Historia Del Hardware

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– Parte de Arquitectura de Computadores Profesores Diego Andrade Canosa (diego.andrade (at) udc.es) D 0.03 ´ Gabriel Rodr´ıguez Alvarez (grodriguez (at) udc.es) S 1.2 M´as informaci´on en campusvirtual.udc.es Temario: Historia del hardware Representaci´on de la informaci´ on Arquitectura del PC IB – Historia del hardware IB – ´Indice Edad antigua Edad media Edad moderna Edad contempor´anea Generaciones modernas IB Historia del hardware – Edad antigua El ´abaco ∼2400 a.C. Herramienta para simplificar c´alculos aritm´eticos. Utiliza cuentas que se deslizan a lo largo de alambres o una acanaladura. Utilizado por primera vez en la antigua Mesopotamia. Distintos modelos con diferentes caracter´ısticas. IB Historia del hardware – Edad antigua ´ Figura: Abaco romano, con disposici´ on 1:4. IB Historia del hardware – Edad antigua ´ Figura: Abaco chino (su`anp´an), con disposici´ on 2:5, que permite conteo hexadecimal. V´ıdeo: Funcionamiento del ´abaco IB Historia del hardware – Edad antigua Mecanismo de Anticitera ∼125 a.C. IB Historia del hardware – Edad antigua Primer computador anal´ ogico conocido. Construido en Grecia alrededor del 125 a.C. Se desconoce su constructor o prop´ osito. Se introduc´ıa una fecha usando las manecillas, y mostraba la posici´on de la Luna, el Sol y los 5 planetas conocidos por los griegos. Usaba un modelo geoc´entrico para calcular el movimiento de los cuerpos celestes. El dispositivo tambi´en predec´ıa los eclipses solares y mostraba la fecha de los antiguos juegos ol´ımpicos. Es el primer dispositivo conocido en usar engranajes diferenciales (anteriormente el primer uso conocido era del S. XVII). IB Historia del hardware – Edad antigua Figura: Reconstrucci´ on de R.J. Deroski seg´ un el modelo de D.J. de Solla. IB Historia del hardware – Edad antigua Otros dispositivos griegos Dise˜ nados o expuestos por Her´ on de Alejandr´ıa (ca. 10–70 d.C.). Primera m´aquina expendedora. Una obra de teatro totalmente mec´anica, operada por un sistema de cuerdas y m´aquinas simples. La primera m´aquina de vapor, la eol´ıpila. IB Historia del hardware – Edad antigua Figura: Eol´ıpila moderna. IB Historia del hardware – Edad media Ingenier´ıa medieval isl´amica ca. 724 d.C. – Liang Lingzan construye uno de los primeros relojes mec´anicos. ca. 875 d.C. – Los hermanos Banu Musa construyen el instrumento musical mec´anico m´as antiguo conocido: un ´organo hidr´aulico que reproduce cilindros intercambiables. Figura: Cilindro musical como el empleado en el ´ organo hidr´aulico de los hermanos Banu Musa. IB Historia del hardware – Edad media Al-Biruni (973–1048), astr´ onomo persa, perfecciona el astrolabio e inventa el planisferio. (a) Astrolabio persa del S. X. (b) Planisferio. V´IDEO: C´omo funciona un astrolabio. IB Historia del hardware – Edad media Azarquiel de Toledo (1029–1087) inventa el Equatorium. Jabir ibn Aflah (1100–1150) inventa el Torquetum. (c) Equatorium, S. XV. (d) Torquetum, S. XVII. IB Historia del hardware – Edad media Al-Jazari (1136–1206) construye numerosos ingenios, entre los que destacan: Maniqu´ıs humanoides programables, la primera aproximaci´on no-m´agica a un robot: Camarera que sirve bebidas. Lavador de manos. “Fuente del pavo real” con sirvientes automatizados. Banda musical rob´ otica. Un reloj astron´ omico considerado el computador anal´ogico programable m´as antiguo. IB Historia del hardware – Edad moderna La primera calculadora ¿Leonardo da Vinci? (e) Dise˜ no de Leonardo da Vinci, ca. 1492. (f) Reconstrucci´ on de Roberto Guatelli, 1968. IB Historia del hardware – Edad moderna ¿Wilhelm Schickard? (a) Dise˜ no de Schickard, ca. (b) Reconstrucci´ on de L¨ oringhoff, 1961. 1624. Figura: Reloj calculador de Schickard. IB Historia del hardware – Edad moderna Blaise Pascal Figura: Pascalina, 1645. IB Historia del hardware – Edad moderna Primera calculadora autom´atica.1 Capaz de realizar sumas. Y restas mediante complemento a 9. M´aquina cara y con poco ´exito comercial. Deb´ıa personalizarse con la moneda del usuario. T´ecnicamente no era posible una producci´ on masiva. Se construyeron entre 20 y 50 unidades. 1 con permiso de Schickard IB Historia del hardware – Edad moderna Figura: Interior de una pascalina. Se observan las ruedas que avanzan la cifra computada, as´ı como el mecanismo de acarreo y el complemento a 9 del n´ umero introducido. IB Historia del hardware – Edad moderna Stepped reckoner Dise˜ nado y construido por Gottfried Wilhelm von Leibniz entre 1672 y 1694. Primera calculadora capaz de multiplicar y dividir. Puede: Sumar y restar un n´ umero de 8 d´ıgitos a otro de 16. Multiplicar dos n´ umeros de 8 d´ıgitos y dar como resultado uno de 16. Dividir un n´ umero de 16 d´ıgitos por un divisor de 8. La suma y la resta se realizan en un solo paso. La multiplicaci´on y la divisi´ on se realizan como secuencias de sumas y restas, usando las versiones “largas”2 de los algoritmos. 2 las aprendidas com´ unmente en la escuela IB Historia del hardware – Edad moderna Figura: M´aquina de Leibniz o Stepped Reckoner. IB Historia del hardware – Edad contempor´ anea Tarjetas perforadas 1801 Telar de Jacquard: primera m´aquina en usar tarjetas perforadas para controlar una secuencia de operaciones. Cada tarjeta corresponde a una fila del dise˜ no. La existencia o no de un agujero en un punto determinado determina el patr´ on de los hilos. Esto permite cambiar el patr´ on tejido mediante el cambio de tarjetas: precursor de los computadores programados. V´ıdeo: Telar de Jacquard. IB 1832 Historia del hardware – Edad contempor´ anea S. Korsakov utiliza tarjetas perforadas por primera vez fuera de la industria textil. Idea un dispositivo para facilitar la b´ usqueda de informaci´on en una base de datos. En este caso, las tarjetas perforadas almacenan informaci´on, no control. IB Historia del hardware – Edad contempor´ anea 1890 El censo estadounidense de 1880 hab´ıa sido realizado a mano, una tarea que dur´ o 8 a˜ nos. Las estimaciones eran que el censo de 1890 llevar´ıa 13 a˜ nos. M´as tiempo que el per´ıodo entre censos! Herman Hollerith, empleado de la Oficina del Censo estadounidense, dise˜ na un m´etodo basado en el uso de tarjetas perforadas y m´aquinas tabuladoras. Su inspiraci´on proviene de los revisores de ferrocarriles, que codificaban caracter´ısticas f´ısicas de los pasajeros en el ticado de los billetes. IB Historia del hardware – Edad contempor´ anea Figura: Escritor de tarjetas perforadas y plantilla de las tarjetas para su uso en el censo estadounidense de 1890. IB Historia del hardware – Edad contempor´ anea El censo fue completado en un a˜ no: muy por debajo del tiempo (y coste) estimados. En vista del ´exito, Hollerith funda la Tabulating Machines Company en 1896. Su modelo de negocio consist´ıa en alquilar m´aquinas tabuladoras y vender tarjetas perforadas a gobiernos extranjeros para realizar sus censos. En 1924, tras varias fusiones, la TMC se convertir´ıa en IBM. IB Historia del hardware – Edad contempor´ anea M´aquina diferencial 1786 Concebida por Johann Helfrich von M¨ uller, un ingenierio del ej´ercito de Hesse. Muller no consigui´ o financiaci´ on para la m´aquina, por lo que no llev´o adelante el concepto. Dise˜ nada en 1822 por Charles Babbage. Basada en el m´etodo de las diferencias divididas de Newton. IB Historia del hardware – Edad contempor´ anea Ejemplo: f (x) = 3x 2 − 2x + 4 k f (k) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ... d1 (f (k)) d2 (f (k)) IB Historia del hardware – Edad contempor´ anea Ejemplo: f (x) = 3x 2 − 2x + 4 k f (k) 0 4 1 5 2 12 3 25 4 5 6 7 8 9 10 ... d1 (f (k)) d2 (f (k)) IB Historia del hardware – Edad contempor´ anea Ejemplo: f (x) = 3x 2 − 2x + 4 k f (k) 0 4 1 5 2 12 3 25 4 5 6 7 8 9 10 ... d1 (f (k)) 1 7 13 d2 (f (k)) IB Historia del hardware – Edad contempor´ anea Ejemplo: f (x) = 3x 2 − 2x + 4 k f (k) 0 4 1 5 2 12 3 25 4 5 6 7 8 9 10 ... d1 (f (k)) 1 7 13 d2 (f (k)) 6 6 IB Historia del hardware – Edad contempor´ anea Ejemplo: f (x) = 3x 2 − 2x + 4 k f (k) 0 4 1 5 2 12 3 25 4 5 6 7 8 9 10 ... d1 (f (k)) 1 7 13 d2 (f (k)) 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 IB Historia del hardware – Edad contempor´ anea Ejemplo: f (x) = 3x 2 − 2x + 4 k f (k) 0 4 1 5 2 12 3 25 4 5 6 7 8 9 10 ... d1 (f (k)) 1 7 13 19 d2 (f (k)) 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 IB Historia del hardware – Edad contempor´ anea Ejemplo: f (x) = 3x 2 − 2x + 4 k f (k) 0 4 1 5 2 12 3 25 4 44 5 6 7 8 9 10 ... d1 (f (k)) 1 7 13 19 d2 (f (k)) 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 IB Historia del hardware – Edad contempor´ anea Ejemplo: f (x) = 3x 2 − 2x + 4 k f (k) 0 4 1 5 2 12 3 25 4 44 5 6 7 8 9 10 ... d1 (f (k)) 1 7 13 19 25 d2 (f (k)) 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 IB Historia del hardware – Edad contempor´ anea Ejemplo: f (x) = 3x 2 − 2x + 4 k f (k) 0 4 1 5 2 12 3 25 4 44 5 69 6 7 8 9 10 ... d1 (f (k)) 1 7 13 19 25 d2 (f (k)) 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 IB Historia del hardware – Edad contempor´ anea Ejemplo: f (x) = 3x 2 − 2x + 4 k f (k) 0 4 1 5 2 12 3 25 4 44 5 69 6 102 7 8 9 10 ... d1 (f (k)) 1 7 13 19 25 31 d2 (f (k)) 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 IB Historia del hardware – Edad contempor´ anea Ejemplo: f (x) = 3x 2 − 2x + 4 k f (k) 0 4 1 5 2 12 3 25 4 44 5 69 6 102 7 141 8 9 10 ... d1 (f (k)) 1 7 13 19 25 31 37 d2 (f (k)) 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 IB Historia del hardware – Edad contempor´ anea Ejemplo: f (x) = 3x 2 − 2x + 4 k f (k) 0 4 1 5 2 12 3 25 4 44 5 69 6 102 7 141 8 186 9 10 ... d1 (f (k)) 1 7 13 19 25 31 37 43 d2 (f (k)) 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 IB Historia del hardware – Edad contempor´ anea Ejemplo: f (x) = 3x 2 − 2x + 4 k f (k) 0 4 1 5 2 12 3 25 4 44 5 69 6 102 7 141 8 186 9 237 10 ... d1 (f (k)) 1 7 13 19 25 31 37 43 49 d2 (f (k)) 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 IB Historia del hardware – Edad contempor´ anea Ejemplo: f (x) = 3x 2 − 2x + 4 k f (k) 0 4 1 5 2 12 3 25 4 44 5 69 6 102 7 141 8 186 9 237 10 294 ... d1 (f (k)) 1 7 13 19 25 31 37 43 49 51 d2 (f (k)) 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 IB Historia del hardware – Edad contempor´ anea 1822 Figura: M´aquina diferencial. IB Historia del hardware – Edad contempor´ anea 1832: Babbage y Joseph Clement completan la construcci´on de un primer segmento prototipo. 1842: Se cancela el proyecto, debido a su sobrecoste y a haberse quedado obsoleto en favor de la M´aquina Anal´ıtica. 1859-60: Per Georg Scheutz vende dos de sus M´aquinas Diferenciales a UK y los USA. Fueron usadas para tabular logaritmos y tablas astron´ omicas. 1991: El London Science Museum termina la construcci´on de la primera M´aquina Diferencial de Babbage para conmemorar el 200o aniversario de su nacimiento. 2000: Se completa la construcci´ on de la “impresora” de la m´aquina. Toda la construcci´ on se realiza usando tolerancias del S. XIX. IB Historia del hardware – Edad contempor´ anea ∼2006 Figura: M´aquina diferencial construida con piezas de LEGO. Eval´ ua polinomios de segundo grado y da el resultado con 3 d´ıgitos decimales. P´agina web de la M´aquina Diferencial LEGO. IB Historia del hardware – Edad contempor´ anea M´aquina anal´ıtica 1834 Babbage concibe la M´aquina Anal´ıtica, un paso adelante con respecto a la m´aquina diferencial. Caracter´ısticas: Programable mediante tarjetas perforadas. Representaci´ on interna usando n´ umeros decimales. Memoria con capacidad de 1000 n´ umeros de 50 d´ıgitos cada uno. Capacidad para realizar sumas, restas, multiplicaciones, divisiones, comparaciones y ra´ıces cuadradas. Lenguaje de programaci´ on incluyendo lazos y condicionales (Turing-completo). Salida mediante una impresora y un plotter de funciones. Capaz de multiplicar dos n´ umeros de 20 d´ıgitos en unos 3 minutos, seg´ un Babbage. Alimentada mediante un motor de vapor. IB Historia del hardware – Edad contempor´ anea 1871: Babbage finaliza la construcci´ on de una secci´on prototipo del “molinillo” (unidad aritm´etica) y la impresora. Fallece poco despu´es. 1872: Henry Babbage contin´ ua el trabajo de su padre. 1878: Un comit´e de expertos recomienda no financiar la construcci´on de la M´aquina Anal´ıtica. 1910: Henry Babbage finaliza parte del molinillo y la impresora, demostrando que el dise˜ no de su padre hubiera funcionado. IB Historia del hardware – Edad contempor´ anea 1910 Figura: Secci´ on del molinillo de la M´aquina Anal´ıtica construida por Henry Babbage en 1910. IB Historia del hardware – Edad contempor´ anea Figura: ??? IB Historia del hardware – Edad contempor´ anea Primer computador binario: Z1 1938 1848: Boole desarrolla el ´algebra binaria. Konrad Zuse desarrolla el Z1 (inicialmente denominado V1): Primer computador “moderno”: unidad de control, memoria, ALU en punto flotante, representaci´ on interna binaria, programado mediante cinta perforada. Usaba carrete de 35mm como “cinta perforada”. A pesar de trabajar internamente en binario, las entradas y salidas se aceptaban en decimal. Fue destruido por los bombardeos aliados en 1943, junto con los planos. Reconstruido en 1989 por el Deustches Technikmuseum Berlin. IB Historia del hardware – Edad contempor´ anea Figura: Reconstrucci´ on del Z1 (1989). IB Historia del hardware – Edad contempor´ anea Primer computador totalmente electr´onico 1946 ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer). Primer computador electr´ onico de prop´ osito general (reprogramable). Parte del “esfuerzo de guerra”. Dise˜ nado para computar tablas de trayectorias bal´ısticas (pero usado para desarrollar la bomba de hidr´ogeno). Mil veces m´as r´apido que los computadores electromec´anicos. Lo m´as rese˜ nable era su complejidad estructural: 17.000 tubos de vac´ıo, 7.200 diodos de cristal, 70.000 resistencias, 10.000 condensadores, 5 millones de soldaduras hechas a mano. Pesaba 30 toneladas. Capaz de realizar 5.000 sumas y 300 multiplicaciones por segundo. IB Historia del hardware – Generaciones modernas Primera generaci´on 1951–1958 Computers in the future may weigh no more than 1.5 tons. – Popular Mechanics, prediciendo la imparable marcha de la ciencia (1949) Caracterizada por la producci´ on en serie de los computadores y su entrada en el ´ambito empresarial. A nivel t´ecnico, las caracter´ısticas de estas m´aquinas eran: Arquitectura basada en tubos de vac´ıo. E/S a trav´es de tarjetas perforadas, impresoras y cintas magn´eticas. Memorias con tama˜ nos inferiores a 100 KB. Ejemplo representativo: UNIVAC. IB Historia del hardware – Generaciones modernas UNIVAC (Universal Automatic Computer) Primer ordenador producido en EEUU en ser comercializado. La primera unidad se entreg´ o en 1951 a la Oficina del Censo. Se fabricaron 46 unidades en total. Caracter´ısticas t´ecnicas: 2.25 Mhz. Memoria de 1000 palabras de 12 bytes. 13 toneladas de peso. 5.000 tubos de vac´ıo. Primer ordenador en ser famoso para el p´ ublico en general. IB Historia del hardware – Generaciones modernas Segunda generaci´on 1959–1964 Caracterizada por el uso de transistores en lugar de v´alvulas de vac´ıo. Inventado en los laboratorios de la Bell por John Bardeen, Walter Brattain y William B. Shockley en 1947 (obtuvieron por ello el premio Nobel en 1956). Introducci´on de las memorias basadas en anillos de ferrita: ahorro en espacio y velocidad. IBM se convirti´o en el l´ıder del mercado, siendo el modelo m´as difundido el 1401. IB Historia del hardware – Generaciones modernas ¿Anillo de ferrita? La ferrita es un material que contiene part´ıculas de ´oxido de hierro. Se puede magnetizar, y conserva la magnetizaci´on durante mucho tiempo. Algunas de sus caracter´ısticas se mejoran si tiene forma de anillo. IB Historia del hardware – Generaciones modernas ¿Anillo de ferrita? Podemos actuar sobre la magnetizaci´ on de un anillo de ferrita enhebr´andole un hilo conductor y haciendo circular por ´el una corriente el´ectrica. A este hilo lo llamaremos “hilo de escritura”. IB Historia del hardware – Generaciones modernas ¿Anillo de ferrita? Si aplicamos en el hilo una corriente el´ectrica de intensidad suficiente, el anillo se magnetiza en el sentido del campo magn´etico inducido. IB Historia del hardware – Generaciones modernas ¿Anillo de ferrita? Al suprimir la corriente inductora, el anillo mantiene la magnetizaci´on. IB Historia del hardware – Generaciones modernas ¿Anillo de ferrita? Aplicando ahora una corriente el´ectrica en sentido contrario, si no tiene intensidad suficiente, el anillo se resiste a cambiar y conserva el sentido de su magnetizaci´ on. IB Historia del hardware – Generaciones modernas ¿Anillo de ferrita? Cuando la corriente el´ectrica es suficiente, logra que la magnetizaci´on cambie de sentido. IB Historia del hardware – Generaciones modernas ¿Anillo de ferrita? Como en el caso anterior, al suprimir la corriente inductora el anillo mantiene la magnetizaci´ on. IB Historia del hardware – Generaciones modernas ¿Anillo de ferrita? (a) Estado “0” (b) Estado “1” Puesto que el anillo de ferrita es capaz de adoptar dos estados de magnetizaci´on distintos y estables, se puede emplear para almacenar una informaci´ on elemental: s´ olo hay que asignar arbitrariamente los valores “0” y “1” a esos estados. IB Historia del hardware – Generaciones modernas ¿Anillo de ferrita? (c) Estado “0” (d) Estado “1” ¿C´omo leer el valor de la memoria? Se puede detectar el sentido de un campo magn´etico haciendo que induzca una corriente el´ectrica en un hilo. Esto se puede lograr de dos formas: moviendo el campo (habr´ıa que girar el anillo) o haciendo que cambia su valor. Esta u ´ltima es la soluci´on m´as sencilla. IB Historia del hardware – Generaciones modernas ¿Anillo de ferrita? As´ı, se pasa otro hilo por el anillo de ferrita, que no debe estar paralelo al hilo de escritura para evitar inducciones directas entre ambos. Le llamaremos “hilo de lectura”. IB Historia del hardware – Generaciones modernas ¿Anillo de ferrita? Para averiguar el estado, a trav´es del hilo de escritura se aplica una corriente magn´etica que fuerce la magnetizaci´on del anillo hasta adoptar el estado “0”. IB Historia del hardware – Generaciones modernas ¿Anillo de ferrita? Si el anillo est´a en el estado “1”, al pasar al “0” su magnetizaci´on cambia bruscamente. Este cambio induce una corriente el´ectrica en el hilo de lectura. Su intensidad es apreciable, aunque menor que la necesaria para producir la conmutaci´ on. IB Historia del hardware – Generaciones modernas ¿Anillo de ferrita? Si est´a en el estado “0”, su magnetizaci´ on apenas cambia, y la corriente inducida en el hilo de lectura es mucho menor que en el otro caso. IB Historia del hardware – Generaciones modernas ¿Anillo de ferrita? Pero as´ı “me cargo” el estado que ten´ıa... IB Historia del hardware – Generaciones modernas ¿Anillo de ferrita? Efectivamente, la forma de leer la informaci´ on deja el anillo en el estado “0”; por eso se dice que la lectura es destructiva. Pero esto tiene f´acil arreglo: si estaba a “1” y ha pasado a “0”, basta con dar un nuevo pulso de escritura para volver a ponerlo a “1” y dejarlo como estaba. IB Historia del hardware – Generaciones modernas ¿Anillo de ferrita? Con esta tecnolog´ıa, una memoria de 1 kB tendr´ıa 8x1024 = 8192 anillos de ferrita. IB Historia del hardware – Generaciones modernas Figura: Memoria de anillos de ferrita. IB Historia del hardware – Generaciones modernas Figura: Escudo de la profesi´ on de Ingenier´ıa en Inform´atica. IB Historia del hardware – Generaciones modernas Tercera generaci´on 1965–1974 Caracterizada por la introducci´ on del circuito integrado (CHIP, Circuit High Integrated Process). Desarrollado por Jack Kilby en Texas Instruments en 1959. Obtuvo el premio Nobel por ello en 2000. N´ umero de computadores en los EEUU: 1954: ∼100 1959: ∼1.000 1971: ∼10.000 No s´olo las grandes empresas ten´ıan ordenadores, sino tambi´en las medianas. El equipo m´as popular de esta generaci´ on fue el IBM 360. Diferentes modelos dentro de la serie. El m´as b´asico contaba con 4 kB de memoria. Compatibles entre ellos: f´acilmente actualizable. IB Historia del hardware – Generaciones modernas Intel (fundada en 1968) present´ o su primer procesador, el Intel 4004, en 1971. Desde este momento, se viene cumpliendo la Ley de Moore: el n´ umero de transistores que se incluyen en un circuito integrado se duplica cada 18 meses. Cuidado: no hace referencia a la velocidad ni a otras dimensiones. Se espera que se siga cumpliendo al menos hasta 2015. Figura: Intel 4004. IB Historia del hardware – Generaciones modernas Figura: Ley de Moore y evoluci´ on hist´ orica del n´ umero de transistores. IB