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Historia de las Computadoras. Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras2 El hombre contra la máquina El 12/11/1945, se organizó una competencia.

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1 Historia de las Computadoras

2 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras2 El hombre contra la máquina El 12/11/1945, se organizó una competencia entre el soroban (ábaco japonés) y la calculadora electrónica. El operador de soroban fue Kiyoshi Matsuzaki, conocido como El manos por su habilidad manual, tenía 22 años y era empleado del Ministerio de Comunicaciones de Japón. El operador de la calculadora fue Thomas Ian Wood, también de 22 años, era soldado de las fuerzas de ocupación de USA en Japón. Matsuzaki tenía 7 años de experiencia en soroban y Wood 4 años de experiencia en manejo de calculadoras. El soroban costaba unos 25 centavos de dólar y la calculadora alrededor de 700 dólares. A los dos les fueron dadas 5 tareas con las 4 operaciones básicas.

3 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras3 K. Matsuzaki vs. Thomas I. Wood ábaco vs. calculadora electrónica PROBLEMAS P1: Suma: 50 números cada uno conteniendo de 3 a 6 dígitos. P2: Resta: 5 problemas con minuendos y sustraendos de 6 a 8 dígitos cada uno. P3: Multiplicación: 5 problemas cada uno conteniendo de 5 a 12 dígitos en el multiplicador y el multiplicando. P4: División: 5 problemas cada uno conteniendo de 5 a 12 dígitos en el divisor y el dividendo. P5: Composición: 1 problema de suma de 30 números de 6 dígitos; 3 problemas de resta, cada uno con dos números de 6 dígitos; 8 problemas de multiplicación cada uno conteniendo un total de 5 a 12 dígitos; 3 problemas de división, cada uno conteniendo un total de 5 a 12 dígitos.

4 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras4 ¿Quién ganó? El resultado final fue de 4:1 para el ábaco. Matsuzaki fue el vencedor en suma, resta, división y mezcla de operaciones; solo fue derrotado en multiplicación. El desarrollo posterior de las calculadoras no debe cambiar ese resultado, pues la velocidad de cálculo es determinada por la habilidad humana en apretar el teclado y no por la velocidad de cálculo.

5 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras5 ¿Porqué ganó el ábaco? Matsuzaki hacía las operaciones fáciles en su cabeza y usaba el ábaco para el resto. Wood, como la mayoría de los operadores, solo se dedicaba a apretar teclas.

6 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras A.C. El ábaco fue inventado en Babilonia

7 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras7 Los indios (de la India) inventaron el cero escrito, permitiéndoles efectuar la aritmética decimal en papel. Aquí comienza la llamada era de papel y lápiz. Las matemáticas indias fueron difundidas por los árabes, al Occidente. En 830, un persa, Mohammed Al-Khwarismi, escribió un libro sobre álgebra. La palabra algoritmo se deriva de su apellido.

8 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras8 John Napier ( ) inventó la "Tabla de Napier", que era similar a una tabla de multiplicaciones. La tabla reducía multiplicaciones y divisiones a sumas y restas. Usando ese principio, en 1620 fueron creadas las reglas de cálculo, usadas hasta 1970, antes de las calculadoras de bolsillo. Regla de cálculo

9 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras9 Máquinas de calcular El alemán Wilhelm Schickard ( ) construyó una máquina de calcular en 1623 y la llamó Speeding Clock. La máquina original fue destruida en un incendio y los planos se perdieron en el siglo 19. En 1960 se construyó una réplica funcional.Wilhelm Schickard El francés Blaise Pascal ( ) diseño y construyó la segunda máquina de calcular en La máquina, conocida como la Pascalina era capaz de sumar y restar.Blaise Pascal Pascalina (calculadora de Pascal) Pascal

10 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras10 El filósofo y matemático alemán Gottfried Wilhelm Leibniz ( ) inventó en 1672 una calculadora mecánica, la Stepped Reckoner. La calculadora fue completada en 1694 y era capaz de sumar, restar, multiplicar y dividir. Solo queda un prototipo original de 16 dígitos en un museo de Hannover, Alemania.Gottfried Wilhelm Leibniz

11 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras11 Pero… Ninguno de esos 3 diseños fue viable debido a la complejidad de los mecanismos.

12 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras12 Isaac Newton ( ) con su Teoría Gravitacional coronó la era de papel e lápiz. Su teoría despertó grandes desafíos matemáticos, entre ellos el Problema de los Tres Cuerpos - el Sol, la Tierra y la Luna, cuya solución es difícil y tediosa. Con el tiempo, un gran número de científicos comenzó a pensar en hacer estos cálculos a través de alguna máquina...

13 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras13 En 1801, en Francia, durante la Revolución Industrial, Joseph Marie Jacquard, mecánico francés ( ), inventó un telar mecánico controlado por tarjetas perforadas, capaz de producir tejidos con diseños bonitos e intrincados. En siete años, ya había 11 mil telares de ese tipo operando en Francia.

14 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras14 tarjeta perforada

15 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras Charles Babbage inició el proyecto de construcción de una Máquina de Diferencias (Difference Engine) Babbage y Joseph Clement construyeron una porción de dicha máquina. El matemático inglés Charles Babbage ( ) es conocido como el "Padre de la Computadora".Charles Babbage

16 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras16 Babbage proyectó la llamada "Calculadora Analítica", parecida a la idea de un computadora actual. El proyecto, totalmente mecánico, estaba compuesto de una memoria, un dispositivo central, engranajes y palancas para la transferencia de datos de la memoria hacia el dispositivo central y dispositivos para entrada e salida de datos. La calculadora utilizaría tarjetas perforadas y sería automática. Por algún tiempo, el gobierno británico financió a Babbage para construir a su invento. Pero nunca fue construida por problemas financieros, políticos y legales Babbage cambia su meta para el proyecto de la Máquina Analítica (Analytical Engine).

17 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras17 Ada inventó algunos conceptos: a)subrutina: una secuencia de instrucciones que puede ser usada varias veces en diferentes contextos; b) ciclos, de modo que la secuencia pueda tener su ejecución repetida; y c) salto condicional: la lectora de tarjetas saltaría para otra tarjeta si alguna condición fuese satisfecha. Ada Augusta ( ), Lady Lovelace, hija del poeta Lord Byron, se considera la primera programadora al escribir series de instrucciones para la máquina analítica de Babbage.

18 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras18 El matemático inglés George Boole ( ) publicó en 1854 los principios de la lógica booleana, donde las variables toman solo valores 0 e 1 (verdadero y falso).George Boole La dificultad de implementar un dígito decimal (un número entero entre 0 e 9) en componentes eléctricos determinó el uso de la base 2 en las computadoras. La lógica booleana fue usada en la implementación de los circuitos eléctricos internos a partir del siglo 20.

19 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras19 Cerca de 1890, Herman Hollerith ( ), fue responsable de un gran cambio en la manera de procesar los datos de los censos.Herman Hollerith Los datos del censo de 1880, manualmente procesados, llevaron 7 años y medio para ser compilados. Los del censo de 1890 fueron procesados en 2 años y medio con la ayuda de una máquina de perforar tarjetas y máquinas de tabular y ordenar, creadas por Hollerith y su equipo. Mas tarde, Hollerith fundó una compañía para producir máquinas de tabulación llamada Tabulating Machine Company, una de las antecesoras de IBM.

20 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras20 La primera computadora electromecánica, llamada Z-1, usaba relays y fue construida por el alemán Konrad Zuse ( ) en Konrad Zuse Zuze intentó venderle sin éxito al gobierno alemán computadoras para uso militar. Computadoras electromecánicas

21 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras21 Relays electromecánicos

22 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras22 Z-1

23 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras23 La marina de USA, en conjunto con la Universidad de Harvard e IBM, construyó en 1944 la Mark I. En cierto sentido, Mark I era la realización del proyecto de Babbage. Mark I ocupaba 120 m 3, tenía miles de relays y hacía un ruido infernal. Una multiplicación de números de 10 dígitos llevaba 3 segundos para ser efectuada.

24 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras24 Computadora electrónica En secreto, el ejército de USA también desarrollaba su computadora. Esta usaba solo bulbos e tenía como objetivo calcular las trayectorias de misiles con mas precisión. Válvula electrónica (bulbo)

25 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras25 Válvula electrónica (bulbo)

26 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras26 Los ingenieros John Presper Eckert ( ) y John Mauchly ( ) diseñaron la ENIAC: Electronic Numeric Integrator And Calculator, con bulbos.John Presper EckertJohn Mauchly La ENIAC hacía 500 multiplicaciones por segundo. La ENIAC fue presentada en la Universidad de Pennsylvania el 14 de febrero de 1946 y se inicia la era de la computación moderna.

27 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras27 Von Neumann El matemático húngaro John von Neumann ( ) formalizó el proyecto lógico de una computadora.John von Neumann von Neumann sugirió que las instrucciones fuesen almacenadas en la memória de la computadora (stored program concept). Hasta entonces, las instrucciones era leídas de tarjetas perforadas y ejecutadas una a una. Almacenadas en la memoria, para entonces ejecutarlas, tornaría la computadora mas rápida, yá que, al momento de ejecución, las instrucciones serían obtenidas con rapidez electrónica. La mayoría de las computadoras de hoy en día siguen el modelo propuesto por von Neumann.

28 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras28 Generación de computadoras Las tres primeras generaciones de computadoras reflejan principalmente la evolución de los componentes básicos de la computadora (hardware): –La primera generación ( ) usaban bulbos, kilómetros de cables, eran lentas, enormes y se calentaban mucho. –En la segunda generación ( ) se cambiaron los bulbos por transistores y los cables por circuitos impresos. Eso volvió las computadoras mas rápidas, menores y de costo mas bajo. –En la tercera generación ( ) fueron usados los circuitos integrados, proporcionando mayor compactación, reducción de costos e incremento en la velocidad de procesamiento. Tiene inicio la utilización de avanzados sistemas operativos. –Las generaciones posteriores, de 1970 hasta hoy, se caracterizan por el perfeccionamiento tecnológico, un mayor grado de miniaturización, densidad de componentes, confiabilidad y velocidad mayor.

29 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras29 Evolución de la Microelectrónica (1925) Lilienfeld: principios de los transistores de efecto de campo (1947) Bardeen e Brattain: inventaron el transistor de unión bipolar (BJT - bipolar junction transistor) (1948) Shockley: teoría del BJT (1958) Kilby (Texas Instr.): desarrollo del primer circuito integrado (1959) Atalla e Kahng: producen el primer transistor MOS (1970) Intel: DRAM de 1-Kbit (3 transistores/bit PMOS) (1971) Intel: microprocesador 4004 (2300 transistores NMOS) Final de los años 1970: primeros circuitos CMOS

30 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras30 Usando semiconductores, los transistores pudieron sustituir a los bulbos, siendo menores, mas rápidos y mas duraderos, además de que no se calientan tanto ni consumen tanta energía. El 23 de diciembre de 1947, en los Bell Labs, John Bardeen, Walter Brattain, e William Shockley, desarrollaron el primer transistor; Invención del transistor Diversos encapsulamientos de transistores

31 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras31 Desarrollo de los primeros circuitos integrados En los años 60s, bajo la influencia del programa espacial de USA, el desarrollo de la microelectrónica llevó a la construcción de circuitos transistorizados integrados en una única pastilla de silicio (chip) de dimensiones reducidas. Decenas de millares de transistores son integrados en un chip de algunos milímetros cuadrados, dando origen a los circuitos integrados – El equipo de Ted Hoff, S. Mazor y F.Fagin desarrolló el microprocesador 4004 de Intel, la primera computadora en un chip transistores Microprocessador 4004

32 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras32 Microprocesadores de la década de 1970 Microproces adores Año Reloj 108KHz 2MHz5-10MHz5-8MHz Bus 4 bits8 bits 16 bits8 bits Número de transistores 2,3003,5006,00029,000 Tecnología 10 micrones6 micrones3 micrones Direccionami ento de memoria 640 bytes16 Kilobytes64 Kilobytes1 Megabyte Memoria Virtual -----

33 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras (primero microprocesador de 8 bits) año transistores 10 micrones

34 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras (microprocesador de 8 bits) transistores 6 micrones

35 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras – microprocesador de 16 bits (1978) transistores 3 micrones

36 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras36 Procesadores de la década de 1980 Microprocesador es/ Características DX80386SX80486DX Año Reloj MHz16-33 MHz MHz Bus16 bits32 bits16 bits32 bits Número de transistores 134,000275,000 1,200,000 Tecnología1.5 micrones 1 micrón micrón Direccionamiento de memoria 16 Megabytes 4 Gigabytes Memoria Virtual1 Gigabyte64 Terabytes Caché---8 Kilobytes

37 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras (1982) 134,000 transistores 1.5 micrones

38 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras (1985) 275,000 transistores 1 micrón

39 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras DX (1989) 1,200,000 transistores 0.8 – 1 micrón

40 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras40 Procesadores de la década de 1990 Micropro- cesadores 80486SXPentiumPentium ProPentium IIPentium III Año Reloj MHz MHz MHz MHz MHz Bus 32 bits 64 bits Número de transistores 1,185,0003,100,0005,500,0007,500,0009,500,000 Tecnología 1 micrón0,8 micrón0.6 micrón-- Direccionam iento de memoria 4 Gigabytes 64 Gigabytes Memoria Virtual 64 Gigabytes64 Terabytes Caché 8KbytesInstrucción 8K Dato - 8K Instrucción 8K Dato – 8 K L2 – 256 K Instrucción 16K Dato- 16 K L2 – 512 K Instrucción 16K Dato–16 K L2 – 512 K Nota: L2 caché de segundo nivel

41 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras41 Pentium (1993) 3,100,000 transistores 0.8 micrón

42 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras42 Pentium II (1995) 7,500,000 transistores 0.6 micrón

43 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras43 Pentium III (1999) 21,000,000 transistores 0.18 micrón

44 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras micrón 35,000,000 transistores

45 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras45

46 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras46 Ley de Moore La densidad de transistores a la cual el costo por transistor es mínimo, se duplica cada dos años Gordon Earle Moore, 1975

47 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras47 Ley de Moore (aplicada a partir de 1900)

48 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras48

49 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras49 Cada 2 años se dobla la cantidad de transistores en las CPUs (Ley de Moore)

50 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras50

51 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras51

52 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras52

53 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras53

54 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras54

55 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras55

56 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras56 Evolución del costo de memoria

57 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras57 Capacidad de Memoria (DRAM de chip único) ano tamaño tiempo K250 ns K 220 ns 19861M190 ns 19894M165 ns M145 ns M120 ns M100 ns

58 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras58 Tendencias Tecnológicas (Resumen) Capacidad Velocidad (latencia) Lógica2x en 3 años2x en 3 años DRAM4x en 3 años2x en 10 años Disco4x en 3 años2x en 10 años

59 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras59

60 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras60 Interconexiones dentro de un chip

61 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras61

62 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras62

63 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras63

64 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras64 SOC (System on Chip)

65 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras65 System on Chip

66 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras66 System on Chip Aplicaciones dedicadas y empotradas, donde el costo, desempeño y consumo de energía son críticos. Uso intensivo de procesamiento de señales digitales – DSP. Mezcla de diversos componentes. Combinación de módulos programables y dedicados. Software tiene un papel fundamental.

67 Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras67 Conclusiones Tendencia hacia el sistema en el chip. Tendencia hacia sistemas empotrados. Demanda creciente de memoria y velocidad de procesamiento.


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