Curso: Sistema de manufactura: 01 Introducción, arquitectura y organización

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Mg, Ing. Jack Daniel Cáceres Meza, PMP

Sistema de manufacturaIngeniería de Sistemas y Seguridad Informática

Mg. Ing. Jack Daniel Cáceres Meza, [email protected]

Sesiones 01 y 02Introducción, arquitectura y organización

mailto:[email protected]

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Bibliografía

Organización y Arquitectura de Computadores. Stallings, W.

Prentice Hall-2000.

Arquitectura de Computadores. J.Hennesy & D. Patterson. Edit.

Prentice Hall-1993.

Arquitectura de Computadoras. M.Morris Mano. Edit. Prentice

Hall-1994.

Organización de Computadoras. Andrew Tanenbaum. Edit.

Prentice Hall-1990.

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Un poco de historia

Año 4000 a 3000 a.C. Invención del Ábaco, en China, instrumento formado porun conjunto de cuerdas paralelas, cada de las cuales sostiene varias cuentasmóviles, usadas para contar, se desarrollo, hasta reflejar el sistema decimal,con diez cuentas en cada cuerda.

Año 1300 a 1500 d.C. En el imperio Inca es usado el sistema de cuentas,mediante nudos en cuerdas de colores, para mantener un registro y calculo delos inventarios de granos y ganado.

1617 John Napier desarrolla los vástagos de Napier, formados por un conjuntode piezas con números grabados en ellas, que podían ser usadas paramultiplicar, dividir y extraer raíces.

1642 Blaise Pascal construye el primer calculador mecánico, que consistía enun conjunto de ruedas, cada una de las cuales registraba un dígito decimal, y algirarse en diez pasos producía un paso de rotación en la siguiente.

1662 William Oughtred inventa la regla de cálculo.

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Un poco de historia

1801 Joseph Marie Jackard perfecciona la primera máquina que utiliza tarjetasperforadas; ésta era un telar, que podía tejer automáticamente diseñoscomplejos, de acuerdo a un conjunto de instrucciones codificadas en lastarjetas perforada.

1822 Charles Babbage construye un pequeño modelo operativo de uncalculador llamado “Máquina de Diferencias”

1829 Charles Xavier Thomas, construye el primer calculador que ejecuta lascuatro operaciones aritméticas en forma exacta.

1872 Frank Stephen Baldwin inventa una calculadora con teclas, basada en losprincipios de la máquina de Charles Thomas.

1887 Hernan Hollerith, un estadista, hizo realidad su idea de la tarjeta delectura mecánica, y diseñó un aparato que se llamo “Máquina de Censos”.Después del censo de 1890, Hollerith trasformó su equipo para uso comercial yestableció sistemas de estadísticas de carga para los ferrocarriles. En 1896,fundó la Compañía de Máquinas de Tabulación, para hacer y vender suinvento.

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Un poco de historia

1925 Vennevar Bush y sus colaboradores construyen el primer Computadoranalógico de gran escala.

1937 Howard Aiken de la Universidad de Harvard en Massachusetts comienzaa construir una máquina calculadora automática, el Mark I, que pudieracombinar las capacidades técnicas de la época con los conceptos de tarjetasperforadas desarrolladas por Hollerith. En 1944 el proyecto fue culminado.

1943 - 1946 J. Presper Ecker y John Mauchly construyen el primer Computadorcompletamente electrónico, el E.N.I.A.C. (Electronic Numerical Integrator AndCalculator), pesaba aproximadamente 30 toneladas, ocupaba un espacioaproximado de 1.500 pies cuadrados y usaba 18.000 tubos. ENIAC podíaresolver en un día lo que manualmente tardaría 300 días.

1944 John Von Neumann desarrolla el concepto de los programasalmacenados, es decir, un conjunto de instrucciones guardadas en una unidadde almacenamiento, que luego son ejecutadas en forma secuencial.

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Historia

Generación Años Características

0 hasta 1945 Sistemas mecánicos y electro-mecánicos

1 1945 – 1955 Tubos al vacío, tableros

2 1955 – 1965 Transistores y sistemas por lotes

3 1965 – 1980 Circuitos integrados y multiprogramación

4 desde 1980 Computadores personales

http://www.top500.org

http://www.top500.org/

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¿Qué es una computadora?

Una máquina digital electrónica programable para el tratamiento

automático de la información, capaz de recibirla, operar sobre

ella mediante procesos determinados y suministrar los

resultados de tales operaciones. (Stallings).

La computadora es:

• Numérica

• Automática

• Secuencial

• Universal

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Aclaraciones

Arquitectura

Descripción de la

construcción y

distribución física

de los

componentes de

la computadora.

Organización

Niveles de abstracción

de los componentes de

la computadora.

Describe “cómo sucede”

Describe “lo que sucede”

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Función

Una computadora es básicamente una máquina cuya función principales procesar información.

Funciones básicas:

Almacenar Información

Organizar Información

Recuperar Información

Transmitir Información

La acción de "procesar" se

relaciona con el acto de

modificar o transformar

algo de su estado original

a uno nuevo.

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Función

Operación

individual de los

componentes

como parte de su

estructura.

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Clasificaciones

Tamaño:

Microcomputadoras

Minicomputadoras

Mainframe

Supercomputadoras (NASA, estudio y predicción de tornados)

Propósito:

Analógicas (control de perforación de pozos petroleros)

Digitales (las modernas)

Híbridas (radar de la defensa de Estados Unidos y de los vueloscomerciales)

Aplicación:

Propósito general (militar, industria)

Propósito especial/específico (simuladores, IA)

Otras clasificaciones:

• Por consumo eléctrico

• Multi-mono usuario

• Multi-mono procesador

• Portátiles

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Estructura de una computadora

Computador

MemoriaPrincipal

EntradaSalida

Sistema deinterconexión

periféricos

Líneas decomunicación

UnidadCentral de

ProcesoCPU

Computador

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Computer UnidadAritmética y

Lógica

Unidadde

Control

InterconexiónInterna de la CPU

Registros

CPU

I/O

Memory

SystemBus

CPU

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Procesadores y fabricantes

Hewlett-Packard Fujitsu Fairchild Semiconductor Digital Equipment Corporation Cyrix AT&T Advanced Micro Devices

Alpha Arm MIPS PA-RISC x86

PowerPC SH Sparc 68k

La Ley de Moore expresa que aproximadamente cada 18 meses se duplica el número de transistores en un circuito integrado

Texas Instruments (TI)

Sun Microsystems

Ross Technology

NEC

Motorola

MIPS

Intel

IBM

http://bwrc.eecs.berkeley.edu/CIC/die_photos/#alpha

http://bwrc.eecs.berkeley.edu/CIC/die_photos/#arm

http://bwrc.eecs.berkeley.edu/CIC/die_photos/#mips

http://bwrc.eecs.berkeley.edu/CIC/die_photos/#parisc

http://bwrc.eecs.berkeley.edu/CIC/die_photos/#x86

http://bwrc.eecs.berkeley.edu/CIC/die_photos/#ppc

http://bwrc.eecs.berkeley.edu/CIC/die_photos/#sh

http://bwrc.eecs.berkeley.edu/CIC/die_photos/#sparc

http://bwrc.eecs.berkeley.edu/CIC/die_photos/#mot68

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Evolución de las minicomputadoras

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Jerarquía de niveles

Cada capa es una máquina virtual queabstrae a las maquina del nivelinferior.

Las máquinas, en su nivel,“interpretan” sus instruccionesparticulares, utilizando servicios de sucapa inferior para implementarlas.

En última instancia los circuitosterminan haciendo el trabajo…

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Las tres funciones lógicas básicas

Presencia de voltaje = valor 1

Ausencia de voltaje = valor 0

INPUT

A B

OUTPUT

A XOR B

0 0 0

0 1 1

1 0 1

1 1 0

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Procesamiento de información

Entrada

FIFO

Diferente a

la entrada

1 1 1 0 1

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Teoremas básicos del álgebra de Boole

A + 1 = 1

A • 1 = A

A + 0 = A

A • 0 = 0

A + A = A

A • A = A

ā = a

A + A = 1

A • A = 0

Los unos, minterms

Los ceros, maxterms

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Ejemplos

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Ejemplos

Tabla de verdad - Diagrama de tiempos

¿Cuál es el circuito?

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Ejercicios

Dado un circuito cuya salida es:

AB + CD ¿Cuál es el diagrama del

circuito que corresponde a dicha

expresión Booleana?

Se nos asegura que un circuito de

dos entradas tiene una salida

AB+A·B. ¿Cuál es el diagrama de

tal circuito?

La Tabla de Verdad para un circuito

lógico es la que se muestra. ¿Cuál

es el diagrama para el circuito de

acuerdo con esta Tabla de Verdad?

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Ejercicios

En un sistema informático se tienen 4 teclas como entrada (a, b, c, d) yen la salida hay tres dispositivos: impresora, plotter y pantalla.

El control de la salida esta dado por la siguiente regla:

Para las entradas en binario (en la secuencia a – b – c – d) de 0 a 3 en decimal,debe estar activa la salida únicamente de la impresora;

Para las entradas del 4 al 7 en decimal debe estar activa la salida del plotterúnicamente;

Para las entradas del 8 al 11 en decimal, debe estar activas en la salida lapantalla y la impresora;

Para el resto de los casos deben estar activas las 3 salidas.

Construya la tabla de verdad correspondiente.

Construya la ecuación lógica.

Construya el circuito lógico digital.

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Ejercicios

Se cuenta con el siguiente enunciado:

La USB cuenta con dos alarmas y 3 guardias de seguridad.

Las alarmas pueden ser activadas de la siguiente forma:

Una de las alarmas puede ser activada simultáneamente “solo” por dosguardias.

La otra alarma puede ser activada solamente por el guardia “A” y el guardia“C” pero no por los dos juntos, el guardia “B” no puede activar esta alarma.

Construya la tabla de verdad correspondiente.

Construya la ecuación lógica.

Construya el circuito lógico digital.

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Modelo Von Neumann

Su funcionamiento se basa en el concepto de programa almacenadoen memoria, en donde la memoria principal almacena Instrucciones yDatos.

Las Instrucciones son el programa que controla el funcionamiento de lacomputadora.

Los Datos son los que procesa y genera dicho programa.

Las fases que se distinguen en la ejecución de una instrucción son:

Búsqueda de la instrucción en memoria (Fetch) y cálculo de la direcciónde la instrucción siguiente.

Decodificación de la instrucción por parte de la CPU.

Búsqueda de los operadores de la instrucción.

Ejecución de la instrucción.

Escritura del resultado.

Salvador E. Jurado Ramírez, Universidad Autónoma de Puebla

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Salvador E. Jurado Ramírez, Universidad Autónoma de Puebla

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Multiprocesadores UMA

Acceso Uniforme a Memoria

Herbert Hoeger, Centro Nacional de Cálculo Científico, Universidad de Los Andes

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Multiprocesadores NUMA

Acceso No-Uniforme a Memoria


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Taxonomía de Flynn

Se basa en la multiplicidad del flujo de instrucciones y del flujo de datos en uncomputador.

El flujo de instrucciones es la secuencia de instrucciones ejecutadas por elcomputador.

El flujo de datos es la secuencia de datos sobre los cuales operan las instrucciones.

Introduce las nociones de:

Flujo de instrucciones simple (SI): La arquitectura tiene una única unidad de controlque produce un único flujo de instrucciones.

Flujo de instrucciones múltiple (MI): La arquitectura tiene múltiples unidades decontrol, cada una produciendo un flujo distinto de instrucciones.

Flujo de datos simple (SD): Sólo hay un procesador que ejecuta un único flujo dedatos.

Flujo de datos múltiple (MD): Hay varios procesadores, cada uno de ellosejecutando un flujo de datos distinto.


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Taxonomía de Flynn

La clasificación de Flynn incluye las siguientes categorías:

Single instruction stream, single data stream (SISD)

Single instruction stream, multiple data stream (SIMD)

Multiple instruction stream, single data stream (MISD)

Multiple instruction stream, multiple data stream (MIMD)

Fernández Rodríguez, Menéndez González y Buccini. Universidad de Oviedo

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Operación

Single instruction stream, single data stream (SISD)

Single instruction stream, multiple data stream (SIMD)

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Operación

Multiple instruction stream, single data stream (MISD)

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Operación

Multiple instruction stream, multiple data stream (MIMD)

Existe overhead que

incluye: scheduling,

contención,

sincronización y

comunicación entre procesadores.


Gracias por su atención

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