Circuitos Digitales II y Laboratorio Electr´onica Digital II y Laboratorio Fundamentos de Arquitectura de Computadores Introducci´ on - Un poco de historia

Profesor: Felipe Cabarcas Correo:[email protected] Oficina: 19-446 Departamento de Ingenier´ıa Electr´ onica Universidad de Antioquia

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¿Qu´e es Arquitectura de Computadores?

Compilador−→

Lenguaje Natural Algoritmo Lenguaje de alto nivel Arquitectura del Conjunto de Instrucciones (ISA) Micro-arquitectura Circuitos Electrones

  Foco principal de la Arquitectura de  computadores

c

Yale Patt and Sanjay Patel, From bits and bytes to gates and beyond

En su definici´on m´as amplia, la arquitectura de computadores es el dise˜ no de las capas de abstracci´on que permiten implementar aplicaciones de procesamiento de informaci´ on eficientemente usando las tecnolog´ıas de manufactura disponibles. Felipe Cabarcas (UdeA)

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La arquitectura est´a cambiando continuamente

Las aplicaciones sugieren como mejorar la tecnolog´ıa El mejoramiento de la tecnolog´ıa permite nuevas aplicaciones

Tecnologia

C

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El costo del desarrollo del software hace de la compatibilidad una fuerza importante del mercado.

Aplicaciones

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Primeros sistemas de computaci´on

EDSAC, University of Cambridge, UK, 1949 Felipe Cabarcas (UdeA)

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Desempe˜no de los uniprocesadores en el tiempo Tomado de Hennessy and Patterson, Computer Architecture: A Quantitative Approach, 4th edition, October, 2006

VAX : 25 %/year 1978 al 1986 RISC + x86: 52 %/year 1986 al 2002 RISC + x86: ?? %/year 2002 al presente Felipe Cabarcas (UdeA)

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El final de la era de los uniprocesadores

El m´as grande cambio en la historia de los sistemas de computaci´on

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Desempe˜no de los uniprocesadores en el tiempo

Tomado de http://en.wikipedia.org/wiki/Moore’s_law Felipe Cabarcas (UdeA)

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El quinto paradigma

Tomado de http://en.wikipedia.org/wiki/Moore’s_law Felipe Cabarcas (UdeA)

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Charles Babbage 1791-1871 Lucasian Professor of Mathematics, Cambridge University, 1827-1839 Difference Engine (M´aquina diferencial) 1823 I

I

I

El principio de la m´aquina diferencial es el m´etodo de las diferencias divididas de Newton (Cualquier polinomio puede ser calculado a partir de tablas de diferencias) Construida por el sueco Pehr Georg Scheutz, quien se la vende al gobierno Brit´anico y a los EEUU Aplicaciones F F F

Tablas logar´ıtmicas Tablas Matem´ aticas – Astronom´ıa Tablas Nauticas – Armada Naval

Analytic Engine (M´aquina anal´ıtica) 1833 I

El predecesor de la computadora digital moderna! F

F

Inspirado por las m´ aquinas de tejer de Jacquard que estaban controladas por tarjetas perforadas Las tarjetas perforadas dictaban el patr´ on a tejer o programa

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Harvard Mark I Construida en 1944 por IBM, funcion´ o hasta 1959 Esencialmente mec´anica pero ten´ıa algunos rel´es electro-magn´eticos y engranajes Pesaba 5 toneladas y ten´ıa 750,000 componentes Un reloj de sincronizaci´ on de per´ıodo 0.015 segundos (66Hz)

Desempe˜no 0.3 segundos la suma 6 segundos la multiplicaci´ on 1 minuto el c´ alculo del seno

Aritm´etica decimal Sin saltos Condicionales! Se da˜ naba una vez a la semana!

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Atanasoff–Berry Computer (ABC) Linear Equation Solver, Iowa State University

1930’s Soluci´on de Ecuaciones lineales Usaba RAM din´amica (condensadores que deb´ıan ser refrescados)

Aplicaci´on Ecuaciones diferenciales integrales y lineales

Tecnolog´ıa 300 Tubos y rel´es electromec´anicos

Trasfondo El analizador diferencial de Vannevar Bush – una computadora anal´ogica Felipe Cabarcas (UdeA)

Atanasoff y Berry decidieron que el modo correcto de computaci´on era usar d´ıgitos binarios electr´onicos Digitales II, Introducci´ on

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Electronic Numerical Integrator and Computer (ENIAC) Eckert y Mauchly Dise˜ nada en 1943 en la Universidad de Pennsylvania, inspirados en la ABC Primera calculadora electr´onica anal´ıtica operacional de prop´osito general. 30 toneladas, 72 metros cuadrados, 200KW

Desempe˜no Le´ıa 120 tarjetas por minuto

No era muy confiable!

Uso

La suma tardaba 200 µs, la divisi´ on 6 ms

C´alculos Bal´ısticos durante la Segunda guerra mundial.

1000 veces m´as r´apida que Mark I

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Electronic Discrete Variable Automatic Computer Problemas de ENIAC solucionados por EDVAC El sistema de programaci´ on de ENIAC era externo La secuencia de instrucciones era ejecutada independiente del resultado de los c´alculos (no hab´ıan “if”) Se requer´ıa intervenci´ on de los humanos para ejecutar instrucciones fuera de orden

Soluci´on de Eckert, Mauchly, John von Neumann y otros El computador con programa almacenado (stored program computer): El programa puede ser manipulado como datos.

Controversia Primer reporte publicado en 1945, solo firmado por John von Neumann! En 1973 la corte de Minneapolis atribuy´ o el honor de la invenci´on de la computadora a John Atanasoff Felipe Cabarcas (UdeA)

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Origen de la idea del Stored-Program Computer

Origen Se puede rastrear su concepto te´ orico al art´ıculo de 1936 de Alan Turing sobre una m´aquina universal.

Primer art´ıculo completo En 1945 John von Neumann public´ o el primer borrador de un reporte sobre EDVAC, y por lo tanto se conoce como la arquitectura von Neumann.

Primer art´ıculo completo En 19 Febrero de 1946 Alan Turing public´ o un primer dise˜ no detallado.

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Comparaci´on entre ENIAC y EDVAC ENIAC 18,000 tubos 20 N´ umeros de 10-digitos

vs

EDVAC 4,000 tubos 2000 words de almacenamiento en l´ıneas de retardo de mercurio

ENIAC Ten´ıa muchas unidades paralelas asincr´ onicas, pero solo una estaba activa en un momento dado.

BINAC Dos procesadores que se comprobaban mutuamente. No funcion´o bien porque los procesadores nunca coincid´ıan.

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Problema predominate: Confiabilidad Tiempo medio entre fallas (MTBF) La Whirlwind del MIT con un MTBF de 20 minutos era tal vez la m´aquina m´as confiable!

Razones para la baja confiabilidad 1 2

Tubos de vac´ıo Medio de almacenamiento I I I

Lineas de retardo ac´ ustico Lineas de retardo mercurio Tubos de Williams

Soluci´on La confiabilidad fue resuelta con el invento de la memoria de n´ ucleo magn´etico por J. Forrester del MIT en 1954 para el proyecto Whirlwind

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Primeras Computadoras Name

Operacional

Sistema Num´ erico

Mecanismo

Programaci´ on

Turing complete

Zuse Z3 (Ale- Mayo 1941 mania)

In theory (1998)

ABC (EEUU) Colossus Mark 1 (GB) Harvard Mark I – IBM ASCC (EEUU) Colossus Mark 2 (GB) Zuse Z4 (Alemania) ENIAC (EEUU)

No No

Manchester SSEM (GB) ENIAC Modificado (EEUU) EDSAC (GB) Manchester Mark 1 (GB) CSIRAC tralia)

(Aus-

Binario pun- Electro-mec´ ani- Programa controlado por una pel´ıcula foto flotante co togr´ afica de 35mm perforada (sin saltos condicionales) 1942 Binario Electr´ onico No era programable – un solo prop´ osito Febrero 1944 Binario Electr´ onico Controlado por programa a trav´ es de cables de interconexi´ on e interruptores Mayo 1944 Decimal Electro-mec´ ani- Controlado por programa a trav´ es de cinco ta de papel perforadas de 24 canales (sin saltos condicionales) Junio 1944 Binario Electr´ onico Controlado por programa a trav´ es de cables de interconexi´ on e interruptores Marzo 1945 Binario pun- Electro-mec´ ani- Programa controlado por una pel´ıcula foto flotante co togr´ afica de 35mm perforada Julio 1946 Decimal Electr´ onico Controlado por programa a trav´ es de cables de interconexi´ on e interruptores Junio 1948 Binario Electr´ onico Programa almacenado en memoria de tubos cat´ odicos de Williams Septiembre Decimal Electr´ onico Programaci´ on guardado en memorias de 1948 solo lectura usando Tablas de Funciones Mayo 1949 Binario Electr´ onico Programa guardado en memorias de l´ınea de retardo de mercurio Octubre 1949 Binario Electr´ onico Programa almacenado en memoria de tubos cat´ odicos de Williams y tambores magn´ eticos Noviembre 1949 Binario Electr´ onico Programa guardado en memorias de l´ınea de retardo de mercurio http://en.wikipedia.org/wiki/Harvard_Mark_I

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No

In theory (2011) Yes Yes Yes Yes Yes Yes

Yes

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Primer Bug Grace Murray Hopper 1906-1992

Usos del t´ermino

Pionera programadora del Harvard Mark I. Desarroll´o primer compilador para lenguaje de programaci´ on. Ayud´o en el desarrollo de COBOL.

Ella sigui´ o usando el t´ermino debugging cuando buscaban errores en los programas.

El primer Bug, una polilla En 1947, trabajando en el Mark II, descubrieron una polilla (moth) en el contacto de un rel´e, que imped´ıa su funcionamiento. http://www.waterholes.com/~dennette/1996/hopper/bug.htm

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Actividad Comercial 1948-1952

Selective Sequence Electronic Calculator (SSEC) de IBM (basada en la Harvard Mark I). Considerada por algunos como la primera computadora. Almacenamiento de 150 palabras Las instrucciones, y tablas de datos eran le´ıdos de casetes (tapes) de papel 66 estaciones de lectura de casetes! Los casetes pod´ıan ser pegados entre ellos para formar bucles! La salida de datos se daba en una fase de computaci´on mientras que se le´ıan datos en otra fase

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LEO I (Lyons Electronic Office I) – 1951 Primera computadora usada para aplicaciones comerciales La compa˜ nia de alimentos del Reino Unido J. Lyons and Co., la desarroll´o para sus tiendas de te.

Funcionamiento Las tienda, en la tarde, llamaban a la central (primer call center computarizado). Calculaba la producci´ on nocturna, instrucciones de empaquetado, distribuci´on, facturas, c´alculo de costos, reportes para jefes y administradores.

Idea En viaje a EEUU los administradores observaron el potencial de las computadoras para su negocio, y que en la Universidad de Cambridge (UK) estaban dise˜ nando EDSAC. Felipe Cabarcas (UdeA)

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Fuentes de Informaci´on

Parte de este material fue tomado de: Krste Asanovic (UC Berkeley, curso cs152) Quien da los siguientes cr´editos o Acknowledgment: I

These slides contain material developed and copyright by: F F F F F F

I I

Arvind (MIT) Krste Asanovic (MIT/UCB) Joel Emer (Intel/MIT) James Hoe (CMU) John Kubiatowicz (UCB) David Patterson (UCB)

MIT material derived from course 6.823 UCB material derived from course CS252

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