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SEMANA 02 - 1
Estructura de un Computador
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Evolución de las computadoras
La historia conocida de los artefactos que
calculan o computan, se remonta a muchos años
antes de Jesucristo. El Ábaco Usa cosas para
contar, ya sea los dedos, piedras, conchas,
semillas. El otro es colocar esos objetos en
posiciones determinadas. Sirve hasta el día
de hoy, para realizar complejos cálculos
aritméticos.
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Evolución de las computadoras
La Pascalina La primera máquina de calcular
mecánica, un precursor del ordenador digital, fue
inventada en 1642 por el matemático francés
Blaise Pascal. Utilizaba una serie de ruedas de
diez dientes que representaba un dígito del 0 al
9. Las ruedas estaban conectadas de tal manera
que podían sumarse números haciéndolas avanzar el
número de dientes correcto.
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Evolución de las computadoras
La máquina analítica Elaborada en el siglo
XIX el británico Charles Babbage.
Tenía las características de un ordenador
moderno. Incluía un flujo de entrada en forma de
paquete de tarjetas perforadas, una
memoria, un procesador y una impresora.
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Generación de las computadoras (ordenadores)
Primeros Ordenadores Los ordenadores analógicos
comenzaron a construirse a principios del
siglo XX. Los primeros modelos realizaban los
cálculos mediante ejes y engranajes
giratorios. Ordenadores electrónicos 1944
aparece la primera computadora, al modo
actual, que se pone en funcionamiento. El Dr.
Howard Aiken, la presenta con el nombre de Mark I.
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Generación de las computadoras (ordenadores)

• Primera Generación (1958)
• Sistemas constituidos por tubos de vacío,
  desprendían bastante
• calor y tenían una vida relativamente corta.
• Máquinas grandes y pesadas. Alto consumo de
  energía.
• Almacenamiento de la información en tambor
  magnético interior.

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Generación de las computadoras (ordenadores)

• Segunda Generación (1959-1964)
• Transistor como componente principal. Disminución
  del tamaño.
• Disminución del consumo de energía y de la
  producción del calor.
• Mayor rapidez (ms.)
• Instrumentos de almacenamiento cintas y discos.
• Mejoran los dispositivos de entrada y salida.
  Aumenta la
• confiabilidad.

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Generación de las computadoras (ordenadores)

• Tercera Generación (chips)(1964-1971)
• Circuito integrado. Menor consumo de energía.
• Reducción de espacio. Aumento de fiabilidad y
  flexibilidad.
• Mayor capacidad de almacenamiento. Rapidez en la
  respuesta.
• Generalización de lenguajes de programación de
  alto nivel.
• Compatibilidad para compartir software entre
  diversos equipos

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Generación de las computadoras (ordenadores)

• Cuarta Generación (1971-1982)
• Se minimizan los circuitos, aumenta la capacidad
  de
• almacenamiento.
• El microprocesador controla las funciones del
  ordenador.
• Memorias Electrónicas resultan más rápidas.
• Sistema de tratamiento de base de datos
• Reducen el tiempo de respuesta. Aparece el
  Multiproceso.
• Gran expansión del uso de las Computadoras.

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Generación de las computadoras (ordenadores)

• Generación posterior y la Inteligencia Artificial
  (1982-)
• Mayor velocidad y Mayor miniaturización de los
  elementos.
• Aumenta la capacidad de memoria.
• Lenguajes de programación PROGOL (Programming
  Logic) y LISP (List Processing).
• Máquinas activadas por la voz.
• Características de procesamiento similares a las
  secuencias de procesamiento Humano.
• Multiprocesador (Procesadores interconectados).

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Arquitectura de Computadoras
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Arquitectura de computadoras
La Arquitecturas de Computadores es parte de los
Sistemas Digitales y constituye el fundamento de
los llamados Sistemas de Computación. Los
computadores constituyen sin duda el área de
mayor dinamismo e innovación con un crecimiento
espectacular desde su introducción alrededor del
año 1940. Los computadores han cambiado la
sociedad y lo seguirán haciendo.
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Arquitectura de computadoras
Por que estudiar Arquitecturas? Conocer la
arquitectura de un sistema permite construir
Software de mayor desempeño. Ubicuidad de los
procesadores electrodomésticos, PDA (Asistente
digital personal u ordenador de bolsillo),
celulares etc... Desarrollo de sistemas
embebidos. Desarrollo de procesadores propios.
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Arquitectura de computadoras

• La arquitectura esta determinada por los
  atributos de un sistema que son visibles para un
  programador.
• Por ejemplo...
• Conjunto de instrucciones.
• Nº de Bits utilizados.
• Mecanismos E/S.
• Direccionamiento de memoria.
• etc..

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Evolución tecnológica
Los Procesadores han aumentado su velocidad a
tasas increíbles, debido principalmente a la
disminución del tamaño de sus componentes. Aument
o del tamaño y velocidad de las memorias y la
velocidad del sistema E/S. El desempeño relativo
por unidad de costo tiene un crecimiento
explosivo.
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Evolución tecnológica
Ley de Moore El desarrollo de las tecnologías
de fabricación permite que el numero de
transistores integrados en los microprocesadores
se duplique cada 18 meses.
17
Ley de Moore
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Organización
La organización tiene referencia a las unidades
funcionales y sus interconexiones. No tiene un
impacto para un programador, por lo que cambios
en ella son transparentes al momento de la
implementación. Sin embargo es necesario tenerla
en cuenta. Por ejemplo... Detalles de HW
internos. Señales de control Tecnología de
memoria utilizada.
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Arquitectura y Organización

• Aspectos que intervienen en la arquitectura de un
  sistema
• Tecnología.
• Aplicaciones.
• Sistemas Operativos.
• Lenguajes de Programación

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Procesadores

• Los procesadores sufren un incremento anual de su
  frecuencia cercano al 20 .
• La capacidad lógica de los procesadores tiene un
  incremento de un 30 anual.

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Memoria Ram

• Las memorias de acceso aleatorio (RAM) han ido
  aumentando en capacidad, llegando a un 60 por
  año.
• No así su velocidad de acceso la que solo alcanza
  un crecimiento de un 10 anual.

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Almacenamiento
Los discos duros tienen un crecimiento anual
cercano al 60 . La información que se genera en
todo el mundo aumenta a un ritmo de un 30 anual.
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Representación de la Información
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Introducción
En el mundo que vivimos estamos rodeados de
información, se dice la llamada Sociedad de la
información. Pero, Que es la información?
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Definición de Información
Datos Representación simbólica de un atributo o
característica. Un dato por si solo no dice
nada. Información Conjunto de datos procesados
que nos permiten realizar operaciones o tomar
decisiones.
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Información analógica e Información Digital
Comúnmente la información es procesada de 2
maneras analógica y digitalmente. Cual es la
diferencia entre información digital e
información analógica? La representación de la
información esta dada por señales. por lo que
existen señales analógicas y señales digitales.
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Información analógica e Información Digital
Una señal se puede considerar como una función en
el tiempo g(t). Una función g (t) continua en el
tiempo se dice que es una señal analógica. Por
su parte, una señal digital es una función
discreta (niveles).
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Información analógica e Información Digital

• Señales Analógicas
• Audio.
• Instrumentos con agujas.
• Señales Digitales
• TTL. (tecnología de construcción de circuitos
  electrónicos digitales)
• instrumentos con indicadores numéricos.
• En la naturaleza todo es analógico, ya que
  físicamente todo es continuo. Los computadores
  realizan sus operaciones sobre información
  digital.
• Es posible convertir la información analógica en
  información digital y viceversa (ADC y DAC).

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Información analógica e Información Digital
Es mejor la información digital? Se evitan
errores debidos a cambios físicos, como la
temperatura, humedad, etc. Se evitan los errores
acumulativos.
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Representación Numérica
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Representación Numérica
Existen diversas representaciones numéricas. Sin
duda, las mas fáciles y cómodas de utilizar para
fines matemáticos, son las que se representan
mediante bases numéricas. Las representaciones
numéricas que utilizan bases, son
posicionales. Es posible representar una misma
cantidad numérica, en diferentes bases.
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Números decimales
Forma general de expresar un numero en función de
su base k1k2k3 . . . km k1 B m-1 k2 B
m-2 kn-1 B1 km B0 donde B base
y ki la cifra i . Las cifras ki pueden ser
dígitos entre 0 y B - 1.
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Bases Numéricas
La base mas común y natural de utilizar es la
base 10, la que corresponde a los números
decimales. En esta base estamos acostumbrados a
realizar todas nuestras operaciones de
calculo. Por ejemplo... El numero 7523810
puede ser representado de la forma general, de la
siguiente forma 7 104 5 103 2 102 3
101 8 100.
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Números Binarios
En el mundo digital, se utilizan generalmente
representaciones que tienen solo 2 estados
discretos (0 o 1, on u off, etc...). Para ello
se utilizan los números binarios 0,1 cuya base
es 2. Por ejemplo... Si se tiene 10011102
corresponde a 1 26 0 25 0 24 1 23
1 22 1 21 0 20 781
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Bases Numéricas
En la computación son muy útiles además las bases
octal(8) y hexadecimal(16). La utilidad de estas
bases, se debe a que pueden representar
información binaria de manera compacta (8 y 16
bits).
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Conversión de Bases Numéricas
Para la conversión desde la base decimal, a otra
base, se realizan divisiones sucesivas de los
cocientes, por la base a la cual se transformara.
Rescatando en cada paso los restos de las
divisiones.
Por ejemplo... Convertir 23410 a la base
octal. 234 8 29 2 3 5 ?23410 3528 0 3
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Conversión de Bases Numéricas
Esta idea se puede extender además para números
fraccionarios. En este caso es necesario tratar
la parte entera y la parte decimal, por separado.

• Por ejemplo...
• Convertir 23,437510 a la base binaria.
• 23 2 0,4375 2
• 11 1 0,875 2
• 5 1 1,750 2
  ?23,437510 10111,01112
• 1 1,500 2
• 0 1,000 2
• 0 1

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Conversión de Bases Numéricas
Para realizar una conversión desde cualquier base
a la base decimal, es necesario aplicar la
formula general propuesta anteriormente
Por ejemplo... Convertir 724,348 a la base
decimal.
7 82 2 81 4 80 3 8-1 4 8-2
468,4375
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Aritmética de los computadores
Los computadores tienen como unidad de
almacenamiento, solo la capacidad de distinguir
entre 2 estados (on u off, 0 o 1, etc..). Los
computadores pueden realizar operaciones
aritméticas, por lo que requieren de algún
dispositivo de HW para almacenar los números que
se estén operando. Estos dispositivos se
denominan registros. los registros tienen un
ancho en bits, definido por la arquitectura.
Actualmente los procesadores utilizan registros
de 32 o 64 bits.
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El registro
Un registro se representa por un conjunto de bits
(generalmente 8, 16, 32 o 64). un ejemplo de un
registro de 16 bits esta dado por 1 1 0 0 1 0 1
1 0 0 0 1 1 0 1 1 Por convención, los grupos
de 8 bits (b) se denominan bytes (B).
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El registro
Podemos darnos cuenta, que si un numero debe
ser almacenado en un registro, entonces el tamaño
máximo de este numero esta limitado por el ancho
del registro. Con solo 16 bits el numero mas
grande representable por un registro es 216 - 1
65535. Sin embargo, Cuando hemos utilizado
nuestros computadores normales (de 32 bits),
hemos podido trabajar con números mayores a 232 -
1?
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Aritmética de los computadores
Sin duda, al hablar de operaciones aritméticas se
requiere además que el computador sea capaz de
trabajar con números negativos y con números
decimales. Como se representa un numero
negativo en un registro? Existen diferentes
formas de representar un numero negativo, pero
por convención el bit mas significativo del
registro representa el signo. Numero
positivo. 0100101100011011 Numero
negativo. 1100101100011011
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Números negativos

• Hay 3 formas de representar números negativos
• Signo y Magnitud (S-M).
• Complemento 1 (C-1).
• Complemento 2 (C-2).
• En estas 3 representaciones, los números
  positivos quedan de la misma forma.

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Signo y Magnitud
La idea de esta representación, es reservar el
bit mas significativo del registro, para el signo
y en el resto de los bits se almacena la
magnitud. En un registro de 16 bits, solo se
utilizan 15 bits para la magnitud, es decir, el
rango representable en 16 bits es -32767 a 32767.
Ejemplo para representar el numero -1310 en un
registro de 6 bits.

1 0 1 1 0 1
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Complemento 1
La idea de esta representación es básicamente
tomar un numero positivo y luego complementar
cada bit del registro para transformarlo en
negativo. este mecanismo es bastante sencillo y
rápido de realizar.
Ejemplo para representar el numero -1310 en un
registro de 6 bits.

Primero se considera 1310
0 0 1 1 0 1
Luego se complementa cada bit
1 1 0 0 1 0
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Complemento 2
Calcular primero el C-1 y luego sumar 1. De esta
forma, su calculo es bastante rápido y sencillo,
por lo que es muy fácil de implementar por
Hardware.
Ejemplo para representar el numero -1310 en un
registro de 6 bits.
0 0 1 1 0 1
13
1 1 0 0 1 0
13 en C-1
0 0 0 0 0 1
Se suma 1
1 1 0 0 1 1
-1310 en C-2
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Códigos
Por código se entiende una relacion capaz de
llevar un conjunto de símbolos de un espacio
(dominio), a otro espacio diferente (codominio).
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Código BCD
Por ejemplo para representar el numero 57310 se
puede convertir a binario, resultando 57310
10001111012 Esta conversión resulta un poco
larga, si pensamos que se debe realizar por cada
numero que queremos representar. Además, se debe
tener conocimiento completo del numero, para
poder realizar la conversión
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Código BCD
El código BCD establece una relacion que permite
convertir rápida y fácilmente los números
decimales en binarios.
Decimal BCD 5 0101 6
0110 7 0111 8 1000 9
1001
Decimal BCD 0 0000 1
0001 2 0010 3 0011 4
0100
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Código BCD
Convertir 438510 a un numero en BCD
4 3 8 5
0100 0011 1000 0101
4385 --gt 0100 0011 1000 0101
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Código BCD
Existen otros códigos, como por ejemplo el
EBCDIC. Por ejemplo el código ASCII (American
Standard Code of Information).
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Código Gray
El código Gray tiene propiedades muy
particulares, porque es altamente
utilizado. Esta definido de la siguiente
forma El código Gray de 1 bit, esta dado por
0, 1. El código se puede construir para k 1
bits, dado el código de k bits. Para ello se
hace una lista con el código Gray conocido y se
le anteponen 0s. Luego se sigue la lista con el
código en orden inverso, y antepuesto por 1s.
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Código Gray
Construcción del Código Gray
0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1
0 1 1 0 0
0 0 0 1 1 1 1 0
0 1
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Código Gray Ejemplo de un código Gray de 3
dígitos
i G(i) 0 0 0 0 1 0 0 1 2 0 1 1 3
0 1 0 4 1 1 0 5 1 1 1 6 1 0 1 7
1 0 0