La computadora del programa almacenado

Como verás en el Laboratorio 2, ha habido máquinas para realizar cálculos durante miles de años. Pero los inicios de la computadora moderna programable se remontan a principios de 1800 con el trabajo de Charles Babbage.

Babbage era principalmente un matemático, pero contribuyó a campos tan variados como la astronomía y la economía. Babbage vivió hace unos 150 años de 1791-1871. La electricidad como fuente de energía era desconocida. La máquina de vapor entró en uso generalizado en la época en que nació. La maquinaria más precisa de su tiempo era el mecanismo de relojería/engranajes.

Máquina diferencial

La primera computadora de Babbage fue la máquina diferencial. Utilizó engranajes para diseñar una máquina compleja que calcularía e imprimiría tablas de números (como las tablas de registro o funciones trigonométricas que puede tener en la parte posterior un libro de texto de matemáticas). Pero estos engranajes debían ser tan precisos que cada uno tenía que ser hecho a mano. El proyecto se volvió tan costoso que el gobierno dejó de financiarlo y Babbage nunca terminó una versión a gran escala.

La máquina diferencial en el Museo de Ciencias de Londres Imagen del usuario geni de Wikimedia. Copyright 2008. Licencia: GFDL, CC BY-SA.

Un primer plano que muestra los engranajes de la máquina diferencial más claramente Imagen de Carsten Ullrich. Copyright 2005. License: CC-BY-SA-2.5.

Aprende más sobre la historia de la máquina diferencial.

La máquina analítica

La máquina diferencial podría usarse para calcular muchas funciones diferentes configurando manualmente la posición de inicio de varios engranajes. Pero tenía solo un algoritmo: el construido en el diseño de hardware. En 1833, Babbage comenzó a trabajar en la máquina analítica, que se basaba en la idea general de la máquina diferencial, pero podía llevar a cabo instrucciones en un lenguaje de programación primitivo preparado en tarjetas perforadas.

En estos días, estamos rodeados de computadoras programables, y tener software parece obvio ahora. Pero no era obvio, y antes de Babbage, todos los algoritmos se implementaron directamente en el hardware.

Entonces, hace 150 años, Babbage creó planes para lo que es esencialmente una computadora moderna, aunque no tenía dispositivos electrónicos disponibles. Su idea fundamental para el hardware era completamente mecánica, pero resultó que no le fue posible construirlo con la tecnología de su tiempo. No obtuvimos computadoras utilizables hasta que hubo una tecnología fundamental, lo suficientemente pequeña, económica y lo suficientemente rápida como para soportar la abstracción del software. Pronto aprenderás sobre esta tecnología, transistores.

Aprende más sobre la máquina analítica.

• Arquitectura de PC/Mac

  La mayoría de los procesadores de computadora (la parte que lleva a cabo las instrucciones) en computadoras de escritorio o portátiles utilizan una arquitectura llamada "x86" que fue diseñada por Intel, un fabricante de chips. El primer procesador que usó esa arquitectura se llamó 8086, lanzado en 1978. (La razón del nombre x86 es que las primeras versiones mejoradas se llamaron 80286, 80486, y así sucesivamente). El 8086 original era una arquitectura de 16 bits; desde entonces se han desarrollado versiones de 32 bits (desde 1985) y 64 bits (desde 2003). Incluso con todos los refinamientos de la arquitectura, los nuevos procesadores x86 son casi siempre compatibles con versiones anteriores, lo que significa que las versiones actuales seguirán ejecutando programas escritos para el 8086 original.

  ¿Por qué la arquitectura x86 llegó a gobernar el mundo? La respuesta breve es que IBM lo usó en su PC original y todos los fabricantes de PC posteriores siguieron su ejemplo porque podían ejecutar software compatible con IBM sin modificaciones. Pero, ¿por qué IBM eligió el x86? Podría decirse que habia mejores arquitecturas competidoras disponibles, como el Motorola 68000 y el propio 801 de IBM. Los diseñadores de PC discutieron sobre qué usar, pero al final, lo que marcó la diferencia fue la larga historia de IBM de trabajar con Intel.

  El Apple Macintosh usó originalmente la arquitectura Motorola 68000 y en 1994 Apple diseñó su propia arquitectura PowerPC en un proyecto conjunto con IBM y Motorola, pero en 2006 ellos también cambiaron al x86, porque Intel sigue produciendo versiones más nuevas y más rápidas del x86 más a menudo de lo que otras compañías podrían mantener el ritmo.

• Arquitectura de teléfonos inteligentes

  Todo lo relacionado con la arquitectura de los teléfonos inteligentes está determinado por el pequeño tamaño del espacio dentro de la carcasa. La altura y el ancho del teléfono están limitados por el tamaño de los bolsillos frontales de las personas. (No guardes tu teléfono en el bolsillo trasero de tu pantalón. Eso es perjudicial tanto para el teléfono como para la espalda). La profundidad entre la parte delantera y la trasera de un teléfono podría ser mucho mayor de lo que es, pero por alguna razón, los fabricantes de teléfonos compiten por la delgadez de sus teléfonos, lo que les da a los diseñadores aún menos espacio en el interior.

  Como resultado, muchos componentes que estarían separados del chip del procesador en una computadora son, en cambio, parte del mismo chip en un teléfono. Estos componentes pueden incluir parte o la totalidad de un módem celular, un módem WiFi, un procesador de gráficos (otro procesador que se especializa en aritmética paralela en listas de números), memoria, un receptor GPS para encontrar la ubicación física de su teléfono, circuitos para administrar el agotamiento de la energía y recarga de la batería, y más. En estos días, es probable que el chip incluya dos, cuatro o incluso ocho copias de la CPU real, para hacer sistemas multinúcleo. Esta colección de componentes se denomina sistema en un chip,o SoC.

  Intel creó un SoC de baja potencia basado en x86 (es decir, la misma arquitectura utilizada en las PC) llamado Atom, que se usó en algunos teléfonos Motorola y en otros fabricados por compañías de las que nunca has oído hablar. Fue hecho para soportar teléfonos Android, Linux y Windows.

  Pero la gran mayoría de los teléfonos usan la arquitectura ARM, que (a diferencia del x86) fue diseñada desde el principio para ser una arquitectura de bajo consumo de energia. El acrónimo significa máquina avanzada RISC. Está disponible en configuraciones de 32 bits y 64 bits.

  ¿Qué es un RISC?

  El nombre significa computadora con conjunto de instrucciones reducido (Reduced Instruction Set Computer, en inglés), a diferencia de las arquitecturas CISC (Computadora con conjunto de instrucciones complejas o Complex Instruction Set Computer, en inglés), incluida la x86. El conjunto de instrucciones de una arquitectura es, como se podría adivinar por el nombre, el conjunto de instrucciones que entiende el procesador. Un RISC tiene menos instrucciones que un CISC, pero también es más simple en otros aspectos. Por ejemplo, un CISC generalmente tiene más modos de direccionamiento en sus instrucciones. En la arquitectura x86, la instrucción add (agregar) puede agregar dos registros del procesador, o un registro y un valor de la memoria de la computadora, o un valor constante incorporado en la instrucción misma. La instrucción add de una arquitectura RISC simplemente sabe cómo agregar dos registros (quizás colocando el resultado en un tercer registro), y hay instrucciones separadas load (cargar) y store (almacenar) que copian valores de la memoria a un registro o al revés. Además, en una arquitectura RISC, todas las instrucciones tienen la misma longitud (digamos, 32 bits) mientras que en una arquitectura CISC, las longitudes de las instrucciones pueden variar. Estas diferencias son importantes porque un RISC puede cargar la siguiente instrucción antes de que termine con la instrucción anterior, y un RISC nunca tiene más de una referencia de datos de memoria por instrucción.

  Entonces, ¿por qué no usan una arquitectura RISC en las PC? Hubo un tiempo en que Apple usaba un procesador RISC llamado PowerPC en sus computadoras Macintosh, pero la gran mayoría de las computadoras vendidas son PC, no Macs, y como resultado Intel gasta grandes sumas de dinero en construir circuitos cada vez más rápidos implementando la arquitectura x86. La moraleja se trata de la interacción entre diferentes niveles de abstracción: una mejor arquitectura puede ser superada mediante un mejor diseño de circuito o una mejor tecnología para agrupar componentes en un circuito integrado.

  La compañía que diseñó el ARM, llamada ARM Holdings, en realidad no fabrica procesadores. Licencian el diseño de arquitectura o un diseño de circuito real a otras compañías que integran procesadores ARM en SoC. Entre las principales empresas que construyen chips de procesador basados en ARM se incluyen Apple, Broadcom, Qualcomm y Samsung. Los fabricantes de teléfonos inteligentes compran chips de una de estas empresas.

• Arquitectura integrada e "Internet de las cosas"

  Puedes comprar termostatos, refrigeradores o juguetes de animales de peluche con computadoras integradas, e icluso más y más cosas, a medida que pase el tiempo. Los automóviles modernos tienen varias computadoras en ellos, principalmente por razones de seguridad; no te gustaría que los frenos fallen porque el reproductor de DVD tiene un problema. La meta, según lo descrito por los investigadores en computación, es el "polvo inteligente", lo que significa que muchas computadoras podrían estar flotando alrededor de un edificio sin ser vistas. ¿De qué sirve una computadora que pase inadvertida? Esta es una tecnología clásica de doble uso. El uso beneficioso del que todos hablan es la respuesta de emergencia ante desastres; sería de gran ayuda para el departamento de bomberos saber, desde el exterior, qué habitaciones de un edificio tienen personas. Pero otro uso de esta tecnología sería el espionaje.

  
  Chip NXP Freescale SCM-i.MX6D

  Para la computación integrada, los criterios de diseño principales se basan en tener un tamaño pequeño y un bajo consumo de energía. El chip de la imagen de arriba se basa en la arquitectura ARM, como la mayoría de los teléfonos celulares. Esto es en realidad un gran chip de sistemas integrados; la MCU Kinetis KL02 (unidad de microcontrolador) cabe en un cuadrado de 2 milímetros, menos de 1/10 de pulgada. Esto todavía es demasiado grande para flotar en el aire como el polvo, pero imagínalo en un recipiente pegajoso y arrojado a la pared.

  Algún día, el espionaje será aún más efectivo (junto con, esperamos, un tratamiento para enfermedades cerebrales): ARM apunta a tu cerebro con nuevos chips implantables (Engadget, 5/17/2017).

  Intel fabricó un chip compatible con x86 del tamaño de un botón en 2015, pero anunció en 2017 que se descontinuaría, dejando solo a los procesadores basados en ARM y PowerPC compitiendo en este mercado.

• Arquitectura de la computadora de aficionados

  En cierto sentido, cualquier arquitectura puede ser una arquitectura para aficionados. Incluso en los días de las computadoras de un millón de dólares, había aficionados al software que encontraban formas de ingresar a los laboratorios de computación de la universidad, a menudo ofreciéndose para ayudar de alguna manera. Hoy en día, hay computadoras mucho más potentes que son lo suficientemente baratas como para que los aficionados estén dispuestos a desarmarlas. Pero hay algunas arquitecturas de computadora específicamente destinadas a los aficionados.

  

  Por mucho, la computadora más popular específicamente para los aficionados es el Arduino. Es una placa de circuito, no solo un procesador. Alrededor de los bordes del tablero hay conectores. En el borde corto a la izquierda de la imagen se encuentra la entrada de alimentación, que puede conectarse a una fuente de alimentación conectada a la pared o a una batería para un dispositivo móvil como un robot, y un conector USB utilizado principalmente para descargar programas de una computadora de escritorio o portátil. En los bordes largos hay conectores para cables individuales conectados a sensores remotos (para luz, calor, estar cerca de una pared, tocar otro objeto, etc.) o actuadores (motores paso a paso, luces, zumbadores, etc.).

  Un aspecto importante del diseño de Arduino es que es libre ("libre como en libertad"). Cualquiera puede hacer e incluso vender copias del Arduino. Esto es bueno porque mantiene el precio bajo (la placa básica Arduino Uno cuesta 22 dólares) y fomenta la innovación, pero también significa que puede haber placas incompatibles similares a Arduino. (El nombre "Arduino" es una marca comercial que solo se puede utilizar con licencia de Arduino AG).

  El procesador en la mayoría de los modelos Arduino es un sistema RISC de ocho bits con memoria incluida en el chip, llamado AVR, de una compañía llamada Atmel. Fue diseñado por dos (entonces) estudiantes en Noruega, llamados Alf-Egil Bogen y Vegard Wollan. Aunque oficialmente "AVR" no significa nada, se cree ampliamente que proviene del "RISC de Alf y Vegard". Hay varias versiones del procesador AVR, con diferentes velocidades, capacidades de memoria y, por supuesto, precios; hay varios modelos Arduino que utilizan los diferentes procesadores.

  A diferencia de la mayoría de las computadoras ("arquitectura de von Neumann"), el AVR ("arquitectura de Harvard") separa la memoria del programa de la memoria de datos. (En realidad, tiene tres tipos de memoria: una para el programa en ejecución, otra para datos a corto plazo y otra para datos a largo plazo). La maquina analítica de Babbage también fue diseñada con una memoria de programa separada de su memoria de datos.

  ¿Por qué querrías más de un tipo de memoria?

  En realidad, hay dos problemas de diseño diferentes en funcionamiento en esta arquitectura. Uno está en el dominio analógico, que tiene que ver con el tipo de circuito físico utilizado. Existen muchas tecnologías de memoria, que varían en costo, velocidad y volatilidad: la memoria volátil pierde la información almacenada cuando el dispositivo está apagado, mientras que la memoria no volátil retiene la información. Así es como se usa la memoria en los chips AVR:

  • EEPROM (512 Bytes–4kBytes) es no volátil y se usa para datos a muy largo plazo, como un archivo en el disco de una computadora, excepto que solo hay una pequeña cantidad disponible. Los programas en Arduino deben solicitar explícitamente el uso de esta memoria, con una biblioteca EEPROM.
    • El nombre significa memoria de solo lectura programable y borrable eléctricamente (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, en inglés), que suena como una contradicción en terminos. En los primeros días de las computadoras basadas en transistores, había dos tipos de memoria, volátil (memoria de acceso aleatorio o Random Access Memory / RAM, en inglés) y no volátil (memoria de solo lectura o Read-Only Memory / ROM, en inglés). Los valores almacenados en las primeras ROM tenian que ser incorporados por el fabricante del chip de memoria, por lo que era costoso fabricar uno nuevo. Luego vino la memoria programable de solo lectura (Programmable Read-Only Memory / PROM, en inglés), que era de solo lectura una vez instalada en una computadora, pero que podía programarse, solo una vez, usando una máquina que solo era algo costosa. Luego vino EPROM, PROM borrable (Erasable PROM, en inglés), que podría borrarse en su totalidad al iluminarlo con una luz ultravioleta brillante, y luego reprogramarse como una PROM. Finalmente, había PROM borrable eléctricamente (Electrically Erasable PROM, en inglés), que podría borrarse mientras estaba instalado en una computadora, esencialmente equivalente a RAM, excepto que el borrado es mucho más lento que reescribir una palabra de RAM, por lo que se usa solo para valores que no van a cambiar a menudo
  • SRAM (1k–4kBytes): Esta memoria puede perder sus valores cuando la máquina está apagada; en otras palabras, es volátil. Se utiliza para datos temporales, como las variables de script en un script Snap!.
    • El nombre significa memoria estática de acceso aleatorio (Static Random Access Memory, en inglés). La parte de "Acceso aleatorio" lo diferencia del almacenamiento de cinta magnética utilizado en computadoras muy antiguas, en la que tomaba mucho tiempo llegar de un extremo a otro de la cinta, por lo que solo era práctico escribir o leer datos en secuencia. Actualmente toda la memoria de la computadora es de acceso aleatorio, y el nombre "RAM" realmente significa "grabable", en lugar de solo lectura. La parte "Estática" del nombre significa que, aunque la memoria requiere energía para retener su valor, no requiere una actualización periódica como lo hace la memoria regular ("Dinámica") principal de la computadora. ("Actualizar" significa que cada cierto tiempo, la computadora tiene que leer el valor de cada palabra de memoria y reescribir el mismo valor, o de lo contrario se desvanece. Este es un buen ejemplo de circuitos de computadora cuyo trabajo es mantener la abstracción digital en la cual un valor es cero o uno, y no existe tal cosa como "desvanecimiento" o "valores intermedios". ) La RAM estática es más rápida pero más cara que la RAM dinámica; es por eso que DRAM se utiliza para las memorias muy grandes (varios gigabytes) de las computadoras de escritorio o portátiles.
  • memoria Flash (16k–256kBytes): Esta es la memoria principal, utilizada para programas y datos. Probablemente le resulte familiar la memoria flash porque se usa para las memorias USB que funcionan como almacenamiento externo portátil. Técnicamente es un tipo de EEPROM, pero con una implementación física diferente que lo hace mucho más barato (por lo que puede haber más en el Arduino), pero más complicado de usar, lo que requiere un circuito de control especial para mantener la abstracción digital.
    • "Más complicado" significa, por ejemplo, que cambiar un valor de bit de 1 a 0 es fácil, pero cambiarlo de 0 a 1 es un proceso mucho más lento que implica borrar un gran bloque de memoria a todos los bits de 1 y luego reescribir los valores de los bits que no querías cambiar.

  Entonces, es por eso que hay físicamente diferentes tipos de memoria en los chips AVR, pero nada de eso explica completamente la arquitectura de Harvard, en la cual la memoria se divide en programa y datos, independientemente de cuánto tiempo deben sobrevivir los datos. La razón principal para tener dos circuitos de interfaz de memoria diferentes es que le permite al procesador leer una instrucción de programa y un valor de datos al mismo tiempo. En principio, esto puede hacer que el procesador sea el doble de rápido, aunque en la práctica toda esa ganancia de velocidad no se encuentra.

  Para comprender el beneficio de la lectura simultánea de instrucción y de datos, debes comprender que los procesadores a menudo se diseñan utilizando una idea llamada segmentación (pipelining). La metáfora estándar es sobre lavar la ropa cuando tienes más de una carga. Lavas la primera carga, mientras que la secadora no hace nada; después lavas la segunda carga mientras se seca la primera carga y así sucesivamente hasta la última carga. De manera similar, el procesador de una computadora incluye un sistema de circuitos para decodificar una instrucción y sistema de circuitos para hacer aritmética. Si el procesador hace una cosa a la vez, en cualquier momento el circuito de decodificación de instrucciones o el circuito aritmético no está haciendo nada. Pero si puedes leer la siguiente instrucción al mismo tiempo que se lleva a cabo la anterior, todo el procesador se mantiene ocupado.

  Esta fue una explicación larga, pero todavía está muy simplificada. Por un lado, también es posible utilizar la segmentación en una arquitectura von Neumann. Y por otro lado, una arquitectura Harvard pura no permitiría que una computadora cargue programas para que se ejecute. Por lo tanto, se utilizan varios compromisos en la práctica.

  Desde entonces, Atmel ha introducido una línea de procesadores de 32 bits compatibles con ARM, y Arduino tiene placas que usan ese procesador pero son compatibles con el diseño de los conectores en los bordes.

  Una cosa que ha contribuido a la popularidad del Arduino entre los aficionados es la disponibilidad de complementos, que son placas de circuito auxiliar que se conectan a los conectores del borde lateral y tienen los mismos conectores en su lado superior. Los complementos agregan funciones al sistema. Algunos ejemplos son los complementos de control de motores, de Bluetooth para comunicarse con teléfonos celulares, los complementos de RFID para leer las etiquetas de productos que se encuentran dentro del embalaje de muchos productos, etc. Tanto la compañía Arduino como otros venden complementos.

  Pila de placas Arduino
  Imagen del usuario de Wikimedia Marlon J. Manrique, CC-BY-SA 2.0.

  

  Una arquitectura de aficionados completamente diferente es la Raspberry Pi. Fue diseñada para usarse como una computadora de escritorio o portátil, pero con más acceso a su electrónica. Utiliza un procesador compatible con ARM, como la mayoría de los teléfonos celulares, pero en lugar de ejecutar el software del sistema operativo del teléfono como Android, ejecuta sistemas operativos de computadora "reales". Se envía con Linux, pero la gente ha ejecutado Windows en él.

  Lo principal que lo hace emocionante es que es económico: los diferentes modelos varían en precio desde 5 hasta 35 dólares. El precio incluye solo la placa de circuito, como en la imagen, sin teclado, pantalla, mouse, adaptador de corriente o estuche. El gasto principal en los kit computadoras es la pantalla, por lo que el Pi está diseñado para conectarse a su televisor. Puedes comprar kits que incluyen un estuche mínimo, un teclado y otros complementos importantes por alrededor de 20 dólares. También puedes comprar estuches elegantes para que se vea como cualquier otra computadora, con una pantalla, por cientos de dólares.

  Debido a que el Pi está destinado para uso educativo, viene con software, algunos de los cuales son gratuitos para cualquier persona, pero otros generalmente cuestan dinero para computadoras que no son Pi. Un ejemplo importante es Mathematica, que cuesta más de 200 dólares para los estudiantes (su precio más barato), pero se incluye gratis en el Pi.

  Al igual que el Arduino, el Pi admite placas de circuito adicionales con elementos como sensores y módulos de comunicación inalámbrica.

  Placa Raspberry Pi
  Imagen de Evan Amos, a través de Wikimedia, dominio público.