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SIN SIGLA

David Ff

16/3/2024

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ÍNDICE

1. Unidad 1: Organización y arquitectura de computadoras ....................................3
Tema 1: Introducción a la organización y arquitectura de computadoras ................... 3
Objetivo: ........................................................................................................................ 3
2. Introducción ......................................................................................................4
3. Información de los subtemas .............................................................................5
3.1 Subtema 1: Arquitectura, organización y definición .......................................... 5
3.2 Subtema 2: Las generaciones de computadores ............................................... 9
La primera generación: los tubos de vacío ............................................................... 9
La segunda generación: los transistores ................................................................. 11
La tercera generación: los circuitos integrados ...................................................... 12
Últimas generaciones .............................................................................................. 14
3.3 Subtema 3: Tendencias futuras........................................................................ 16
Clasificación de Flynn de los computadores ........................................................... 16
Procesadores de propósito especial ....................................................................... 18
Direcciones futuras para los compiladores ............................................................. 19
Juntando todo: el multiprocesador Sequent Symmetry ......................................... 20
4. Bibliografía ...................................................................................................... 22

Introducción a la organización y arquitectura de computadoras
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1. Unidad 1: Organizació n y
arquitectura de cómputadóras
Tema 1: Introducción a la organización y arquitectura
de computadoras
Objetivo:
Conocer los conceptos básicos de la Organización y Arquitectura de
Computadores, así como su historia y evolución.

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2. Intróducció n
El presente documento contiene referencias sobre la organización y
funcionamiento de los computadores y tiene como principal intención, presentar,
de manera sencilla y abarcando la mayor cantidad de información como sea
posible, el entorno del computador y sus características actuales. Es importante
mencionar que existe una gran cantidad de sistemas que se clasifican de manera
córrecta ó se nómbran cómó “cómputador”, pór ejempló, desde microprocesadores
de un solo chip, de bajo costo, a supercomputadores o mainframes con costos de
muchos millones de dólares, por lo tanto, esta unidad servirá para que el alumno
logre diferenciar las diferentes arquitecturas y organizaciones de computadores.
El subtema 1, tiene como objetivo explicar de forma sencilla e interesante
adentrando al alumno, en conceptos básicos (de varios autores) sobre
organización y arquitectura de computadores, así como la importancia de estudiar
la arquitectura y organización de los computadores.
El subtema 2, se revisará de manera rápida la historia de las computadoras a
través de sus generaciones de la siguiente manera: primera generación presenta
los tubos de vacío. Segunda generación, destacan los transistores en reemplazo a
los tubos de vacío. Tercera generación, nace el uso de circuitos integrados. Cuarta
generación, circuitos integrados a gran escala.
El subtema 3, define la clasificación de las computadoras de acuerdo a la
taxonomía de Flynn.

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3. Infórmació n de lós subtemas
3.1 Subtema 1: Arquitectura, organización y definición
Según (Stallings, 2006), “cuando se describe un computador, frecuentemente se
distingue entre arquitectura y organización. Aunque es difícil dar una definición precisa
para estos términos, existe un consenso sobre las áreas generales cubiertas por cada
uno de ellos”.
El mismo autor expresa que “la arquitectura de computadores se refiere a los atributos
de un sistema que son visibles a un programador, o para decirlo de otra manera,
aquellos atributos que tienen un impacto directo en la ejecución lógica de un
programa”.
Como lo expresa (Parhami, 2005), “la arquitectura de computadoras abarca un
conjunto de ideas centrales aplicables al diseño o comprensión de virtualmente
cualquier computadora digital, desde los más pequeños sistemas anidados hasta las
más grandes supercomputadoras. La arquitectura de computadoras no es sólo para
diseñadores de computadoras; incluso los simples usuarios se benefician de un firme
asidero de las ideas centrales y de una apreciación de los conceptos más avanzados en
este campo. Ciertas realizaciones clave, como el hecho de que un procesador de 2x
GHz no necesariamente es el doble de rápido que un modelo de x GHz, requieren una
capacitación básica en arquitectura de computadoras”.
(GOMEZ, 2012) conceptualiza la arquitectura en el entorno informático como “lo que
se denomina hardware de computadores consiste en circuitos electrónicos,
visualizadores, medios de almacenamiento magnéticos y ópticos, equipos
electromecánicos y dispositivos de comunicación. Por lo que la arquitectura de
computadoras abarca la especificación del repertorio de instrucciones y las unidades
hardware que implementan las instrucciones”
“Arquitectura de computadoras es el diseño conceptual y la estructura operacional
fundamental de un sistema de computadora. Es decir, es un modelo y una descripción
funcional de los requerimientos y las implementaciones de diseño para varias partes
de una computadora, con especial interés en la forma en que la unidad central de
proceso (UCP) trabaja internamente y accede a las direcciones de memoria.” (ECU
RED, 2019)
También suele definirse como la forma de seleccionar e interconectar componentes de
hardware para crear computadoras según los requerimientos de funcionalidad,
rendimiento y costo.
https://www.ecured.cu/Unidad_central_de_procesamiento
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Sobre el concepto de organización de computadoras (Stallings, 2006), indica que “la
organización de computadores se refiere a las unidades funcionales y sus
interconexiones, que dan lugar a especificaciones arquitectónicas. Entre los ejemplos
de atributos arquitectónicos se encuentran el conjunto de instrucciones, el número de
bits usados para representar varios tipos de datos (por ejemplo, números, caracteres),
mecanismos de E/S y técnicas para direccionamiento de memoria. Entre los atributos
de organización se incluyen aquellos detalles de hardware transparentes al
programador, tales como señales de control, interfaces entre el computador y los
periféricos y la tecnología de memoria usada”.
También nos presenta un ejemplo para diferenciar entre arquitectura y organización,
“para poner un ejemplo, una cuestión de diseño arquitectónico es si el computador
tendrá la instrucción de multiplicar. Una cuestión de organización es si esa instrucción
será implementada poruna unidad especializada en multiplicar o por un mecanismo
que haga un uso iterativo de la unidad de suma del sistema. La decisión de
organización puede estar basada en la frecuencia prevista del uso de la instrucción de
multiplicar la velocidad relativa de las dos aproximaciones, y el coste y el tamaño físico
de una unidad especializada en multiplicar”.
Además, para dejar en claro estos conceptos, expresa que “históricamente, y aún hoy
día, la distinción entre arquitectura y organización ha sido importante. Muchos
fabricantes de computadores ofrecen una familia de modelos, todos con la misma
arquitectura, pero con diferencias en la organización. Consecuentemente los
diferentes modelos de la familia tienen precios y prestaciones distintas. Más aún, una
arquitectura puede sobrevivir muchos años, pero su organización cambia con la
evolución de tecnología. Un ejemplo destacado de ambos fenómenos es la
arquitectura IBM Sistema/370. Esta arquitectura apareció por primera vez en 1970 e
incluía varios modelos. Un cliente con necesidades modestas podía comprar un
modelo más barato y lento, y, si la demanda se incrementaba, cambiarse más tarde a
un modelo más caro y rápido sin tener que abandonar el software que ya había sido
desarrollado. A través de los años IBM ha introducido muchos modelos nuevos con
tecnología mejorada para reemplazar a modelos más viejos, ofreciendo al consumidor
mayor velocidad, precios más bajos o ambos a la vez. Estos modelos más nuevos
conservaban la misma arquitectura para proteger así la inversión en software del
consumidor. Podemos destacar que la arquitectura del Sistema/370 con unas pocas
mejoras ha sobrevivido hasta hoy día como la arquitectura de la línea de grandes
productos de computación IBM.
En una clase de sistemas, llamados microcomputadores, la relación entre arquitectura
y organización es muy estrecha. Los cambios en la tecnología no solo influyen en la
organización, sino que también dan lugar a la introducción de arquitecturas más ricas y
potentes. Generalmente hay menos requisitos de compatibilidad generación a
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generación para estas pequeñas máquinas. Así, hay más interacción entre las
decisiones de diseño arquitectónicas y de organización. Un ejemplo interesante de
esto son los computadores de repertorio reducido de instrucciones”
Para (Ariza, 1993) “la organización básica de una computadora consiste en la unidad de
entrada, por medio de la cual se introducen datos e instrucciones; la unidad central de
procesamiento, donde se procesan los datos de acuerdo con las instrucciones dadas, y
la unidad de salida, por medio de la cual se presenta la información resultante al
usuario”.
(Mancia, 2014) indica que: “el estudio de la organización del computador implica
considerar las características de los distintos subsistemas que lo integran (procesador,
2 memoria, dispositivos periféricos y de almacenamiento), tanto desde el nivel de
arquitectura como desde el de micro arquitectura; así como la interconexión de dichos
subsistemas (jerarquía de buses), los flujos mutuos de datos y control (comunicación y
sincronización) que permiten el funcionamiento del computador”.
¿Ha diferenciado Ud. claramente el concepto de arquitectura de computadores del de
organización de computadores?
¿Podría Ud. dar su propia opinión o concepto de cada uno?

Figura 1 Arquitectura esquemática de una placa madre típica
Fuente: (Yanza, Guijarro, & García, 2018)
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Figura 2 Organización física del computador
Fuente: (Yanza, Guijarro, & García, 2018)

Conclusión: A pesar de que los conceptos de arquitectura y organización de
computadores son totalmente diferentes, muchas veces llevan a la confusión del lector
por lo que se hace necesario la lectura de varios autores que presenten diferentes
definiciones para, de esta manera, dejar claro los conceptos básicos al iniciar el
desarrollo de la materia de Arquitectura del computador y exista un mejor
entendimiento entre el alumno y el profesor guía.

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3.2 Subtema 2: Las generaciones de computadores
(Stallings, 2006) en su libro Organización y arquitectura de computadores hace una
descripción detallada de las diversas generaciones de las computadoras y su evolución,
la cual exponemos a continuación:
La primera generación: los tubos de vacío
ENIAC. El ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer), diseñado y
construido bajo la supervisión de John Mauchly y John Presper Eckert en la Universidad
de Pennsylvania, fue el primer computador electrónico de propósito general del
mundo. El proyecto fue una respuesta a necesidades militares durante la Segunda
Guerra Mundial. El BRL (Ballistcs Research Laboratory, Laboratorio de Investigación de
Balística) del Ejército, una agencia responsable del desarrollo de tablas de tiro y de
trayectoria para nuevas armas, tenía dificultades para elaborarlas con exactitud y
dentro de un plazo de tiempo razonable. Sin estas tablas de tiro, las nuevas armas y
piezas de artillería eran inútiles para los artilleros. El BRL empleó a más de doscientas
personas, la mayoría mujeres, que utilizando calculadoras de mesa resolvían las
ecuaciones balísticas necesarias. La preparación de las tablas para una sola arma le
habría llevado a una persona muchas horas, incluso días.” (Stallings, 2006)
“Mauchly, un catedrático de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Pennsylvania, y
Eckert, uno de sus alumnos de licenciatura, propusieron construir un computador de
propósito general usando tubos de vacío para utilizarlo en las aplicaciones de la BRL.
En 1943 esta proposición fue aceptada por el ejército y se comenzó a trabajar en el
ENIAC. La máquina que construyeron era enorme, pesaba treinta toneladas, ocupaba
15 000 pies cuadrados y contenía más de 18 000 tubos de vacío. Cuando funcionaba
consumía 140 Kilovatios de potencia. También era bastante más rápida que cualquier
computador electromecánico, ya que era capaz de efectuar 5 000 sumas por segundo.”
(Stallings, 2006)
“El ENIAC se terminó en 1946, demasiado tarde para ser utilizado durante la guerra. En
su lugar, su primera misión fue realizar una serie de cálculos complejos que se usaron
para ayudar a determinar la viabilidad de la bomba de hidrógeno. El uso del ENIAC
para una función distinta de aquella para la que fue construido demostró su naturaleza
de propósito general. Así, 1946 marcó el comienzo de la nueva era de los
computadores electrónicos, culminando años de esfuerzo. El ENIAC siguió funcionando
bajo la dirección del BRL hasta 1955, cuando fue desmontado.” (Stallings, 2006)
“La máquina de von Neumann, la tarea de cargar y modificar programas para el ENIAC
era extremadamente tediosa. El proceso de programación podría ser más fácil si el
programa se representara en una forma adecuada para ser guardado en la memoria
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junto con los datos. Entonces, un computador podría conseguir sus instrucciones
leyéndolas de la memoria, y se podría hacer o modificar un programa colocando los
valores en una zona de memoria.” (Stallings, 2006)
“Esta idea conocida como concepto del programa-almacenado,se atribuye a los
diseñadores del ENIAC, sobre todo al matemático John von Neumann, que era asesor
del proyecto ENIAC. La idea fue también desarrollada aproximadamente al mismo
tiempo por Turing. La primera publicación de la idea fue en una propuesta de von
Neumann para un nuevo computador en 1945, el EDVAC (Electronic Discrete Variable
Computer). En 1946 von Neumann y sus colegas empezaron, en el Instituto para
Estudios Avanzados de Princeton, el diseño de un nuevo computador de programa-
almacenado, que llamaron IAS. El computador IAS, no completado hasta 1952, es el
prototipo de toda una serie de computadores de propósito general.” (Stallings, 2006)
“Computadores comerciales Los años cincuenta contemplaron el nacimiento de la
industria de computadores con dos compañías, Sperry e IBM, dominando el mercado.
En 1947 Eckert y Mauchly formaron la Eckert-Mauchly Computer Corporation para
fabricar computadores con fines comerciales. Su primera máquina de éxito fue el
UNIVAC I (Universal Automatic Computer), que fue empleada por la oficina del censo
para sus cálculos en 1950. La Eckert-Mauchly Computer Corporation formó luego parte
de la división UNIVAC de la Sperry-Rand Corporation, que siguió construyendo una
serie de máquinas sucesoras de la primera.” (Stallings, 2006)
“El UNIVAC I fue el primer computador comercial de éxito. Estaba diseñado, como su
nombre indica, tanto para aplicaciones científicas como comerciales. El primer
documento que describía el sistema mencionaba como ejemplos de tareas que podía
realizar operaciones algebraicas con matrices, problemas de estadística, reparto de
primas para las compañías de seguros de vida y problemas logísticos.” (Stallings, 2006)
“El UNIVAC II, que tenía una capacidad de memoria mayor y más aplicaciones que el
UNIVAC I, salió al mercado al final de los cincuenta e ilustra varias tendencias que han
permanecido como características de la industria de computadores. Primera, los
avances en la tecnología permiten a las compañías seguir construyendo computadores
más grandes y más potentes. Segunda, cada compañía intenta hacer sus nuevas
máquinas superiores y compatibles con las anteriores. Esto significa que los programas
escritos para las viejas máquinas pueden ejecutarse en las nuevas máquinas. Esta
estrategia se adopta para retener la base de clientes, es decir, que cuando un cliente
decide comprar una máquina nueva, probablemente la comprará a la misma compañía
para evitar perder su inversión en programas. La división UNIVAC comenzó también el
desarrollo de la serie de computadores 1100, que fue su producto principal. Esta serie
ilustra una distinción que existió en aquella época. El primer modelo, el UNIVAC 1103,
y sus sucesores durante muchos años, estaban diseñados principalmente para
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aplicaciones científicas que implicaban cálculos largos y complejos. Otras compañías se
centraron en el campo de la gestión, lo que conllevaba el procesamiento de grandes
cantidades de textos.” (Stallings, 2006)
“IBM, que había ayudado a construir el Mark I y era entonces el principal fabricante de
equipos de procesamiento con tarjetas perforadas, sacó su primer computador con
programas almacenados electrónicamente, el 701, en 1953. El 701 fue diseñado
principalmente para aplicaciones científicas [BASH81]. En 1955 IBM presentó los
productos 702, que tenían varias características hardware que lo hacían adecuado para
aplicaciones de gestión. Estos fueron los primeros de una larga serie de computadores
700/7000 que situaron a IBM como el fabricante de computadores dominante, con
gran diferencia.” (Stallings, 2006)
La segunda generación: los transistores
El primer cambio importante en los computadores electrónicos vino con la sustitución
de los tubos de vacío por transistores. El transistor es más pequeño, más barato, disipa
menos calor y puede ser usado de la misma forma que un tubo de vacío en la
construcción de computadores. Mientras que un tubo de vacío requiere cables, placas
de metal, una cápsula de cristal y vacío, el transistor es un dispositivo de estado sólido,
hecho con silicio.” (Stallings, 2006)
“El transistor fue inventado en los Laboratorios Bell en 1947 y en los años cincuenta y
provocó una revolución electrónica. Sin embargo, los computadores completamente
transistorizados no estuvieron disponibles comercialmente hasta el final de los
cincuenta. IBM no fue la primera compañía que lanzó esta nueva tecnología. NCR y,
con más éxito, RCA fueron los primeros en sacar pequeñas máquinas de transistores.
IBM los siguió pronto con la serie 7000. El uso del transistor define la segunda
generación de computadores. La clasificación de los computadores en generaciones
basándose en la tecnología hardware empleada fue ampliamente aceptada. Cada
nueva generación se caracteriza por la mayor velocidad, mayor capacidad de memoria
y menor tamaño que la generación anterior.” (Stallings, 2006)
“También hay otros cambios. En la segunda generación se introdujeron unidades
lógicas y aritméticas y unidades de control más complejas, el uso de lenguajes de
programación de alto nivel, y se proporcionó un software del sistema con el
computador. La segunda generación es destacable también por la aparición de la
empresa Digital Equipment Corporation (DEC). DEC fue fundada en 1957 y en este año
sacó su primer computador, el PDP-1. Este computador y esta compañía iniciaron el
desarrollo de los minicomputadores que fue de gran importancia en la tercera
generación.” (Stallings, 2006)
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“El IBM 7094 Desde la introducción en 1952 de la serie 700 y la introducción del último
miembro en 1964 de la serie 7000, esta línea de productos sufrió la evolución típica de
los computadores. Los productos sucesivos de la línea presentaron un aumento de
prestaciones y capacidad y/o la disminución de precios.” (Stallings, 2006)
La tercera generación: los circuitos integrados
A un transistor simple y autocontenido se le llama componente discreto. A través de los
años cincuenta y principios de los sesenta, los equipos electrónicos estaban
compuestos en su mayoría por componentes discretos —transistores, resistencias,
capacidades, etc.—. Los componentes discretos se fabricaban separadamente,
encapsulados en sus propios contenedores, y soldados o cableados juntos en tarjetas
de circuitos en forma de panel, que eran instalados en computadores, osciloscopios y
otros equipos electrónicos. Cuando un dispositivo necesitaba un transistor, había que
soldar este, que tenía una forma de un pequeño tubo de metal y contenía una pieza de
silicio del tamaño de la cabeza de un alfiler, en una tarjeta de circuitos. Todo el
proceso de fabricación desde el transistor hasta el panel de circuitos era caro y
engorroso.” (Stallings, 2006)
“Estos hechos fueron el comienzo del surgimiento de problemas en la industria de
computadores. Los primeros computadores de la segunda generación contenían
alrededor de 10 000 transistores. Esta cantidad creció a cientos de miles, haciendo
cada vez más difícil la fabricación de máquinas nuevas y más potentes. En 1958 ocurrió
algo que revolucionó la electrónica y comenzó la era de la microelectrónica: la
invención del circuito integrado. El circuito integrado define la tercera generación de
computadores. En esta sección haremos una breve introducción a la tecnología de
circuitos integrados. Después veremos los que quizá sean los dos miembros más
importantes de la tercera generación, que surgieron al principio de la era: el IBMSistema/360 y el DEC PDP-8.” (Stallings, 2006)
“En 1964, IBM tenía un firme dominio del mercado con sus máquinas de la serie 7000.
Aquel año, IBM anunció el Sistema/360, una nueva familia de productos de
computadores. Aunque el anuncio mismo no fue ninguna sorpresa, contenía algunas
noticias desagradables para los clientes habituales de IBM: la línea de productos 360
era incompatible con las máquinas IBM anteriores. Por ello la transición al 360 sería
difícil para los clientes de IBM. Este fue un paso audaz de IBM, pero sentían que era
necesario romper con algunas de las limitaciones de la arquitectura 7000 y producir un
sistema capaz de evolucionar junto con la nueva tecnología de circuitos integrados
[PADE81, GIFF87]. La estrategia resultó provechosa tanto técnica como
financieramente. El 360 fue el éxito de la década y consolidó a IBM como el dominante
absoluto en las ventas de computadores, con una cuota de mercado por encima del
setenta por ciento. Y, con algunas modificaciones y ampliaciones, la arquitectura del
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360 permanece hasta hoy en día en la arquitectura de los grandes computadores
(mainframe) de IBM 5. A lo largo del texto se pueden encontrar ejemplos que utilizan
esta arquitectura.” (Stallings, 2006)
“El Sistema/360 fue la primera familia de computadores de la historia que se planeó.
La familia abarcaba un amplio rango de prestaciones y precios. Los distintos modelos
eran compatibles en el sentido de que un programa escrito para un modelo, tenía que
ser capaz de ser ejecutado por otro modelo de la serie, con la única diferencia del
tiempo de ejecución. El concepto de familia de computadores compatibles era a la vez
novedoso y extremadamente exitoso. Un cliente con necesidades modestas y un
presupuesto limitado podía empezar con el modelo 30, relativamente barato. Más
tarde, si las necesidades del cliente crecían, era posible pasarse a una máquina más
rápida, con más memoria, sin sacrificar la inversión ya realizada en software. Las
características de una familia son:” (Stallings, 2006)
“• Conjunto de instrucciones similar o idéntico: en muchos casos, se encuentran
exactamente el mismo conjunto de instrucciones máquina en todos los miembros de la
familia. Así, un programa que se ejecuta en una máquina, se podrá ejecutar en
cualquier otra. En algunos casos el computador más bajo de la familia tiene un
conjunto de instrucciones que es un subconjunto del computador más alto de la
familia. Esto quiere decir que los programas se pueden mover hacia arriba pero no
hacia abajo.
• Sistemas operativos similares o idénticos: el mismo sistema operativo básico está
disponible para todos los miembros de la familia. En algunos casos, se añaden
características complementarias a los miembros más altos.
• Velocidad creciente: la velocidad de ejecución de las instrucciones se incrementa
conforme se sube desde los miembros más bajos a los más altos de la familia.
• Número creciente de puertos de E/S: conforme se va desde lo más bajo a los más
alto de la familia.
• Tamaño de memoria creciente: conforme se va de lo más bajo a lo más alto de la
familia.
• Coste creciente: conforme se va de lo más bajo a lo más alto de la familia.” (Stallings,
2006)

“¿Cómo podría implementarse tal concepto de familia? Las diferencias entre los
modelos se basaron en tres factores: la velocidad básica, el tamaño y el grado de
simultaneidad [STEV64]. Por ejemplo, podría lograrse mayor velocidad en la ejecución
de una instrucción dada usando una circuitería más compleja en la ALU, permitiendo
que las suboperaciones se llevaran a cabo en paralelo. Otro modo de incrementar la
velocidad era incrementar la amplitud del camino de los datos entre la memoria
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principal y la CPU. En el Modelo 30, solo se podía captar un byte (8 bits) a la vez de la
memoria principal, mientras que en el Modelo 75 se podían captar ocho bytes a la vez.
El Sistema /360 no solamente dictó la carrera hacia el futuro de IBM, sino también
tuvo un profundo impacto en toda la industria. Muchas de sus características se han
convertido en un estándar para otros grandes computadores.” (Stallings, 2006)

“DEC PDP-8 En el mismo año que IBM lanzó su primer Sistema/360 tuvo lugar otro
lanzamiento trascendental: el PDP-8 de DEC. En aquella época, cuando la mayoría de
los computadores requerían una habitación con aire acondicionado, el PDP-8 (llamado
por la industria minicomputador en honor a la minifalda de aquellos tiempos) era lo
bastante pequeño para ser colocado en lo alto de una mesa de laboratorio o embutido
en otro equipo. No podía hacer todo lo que hacían los grandes computadores, pero a
16 000 dólares era suficientemente barato para que cada técnico de laboratorio
tuviera uno. Por contra, los computadores de la serie Sistema/360, presentados solo
unos meses antes costaban cientos de miles de dólares.” (Stallings, 2006)

“El bajo costo y pequeño tamaño del PDP-8 permitía a otros fabricantes comprarse un
PDP-8 e integrarlo en un sistema global para revenderlo. Estos otros fabricantes se
conocían como fabricantes de equipos originales (OEM), y el mercado de OEM llegó a
tener y aún tiene la mayor cuota del mercado de computadores. El PDP-8 fue un éxito
inmediato y logró el enriquecimiento de DEC. Esta máquina y los otros miembros de la
familia PDP-8 que la siguieron lograron un status de producción antes reservado a los
computadores IBM, con alrededor de 50 000 máquinas vendidas en los siguientes doce
años. Como se dice en la historia oficial de DEC, el PDP-8 «estableció el concepto de
minicomputador, abriendo el camino a una industria de miles de millones de dólares».
También estableció a DEC como el vendedor de minicomputadores número uno y
cuando el PDP-8 alcanzó el fin de su vida útil, DEC era el segundo fabricante de
computadores detrás de IBM.” (Stallings, 2006)

“En contraste con la arquitectura de conmutador central usada por IBM en sus
sistemas 700/7000 y 360, los últimos modelos del PDP-8 usaban una estructura que
ahora es prácticamente universal para minicomputadores y microcomputadores: la
estructura de bus. El bus PDP-8, llamado Ómnibus, consiste en 96 hilos conductores
separados, usados para control, direccionamiento y datos. Como todos los
componentes del sistema comparten un conjunto de caminos, su uso debe estar
controlado por la CPU. Esta arquitectura es altamente flexible, permitiendo conectar
módulos al bus para crear varias configuraciones.” (Stallings, 2006)
Últimas generaciones

Más allá de la tercera generación hay menos acuerdo general en la definición de las
generaciones de computadores. Con la introducción de la integración a gran escala
(LSI, Large-Scale Integration), podía haber más de 1 000 componentes en un simple
chip de circuito integrado. Con la integración a muy gran escala (VLSI, Very-Large Scale
Integration), se lograron más de 10 000 componentes por chip, y los chips VLSI
actuales pueden contener más de 100 000 componentes.” (Stallings, 2006)

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“Con el gran avance de la tecnología, la rápida introducción de nuevos productos, y la
importancia del software y las comunicaciones, así como del hardware, la clasificación
en generaciones se vuelve cada vez menos clara y menos significativa. Se podría decir
que la aplicación comercial de nuevos desarrollos resultó uno de los principales
cambios deprincipios de los años setenta y los resultados de estos cambios duran
todavía.” (Stallings, 2006)

¿Ha entendido Ud. la importancia de la evolución de los computadores y sus
componentes?
¿Cree Ud., según lo tratado en esta unidad, que la evolución de las tecnologías de los
equipos de cómputo ha llegado a su máximo punto o podrán crecer a ritmo acelerado?
¿Cree Ud. que las computadoras han beneficiado o perjudicado a la humanidad, por
qué? Sustente su respuesta.

Tabla 1 Generación de Computadores

Fuente: (Stallings, 2006)
Conclusión: La lectura y aprendizaje de la historia y las generaciones de computadores
permite conocer la importancia de las TIC en la vida humana. Es preciso reconocer la
valía e impacto positivo que la evolución y revolución de las computadoras ha causado
en nuestra sociedad, tampoco hay que dejar de un lado la parte negativa de este
desarrollo tecnológico y de la dependencia, que el ser humano tiene en los actuales
momentos con la tecnología.

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3.3 Subtema 3: Tendencias futuras
Clasificación de Flynn de los computadores
Según (Hennessy & Patterson, 1993), “Flynn propuso un sencillo modelo para clasificar
todos los computadores. Observó el paralelismo de los flujos de instrucciones y datos
exigidos por las instrucciones en los componentes más restringidos de la máquina, y
colocó a todos los computadores en una de cuatro categorías:
1. Flujo único de instrucciones, flujo único de datos (SISD, el uniprocesador)
2. Flujo único de instrucciones, flujos múltiples de datos (SIMD)
3. Flujos múltiples de instrucciones, flujo único de datos (MISD)
4. Flujos múltiples de instrucciones, flujos múltiples de datos (MIMD)
Este es un modelo tosco, ya que algunas máquinas son híbridos de estas categorías. No
obstante, en este capítulo seguimos este modelo clásico porque es sencillo, fácil de
comprender, da una buena primera aproximación y –quizá debido a la facilidad de
comprensión- también es el esquema más ampliamente utilizado.”
“Probablemente la clasificación más popular de computadores sea la clasificación de
Flynn. Esta taxonomía de las arquitecturas está basada en la clasificación atendiendo al
flujo de datos e instrucciones en un sistema. Un flujo de instrucciones es el conjunto
de instrucciones secuenciales que son ejecutadas por un único procesador, y un flujo
de datos es el flujo secuencial de datos requeridos por el flujo de instrucciones. Con
estas consideraciones, Flynn clasifica los sistemas en cuatro categorías:” (Universitat
de Valéncia, 2020)
“SISD (Single Instruction stream, Single Data stream) Flujo único de instrucciones y
flujo único de datos. Este es el concepto de arquitectura serie de Von Neumann donde,
en cualquier momento, sólo se está ejecutando una única instrucción. A menudo a los
SISD se les conoce como computadores serie escalares. Todas las máquinas SISD
poseen un registro simple que se llama contador de programa que asegura la
ejecución en serie del programa. Conforme se van leyendo las instrucciones de la
memoria, el contador de programa se actualiza para que apunte a la siguiente
instrucción a procesar en serie. Prácticamente ningún computador puramente SISD se
fabrica hoy en día ya que la mayoría de procesadores modernos incorporan algún
grado de paralelización como es la segmentación de instrucciones o la posibilidad de
lanzar dos instrucciones a un tiempo (superescalares).” (Universitat de Valéncia, 2020)
“MISD (Multiple Instruction stream, Single Data stream) Flujo múltiple de
instrucciones y único flujo de datos. Esto significa que varias instrucciones actúan
sobre el mismo y único trozo de datos. Este tipo de máquinas se pueden interpretar de
dos maneras. Una es considerar la clase de máquinas que requerirían que unidades de
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procesamiento diferentes recibieran instrucciones distintas operando sobre los
mismos datos. Esta clase de arquitectura ha sido clasificada por numerosos arquitectos
de computadores como impracticable o imposible, y en estos momentos no existen
ejemplos que funcionen siguiendo este modelo. Otra forma de interpretar los MISD es
como una clase de máquinas donde un mismo flujo de datos fluye a través de
numerosas unidades procesadoras. Arquitecturas altamente segmentadas, como los
arrays sistólicos o los procesadores vectoriales, son clasificados a menudo bajo este
tipo de máquinas. Las arquitecturas segmentadas, o encauzadas, realizan el
procesamiento vectorial a través de una serie de etapas, cada una ejecutando una
función particular produciendo un resultado intermedio. La razón por la cual dichas
arquitecturas son clasificadas como MISD es que los elementos de un vector pueden
ser considerados como pertenecientes al mismo dato, y todas las etapas del cauce
representan múltiples instrucciones que son aplicadas sobre ese vector.” (Universitat
de Valéncia, 2020)
“SIMD Single Instruction stream, Multiple Data stream Flujo de instrucción simple y
flujo de datos múltiple. Esto significa que una única instrucción es aplicada sobre
diferentes datos al mismo tiempo. En las máquinas de este tipo, varias unidades de
procesado diferentes son invocadas por una única unidad de control. Al igual que las
MISD, las SIMD soportan procesamiento vectorial (matricial) asignando cada elemento
del vector a una unidad funcional diferente para procesamiento concurrente. Por
ejemplo, el cálculo de la paga para cada trabajador en una empresa, es repetir la
misma operación sencilla para cada trabajador; si se dispone de una arquitectura SIMD
esto se puede calcular en paralelo para cada trabajador. Por esta facilidad en la
paralelización de vectores de datos (los trabajadores formarían un vector) se les llama
también procesadores matriciales.” (Universitat de Valéncia, 2020)
“MIMD (Multiple Instruction stream, Multiple Data stream) Flujo de instrucciones
múltiple y flujo de datos múltiple. Son máquinas que poseen varias unidades
procesadoras en las cuales se pueden realizar múltiples instrucciones sobre datos
diferentes de forma simultánea. Las MIMD son las más complejas, pero son también
las que potencialmente ofrecen una mayor eficiencia en la ejecución concurrente o
paralela. Aquí la concurrencia implica que no sólo hay varios procesadores operando
simultáneamente, sino que además hay varios programas (procesos) ejecutándose
también al mismo tiempo.” (Universitat de Valéncia, 2020)

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Figura 3 Clasificación de Flynn
Fuente: (Universitat de Valéncia, 2020)

Procesadores de propósito especial
“Además de explorar el paralelismo, muchos diseñadores hoy día están explorando
computadores de propósito especial. La creciente sofisticación del software de diseño
ayudado por computador y la creciente capacidad por chip conlleva la oportunidad de
construir rápidamente un chip que haga bien una cosa a bajo coste. El tratamiento de
imágenes y el reconocimiento del habla en tiempo real son ejemplos. Estos
dispositivos de propósito especial, o coprocesadores, frecuentemente actúan en unión
de la CPU. Hay dos tipos en la tendencia de coprocesadores: procesadores de señales
digitales y arrays sistólicos.” (Hennessy & Patterson, 1993)
“Los procesadores de señales digitales (o DSP) no derivan del modelo tradicional de
cálculo y tienden a parecermáquinas horizontales microprogramadas o máquinas
VLIW. Tienden a resolver problemas de tiempo real, que tienen esencialmente un flujo
de datos de entrada infinito. Ha habido poco énfasis en la compilación a partir de
lenguajes de programación como C, pero esto está empezando a cambiar. Cuando los
DSP se dobleguen frente a las demandas de los lenguajes de programación, será
interesante ver cómo difieren de los microprocesadores tradicionales. Los arrays
sistólicos evolucionaron de intentos de obtener un ancho de banda de cálculo más
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eficiente del silicio. Los arrays sistólicos se pueden considerar como un método para
diseñar computadores de propósito especial para equilibrar recursos, ancho de banda
de E/S y cálculo. Basándose en la segmentación, los datos fluyen en etapas desde
memoria a un array de unidades de cálculo y vuelta a memoria. Recientemente, la
investigación sobre arrays sistólicos se ha desplazado desde muchos chips de propósito
especial dedicados a menos chips, más potentes, que son programables.” (Hennessy &
Patterson, 1993)
“Los autores esperan, en los años noventa, un creciente papel para los computadores
de propósito especial, porque ofrecen mayor rendimiento y menor coste para
funciones dedicadas, como tratamiento de imágenes y reconocimiento del habla en
tiempo real. El mercado de los consumidores parece el candidato más probable, dado
su alto volumen y sensibilidad al coste.” (Hennessy & Patterson, 1993),
Direcciones futuras para los compiladores
Los compiladores del futuro tienen dos desafíos sobre las máquinas del futuro:
• Organización de los datos para reducir los gastos de jerarquía de memoria y de
comunicación, y
• Explotación del paralelismo.” (Hennessy & Patterson, 1993)
“Los programas del futuro gastarán un porcentaje mayor de tiempo de ejecución
esperando la jerarquía de memoria cuando crezca el desnivel entre la duración del
ciclo de reloj de los procesadores y el tiempo de acceso a memoria principal. Los
compiladores que organizan códigos y datos para reducir los fallos de cache pueden
conducir a mejoras mayores de rendimiento que las optimizaciones tradicionales de
hoy día. Mejoras adicionales son posibles con la posibilidad de pre búsqueda de datos
en una cache antes de que los necesite el programa. Una proposición interesante es
que al extender los lenguajes de programación existentes con operaciones sobre
arrays, un programador puede expresar el paralelismo con cálculo sobre arrays
completos, dejando al compilador que organice los datos en los procesadores para
reducir la cantidad de comunicaciones. Por ejemplo, la extensión propuesta a
FORTRAN 77, denominada FORTRAN 8X, incluye extensiones de arrays.” (Hennessy &
Patterson, 1993)
“La esperanza es que la tarea del programador pueda incluso ser más simple que con
máquinas SISD, donde las operaciones de arrays deben ser especificadas con bucles. El
rango de programas que dicho compilador puede manejar eficientemente, y el número
de indicaciones que un programador debe suministrar sobre dónde colocar los datos,
determinará el valor práctico de esta propuesta. Además de reducir los costes de
accesos a memoria y comunicación, los compiladores pueden cambiar el rendimiento
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en factores de dos o tres, al utilizar el paralelismo disponible en el procesador.”
(Hennessy & Patterson, 1993)
Juntando todo: el multiprocesador Sequent Symmetry
El alto rendimiento y bajo coste de los microprocesadores inspiraron un renovado
interés en los multiprocesadores en los años ochenta. Varios microprocesadores se
pueden colocar sobre un bus común porque:
▪ son mucho más pequeños que los procesadores multichip,
▪ las cachés pueden disminuir el tráfico del bus y
▪ los protocolos de coherencia pueden mantener cachés y memoria consistente.”
(Hennessy & Patterson, 1993)
“El tráfico por procesador y el ancho de banda del bus determinan el número de
procesadores en dicho multiprocesador. Algunos proyectos de investigación y
compañías investigaron estos multiprocesadores de bus compartido. Un ejemplo es
Sequent Corporation, fundada para construir multiprocesadores basados en
microprocesadores estándares, y el sistema operativo UNIX. El primer sistema fue el
Balance 8000, ofertado en 1984 con un número de microprocesadores National32032
comprendido entre 2 y 12, un bus de transacciones de 32 bits que multiplexaba
direcciones y datos, y una caché de escritura directa, asociativa por conjuntos, de 2
vías y 8 KB por procesador. Cada caché observa el bus para mantener la coherencia
utilizando escritura directa con invalidación.” (Hennessy & Patterson, 1993)
“El ancho de banda sostenida de la memoria principal y del bus es de 26,7 MBIs. Dos
años más tarde Sequent se modernizó con el Balance 2 1000, ofreciendo hasta 30
microprocesadores National 32032 con el mismo bus y sistema de memoria. En 1986,
Sequent comenzó a diseñar el multiprocesador Symmetry, utilizando un
microprocesador de 300 a 400 por 100 más rápido que el 32032. El objetivo fue
soportar tantos procesadores como fuese posible utilizando los controladores de E/S
desarrollados para el sistema de Balance. Esto significó que el bus tenía que
permanecer compatible, aunque los nuevos sistemas de bus y memoria debían
proporcionar aproximadamente del 300 al 400 por 100 más ancho de banda que el
sistema más antiguo.” (Hennessy & Patterson, 1993)
“El objetivo de mayor ancho de banda del sistema de memoria con un bus similar fue
atacado en cuatro niveles. Primero, la cache se incrementó a 64 KB, aumentando la
frecuencia de aciertos y, por tanto, el ancho de banda efectivo visto por el procesador.
Segundo, la política de caché fue cambiada de escritura directa a postescritura para
reducir el número de operaciones de escritura sobre el bus compartido. Para mantener
la coherencia caché con postescritura, Symmetry utiliza un esquema de invalidación en
escritura. El tercer cambio fue duplicar la anchura del bus a 64 bits, doblando casi el
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ancho de banda del bus a 53 MB/s. El cambio final fue que cada controlador de
memoria entrelazaba la memoria de dos bancos, permitiendo que el sistema de
memoria se adecuase al mayor ancho de banda del bus. El sistema de memoria puede
tener hasta seis controladores, con un total de hasta 240 MB de memoria principal.”
(Hennessy & Patterson, 1993)
“El uso de lenguajes de alto nivel y la portabilidad del sistema operativo UNIX permitió
cambiar los repertorios de instrucciones al Intel 80386 más rápido. Comendo a una
frecuencia de reloj mayor, con el acelerador, más rápido, Weitek 1 167 de punto
flotante, y con el sistema de memoria mejorado, un único 80386 corría de 214 a 776
por 100 con más rapidez para benchmarks en punto flotante y, aproximadamente, el
375 por 100 con más rapidez para benchmarks enteros. Otra de las restricciones de
diseño fue que los nuevos circuitos impresos de Symmetry tenían que funcionar
adecuadamente cuando se pusiesen en los antiguos sistemas de Balance. Como el
nuevo sistema tenía que utilizar postescritura y el sistema antiguo utilizaba escritura
directa, el equipo hardware resolvió el problema diseñando las nuevas cachés para
que soportasen o escritura directa o postescritura. Lovett y Thakkar [1988]
aprovecharon esa característica para ejecutar programas paraleloscon ambas
políticas.” (Hennessy & Patterson, 1993)
“Como mencionamos antes, la utilización del bus está estrechamente ligada al número
de procesadores que se pueden utilizar en los sistemas de bus único. Las caches de
escritura directa deberían tener mayor utilización del bus para el mismo número de
procesadores, ya que cada escritura debe ir sobre el bus; o desde una perspectiva
diferente, el mismo bus debería poder soportar más procesadores si utilizan cachés de
postescritura. Hay dos componentes para el tráfico de bus: los fallos normales y el
soporte de coherencia. Los fallos del uniprocesador (forzoso, capacidad y conflicto)
pueden reducirse con cachés mayores y con mejores políticas de escritura, pero el
tráfico de coherencia es una función del programa paralelo.” (Hennessy & Patterson,
1993)
¿Por qué cree Ud. que la clasificación de Flynn, a pesar de ser un modelo tosco, sea el
más utilizado para explicar la clasificación de los computadores? Sustente su respuesta
de acuerdo a las 4 clasificaciones dadas.
Conclusión: El modelo de Flynn, a pesar de ser tosco, es el más utilizado por su
sencillez y facilidad de comprensión puesto que permite, al estudiante, un
conocimiento más aproximado a la arquitectura del computador.
La taxonomía de Flynn da a conocer de manera bastante didáctica la clasificación
atendiendo al flujo de datos e instrucciones en un sistema.

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4. Bibliógrafí a

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computadoras. Un enfoque práctico. Las Tunas, Cuba: Editorial Académica
Universitaria (Edacun) y Opuntia Brava.

1. Unidad 1: Organización y arquitectura de computadoras
Tema 1: Introducción a la organización y arquitectura de computadoras
Objetivo:
2. Introducción
3. Información de los subtemas
3.1 Subtema 1: Arquitectura, organización y definición
3.2 Subtema 2: Las generaciones de computadores
La primera generación: los tubos de vacío
La segunda generación: los transistores
La tercera generación: los circuitos integrados
Últimas generaciones
3.3 Subtema 3: Tendencias futuras
Clasificación de Flynn de los computadores
Procesadores de propósito especial
Direcciones futuras para los compiladores
Juntando todo: el multiprocesador Sequent Symmetry
4. Bibliografía