Monografia organización y arquitectura de computadoras

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UNIVERSIDAD AUTNOMA DE BAJA CALIFORNIA SUR

rea de Conocimientos de Ciencias del Mar Departamento Acadmico de Sistemas Computacionales

Monografa. Organizacin y Arquitectura de Computadoras: Un Enfoque Evolutivo.

Javier Aguilar Parra

Junio 2014

Universidad Autnoma de Baja California Sur Consejo Acadmico del rea de Conocimientos de Ciencias del Mar Aprobada en el Acta No. 08/2014.

Departamento Acadmico de Sistemas Computacionales


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Prologo. El presente trabajo, muestra un enfoque evolutivo de los equipos de computo basadas en

la arquitectura de Von Neumann, hoy en da los equipos de computo son llamadas por la

mayora de los usuarios Computadoras Personales (PC), por su siglas en ingls Personal

Computer, estas estn presente en la vida cotidiana de miles de personas en el planeta,

las computadoras personales ayudan a las usuarios a desarrollar actividades en el hogar,

en el trabajo, en la escuela y en actividades de recreacin y esparcimiento, por lo que se

han convertido en una herramienta de uso cotidiano y esto a permitido que la gente le

haya perdido el miedo a trabajar con ellas, sin embargo, no todos los usuarios conocen

los componentes que las computadoras albergan en su interior. Por lo que este trabajo

tiene la intencionalidad de dar a conocer como han ido evolucionado las arquitectura de

las computadoras a lo largo del tiempo, as como su funcionamiento y organizacin..

Esta obra es ideal para usuarios principiantes y de gran utilidad para estudiosos del rea

de sistemas computacionales ya que encontrar a lo largo de los captulos la informacin

pertinente que le explique ampliamente pero de manera sencilla la evolucionado y

funcionamiento de los diversos componentes de las arquitectura de las computadoras.

Slo si conocemos bien lo organizacin y la arquitectura de nuestro equipo de computo

personal podremos explotarlo eficiente en nuestro benfico, por lo que esta obra permitir

a todos los lectores obtener los conocimientos necesario para entender el funcionamiento

y las propiedades de cada dispositivo de los equipos de computo bajo un enfoque

evolutivo.

Universidad Autnoma de Baja California Sur

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ndice

Captulo 1 Conceptos de organizacin y arquitectura de computadoras. Introduccin ...................................................................................................... 10 1.1. Definicin de organizacin y arquitectura ................................................. 10 1.2. La arquitectura bsica de una computadora. ........................................... 12 1.3. Estructura y Funcin ................................................................................ 15

1.3.1. Funcin .......................................................................................... 16 1.3.2. Estructura ...................................................................................... 19

1.4. Estructuras de interconexin para la computadora .................................. 23 1.4.1. Memoria interna y externa ............................................................. 23 1.4.2. Entrada-Salida. ............................................................................... 23 1.4.3. Estructura y funcin de la CPU ....................................................... 24 1.4.4. Operacin de la unidad de control .................................................. 24

Captulo 2 Breve historia del desarrollo de computadoras.

2.1. Antecedentes histricos de la computacin .......................................... 25 2.1.1. La pascalina ................................................................................ 25 2.1.2. La mquina analtica .................................................................... 25 2.1.3. La mquina de Hollerith ............................................................... 26 2.1.4. La Mark I ...................................................................................... 26 2.1.5. La ENIAC ..................................................................................... 26 2.1.6. La EDVAC ................................................................................... 27 2.1.7. La UNIVAC .................................................................................. 28

2.2. Generaciones de las Computadoras ..................................................... 28 2.2.1. Primera Generacin (1951-1958) ................................................ 28 2.2.2. Segunda Generacin (1958-1964) .............................................. 29 2.2.3. Tercera Generacin (1964-1971) ................................................ 30 2.2.4. Cuarta Generacin (1971-1988) .................................................. 31 2.2.5. Quinta Generacin (1983 al presente) ......................................... 32 2.2.6. Sexta Generacin (presente) ....................................................... 32

2.3. Computadoras Contemporneas .......................................................... 34 2.3.1. Microcomputadora ....................................................................... 36 2.3.2. Microcomputadora ....................................................................... 38 2.3.3. Minicomputadora ......................................................................... 39 2.3.4. Mainframe .................................................................................... 41 2.3.5. Supercomputadora

Captulo 3 Arquitectura de tarjetas madres.

3.1 Conceptos bsicos ................................................................................. 43 3.1.1 MYCRO 1 .................................................................................... 43 3.1.2 KIM 1 ........................................................................................... 44 3.1.3 Placa base XT ............................................................................. 45 3.1.4 Placa base AT ............................................................................. 46 3.1.5 Placa base (ATX) ......................................................................... 47 3.1.6 Factor de forma de las tarjetas madres ....................................... 48



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3.2 El Socket .................................................................................................. 48 3.2.1 PGA (Pin Grid Array) ................................................................... 53 3.2.2 LGA (Land Grid Array) ................................................................. 53 3.2.3 Socket 7 ....................................................................................... 53 3.2.4 Socket 370 FC-PGA/FC-PGA2 .................................................... 53 3.2.5 Socket N ...................................................................................... 53 3.2.6 Socket 604 ................................................................................... 53 3.2.7 Slots 1 .......................................................................................... 54 3.2.8 Socket T ...................................................................................... 54 3.2.9 Socket J ....................................................................................... 55 3.2.10 Socket 1.156/LGA ........................................................................ 55 3.2.11 Socket B ...................................................................................... 55 3.2.12 Socket A/Socket 462 OPGA ........................................................ 55 3.2.13 Socket 754 ................................................................................... 56 3.2.14 Socket 940 ................................................................................... 56 3.2.15 Socket 939 ................................................................................... 56 3.2.16 Socket AM2 ................................................................................. 56 3.2.17 Socket AM2+ ............................................................................... 56 3.2.18 Socket AM3 ................................................................................. 56 3.2.19 Resume los socket ms comerciales desde 1970 ....................... 57

3.3 Chipset ..................................................................................................... 57 3.3.1 Chipsets de Intel para Pentium ("Tritones") ................................. 57 3.3.2 Chipsets de VIA para Pentium ("Apollos") ................................... 62 3.3.3 Chipsets de SiS, ALI, VLSI y ETEQ para Pentium ...................... 62 3.3.4 Puentes northbridge y southbridge .............................................. 63

3.4 Tipo De Bus ........................................................................................... 64 3.4.1 Bus del procesador ...................................................................... 64 3.4.2 Bus de memoria ........................................................................... 64 3.4.3 Bus de direcciones ...................................................................... 64 3.4.4 Bus de entrada/salida o ranuras de expansin ............................ 64

3.4.4.1. Bus industry standard architecture (ISA) ......................... 65 3.4.4.2. PCI (Peripheral Component Interconnect). ..................... 66 3.4.4.3. AGP (Accelerated Graphics Port) ................................... 67 3.4.4.4. PCI-Express .................................................................... 68

Captulo 4 Memoria RAM.

4.1. Conceptos bsicos ................................................................................. 69 4.2. Caractersticas de la memoria principal (RAM) ...................................... 69 4.3. Evolucin de la memoria RAM ............................................................... 69

4.3.1. Memoria de ncleo magntico o memoria de toros ..................... 69 4.3.2. Memoria DRAM (Dynamic Random Access Memory) ................. 69 4.3.3. Memorias DIP (Dual in-line package) .......................................... 75 4.3.4. Memoria SIPP (Single In-line Pin Package). ............................... 76 4.3.5. SIMM (Single In-line Memory Module). ........................................ 77 4.3.6. SIMM de 30 Pins. ........................................................................ 76 4.3.7. SIMM de 72 pins .......................................................................... 80 4.3.8. DIMM (Dual In-Line Memory Module) .......................................... 81

4.4. Evolucin de la memoria por su tipo de acceso. ................................... 82 4.4.1. Tipos de memoria DRAM ............................................................ 82 4.4.2. Tipos de memoria SRAM ............................................................. 95


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Captulo 5 Disco Duro

5.1. Conceptos bsicos ................................................................................ 98 5.2. Estructura Fsica del Disco Duro ........................................................... 98 5.3. Factor de forma ..................................................................................... 103 5.4. Evolucin de los discos duros ............................................................... 105

5.4.1. RAMAC ........................................................................................ 105 5.4.2. El modelo 1301 ............................................................................ 107 5.4.3. El modelo 2310 ............................................................................ 109 5.4.4. El 2314 de IBM ............................................................................ 109 5.4.5. Winchester 3340 .......................................................................... 111 5.4.6. Seagate ....................................................................................... 113 5.4.7. MFM ............................................................................................ 114 5.4.8. Discos dures para IBM PC/XT ..................................................... 115 5.4.9. CMI .............................................................................................. 116 5.4.10. Discos duros de 3.5 y 2.5 pulgadas ........................................... 116 5.4.11. Discos duros de 40 MB.............................................................. 117 5.4.12. Discos duros llegan a las GB de capacidad .............................. 117 5.4.13. Discos duros de estado slido ................................................... 119 5.4.14. Discos duros con almacenamiento en TB ................................. 120

Captulo 6 Tarjeta de video.

6.1. Tarjetas Grficas ................................................................................... 122 6.1.1. Componentes de una tarjeta grafica ............................................ 123

6.2. Evolucin de la tarjeta grafica ............................................................... 128 6.2.1. Primera etapa .............................................................................. 129

6.2.1.1. Tarjetas grficas MDA ......................................................... 129 6.2.1.2. Tarjetas grficas Hercules (HGA)........................................ 131 6.2.1.3. Tarjetas grficas CGA ......................................................... 132 6.2.1.4. Tarjetas grficas EGA ......................................................... 134

6.2.2. Etapa VGA ................................................................................... 135 6.2.2.1. Tarjetas grficas MCGA ...................................................... 136 6.2.2.2. Tarjetas graficas VGA ......................................................... 136 6.2.2.3. Tarjetas graficas SVGA ....................................................... 139

6.2.3. Etapa 3D ...................................................................................... 141 6.2.3.1. Primeras 3D ........................................................................ 142 6.2.3.2. Generacin 2D/3D ............................................................... 143 6.2.3.3. Tarjetas grficas de ltima generacin ................................ 145

Captulo 7 Dispositivos de interconexin.

7.1. Modem .................................................................................................. 148 7.1.1. Como funciona .......................................................................... 148 7.1.2. Tipos de mdems ...................................................................... 149 7.1.3. Mdems telefnicos ................................................................... 150 7.1.4. Tipos de modulacin ................................................................. 151 7.1.5. Perfiles de Funcionamiento ....................................................... 151 7.1.6. Pasos para establecer una comunicacin ................................. 152 7.1.7. Protocolos de comprobacin de errores .................................... 154



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7.1.8. Protocolos de transferencia de archivos. ................................... 155 7.2. Tarjeta de Red ...................................................................................... 157

7.2.1. Conceptos bsicos .................................................................... 158 7.2.2. Tipos de tarjetas de red ............................................................. 158

Captulo 8 Tarjeta de sonido.

8.1. Conexiones ........................................................................................... 160 8.2. Muestreo de sonido............................................................................... 161 8.3. Frecuencia de muestreo ....................................................................... 162 8.4. Canales de sonido y polifona ............................................................... 163 8.5. Historia de las tarjetas de sonido .......................................................... 164

Captulo 9 Dispositivos de almacenamiento secundario.

9.1. CD-ROM ............................................................................................... 165 9.1.1. Breve historia ............................................................................. 165 9.1.2. Detalles fsicos .......................................................................... 166 9.1.3. Capacidades de disco ............................................................... 167 9.1.4. Estndares de los discos compactos ........................................ 168 9.1.5. Almacenamiento/Recuperacin de la informacin ..................... 169 9.1.6. Almacenamiento de la informacin ............................................ 170 9.1.7. Recuperacin de la informacin ................................................ 170 9.1.8. Tiempos de acceso y tasas de transferencia ............................. 170 9.1.9. Almacenamiento y limpieza de los discos compactos ............... 171 9.1.10. Sistemas de archivos de CD ..................................................... 172 9.1.11. Tipos de CD ............................................................................... 174 9.1.12. Grabado Multisesin .................................................................. 176 9.1.13. Diferencias entre CD-R multisesin y CD-R .............................. 177

9.2. El DVD .................................................................................................. 178 9.2.1. Breve historia ............................................................................. 178 9.2.2. Informacin tcnica ................................................................... 179 9.2.3. Tipos De DVD ............................................................................ 180 9.2.4. Velocidad ................................................................................... 182 9.2.5. Partes y dimensiones ................................................................ 183 9.2.6. Grabacin de doble capa ........................................................... 184 9.2.7. Conservacin de los dispositivos pticos .................................. 184 9.2.8. DVD-Video ................................................................................. 185 9.2.9. Cdigos de regin ..................................................................... 189

9.3. Memoria Flash ...................................................................................... 190 9.3.1. Caractersticas generales .......................................................... 191 9.3.2. Funcionamiento ......................................................................... 193 9.3.3. Memoria flash de tipo NOR ....................................................... 193 9.3.4. Memorias flash de tipo NAND ................................................... 194 9.3.5. Comparacin de memorias flash basadas en NOR y NAND ..... 195 9.3.6. Sistemas de archivos para memorias flash ............................... 196 9.3.7. Clasificacin de la memoria flash .............................................. 197 9.3.8. Historia de la memoria flash ...................................................... 198 9.3.9. Futuro ........................................................................................ 199


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Glosario. .......... ......................................................................................................... 202 Referencias. ..... ......................................................................................................... 217



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ndice de figuras.

Captulo 1 Figura 1.1: Partes bsicas de la arquitectura Von Neumann. .................................................... 14 Figura 1.2: Una vista funcional de la computadora .................................................................... 17 Figura 1.3: Posibles operaciones de la computadora. ............................................................... 19 Figura 1.4: La computadora. ...................................................................................................... 20 Figura 1.5: La computadora, estructura de nivel superior .......................................................... 20 Figura 1.6: La Unidad Procesamiento Centra (CPU) ................................................................. 21 Figura 1.7: La Unidad de control ................................................................................................ 22

Captulo 2 Figura 2.1: Las tendencias en el crecimiento del desempeo por clase de computadoras ... 34 Figura 2.1: Tabla que compara las caractersticas de algunas computadoras contemporaneas. ......... 41

Captulo 3 Figura 3.1: MYCRO 1. ................................................................................................................ 44 Figura 3.1: KIM 1. ....................................................................................................................... 44 Figura 3.3: Placa base XT. ......................................................................................................... 45 Figura 3.4: Placa base AT. ......................................................................................................... 47 Figura 3.5: Placa base (ATX). .................................................................................................... 48 Figura 3.6: Factor de forma de las tarjetas madres. .................................................................. 50 Figura 3.7: Socket 7 con el micro fuera de las ranuras. ............................................................. 54 Figura 3.8: Slots 1 visto en la tarjeta madre. .............................................................................. 54 Figura 3.9: Socket 755................................................................................................................ 55 Figura 3.10: Socket AM3. ........................................................................................................... 56 Figura 3.11: Tabla que resume los socket desde el ao 1970 a la fecha. ................................ 57 Figura 3.12: Esquema del Chipset. ............................................................................................ 61 Figura 3.13: Ranuras de expansin. .......................................................................................... 65

Captulo 4 Figura 4.1: prefijos del Sistema Internacional de Unidades. ...................................................... 70 Figura 4.2: Las equivalencias entre bytes y objetos reales. ....................................................... 71 Figura 4.3: Matriz de toros. ......................................................................................................... 73 Figura 4.4: Primer modelo de memoria DRAM. ......................................................................... 75 Figura 4.5: Esquema de la memoria DIP. .................................................................................. 76 Figura 4.6: Memoria SIPP. ......................................................................................................... 78 Figura 4.7: Clips con springs para mdulos DIMM .................................................................... 79 Figura 4.8: Tarjeta madre 386 con 8 ranuras DIMM. ................................................................. 79 Figura 4.9: Mdulos de memorias SIMM de 30 y 72 pins. ......................................................... 81 Figura 4.10: Mdulos de memorias SIMM y DIMM. ................................................................... 81 Figura 4.11: Mdulo de memoria FPM de 30 pins. .................................................................... 83 Figura 4.12: Mdulo de memoria EDO de 72 pins. .................................................................... 83 Figura 4.13: Mdulo de memoria BEDO de 72 pins.. ................................................................. 84 Figura 4.14: Mdulo de memoria SDRAM de 168 pins.. ............................................................ 85 Figura 4.15: Mdulo de memoria DRDRAM Rambus (RIMM). .................................................. 88 Figura 4.16: Mdulo de memoria DDR SDRAM. ........................................................................ 89 Figura 4.17: Tabla de modelos y caractersticas de mdulo de memoria DDR ......................... 90 Figura 4.18: Comparacin grfica entre memorias DDR, DDR2 y DDR3 .................................. 90 Figura 4.19: Tabla de modelos y caractersticas de mdulo de memoria DDR2. ...................... 92 Figura 4.20: Tabla de modelos y caractersticas de mdulo de memoria DDR3. ...................... 93 Figura 4.21: Dual memory channel. ........................................................................................... 94 Figura 4.22: Static Random Access Memory (SRAM). .............................................................. 96

Captulo 5 Figura 5.1: Estructura de un disco duro arquitectura IDE. ......................................................... 100 Figura 5.2: Conexin de disco duros IDE y SATA. .................................................................... 102 Figura 5.3: Evolucin del factor de forma de los discos duros. .................................................. 104


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Figura 5.4: Disco duro RAMAC de IBM. ..................................................................................... 106 Figura 5.5: Disco duro llamado Modelo 1301 de IBM. ............................................................... 108 Figura 5.6: Disco duro llamado Modelo 2310 de IBM. ............................................................... 109 Figura 5.7: Disco duro llamado Modelo 2314 de IBM. ............................................................... 110 Figura 5.8: Disco duro llamado Winchester 3340 de IBM. ......................................................... 112 Figura 5.9: Disco duro Seagate. ................................................................................................. 114 Figura 5.10: Disco duro MFM. .................................................................................................... 115 Figura 5.11: Disco duro que se instalaban en las IBM PC/XT. .................................................. 116 Figura 5.12: Tarjeta Lgica del disco duro CMI. ........................................................................ 116 Figura 5.13: Disco duros de 3.5 y 2.5 pulgadas. ........................................................................ 117 Figura 5.15: Disco duros de 40 GB. ........................................................................................... 117 Figura 5.15: Disco duros MK4058GSX. ..................................................................................... 119 Figura 5.16: Disco duro de estado slido. .................................................................................. 120 Figura 5.17: Disco duro WD Caviar Green. ................................................................................ 121

Captulo 6 Figura 6.1: Componentes de una tarjeta grafica. ....................................................................... 123 Figura 6.2: Conector VGA. ......................................................................................................... 126 Figura 6.3: Conector DVI y HDMI. .............................................................................................. 126 Figura 6.4: S-Video. .................................................................................................................... 128 Figura 6.5: Tarjeta de video MDA. .............................................................................................. 131 Figura 6.6: Tarjeta de video Hercules (HGA). ............................................................................ 132 Figura 6.7: Tarjeta de video CGA. .............................................................................................. 133 Figura 6.8: Tarjeta de video EGA. .............................................................................................. 135 Figura 6.9: Tarjeta de video MCGA. ........................................................................................... 136 Figura 6.10: Tarjeta de video VGA. ............................................................................................ 137 Figura 6.11: Tarjeta de video VGA. ............................................................................................ 140 Figura 6.12: Tarjeta de video Voodoo. ....................................................................................... 143 Figura 6.13: Tarjeta de video nVIDIA GeForce 6600GTe. ......................................................... 144 Figura 6.14: Tarjeta de video nVIDIA nvidia-quadro-fx-48001. .................................................. 146

Captulo 7 Figura 7.1: Tarjeta de un modem interno ................................................................................... 147 Figura 7.2Conector RJ45............................................................................................................ 147 Figura 7.3: Tarjeta de red ISA de 10Mbps. ................................................................................ 148 Figura 7.4: Tarjeta de red PCI de 10Mbpse. .............................................................................. 149

Captulo 8 Figura 8.1: Tarjeta de sonido interna. ......................................................................................... 160 Figura 8.2: Cdigo de color de las conexiones de una tarjeta de sonido interna. ..................... 162

Captulo 9 Figura 9.1: Disco compacto. ....................................................................................................... 165 Figura 9.2: Lente ptico de un lector. ......................................................................................... 167 Figura 9.3: tasas de transferencias y las revoluciones por minuto. ........................................... 171 Figura 9.3: DVD. 183 Figura 9.4: Cdigos de regin de DVD en el mundo. ................................................................. 189 Figura 9.5: CompactFlash de Kingston. .................................................................................... 191 Figura 9.6: Lector de tarjetas de memoria por USB.. ................................................................ 193



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Captulo 1 Conceptos de organizacin y arquitectura de computadoras. Introduccin Esta obra aborda la organizacin y arquitectura de computadoras desde un enfoque

evolutivo, su propsito es presentar, tan claro y completo como sea posible, la naturaleza

y las caractersticas de los sistemas computacionales modernos.

En la actualidad hay una gran variedad de productos que pueden llevar el nombre

computadora, desde las microcomputadoras de un solo micro-circuito que cuestan unos

cuantos dlares que controlan electrodomsticos, hasta las supercomputadoras que

cuestan decenas de millones de dlares como puede ser los servidores de Google.

La diversidad de equipos de computo no solo se muestra en el precio, sino en el tamao,

el funcionamiento y la aplicacin. El acelerado ritmo de desarrollo que siempre ha

caracterizado a la tecnologa computacional contina en asenso. Estos cambios abarcan

todos los aspectos de la tecnologa computacional, desde la bsica de circuitos integrados

que se usa para construir componentes computacionales hasta el incremento en el uso de

conceptos de organizacin en paralelo para combinar estos componentes.

A pesar de la variedad y del ritmo de cambio en el campo de las computadoras, ciertos

conceptos fundamentales se aplican en forma consistente. Sin duda, la aplicacin de

estos conceptos depende del estado actual de la tecnologa y de los objetivos

precio/desempeo del diseador. La intencin de esta obra es proporcionar informacin

sobre los fundamentos de la organizacin y arquitectura computacional desde un enfoque

evolutivo. Este captulo introductorio analiza en forma breve el enfoque descriptivo que se

tomar y proporciona una panormica del resto del libro.

1.1 Definicin de organizacin y arquitectura.

Acudiendo a William Stallings se refiere a la arquitectura de la computadora como a los

atributos de un sistema que puede ver un programador; en otras palabras, aquellos que


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tienen un efecto directo en la ejecucin lgica de un programa. Para William Stallings la

organizacin de la computadora se refiere a las unidades operacionales y sus

interconexiones que efectan las especificaciones de la arquitectura. Los ejemplos de

atributos de la arquitectura incluyen el conjunto de instrucciones, el nmero de bits que se

usan para representar varios tipos de datos (por ejemplo, nmeros, caracteres),

mecanismos de E-S y tcnicas para direccionar la memoria. Los atributos de la

organizacin incluyen aquellos detalles de hardware que son trasparentes para el

programador, tales como seales de control, interfaces entre la computadora y los

perifricos, y la tecnologa de memoria que se utiliza. [L1].

Un ejemplo bastante ilustrativo para establecer la diferencia entre arquitectura y

organizacin es cuando desde la perspectiva de diseo arquitectnico una computadora

tendr o no una instruccin para multiplicar. Es un aspecto de organizacin si esa

instruccin ser implantada por una unidad de multiplicacin especial o por un mecanismo

que haga uso repetido de la unidad de suma del sistema. La decisin de la organizacin

se puede basar en la frecuencia anticipada del uso de la instruccin de multiplicacin, la

rapidez relativa de los dos enfoques, y el costo y el tamao fsico de una unidad de

multiplicacin especial.

Es histrica, y aun en nuestros das, la diferencia entre arquitectura y organizacin, que

ha sido muy importante. Varios fabricantes de computadoras ofrecen una familia de

modelos de computadoras, todas con la misma arquitectura pero con diferencias en la

organizacin. En consecuencia, los varios modelos de la familia tienen distintos precios y

distintas caractersticas de desempeo.

Adems, una arquitectura puede sobrevivir varios aos pero la organizacin cambia con

la tecnologa moderna. Un ejemplo prominente de ambos fenmenos es la arquitectura

del Sistema IBM/370. Esta arquitectura se introdujo primero en 1970 e incluy un gran

nmero de modelos. El cliente con menos recursos podra comprar un modelo ms lento y



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ms barato y, si la demanda incrementaba, podra adquirir un modelo ms rpido y ms

caro sin tener que abandonar el software que ya se haba desarrollado. Con el paso de

los aos, IBM introdujo nuevos modelos con una mejor tecnologa para sustituir a los

modelos anteriores, ofreciendo al cliente mayor velocidad, bajo costo o ambos. Estos

modelos ms recientes tenan la misma arquitectura para proteger la inversin en

software del cliente. De manera notable es el hecho de que la arquitectura del sistema

370, con unas pocas mejoras, ha sobrevivido hasta la fecha y contina como la capitana

de la lnea de productos de IBM.

En una clase de sistemas llamados microcomputadoras, la relacin entre arquitectura y

organizacin es muy estrecha. Los cambios en la tecnologa no solo influyen en la

organizacin sino que tambin resultan en la introduccin de arquitecturas ms ricas y

poderosas. Por lo general, hay menos requerimientos de compatibilidad de generacin en

generacin para estas mquinas ms pequeas. As, hay ms de una interaccin entre

las decisiones para el diseo de la arquitectura y de la organizacin.

1.2 La arquitectura bsica de una computadora.

El nacimiento de la arquitectura Von Neumann surge a raz de una colaboracin en el

proyecto ENIAC del matemtico de origen hngaro, John Von Neumann. Este trabajaba

en 1947 en el laboratorio atmico de Los lamos cuando se encontr con uno de los

constructores de la ENIAC. Compaero de Einstein, Goedel y Turing en Princeton, Von

Neumann se interes por el problema de la necesidad de recablear la mquina para cada

nueva tarea. En 1949 haba encontrado y desarrollado la solucin a este problema,

consistente en poner la informacin sobre las operaciones a realizar en la misma memoria

utilizada para datos, escribindola de la misma forma, es decir cdigo binario. Su EDVAC

fue el modelo de las computadoras de este tipo construidas a continuacin. Se habla

desde entonces de arquitectura de Von Neumann, aunque tambin dise otras formas

de construccin. La primera computadora comercial construida en esta forma fue el


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UNIVAC 1, fabricado en 1951 por la Sperry-Rand Corporation y comprado por la

Oficinadel Censo de Estados Unidos.

En las primeras computadoras (Electrinic Numerical Integrtor And Computer ENIAC) la

ejecucin de tareas era tediosa debido a que no se contaba con la facilidad de tener

tareas, programa y datos al mimos tiempo en la memoria de la computadora, esto llevo a

la reflexin de que era posible tener programas, datos y tareas residiendo en una porcin

de memoria, ms tarde utilizado en la EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer). En

1946, Von Newmann y sus colaboradores (Princeton Institute for Advanced Studies, por lo

que tambin se le conoci como Computadora IAS) disearon un modelo de computadora

cuya caracterstica principal el Concepto de Programa Almacenado, no fue sino hasta el

ao de 1952 cuando se termino este diseo que sirvi ms adelante como prototipo de las

subsecuentes computadoras de propsito general, los componentes de este prototipo

son:

Una memoria principal, que almacena datos e instrucciones.

Una Unidad Aritmtica Lgica(ALU), con capacidad para operar con datos binarios.

Una Unidad de Control, que interpreta las instrucciones en memoria para su

ejecucin.

Unidades de Entrada / Salida, administra sus operaciones la Unidad de Control.

La Mquina de Von Neumann tena cinco partes bsicas: la memoria, la unidad

aritmtica-lgica, la unidad de control del programa y los equipos o unidades de entrada y

salida, como se muestra en la figura 1.1.

Memoria: Constaba de 4096 palabras, cada una con 40 bits. Cada palabra poda

contener dos instrucciones de 20 bits o un nmero entero de 39 bits y su signo. Las

instrucciones tenan 8 bits dedicados a sealar el tipo de la misma y 12 bits para

especificar alguna de las 4096 palabras de la memoria.



14

Unidad de Control: Es la que supervisaba la transferencia de informacin y la

indicaba a la unidad aritmtica lgica cual operacin deba ejecutar.

Unidad Aritmtica Lgica: Es aquella que se encarga de realizar las operaciones

aritmticas y lgicas necesarias para la ejecucin de una instruccin.

Acumulador: 40 bits llamado en acumulador que sirven para: Recibir datos de

entrada, enviar datos a la salida, guardar el resultado de la ltima operacin, una

instruccin tpica era sumar una palabra de la memoria al acumulador o almacenar

este en la memoria.

Los dispositivos de Entrada/Salida sirven a la computadora para obtener

informacin del mundo exterior y/o comunicar los resultados generados por el

computador al exterior. Hay una gama muy extensa de dispositivos E/S como

teclados, monitores, unidades de disco flexible o cmaras web.

Figura 1.1: Partes bsicas de la arquitectura Von Neumann.

La arquitectura Von Neumann que, si bien no es la primera en aparecer, s que lo hizo

prcticamente desde el comienzo de las computadoras y se sigue desarrollando

actualmente. Claro es que est siendo desplazada por otra que permite una mayor

velocidad de proceso, la RISC. En los primeros tiempos de las computadoras, con

sistemas de numeracin decimal, una electrnica sumamente complicada muy

Memoria

Unidad de

Control

Unidad Aritmtica Lgica

Acumulador

Entrada Salida


15

susceptible a fallos y un sistema de programacin cableado o mediante fichas, Von

Neumann propuso dos conceptos bsicos:

1. La utilizacin del sistema de numeracin binario. Simplificaba enormemente los

problemas que la implementacin electrnica de las operaciones y funciones

lgicas planteaban, a la vez proporcionaba una mayor inmunidad a los fallos.

2. Almacenamiento de la secuencia de instrucciones de que consta el programa en

una memoria interna, fcilmente accesible, junto con los datos que referencia. De

esta forma la velocidad de proceso experimenta un considerable incremento;

recordemos que una instruccin o un dato estaban codificados en una ficha.

Tomando como modelo las mquinas que aparecieron incorporando las anteriores

caractersticas, la computadora se puede considerar compuesta por las siguientes partes:

La unidad central de proceso viene a ser el cerebro de la computadora y tiene por misin

efectuar las operaciones aritmtico-lgicas y controlar las transferencias de informacin a

realizar. Es la que coordina el funcionamiento conjunto de las dems unidades y realiza

los clculos necesarios; por eso la podemos subdividir en una unidad de control y en una

unidad de clculo o unidad aritmtico-lgica.

La memoria interna contiene el conjunto de instrucciones que ejecuta la CPU en el

transcurso de un programa. Es tambin donde se almacenan temporalmente las variables

del mismo, los datos que se precisan y todos los resultados que devuelve. Las unidades

de entrada y salida son las encargadas de la comunicacin de la mquina con el exterior,

proporcionando al operador una forma de introducir al ordenador tanto los programas

como los datos y obtener los resultados.

1.3 Estructura y Funcin

Una computadora es un sistema complejo; las computadoras contemporneas contienen

millones de componentes electrnicos elementales. Entonces, Cmo puede uno



16

describirlos? La clave es reconocer la naturaleza jerrquica de la mayora de los sistemas

complejos, incluyendo a la computadora. [L2].

Un sistema jerrquico es un conjunto de subsistemas interrelacionados, cada uno de los

cuales, a su vez, es jerrquico en su estructura hasta que alcanzamos algn nivel de

subsistema elemental.

La naturaleza jerrquica de los sistemas complejos es esencial tanto para su diseo como

para su descripcin. El diseador slo necesita tratar con un nivel particular del sistema a

la vez. En cada nivel, el sistema consta de un conjunto de componentes y de sus

interrelaciones. El comportamiento en cada nivel slo depende de una caracterizacin

abstracta y simplificada del sistema en el siguiente nivel ms bajo. En cada nivel, el

diseador est interesado en la estructura y en la funcin. [L3].

Estructura: la forma en la cual los componentes estn interrelacionados.

Funcin: la operacin de cada componente individual como parte de la estructura.

En cuanto a la descripcin, tenemos dos alternativas: empezar desde abajo y crear una

descripcin completa o iniciar con un punto de vista general y descomponer el sistema en

sus subpartes. La evidencia obtenida de un nmero de campos sugiere que el enfoque

que va de lo general a lo particular es el ms claro y el ms efectivo. [L4].

El enfoque que se toma en consideracin para el desarrollo de esta obra se obtiene de

este punto de vista evolutivo y desde un posicionamiento macro, es decir, el sistema

computacional se describir de lo general a lo particular. Empezamos con los

componentes mayores del sistema, describiendo su estructura y su funcin, y

procedemos con capas cada vez ms bajas de la jerarqua.

1.3.1 Funcin


17

Tanto la estructura como el funcionamiento de una computadora son, en esencia, simples.

La figura 1.2 ilustra las funciones bsicas que una computadora puede llevar a cabo. En

trminos generales, slo son 4:

Procesamiento de datos.

Almacenamiento de datos.

Movimiento de datos.

Control.

La computadora, por supuesto, debe ser capaz de procesar datos. Los datos pueden

tener una amplia variedad de formas y el rango de requerimientos del procesamiento es

amplio. Sin embargo, veremos que slo hay unos cuantos mtodos fundamentales o tipos

de procesamiento de datos.

Figura 1.2: Una vista funcional de la computadora

Tambin es esencial que una computadora almacene datos. Aun as la computadora est

procesando datos en el vuelo (por ejemplo, los datos se introducen, se procesan y los

resultados van directo a la salida), debe almacenar de forma temporal, por lo menos

aquellas partes de datos que se estn trabajando en un momento dado. De esta manera

hay una funcin de almacenamiento de datos de trmino corto.

Aparato para el

movimiento de datos

Mecanismo de control

Facilidad del procesamiento

de datos

Facilidad para el almacenamiento

de datos

Ambiente Operativo (Fuente y destino de los datos)



18

Igual de importante, la computadora realiza una funcin de almacenamiento de datos de

trmino largo. Los archivos de datos se almacenan en la computadora para una

recuperacin y actualizacin subsecuente.

La computadora debe ser capaz de mover los datos entre el mundo exterior y ella misma.

El ambiente operativo de la computadora consta de dispositivos que sirven tanto como

fuentes o como destino de los datos. Cuando los datos se reciben de o se mandan a un

dispositivo que est conectado en forma directa a la computadora, el proceso se conoce

como entrada-salida (E-S) y se hace referencia al dispositivo como un perifrico. Cuando

los datos se mueven sobre distancias ms largas, hacia o desde un dispositivo lejano, el

proceso se conoce como comunicacin de datos.

Por ltimo, debe haber un control de estas tres funciones. En fechas recientes, este

control es ejercido por el (los) individuo(s) que proveen a la computadora con

instrucciones. Dentro del sistema computacional, una unidad de control maneja los

recursos de la computadora y dirige el desempeo de sus partes funcionales en respuesta

a esas instrucciones.

En este nivel general de la discusin, es reducido el nmero de operaciones posibles que

se pueden llevar a cabo. La figura 1.3 ilustra los cuatro posibles tipos de operaciones. La

computadora puede funcionar como un dispositivo de movimiento de datos (figura 1.3 a),

solo transfiriendo datos desde un perifrico o una lnea de comunicaciones a otra (otro).

Tambin puede funcionar como un dispositivo de almacenamiento de datos (figura 1.3 b),

con datos que se transfieren desde el ambiente externo al almacenamiento de la

computadora (lectura) y viceversa (escritura). Los dos diagramas finales muestran las

operaciones que involucran el procesamiento de datos, sobre los datos ya sea en

almacenamiento (figura 1.3 c) o en el enrutamiento entre el almacenamiento y el ambiente

externo. La discusin anterior podra verse como algo que se ha generalizado de manera


19

absurda. Cierto, es posible, aun en un nivel elevado de la estructura de la computadora,

diferenciar una variedad de funciones, todo esto sugerido por Bell y Newell.

a)

b)

c)

d)

Figura 1.3: Posibles operaciones de la computadora.

Existe una formacin extraordinariamente pequea de la estructura de la computadora

con fines de ajuste a la funcin que se va a desempear. En la base de esto descansa la

naturaleza del propsito general de las computadoras, en la cual toda la especializacin

funcional ocurre en el momento de la programacin y no en el momento del diseo.

1.3.2 Estructura

La figura 1.4 es la representacin ms simple posible de una computadora. sta es una

entidad que interacta de alguna forma con su ambiente externo. En general, todos sus

enlaces con el ambiente externo pueden ser clasificados como dispositivos perifricos o

lneas de comunicacin. Tendremos que decir algo acerca de ambos tipos de enlaces.

Movi-miento

Control

Procesa-miento

Almacena-miento

Movi-miento

Control

Procesa-miento

Almacena-miento

Movi-miento

Control

Procesa-miento

Almacena-miento

Movi-miento

Control

Procesa-miento

Almacena-miento



20

Figura 1.4: La computadora.

Pero el asunto ms importante de esta obra es la estructura interna de la computadora

misma, la cual se muestra a un nivel superior en la figura 1.5.

Figura 1.5: La computadora, estructura de nivel superior Hay cuatro componentes estructurales principales:

Unidad centra de procesamiento (CPU): Controla la operacin de la computadora y

realiza sus funciones de procesamiento de datos. Con frecuencia se le llama tan

slo procesador.

Memoria principal: Almacena datos.

E-S: Mueve datos entre la computadora y su ambiente externo.

Interconexin del Sistema: Algn mecanismo que proporciona comunicacin entre

la CPU, la memoria principal y la E-S.

Computadora

Almacenamiento

Procesamiento

Perifricos Lneas de comunicacin

Computadora

Computadora

CPU

Interconexin

con el sistema

Memoria Principal

E-S

Perifricos


21

Podra haber uno o ms de cada uno de los componentes anteriores. Tradicionalmente,

slo ha habido una sola CPU. En aos recientes, se ha incrementado el uso de mltiples

procesadores en un solo sistema.

Figura 1.6: La Unidad Procesamiento Centra (CPU)

Cada uno de estos componentes se examinara con un poco ms de detalle. Sin embargo,

para nuestros propsitos, el componente ms interesante y de alguna manera el ms

complejo, es la CPU, su estructura se ilustra en la figura 1.6. Sus principales

componentes estructurales son:

Computadora

CPU

Bus del sistema

Memoria

E-S

Unidad de Procesamiento

Registros

Interconexin interna de la

CPU

Unidad de

Control Unidad

Aritmtica y Lgica



22

Figura 1.7: La Unidad de control

La Unidad de Control: Controla la operacin de la CPU y, por consiguiente, la

computadora.

La Unidad Aritmtica y Lgica (ALU): Realiza las funciones de procesamiento de

datos de la computadora.

Registros: Proporciona almacenamiento interno para la CPU.

Interconexin de la CPU: Algn mecanismo que proporciona lo necesario para la

comunicacin entre la unidad de control, la ALU y los registros.

Cada uno de estos componentes se examinar con un poco ms de detalle. Ahora, hay

varios enfoques para la implantacin de la unidad de control, pero la ms comn por

mucho es una implantacin microprogramada. Con este enfoque, la estructura de la

unidad de control puede representarse como en la figura 1.7.

CPU

Unidad de

Control

Bus interno

de la CPU

ALU Registros

Unidad de Control

Registros y

decodificadores de la unidad de

control

Lgica secuencial

Memoria de control


23

1.4 Estructuras de interconexin para la computadora

A nivel superior, una computadora consta de un procesador, memoria y componentes de

E-S. El comportamiento funcional del sistema se basa en el intercambio de datos y

seales de control entre estos componentes. Para soportar este intercambio, dichos

componentes deben estar interconectados de alguna forma.

1.4.1 Memoria interna y externa

La memoria es esa parte del sistema computacional que se utiliza para el

almacenamiento y para la subsecuente recuperacin de datos e instrucciones.

La memoria de la computadora exhibe un amplio rango de tipos, tecnologa, organizacin,

desempeo y costo. El sistema computacional tpico est equipado con una jerarqua de

subsistemas de memoria, algunos internos (accesibles por el proceso de forma directa) y

algunos externos (accesibles por el procesador va un mdulo de E-S). Las caractersticas

claves de los subsistemas de memoria y estudia la jerarqua de la memoria e incluye un

anlisis de:

Cach.

Memoria principal de semiconductor.

Memoria de burbujas.

Disco magntico.

Cinta magntica.

1.4.2 Entrada-Salida.

Adems del procesador y la memoria, el tercer elemento clave de un sistema

computacional es un conjunto de mdulos de E-S. Cada mdulo esta interconectado con

el procesador y la memoria, y controla adems uno o ms dispositivos externos. Se

estudian los mecanismos por medio de los cuales un mdulo de E-S interacta con el

resto del sistema computacional, mediante el uso de las tcnicas de E-S por programa, E-



24

S por interrupcin y acceso directo a memoria (DMA) y la interfaz entre un mdulo de E-S

y los dispositivos externos.

1.4.3 Estructura y funcin de la CPU.

La estructura interna y funcin de la CPU se revisa la organizacin general de la CPU

(ALU, unidad de control, registros) y el funcionamiento de la CPU cuando se ejecutan las

instrucciones de mquina. Se estudia el ciclo de las instrucciones para mostrar la funcin

y la interrelacin de los ciclos de bsqueda, indirecto, de ejecucin y de interrupcin. Por

ltimo, se examina el uso de la ejecucin en cascada para mejorar el desempeo.

1.4.4 Operacin de la unidad de control.

La unidad de control es el componente de la CPU que controla su operacin. Se muestra

que cada ciclo de instruccin est compuesto de una serie de microoperaciones que

generan seales de control. La ejecucin se lleva a cabo por el efecto de estas seales de

control, que emanan de la unidad de control hacia la ALU, los registros y la estructura de

interconexin del sistema. Por ltimo, se presenta un enfoque para la implantacin de la

unidad de control, a la que se hace referencia como una unidad de control alambrada.


25

Captulo 2 Breve historia del desarrollo de computadoras.

La Computadora, como todo avance tecnolgico, no surge de repente; es el resultado de

muchos desarrollos: cientficos, sociales, comerciales y otros ms. En cada poca, los

seres humanos nos van mejorando sus herramientas para realizar mejor las tareas que

deben cumplir.

2.1 Antecedentes histricos de la computacin

Uno de los primeros dispositivos mecnicos para contar fue el baco, cuya historia se

remonta a las antiguas civilizaciones griega y romana. Este dispositivo es muy sencillo,

consta de cuentas ensartadas en varillas que a su vez estn montadas en un marco

rectangular.

2.1.1 La pascalina.

Otro de los inventos mecnicos fue la Pascalina inventada por Blaise Pascal (1623 -1662)

de Francia y la de Gottfried Wilhelm von Leibniz (1646 - 1716) de Alemania. Con estas

mquinas, los datos se representaban mediante las posiciones de los engranajes, y los

datos se introducan manualmente estableciendo dichas posiciones finales de las ruedas,

de manera similar a como leemos los nmeros en el cuentakilmetros de un automvil.

2.1.2 La mquina analtica.

La primera computadora fue la mquina analtica creada por Charles Babbage, profesor

matemtico de la Universidad de Cambridge e Ingeniero Ingles en el siglo XIX. En 1823 el

gobierno Britnico lo apoyo para crear el proyecto de una mquina de diferencias, un

dispositivo mecnico para efectuar sumas repetidas. La idea que tuvo Charles Babbage

sobre una computadora naci debido a que la elaboracin de las tablas matemticas era

un proceso tedioso y propenso a errores. Las caractersticas de esta mquina incluyen

una memoria que puede almacenar hasta 1000 nmeros de hasta 50 dgitos cada uno.



26

Las operaciones a ejecutar por la unidad aritmtica son almacenadas en una tarjeta

perforadora. Se estima que la maquina tardara un segundo en realizar una suma y un

minuto en una multiplicacin.

2.1.3 La mquina de Hollerith.

La mquina de Hollerith. En la dcada de 1880, la oficina del Censo de los Estados

Unidos, deseaba agilizar el proceso del censo de 1890. Para llevar a cabo esta labor, se

contrato a Herman Hollerith, un experto en estadstica para que diseara alguna tcnica

que pudiera acelerar el levantamiento y anlisis de los datos obtenidos en el censo. Entre

muchas cosas, Hollerith propuso la utilizacin de tarjetas en las que se perforaran los

datos, segn un formato preestablecido. Una vez perforadas las tarjetas, estas serian

tabuladas y clasificadas por maquinas especiales. La idea de las tarjetas perforadas no

fue original de Hollerith. l se baso en el trabajo hecho en el telar de Joseph Jacquard que

ingenio un sistema donde la trama de un diseo de una tela as como la informacin

necesaria para realizar su confeccin era almacenada en tarjetas perforadas. El telar

realizaba el diseo leyendo la informacin contenida en las tarjetas. De esta forma, se

podan obtener varios diseos, cambiando solamente las tarjetas.

2.1.4 La Mark I.

En 1944 se construy en la Universidad de Harvard, la Mark I, diseada por un equipo

encabezado por Howard H. Aiken. Esta computadora tomaba seis segundos para efectuar

una multiplicacin y doce para una divisin. Computadora basada en rieles (tena aprox.

3000), con 800 kilmetros de cable, con dimensiones de 17 metros de largo, 3 metros de

alto y 1 de profundidad. Al Mark I se le hicieron mejoras sucesivas, obteniendo as el Mark

II, Mark III y Mark IV.

2.1.5 La ENIAC.

En 1947 se construy en la Universidad de Pennsylvania la ENIAC (Electronic Numerical

Integrator And Calculator) que fue la primera computadora electrnica que funcionaba con


27

tubos al vaco, el equipo de diseo lo encabezaron los ingenieros John Mauchly y John

Eckert. Este computador superaba ampliamente al Mark I, ya que llego hacer 1500 veces

ms potente. En el diseo de esta computadora fueron incluidas nuevas tcnicas de

electrnica que permitan minimizar el uso de partes mecnicas. Esto trajo como

consecuencia un incremento significativo en la velocidad de procesamiento. As, poda

efectuar 5000 sumas o 500 multiplicaciones en un segundo y permita el uso de

aplicaciones cientficas en astronoma, meteorologa, por mencionar algunas.

Durante el desarrollo del proyecto de la ENIAC, el matemtico Von Neumann propuso

unas mejoras que ayudaron a llegar a los modelos actuales de computadoras:

1. Utilizar un sistema de numeracin de base dos (Binario) en vez del sistema decimal

tradicional.

2. Hacer que las instrucciones de operacin estn en la memoria, al igual que los datos. De

esta forma, memoria y programa residirn en un mismo sitio.

2.1.6 La EDVAC.

La EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer), construida en la

Universidad de Manchester, en Connecticut (EE.UU), en 1949 fue el primer equipo con

capacidad de almacenamiento de memoria e hizo desechar a los otros equipos que tenan

que ser intercambios o reconfigurados cada vez que se usaban. Tena aproximadamente

cuatro mil bulbos y usaba un tipo de memoria basado en tubos llenos de mercurio por

donde circulaban seales elctricas sujetas a retardos. EDCAV pesaba aproximadamente

7850 kg y tena una superficie de 150 m2.

En realidad EDVAC fue la primera verdadera computadora electrnica digital de la

historia, tal como se le concibe en estos tiempos y a partir de ella se empezaron a fabricar

arquitecturas ms completas.

2.1.7 La UNIVAC.



28

La UNIVAC fue la primera computadora diseada y construida para un propsito no

militar. Desarrollada para la oficina de CENSO en 1951, por los ingenieros John Mauchly

y John Presper Eckert, que empezaron a disearla y construirla en 1946.

La computadora pesaba 7257 kg. aproximadamente, estaba compuesta por 5000 tubos

de vaco, y poda ejecutar unos 1000 clculos por segundo. Era una computadora 7 que

procesaba los dgitos en serie. Poda hacer sumas de dos nmeros de diez dgitos cada

uno, unas 100000 por segundo.

As Von Neumann, junto con Babbage se consideran hoy como los padres de la

Computacin.

2.2 Generaciones de las Computadoras.

Las generaciones de las computadoras se definen haciendo referencia principalmente a

los componentes electrnicos con los que fueron construidas y diseadas las

computadoras, cundo menos eso se criterio se tomo en consideracin las primeras cuatro

generaciones, sin embargo, tambin se toman criterios su estructura y funcin. La

estructura refiere a la forma en la cual los componentes estn interrelacionados y su

funcin a la operacin de cada componente individual como parte de la estructura.

Otro aspecto que se considera para establecer las generaciones de las computadoras

tiene que ver con el desarrollo de software como lenguajes de programacin, sistemas

operativos y aplicaciones de inteligencia artificial y robtica.

2.2.1 Primera Generacin (1951-1958).

En esta generacin haba un gran desconocimiento de las capacidades de las

computadoras, puesto que se realiz un estudio en esta poca que determin que con

veinte computadoras se saturara el mercado de los Estados Unidos en el campo de

procesamiento de datos. Esta generacin abarco la dcada de los cincuenta. Y se conoce

como la primera generacin. Estas mquinas tenan las siguientes caractersticas:

Usaban tubos al vaco para procesar informacin.


29

Usaban tarjetas perforadas para entrar los datos y los programas.

Usaban cilindros magnticos para almacenar informacin e instrucciones internas.

Eran sumamente grandes, utilizaban gran cantidad de electricidad, generaban gran

cantidad de calor y eran sumamente lentas.

Se comenz a utilizar el sistema binario para representar los datos.

En esta generacin las mquinas son grandes y costosas (de un costo aproximado de

10,000 dlares). La computadora ms exitosa de la primera generacin fue la IBM 650, de

la cual se produjeron varios cientos. Esta computadora que usaba un esquema de

memoria secundaria llamado tambor magntico, que es el antecesor de los discos

actuales.

2.1.1. Segunda Generacin (1958-1964).

En esta generacin las computadoras se reducen de tamao y son de menor costo.

Aparecen muchas compaas y las computadoras eran bastante avanzadas para su

poca como la serie 5000 de Burroughs y la ATLAS de la Universidad de Manchester.

Algunas computadoras se programaban con cintas perforadas y otras por medio de

cableado en un tablero. Las caractersticas de esta generacin son:

Usaban transistores para procesar informacin.

Los transistores eran ms rpidos, pequeos y ms confiables que los tubos al vaco.

200 transistores podan acomodarse en la misma cantidad de espacio que un tubo al

vaco.

Usaban pequeos anillos magnticos para almacenar informacin e instrucciones. Pero

esto provocaba una gran cantidad de calor lo que las hacan sumamente lentas.

Se mejoraron los programas de computadoras que fueron desarrollados durante la primera

generacin.

Se desarrollaron nuevos lenguajes de programacin como COBOL y FORTRAN, los

cuales eran comercialmente accesibles.



30

Se usaban en aplicaciones de sistemas de reservaciones de lneas areas, control del

trfico areo y simulaciones de propsito general.

La marina de los Estados Unidos desarrolla el primer simulador de vuelo, "Whirlwind I".

Surgieron las minicomputadoras y los terminales a distancia.

Se comenz a disminuir el tamao de las computadoras.

2.1.1. Tercera Generacin (1964-1971).

La tercera generacin de computadoras emergi con el desarrollo de circuitos integrados

(pastillas de silicio) en las que se colocan miles de componentes electrnicos en una

integracin en miniatura. Las computadoras nuevamente se hicieron ms pequeas, ms

rpidas, desprendan menos calor y eran energticamente ms eficientes. La

computadora IBM-360 domin las ventas de la tercera generacin de computadoras

desde su presentacin en 1965. El PDP-8 de la Digital Equipment Corporation fue el

primer miniordenador. Las caractersticas de esta generacin son:

Se desarrollaron circuitos integrados para procesar informacin.

Se desarrollaron los "chips" para almacenar y procesar la informacin. Un "chip" es una

pieza de silicio que contiene los componentes electrnicos en miniatura llamados

semiconductores.

Los circuitos integrados recuerdan los datos, ya que almacenan la informacin como

cargas elctricas.

Surge la multiprogramacin.

Las computadoras pueden llevar a cabo ambas tareas de procesamiento o anlisis

matemticos.

Emerge la industria del "software".

Se desarrollan las minicomputadoras IBM 360 y DEC PDP-1.

Otra vez las computadoras se tornan ms pequeas, ms ligeras y ms eficientes.

Consuman menos electricidad, por lo tanto, generaban menos calor.


31

2.1.1. Cuarta Generacin (1971-1988).

Aparecen los microprocesadores que es un gran adelanto de la microelectrnica, son

circuitos integrados de alta densidad y con una velocidad impresionante. Las

microcomputadoras con base en estos circuitos son extremadamente pequeas y baratas,

por lo que su uso se extiende al mercado industrial. Aqu nacen las computadoras

personales que han adquirido proporciones enormes y que han influido en la sociedad en

general sobre la llamada "revolucin informtica". Las caractersticas de esta generacin

son:

Se desarroll el microprocesador.

Se colocan ms circuitos dentro de un "chip".

"LSI - Large Scale Integration circuit".

"VLSI - Very Large Scale Integration circuit".

Cada "chip" puede hacer diferentes tareas.

Un "chip" sencillo actualmente contiene la unidad de control y la unidad de

aritmtica/lgica. El tercer componente, la memoria primaria, es operado por otros "chips".

Se reemplaza la memoria de anillos magnticos por la memoria de "chips" de silicio.

Se desarrollan las microcomputadoras, o sea, computadoras personales o PC.

Se desarrollan las supercomputadoras.

2.2.5 Quinta Generacin (1983 al presente).

La quinta generacin de computadoras, tambin conocida por sus siglas en ingls, FGCS

(de Fifth Generation Computer Systems) fue un ambicioso proyecto propuesto por Japn

a finales de la dcada de 1970 y principios de la dcada de 1980. Su objetivo era el

desarrollo de una nueva clase de computadoras que utilizaran tcnicas y tecnologas de

inteligencia artificial tanto en el plano del hardware como del software, en vista de la

acelerada marcha de la microelectrnica, la sociedad industrial se ha dado a la tarea de

poner tambin a esa altura el desarrollo del software y los sistemas con que se manejan



32

las computadoras. Surge la competencia internacional por el dominio del mercado de la

computacin, en la que se perfilan dos lderes que, sin embargo, no han podido alcanzar

el nivel que se desea: la capacidad de comunicarse con la computadora en un lenguaje

ms cotidiano y no a travs de cdigos o lenguajes de control especializados. Las

caractersticas principales de esta generacin son:

Mayor velocidad.

Ms miniaturizacin de los elementos.

Aumenta la capacidad de memoria.

Multiprocesador (Procesadores interconectados).

Lenguaje Natural.

Lenguajes de programacin: PROGOL (Programming Logic) y LISP (List Processing).

Mquinas activadas por la voz que pueden responder a palabras habladas en diversas

lenguas y dialectos.

Capacidad de traduccin entre lenguajes que permitir la traducir instantneamente

lenguajes hablados y escritos.

Elaboracin inteligente del saber y nmero tratamiento de datos.

Caractersticas de procesamiento similares a las secuencias de procesamiento Humano.

2.2.6 Sexta Generacin (presente)

La sexta generacin se podra llamar a la era de las computadoras inteligentes basadas

en redes neuronales artificiales o "cerebros artificiales". Seran computadoras que

utilizaran superconductores como materia-prima para sus procesadores, lo cual

permitiran no malgastar electricidad en calor debido a su nula resistencia, ganando

performance y economizando energa. La ganancia de performance sera de

aproximadamente 30 veces la de un procesador de misma frecuencia que utilice metales

comunes. Las caractersticas de esta generacin son:

Las Computadoras Porttiles (Ladtops).


33

Las Computadoras de Bolsillo (PDAs).

Los Dispositivos Multimedia.

Los Dispositivos Mviles Inalmbricos (SPOT, UPnP, Smartphone, etc.).

El Reconocimiento de voz y escritura.

Las Computadoras pticas (luz, sin calor, rpidas).

Las Computadoras Cunticas (electrones, molculas, qbits, sper rpidas).

La Mensajera y el Comercio Electrnico.

La Realidad Virtual.

Las Redes Inalmbricas (WiMax, WiFi, Bluetooth).

El Sper Computo (Procesadores Paralelos Masivos).

Las Memorias Compactas (Discos Duros externos USB, SmartMedia, PCMCIA).

En esta generacin se espera llegar a los Sistemas Expertos (imitar el comportamiento

de un profesional humano), para esto se emplearn microcircuitos con inteligencia, en

donde las computadoras tendrn la capacidad de aprender, asociar, deducir y tomar

decisiones para la resolucin de un problema, la famosa "Generacin de la Inteligencia

Artificial".

El propsito de la Inteligencia Artificial es equipar a las computadoras con inteligencia

humana y con la capacidad de razonar para encontrar soluciones. Otro factor fundamental

del diseo, la capacidad de la computadora para reconocer patrones y secuencias de

procesamiento que haya encontrado previamente, (programacin Heurstica) que permita

a la computadora recordar resultados previos e incluirlos en el procesamiento, en esencia,

la computadora aprender a partir de sus propias experiencias usar sus datos originales

para obtener la respuesta por medio del razonamiento y conservar esos resultados para

posteriores tareas de procesamiento y toma de decisiones. El conocimiento recin

adquirido le servir como base para la prxima serie de soluciones.

2.3 Computadoras Contemporneas.



34

Hay una amplia variedad de computadoras en el mercado actual en trminos de tamao

fsico, precio, capacidad y desempeo. Es tan amplia que algunas veces es difcil ver

esos elementos que comparten varias computadoras y aquellos que tienden a diferir entre

las computadoras.

De un tiempo a la fecha, los ingenieros, los fabricantes y los usuarios de computadoras

han encontrado conveniente agrupar a las computadoras en tres clases principales:

Microcomputadoras.

Minicomputadoras.

Mainframes.

Figura 2.1: Las tendencias en el crecimiento del desempeo por clase de computadoras.

Esta clasificacin es muy til para tener un entendimiento de los elementos claves de la

arquitectura de las computadoras y las diferencias esenciales entre computadoras.

Aunque es importante darse cuenta que estas clases no estn definidas de manera

precisa. Esto es por dos razones:

De hecho hay un espectro de tipo de tipos de computadoras, y las diferencias entre

stas dentro de cada una de las tres clases son tan grandes como las diferencias

entre las clases aledaas.

La tecnologa computacional evoluciona de manera rpida, por lo tanto, la

microcomputadora actual es tan poderosa como la microcomputadora de hace

1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010

100

10

1

0.1

Mainframaes

Supercomputadoras

Minicomputadoras

Microcomputadoras

Desempeo Realtivo


35

algunos aos y la microcomputadora actual es tan poderosa como el mainframe de

hace pocos aos.

Este ltimo aspecto se ilustra en la figura 2.1, la cual muestra las principales clases de

computadoras a travs de los aos. Al medir el poder de la computadora, se ve que cada

clase ha crecido. Hacia arriba de la grfica, en forma diagonal, uno observa que una clase

de computadoras se vuelve ms potente con el paso del tiempo. Si seguimos la grfica en

forma horizontal, se observa que, conforme avanza el tiempo, se puede proporcionar la

misma potencia de clculo con computadoras ms pequeas y ms baratas1.

La grfica slo refleja el desempeo de la CPU para aplicaciones de propsito general. El

desempeo para otras clases diferentes en cuanto al microprocesador se subestima

porque no se toma en cuenta el desempeo en E-S.

Esta clasificacin (microcomputadora, minicomputadora, mainframe), desde luego, implica

diferencias entre las clases en una o ms caractersticas. En la dcada de los sesentas,

antes de la microcomputadora, haba una distincin muy clara entre las minicomputadoras

y los mainframes. Las caractersticas ms importantes que se podan usar para

diferenciar los dos tipos de computadoras eran:

Velocidad.

Repertorio de instrucciones.

Nmero de registros en la CPU.

Longitud de palabra.

Tamao de la memoria principal.

Complejidad de los mdulos de E-S.

Complejidad del Sistema Operativo.

Tamao fsico.

Costo.

1 La grfica slo refleja el desempeo de la CPU para aplicaciones de propsito general.



36

Espacio de direcciones virtual.

Tamao de la memoria secundaria.

Grado de multiprogramacin.

(Los ltimos tres trminos todava no se han definido, pero se discuten ms tarde en este

texto.) Un mainframe posea ms caractersticas de estas que la minicomputadora.

Cuando la microcomputadora se introdujo primero, se poda usar esta misma lista para

poder diferenciar a la microcomputadora de la minicomputadora. Con la evolucin

continua de la tecnologa, los lmites entre los tres tipo de mquinas se volvieron borrosos.

Tambin, surgi una nueva clase: la supercomputadora. Figura 2.2 da ejemplos de cada

clase.

2.3.1. Microcomputadora.

La clase de las microcomputadoras se puede definir de una forma ms precisa que las

otras clases. En trminos simples, una microcomputadora es una computadora cuya CPU

es un microprocesador. Como observamos en la seccin anterior, un microprocesador es

un procesador en el cual todos sus componentes estn en un solo chip de circuito

integrado.

La microcomputadora se ha convertido en una parte tan comn de la vida diaria que se

necesita decir poco acerca de ella. Las computadoras caseras y las personales de oficina

proliferan, proporcionando potencia de cmputo y capacitacin a ms y ms gente. En

trminos de nmero de unidades, las ventas de microcomputadoras empequeecen a

todos los otros tipos de computadoras combinados.

2.3.2 Minicomputadora.

A principios de los sesentas, se combinaron factores econmicos y tcnicos para hacer a

las computadoras pequeas y baratas atractivas para varias aplicaciones. Algunas tareas

de clculo podan efectuarse con menos potencia que la que entonces estaba disponible

en las computadoras tipo mainframe contemporneas. por ejemplo, las computadoras


37

podan usarse para controlar algunos procesos industriales o de adquisicin de datos,

tales como la verificacin del sistema electrnico de un producto en una lnea de

ensamble. Esta tarea no poda efectuarse econmicamente por un mainframe, pero se

poda usar una computadora pequea y relativamente barata. Mientras que los

mainframes eran operados por cuadrillas de operadores, tales costos no se podan

justificar para la minicomputadora barata. De esta manera, se requiri la interaccin

directa entre la minicomputadora y el usuario.

Un desarrollo clave en este campo fue la introduccin a la minicomputadora de 16 bits, de

las cuales PDP-11 de DEC, introducida en 1970, fue la ms prominente y la ms usada.

Las primeras minicomputadoras emplearon varias longitudes de bits cortas, las mquinas

de 8 y 12 bits eran comunes. A finales de los setentas, casi todas las minicomputadoras

eran mquinas de 16 bits. Comparadas con mquinas de longitud de palabra ms

pequea, la computadora de 16 bits tena las siguientes ventajas:

La longitud de palabra de 16 bits permite un conjunto de instrucciones de maquina

valioso y un campo de direccionamiento relativamente grande. Esto proporciona

una maquina ms potente que puede usarse en una amplia variedad de

aplicaciones.

La longitud de palabra de 16 bits es eficiente para el almacenamiento y la

manipulacin del texto. De esta manera, se presta tanto para las aplicaciones de

negocios como cientficas.

Con el aumento de la velocidad, del repertorio de instrucciones, del tamao de la memoria

y de otras caractersticas de estas minicomputadoras debido a los avances de la

tecnologa, estas caractersticas cambiaron su papel. Algunas de las aplicaciones

individuales o dedicadas empezaron a efectuarse por las microcomputadoras. La

minicomputadora se convirti en un sistema multiusuario o compartido. En las dcadas de



38

los sesentas y setentas, los avances en la tecnologa condujeron al incremento de la

funcionalidad de la minicomputadora.

Se mejoraron los conjuntos de instrucciones para incluir operaciones de nmeros de

punto flotante para el proceso cientfico y cadenas de caracteres para aplicaciones

comerciales. La disponibilidad de la memoria de bajo costo permiti un incremento

dramtico en el tamao de la memoria principal adjunta a la minicomputadora. La

velocidad de ejecucin de instruccin se increment.

Todos estos adelantos sucedieron en una arquitectura de 16 bits. Pero hay limitaciones

impuestas por esa arquitectura:

Repertorio de instrucciones: Con el uso de instrucciones de 16 bits, es limitado el

nmero de cdigos de operacin disponibles.

Aritmtica de precisin ms alta: La forma natural de la aritmtica en una

mquina de 16 bits opera nmero de 16 bits. Es posible obtener una precisin ms

alta por medio del almacenamiento de un solo nmero en 2 o ms palabras. Una

operacin ms eficiente puedo lograrse con un tamao de palabra ms grande

para almacenar nmeros.

Rango de direcciones: La capacidad de direccionamiento est delimitada casi

siempre por el nmero de bits que pueden almacenarse en los registros de

direccin. As, en una mquina de 16 bits, se permite entonces un mximo de 64 K

direcciones nicas.

De estas limitaciones, la ltima es la ms importante y fundamental. Las direcciones se

utilizan por los programas de la computadora para hacer referencia a las localidades de

datos y del programa. Conforme aument la potencia de la minicomputadora, se cre un

desajuste entre el rango de direcciones de 64 K y el espacio de direccin fsica del

multimegabyte. Para usos ms grandes, se desarrollaron dos tendencias:


39

1. Los usuarios de la minicomputadora queran procesar configuraciones de datos ms

grandes; esto se muestra en particular con los programas de FORTRAN.

2. Los programas de aplicacin crecieron rpidamente en tamao, en particular los

programas grandes de COBOL. El programador tenan que recurrir a varios trucos para

tratar con esta desigualdad.

En las consideraciones nos llevan a la introduccin, a finales de los setentas. De la

minicomputadora de 32 bits, la cual fue llamada como la supermini. La

superminicomputadora contina la tendencia establecida por la minicomputadora de 16

bits, soportando ms usuarios en forma simultnea y manipulando ms dispositivos

perifricos y memorias ms grandes que las minicomputadoras anteriores. Con la virtual

desaparicin de la minicomputadora de 16 bits, el trmino supermini se desech en favor

de minicomputadora o sistema de rango medio.

2.3.3 Mainframe.

Aunque hay algunas confusiones sobre los lmites entre las minicomputadoras y las

computadoras mainframes, stas pertenecen como una clase diferente de computadoras.

Algunas de las diferencias claves entre el extremo alto de la clase de los mainframe y el

extremo alto de la clase de las minicomputadoras estn resaltadas por la IBM 3090 y la

VAX en la tabla 2.8. Una de las diferencias ms dramticas reside en la velocidad de las

dos clase, Una medida comn de velocidad es millones de instrucciones por segundo

(MIPS); esta es la tasa en la que se ejecutan las instrucciones de mquina.

Algunas veces es peligroso comparar el porcentaje de MIPS de mquinas diferentes, ya

que la instruccin tpica en una maquina podra hacer ms que la instruccin en otra. Sin

embargo, son comparables los conjuntos de instrucciones de las computadoras

mainframe y de las superminis, entonces la comparacin es vlida. Otra rea dramtica

de diferencia es el precio, tal como se muestra en la tabla.



40

En trminos de volumen de dlares, los mainframes son el sector ms grande del

mercado de hardware computacional y el mercado contina creciendo. La pregunta

sugera de por qu tales maquinas costosas continan sobreviviendo en el mundo de las

minicomputadoras y de las minis de bajo costo. De hecho, las predicciones de la muerte

de los mainframes han aparecido con regularidad desde hace 15 aos o ms. Por

ejemplo:

1. Los mainframes tienen ms que ir al paso de las otras clases de computadoras en

trminos de precio y de mejoras en el desempeo.

2. Hay una funcin que legtimamente slo proporcionan las computadoras de la clase de los

mainframes. Permtanos examinar con brevedad estos dos aspectos.

Los dramticos progresos en el desempeo de las minicomputadoras llevaron a varios

observadores a creer que los mainframes costosos estaran fuera de uso alrededor de la

mitad de la dcada de los setentas. El evento que represent un punto decisivo para la

industria de los mainframes fueron volmenes de remesas de sistemas de conexin

compatible por AmdahlCorp en 1976.

Estas mquinas eran idnticas en funcionamiento a la CPU de IBM y podan usar todo el

software de las mquinas IBM. Amdahl ofreci mejoras en el precio y en la ejecucin

sobre los mainframes de la IBM y esto introdujo una verdadera competencia para este

sector de la industria. El resultado fue una fuerte respuesta de IBM. De 1970 a 1976, el

mainframe de IBM aument de 1.8 MIPS a 2.5 MIPS y de 1976 a 1982, ascendi de 2.5

MIPS a 14 MIPS. Durante este perodo, los precios permanecieron estables. Esta mejora

de precio/desempeo super a la que se haba experimentado en la industria de la

minicomputadora en el mismo lapso de tiempo.

Sin embargo, un mainframe de tamao completo es una enorme inversin. Con el

desarrollo de la tecnologa de procesamiento de datos distribuidos, varios observadores

sintieron que incluso grandes aplicaciones podran manejarse con una red de


41

minicomputadoras en lugar de una microcomputadora. Esto ha ocurrido en algunas reas.

Pero en un rea, el mainframe contina dominando.

La principal funcin de los mainframes en la actualidad, es soportar grandes bases de

datos.

Las enormes organizaciones de negocios y de gobierno necesitan un almacn central de

datos que se pueda manejar y controlar de manera central. Slo el mainframe tiene la

potencia de procesamiento para manejar grandes sistemas de bases de datos.

Cray Y-MP IBM 3090/600

VAX 8842 IBM AS/400/B60 IBM PS/2/50

Clase Supercomputadora Mainframe Minicomputadora Minicomputadora Microcomputadora

Pri

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