Tarea N° 3 I UNIDAD
Autor: Anabel Anabel Juliana Va Varhen Vilela Vilela
"AÑO DE LA CONSOLIDACIÓN DEL MAR DE GRAU”
INTEGRANTES
:
ANABEL JULIANA VARHEN VILELA
CARRERA
:
INGENIERÍA DE SISTEMAS.
CURSO
:
ARQUITECTURA DE COMPUTADORAS
CICLO
:
DOCENTE
:
AÑO
:
V
JUAN LUIS HUERTO GARRIDO
- 20! -
TAREA N° 3 - I UNIDAD
Explique con sus propias palabras la Importancia de la arquitectura de Von Neumann. Arquitectura de Von Neumman
En 1945 aproximadamente, se construye una computadora basada en el uso de tecnología de bulbos denominada ENIAC (Electronic Numerical Intergator and Calculator!, "ue pesaba cerca de #$,$$$ %g, se instal& en una gran 'abitaci&n y re"uiri& de gran entilaci&n) *ien, esta gran m+"uina uncionaba a base de estar conectando y desconectando cables seg-n la unci&n "ue se "uería "ue reali.ara, esta unci&n de recablear, es sin&nimo de programar pero era muy complicado el proceso) En 194/ el matem+tico 0o'n on Neumann ide& una soluci&n "ue eitaría el recablear la ENIAC, la cu+l consistía en introducir las operaciones por medio de tar2etas peroradas, por lo "ue un programa preiamente almacenado y en las tar2etas, se podía mantener latente en memoria para su uso) Este modelo permite "ue las instrucciones se encuentren residentes en una memoria listas para ser leídas y e2ecutadas) + Memoria principal: se trata de un espacio de
almacenamiento temporal de instrucciones y datos, ordenada de manera reticular para locali.ar de manera sencilla mediante direcciones, diidida en dos partes una para traba2o y otra permanente) En trminos modernos, es la memoria 6A7 "ue actualmente utili.amos en nuestros e"uipos) + Unidad aritmética: encargada de reali.ar todas las
actiidades matem+ticas y de decisi&n l&gicas, cada dato lo recibe de la memoria principal y en ella misma almacena) En trminos modernos, es una secci&n dentro de los microprocesadores) + Unidad de control: controla las se8ales, lee instrucciones
3igura 4) iagrama de la de la memoria y e2ecuta las &rdenes, tambin almacena ar"uitectura de on Neumann direcciones de la siguiente instrucci&n "ue re"uiere) En trminos modernos, es otra secci&n dentro de los microprocesadores) :nidad de E;<= (entrada;salida! permite la comunicaci&n con otros dispositios externos y el compartir datos) En trminos modernos, son los puertos de la computadora) Es importante mencionar "ue lo anterior es un modelo b+sico, no 'ay "ue olidar "ue tambin 'acen alta otros elementos "ue no entran dentro de la clasiicaci&n de Neumann pero "ue tambin son importantes como la uente de suministro de electricidad y la placa base, adem+s de otros secundarios como la unidad de soporte >ard?are (gabinete!, los entiladores, etc)
Explique con sus propias palabras la Importancia de la arquitectura de Von Neumann.
Von Neumann describi& el undamento de todo ordenador electr&nico con programas
almacenados) escribía, a dierencia de como pasaba anteriormente, como podía uncionar un ordenador con sus unidades conectadas permanentemente y su uncionamiento estuiese coordinado desde la unidad de control (a eectos pr+cticos es la C@:!) Aun"ue la tecnología 'a aan.ado muc'o y aumentado la comple2idad de la ar"uitectura inicial, la base de su uncionamiento es la misma y probablemente lo seguir+ siendo durante muc'o tiempo) El artículo iene acompa8ado de una representación gr!ica del !uncionamiento) Antes de entrar en los detalles de las unidades tenemos "ue conocer lo siguiente= •
"egistros= es el lugar donde se almacenan temporalmente los datos "ue est+n en moimiento
para procesarlos) En la representaci&n de la imagen del principio podis er "ue son los registros) •
#uses= son las uniones entre las distintas unidades, la memoria y los periricos)
Unidad de proceso central $%&U'
Es la unidad encargada de controlar y gobernar todo el sistema "ue comprende una computadora) a C@: consiste en un circuito integrado ormado por millones de transistores, "ue est+ dise8ado para poder procesar datos y controlar la m+"uina) Como ya sabis, es un actor clae para la potencia de la computadora) a C@: dispone de dos unidades en su interior= la unida de control y la unidad aritmético(lógica) Unidad de control
a unidad de control se encarga de leer las instrucciones (de los programas almacenados en la memoria! y se encarga de eniar las ordenes a los componentes del procesador para "ue e2ecuten las instrucciones)
El proceso empie.a cuando llega una instrucci&n al registro de instrucciones (llega como una cadena de bits con distintas partes, reeridas a la propia instrucci&n y a los datos "ue se usar+n!) @osteriormente el decodi!icador interpreta la instrucci&n a reali.ar y como deben de actuar los componentes del procesador para llearla a cabo) Esta acci&n se reali.a mediante el secuenciador "ue enía microB&rdenes marcadas por el relo) ("ue genera pulsos de orma constante, se suele expresar su elocidad en giga'ercios o >., para los procesadores actuales!) Unidad Aritmético *ógica $A*U'
a unidad aritmético lógica es la encargada de reali.ar todas las operaciones aritmticas (sumas, multiplicaciones)))! y l&gicas (comparaciones!) Esta unidad puede tener distintos dise8os, el de la imagen superior muestra el dise8o m+s b+sico (donde el acumulador uele a usarse en la operaci&n!, en la actualidad lo normal es "ue el acumulador no se me.cle con los registros de entrada) El uncionamiento con el dise8o "ue estamos anali.ando (el b+sico! comien.a cuando le llega al registro de entrada un dato (una cadena de bits "ue representan un n-mero!, posteriormente el circuito operacional (en la imagen se representa como A: y coloreado a.ul! y se procesa 2unto al contenido del acumulador y posteriormente se deposita de nueo en el acumulador) 6epitiendo esta acci&n se generan los c+lculos) Este proceso se e claramente en la representaci&n "ue 'ay m+s aba2o)
Memoria principal
a memoria principal en la ar"uitectura inicial era directamente la 6A7, pero esto 'a eolucionado y se 'an a8adido memorias cac' e implementado algoritmos "ue predicen "ue datos amos a usar m+s recuentemente) a memoria 6A7 es bastante sencilla, en comparaci&n con la C@:, se podría decir "ue es una tabla, "ue contiene la direcci&n (o lugar! donde est+ cierto dato y el contenido del propio dato) a memoria dispone de un registro de direcciones (67! y un registro de intercambio de memoria (6I7 o registro de datos!) En el registro de direcciones se almacena la direcci&n en la "ue se almacenar+ o leer+ un dato, y en el registro de intercambio de memoria se almacena ese dato leído o "ue se almacenar+) Cuando 'ablamos de direcciones de memoria a muc'os os sonar+ de los punteros de C, y es por esto "ue es esencial conocer la ar"uitectura de on Neumann antes de aprender a programar en ciertos lengua2es "ue act-an a m+s ba2o niel) a unidad de control contiene el registro contador de programa, "ue contiene la direcci&n de memoria de la siguiente instrucci&n, "ue se incrementa tras reali.ar una instrucci&n y así a recorriendo la memoria y e2ecutando el programa) #uses
Dodos estos elementos se comunican entre si a tras de buses, ya sea para mane2ar las acciones a reali.ar por la m+"uina o para moer datos) >ay tres tipos de buses) El bus de datos perite el intercambio de datos (ya sean instrucciones o datos! con el resto de elementos de la ar"uitectura) Es decir, mediante el bus de datos la unidad de control recibe las instrucciones y la A: los datos desde la memoria, al igual "ue tambin los enían por este medio) El bus de instrucciones transmite las direcciones de memoria "ue an a ser usadas desde la C@:, para poder seleccionar los datos "ue ser+n usados) El bus de control es el "ue transporta las ordenes generadas por la C@: para controlar los diersos procesos de la m+"uina)
uncionamiento de la arquitectura
@ara er c&mo unciona la ar"uitectura 'e creado una representaci&n documentada del proceso)
Este dise8o de la ar"uitectura, como ya 'e comentado, es el b+sico (con acumulador como registro de entrada! y el anc'o de los datos es de bits) as instrucciones est+n ormadas por dos blo"ues de 4 bits, los primeros para instrucciones y los -ltimos para la direcci&n de la memoria)
a ar"uitectura de on Neumann es una amilia de ar"uitecturas de computadoras "ue utili.an el mismo dispositio de almacenamiento tanto para las instrucciones como para los datos (a dierencia de la ar"uitectura >arard!) a mayoría de computadoras modernas est+n basadas en esta ar"uitectura, aun"ue pueden incluir otros dispositios adicionales, (por e2emplo, para gestionar las interrupciones de dispositios externos como rat&n, teclado, etc!) ,rigen
El nacimiento de la ar"uitectura on Neumann surge a raí. de una colaboraci&n en el proyecto ENIAC del matem+tico de orígen '-ngaro, 0o'n on Neumann) Este traba2aba en 194/ en el laboratorio at&mico de os Alamos cuando se encontr& con uno de los constructores de la ENIAC) Compa8ero de Einstein, oedel y During en @rinceton, on Neumann se interes& por el problema de la necesidad de recablear la m+"uina para cada nuea tarea) En 1949 'abía encontrado y desarrollado la soluci&n a este problema, consistente en poner la inormaci&n sobre las operaciones a reali.ar en la misma memoria utili.ada para los datos, escribindola de la misma orma, es decir en c&digo binario)
,rgani-ación
os ordenadores con esta ar"uitectura constan de cinco partes= a unidad aritmticoBl&gica o A:, la unidad de control, la memoria, un dispositio de entrada;salida y el bus de datos "ue proporciona un medio de transporte de los datos entre las distintas partes) :n ordenador con esta ar"uitectura reali.a o emula los siguientes pasos secuencialmente= 1) Enciende el ordenador y obtiene la siguiente instrucci&n desde la memoria en la direcci&n indicada por el contador de programa y la guarda en el registro de instrucci&n) F) Aumenta el contador de programa en la longitud de la instrucci&n para apuntar a la siguiente)
#) ecodiica la instrucci&n mediante la unidad de control) Ksta se encarga de coordinar el resto de componentes del ordenador para reali.ar una unci&n determinada) 4)
El trmino ar"uitectura de on Neumann se acu8& a partir del memorando 3irst rat o a 6eport on t'e EAC (1945! escrito por el conocido matem+tico 0o'n on Neumann en el "ue se proponía el concepto de programa almacenado) ic'o documento ue redactado en istas a la construcci&n del sucesor de la computadora ENIAC y su contenido ue desarrollado por 0o'n @resper EcMert, 0o'n illiam 7auc'ly, Art'ur *urMs y otros durante arios meses antes de "ue on Neumann redactara el borrador del inorme) Es por ello "ue otros tecn&logos como aid A) @atterson y 0o'n ) >ennessy promueen la sustituci&n de este trmino por el de ar"uitectura EcMertB7auc'ly) esarrollo del concepto de programa almacenado
El matem+tico Alan During, "uien 'abía sido alertado de un problema de l&gica matematica por las lecciones de 7ax Ne?man en la :niersidad de Cambridge, escribi& un articulo en 19#G titulado Hn Computable Numbers, ?it' an Application to t'e Entsc'eidungs problemJ, "ue ue publicado en los @roceedings o t'e ondon 7at'ematical
a m+"uina 'ipottica tenia un almacenamiento ininito (memoria en la terminología actual! "ue contenía tanto las instrucciones como los datos) El ingeniero alem+n %onrad Ouse escribi& de orma independiente sobre este concepto en 19#G) on Neumann conoci& a During cuando e2ercía de proesor sustituto en Cambridge en 19#5 y tambin durante el a8o "ue During pas& en la :niersidad de @rinceton en 19#GB#/) Cuando supo del artículo de 19#G de During no est+ claro) Independientemente, 0) @resper EcMert y 0o'n 7auc'ly, "uienes estaban desarrollando el ENIAC en la Escuela 7oore de Ingeniería Electrica en la :niersidad de @ennsylania, escribieron sobre el concepto de programa almacenadoJ en diciembre de 194#) 7ientras dise8aba una nuea ma"uina, EAC, EcMert escribi& en enero de 1944 "ue se almacenarían datos y programas en un nueo dispositio de memoria direccionable, una linea de retardo de mercurio) Esta ue la primera e. "ue se propuso la construccion de un programa almacenado pr+ctico) @or esas ec'as, no tenian conocimiento del traba2o de During) on Neumann estaba inolucrado en el @royecto 7an'attan en el aboratorio Nacional os Alamos, el cual re"ueria ingentes cantidades de c+lculos) Esto le condu2o al proyecto ENIAC, en erano de 1944) Allí se incorpor& a los debates sobre el dise8o de un ordenador con programas almacenados, el EAC) Como parte del grupo, se oreci& oluntario a escribir una descripci&n de l) El trmino on Neumann arc'itectureJ surgi& del primer artículo de on Neumann= 3irst rat o a 6eport on t'e EACJ, ec'ado el #$ de 2unio de 1945, el cual incluía ideas de EcMert y 7auc'ly) Estaba inconcluso cuando su compa8ero >erman oldstine lo 'i.o circular con solo el nombre de on Neumann en l, para consternaci&n de EcMert y 7auc'ly) El artículo ue leído por docenas de compa8ero de traba2o
de on Neumann en America y Europa, e inluenci& la siguiente 'ornada de dise8os de computadoras) @osteriormente, During desarroll& un inorme tcnico detallado, @roposed Electronic CalculatorJ, describiendo el 7otor de Computaci&n Autom+tico (Automatic Computing Engine, ACE!) @resent& ste al aboratorio Nacional de 3ísica *rit+nico el 19 de ebrero de 194G) A pesar de "ue During sabía por su experiencia de guerra en el @ar"ue *letc'ley "ue su propuesta era actible, el secretismo mantenido durante muc'as decadas acerca de los ordenadores Colossus le impidi& maniestarlo) arias implementaciones exitosas del dise8o ACE ueron producidas) os traba2os de ambos, on Neumann y During, describían ordenadores de programas almacenados, pero al ser anterior el artículo de on Neumann, consigui& mayor circulaci&n y repercusi&n, así "ue la ar"uitectura de computadoras "ue esbo.& ad"uiri& el nombre de ar"uitectura on NeumannJ) En 1945, el proesor 0)HN)NE:77AN "ue estaba traba2ando en la escuela 7oore de ingeniería de 3iladelia, donde el ENIAC 'abia sido construido, emiti& en nombre de un grupo de sus compa8eros de traba2o un inorme sobre el dise8o l&gico de los ordenadores digitales) El inorme contenía una propuesta muy detallada para el dise8o de la m+"uina "ue desde entonces se conoce como el EAC (electronic discrete ariable automatic computer !) Esta m+"uina 'a sido recientemente completada en America, pero el inorme de on Neumman inspir& la construccion de la E
En 194/, *urMs, oldstine y on Neumann, publicaron un inorme en el "ue describen el dise8o de otro tipo de ma"uina ( una m+"ina paralela en este momento ! "ue debería ser muy r+pida, capa. de 'acer F$)$$$ operaciones por segundo)
os primeros computadores constaban de programas almacenados) Algunos muy simples siguen utili.ando este dise8o,por e2emplo, una calculadora es un computador "ue tiene un programa almacenado) @uede 'acer operaciones matem+ticas simples, pero no puede ser usada como procesador de textos o ideoconsola) Cambiar el programa "ue contenían los dispositios "ue usaban esta tecnología re"uería reescribir, reestructurar y;o redise8ar el dispositio) os primeros computadores no estaban lo suiciente programados cuando ueron dise8ados) a tarea de reprogramar, cuando era posible, era un proceso laborioso, empe.ando con notas en papel y siguiendo con detallados dise8os de ingeniería) P tras esto llegaba el a eces complicado proceso de reescritura y reestructuramiento ísico del computador) El concepto de programa almacenado cambi& por completo, se pens& en un computador "ue en su dise8o contenía un con2unto de instrucciones "ue podían ser almacenadas en memoria, o sea, un programa "ue detallaba la computaci&n del mismo)
El dise8o de un programa almacenado tambin daba la posibilidad a los programas de ser modiicados ellos mismos durante su e2ecuci&n) :no de los primeros motios para su creaci&n ue la necesidad de un programa "ue incrementara o modiicara las direcciones de memoria de algunas instrucciones, las cuales tenían "ue ser 'ec'as manualmente en los primeros dise8os) Esto se oli& menos importante cuando el índice de registros y el direccionamiento indirecto se conirtieron en algo 'abitual en la ar"uitectura de computadores) El c&digo automodiicable ue en gran parte ganando posiciones) A gran escala, la 'abilidad de tratar instrucciones como datos es lo "ue 'acen los ensambladores, compiladores y otras 'erramientas de programaci&n autom+ticas)
de
Von
Neumann
$Von
Neumann
bottlenec/'
a separaci&n entre la C@: y la memoria llea al embotellamiento de on Neumann, al rendimiento de procesamiento limitado (taria de transerencia de datos! entre la C@: y a la memoria comparada a la cantidad de memoria) En la mayoría de las computadoras modernas, el rendimiento de procesamiento es muc'o m+s pe"ue8o "ue la taria en la cual la C@: puede traba2ar) Esto limita seriamente la elocidad del proceso eica. cuando la C@: se re"uiere para reali.ar el proceso mínimo en grandes cantidades de datos) a C@: es or.ada continuamente para esperar los datos necesarios "ue se transerir+n desde o 'acia memoria) esde la C@: el tama8o de la elocidad y de la memoria 'a aumentado muc'o m+s r+pidamente "ue el rendimiento de procesamiento entre ellos, el embotellamiento se 'a conertido en m+s de un problema) El trmino embotellamiento de on NeumannJ ue acu8ado por 0uan *acMus en su conerencia de la concesi&n de 19// AC7 During)
programaci&n uncional moderna y la programaci&n orientada a ob2etos se engranan muc'o menos 'acia empu2ar los grandes n-meros de palabras 'acia adelante y 'acia atr+sJ "ue los anteriores lengua2es como era el 3H6D6AN)
&rimeros ordenadores basados en arquitecturas 0on Neumann
a primera saga se basaba en un dise8o "ue ue utili.ado por muc'as uniersidades y empresas para construir sus e"uipos) Entre estos, s&lo IIAC y H6AC tenían un con2unto de instrucciones compatible) Q H6AC (:BIllinois! en Aberdeen @roing round, 7aryland (completado en noiembre de 1951! Q IA< mac'ine en @rinceton :niersity (0an 195F! Q 7ANIAC I en aboratorio Cientiico os Alamos(7ar 195F! Q IIAC en la :niersidad de Illinois, (NNIAC en 6AN Corporation (0an 1954! Q *E<% en Estocolmo (195#! Q *E<7B1 en 7osc- (195F! Q A<% en inamarca (1955! Q @E67 en 7unic' (195GR! Q
0o'n on Neumann .u 7argitta (se pronuncia Son noimanT!, (7argittai Neumann 0+nos a2os! (F de diciembre de 19$# B de ebrero de 195/! ue un matem+tico '-ngaroBestadounidense de ascendencia 2udía, "ue reali.& contribuciones importantes en ísica cu+ntica, an+lisis uncional, teoría de con2untos, inorm+tica, economía, an+lisis numrico, 'idrodin+mica (de explosiones!, estadística y muc'os otros campos de la matem+tica) 6ecibi& su doctorado en matem+ticas de la :niersidad de *udapest a los F# a8os) 3ue una de las cuatro personas seleccionadas para la primera acultad del Institute or Adanced
Lcomputadora autom+tica electr&nica de ariable discretaL!, desarrollada por on Neumann, EcMert y 7auc'ly)
os programas almacenados dieron a las computadoras lexibilidad y coniabilidad, 'acindolas m+s r+pidas y menos su2etas a errores "ue los programas mec+nicos) Htra de sus in"uietudes ue la capacidad de las m+"uinas de autorreplicarse, lo "ue le lle& al concepto de lo "ue a'ora llamamos m+"uinas de on Neumann o aut&matas celulares) #iogra!ia
El mayor de tres 'ermanos, on Neumann naci& 0+nos Neumann a2os (en '-ngaro el apellido precede al nombre! en *udapest, >ungría, en una amilia 2udía adinerada) -ngaro) (espus de conertirse en semiBaut&nomas en 1G/, >ungría se encontr& en la necesidad de una clase mercantil ibrante)! e este modo, la amilia Neumann ad"uiri& el título margittai, pasando a llamarse margittai Neumann 0+nos (0on' Neumann de 7argitta!, "ue luego cambi& al alem+n 0o'ann on Neumann) Kl recibi& su doctorado en matem+ticas (y de manera secundaria en ísica experimental y "uímica! de la :niersidad @+.m+ny @ter en *udapest con FF a8os) de Ouric' en
on Neumann se cas& dos eces) a primera de ellas ue con 7ariette %oesi en 19#$, 2usto antes de emigrar a los Estados :nidos) Duieron una 'i2a (la -nico 'i2a "ue tuo on Neumann!, 7arina) Actualemnte, es una distinguida proesora de comercio internacional y política p-blica en la
:niersidad de 7ic'igan) a pare2a se diorci& en 19#/) En 19#, on Neumann se cas& con Mlari an, a "uien 'abía conocido durante sus -ltimos ia2es de uelta a *udapest antes del estallido de la ospital alter 6eed en as'ington, C, init& a un sacerdote cat&lico, el @adre Anselmo
