieza de silicio del tamaño de la cabeza de un alfiler, en una tarjeta de
circuitos. Todo este proceso se volvió cario y engorroso. Los primeros computadores de la
Segunda Generación contenían alrededor de 10.000 transistores, cantidad que fue creciendo,
haciendo más difícil la fabricación de nuevas maquinas.
En 1958 surgió algo que revoluciono la electrónica y comenzó la era de la Microelectrónica: la
invención del circuito integrado. Antes de continuar, es necesario señalar algo sobre la naturaleza
de la electrónica digital:
Los elementos básicos del computador deben ofrecer almacenamiento, procesamiento y control de
funciones: para ello se requieren dos tipos fundamentales de componentes: puertas y celdas de
memoria. Una puerta es un dispositivo que implementa una función lógica simple. Se les llama
Puertas porque controlan el flujo en cierta manera, como lo hacen las puertas de un canal. La
Celda de memoria es un dispositivo que puede almacenar un dato. Interconectando muchos de
estos dispositivos fundamentales, es posible construir un computador, por tanto, este último consta
de puertas, celdas de memoria e interconexiones entre estos elementos.
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Los circuitos integrados utilizaron el hecho de que componentes como transistores, resistencias y
conductores podían ser fabricados a partir de un semiconductor como el silicio. La idea es simple:
en vez de ensamblar componentes discretos hechos a partir de trozos de silicio, se fabrica un
circuito entero en un pequeño trozo de silicio. De esta forma se pueden construir cientos e incluso
miles de transistores al mismo tiempo en una sola oblea de silicio.
Los pasos básicos para la construcción de un circuito integrado son los siguientes:
→ Se divide una fina oblea de silicio en una matriz de pequeñas áreas, cada una de unos pocos
milímetros cuadrados.
→ Se fabrica el mismo patrón de circuito en cada área, y la oblea se divide en chips. Cada chip
consiste en muchas puertas más una serie de puntos para conexiones de entrada y salida.
→ El chip es encapsulado en una carcasa que lo protege y proporciona patas para conectar en
dispositivos fuera del chip. Varios de estos dispositivos pueden ser interconectados en una
tarjeta de circuito impreso para producir circuitos complejos y mayores.
Parte II
La industria de la computación tiene un avance como ninguna otra. La fuerza impulsora primordial
es la capacidad de los fabricantes de chips para empacar cada vez más transistores en un chip. Un
mayor número de transistores implica memorias más grandes y procesadores más potentes.
La rapidez del progreso tecnológico puede modelarse de acuerdo con una observación llamada Ley
de Moore, descubierta por Gordon Moore en 1965. Moore se dio cuenta de que cada nueva
generación de chips se estaba introduciendo tres años después de la anterior. También se percato
de que cada generación tenía cuatro veces más memoria que su predecesora por lo que el número
de transmisores en un chip chips estaba aumentando de forma constante y predijo que este
crecimiento continuaría durante varias décadas. Hoy día, la ley de Moore suele expresarse como el
número de transistores que se duplica cada 18 meses. Cabe señalar que esto equivale a un
incremento del 60% en el número de transistores cada año.
Desde luego, la ley de Moore no es realmente una ley, sino una observación empírica acerca de la
rapidez con que se esta empujando las fronteras tecnológicas en cuanto al desarrollo del
computador, y una predicción de que seguirán haciéndolo al mismo ritmo en el futuro.
Algunas consecuencias de esta ley son las siguientes:
→ El precio de un chip ha permanecido prácticamente invariable a través de este periodo de
rápido crecimiento en densidad, dando pie a nuevos productos y aplicaciones más asequibles.
→ El desarrollo de nuevas aplicaciones da pie a nuevos mercados y nuevas compañías que
surgen para crearlos. Además, estas compañías crean una demanda económica de nuevas
tecnologías con las cuales superar a todas las demás.
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→ Hay una reducción de las necesidades de potencia y refrigeración de los componentes del
computador.
→ Las interconexiones de los circuitos integrados son más fiables que las conexiones soldadas.
→ Ya que los elementos de un chip están más próximos y mas densamente encapsulados, la
longitud de las interconexiones eléctricas ha disminuido, incrementando la velocidad operativa.
John Bardeen, Walter Brattain y William Schockley
John Von Neumann
1. ¿Es posible afirmar que en la actualidad existe una situación
similar a la que se produjo con los computadores UNIVAC I y
UNIVAC II en la que los programas de maquinas antiguas
funcionan con maquinas nuevas? Valor: 0,75 Puntos
2. ¿Cuales fueron los dos principales aspectos que permitieron la
creación del Circuito Integrado? Valor: 0,75 Puntos
3. ¿A partir de cuales componentes básicos es posible construir
un Circuito Integrado? Valor: 0,75 Puntos
4. En su opinión y basado en la lectura ¿la situación expresada
en la Ley de Moore es beneficiosa para los usuarios de
computadoras? Valor: 0,75 Puntos
Mauchly y Eckert
Fecha de Entrega: Domingo 19 / 10 / 2010
Máximo 2 personas por grupo
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