Trabajo Practico Nº4: Microprocesador y Sistema Operativo

La historia de la electrónica digital arranca a principios del siglo XIX cuando George Boole, matemático inglés, desarrolló un sistema lógico basado en variables binarias (es decir que puede tomar tomar dos valores: 0 y 1). Posteriormente hubo varios intentos de fabricar dispositivos capaces de efectuar las operaciones desarrolladas por Boole con el fin de realizar mecánicamente operaciones matemáticas. Las operaciones básicas del Álgebra de Boole son las siguientes:

Operación Y (and): F=A. B

Operación O (or): F=A + B

Operación O Exclusiva (xor): F=A + B
Operación NO (not): F= -A

A	B	And	Nand	Or	Nor	EXor
0	0	0	1	0	1	0
0	1	0	1	1	0	1
1	1	0	1	1	0	1
1	1	1	0	1	0	0
Funciones		A*B	A*B	A+B	A+B	A(+)B

 

Con el desarrollo de la electricidad fue posible construir circuitos eléctricos que mediante interruptores cumplieran las funciones del Álgebra de Boole.
   El circuito eléctrico que permite cumplir con la tabla de verdad de la operación AND es el siguiente:
Del mismo modo el siguiente circuito cumple con la función OR: 
 Para la O Exclusiva se logra combinando la AND y la OR.
   Por lo tanto dado que los circuitos lógicos se pueden construir físicamente mediante interruptores los primeros circuitos digitales utilizaron interruptores mecánicos movidos a mano. Más tarde con el desarrollo tecnológico se utilizaron relays que son dispositivos electromagnéticos capaces de mover un grupo de contactos. Después se utilizaron válvulas de vacío que son dispositivos calefaccionados capaces de controlar la circulación de la corriente eléctrica mediante un campo eléctrico (esta tecnología usaba la primera computadora de uso científico instalada en Argentina en la Universidad de Buenos Aires en la facultad de Ciencias Exactas llamada por los científicos Clementina).
   Con el desarrollo de los transistores fue posible construir estos interruptores muy pequeños mediante silicio. Los transistores permitieron ser construidos en una misma base o sustrato dando lugar a la aparición de los circuitos integrados.

 

 



En ese momento cada circuito que se desarrollaba podía ser utilizado para el fin que había sido diseñado. Las ventajas características de los circuitos integrados como bajo consumo, facilidad de reemplazo, etc. hicieron que muchas empresas intentaran el desarrollo de circuitos integrados para funciones específicas (como por ejemplo centrales de alarma). Esto resultaba particularmente caro dado que su diseño y producción exigían importantes inversiones que solo podían ser recuperadas en base a grandes producciones.
   La solución a este problema llegó a principios de los años '70 cuando se crearon circuitos electrónicos digitales programables es decir que se empezaron a fabricar circuitos integrados capaces de cumplir las mas variadas funciones de acuerdo a distintos programas. Esto constituyó una verdadera revolución en el campo digital ya que el mismo circuito integrado se podía vender para diferentes usos. Cada usuario debía programarlo de acuerdo a sus necesidades.
   La historia de la informática signada por el desarrollo de los microprocesadores.
   Los microprocesadores se clasifican y se denominan en función del ancho de bus de datos medidos en bits lo que corresponde con la cantidad de información que el microprocesador puede trabajar en paralelo. También se especifica la cantidad de operaciones básicas que puede realizar medida en ciclos por segundo o Hertz. En la práctica solo se fabrican microprocesadores cuyos bus de datos tenga un ancho igual a los sucesivos valores de las potencias de dos, existen entonces procesadores de 2, 4, 8, 16, 32 y 64 bits. El primer microprocesador universal conocido fue fabricado por la empresa Intel en 1971, era el 4004. Posee baja capacidad de operaciones aritméticas y lógicas y un reducido conjunto de instrucciones. Se utilizó en pequeños automatismos y en juguetes.
   Contenía 2.300 transistores y con una frecuencia de clock de 700 KHz podía realizar alrededor de 60.000 operaciones por segundo.
                                                INTEL 4004

   El primer microprocesador de 8 bits de Intel fue el 8008 lanzado el 1/04/1972, llegaba a la cifra de 3.500 transistores, podía realizar 200.000 instrucciones por segundo trabajando a 2 MHz. Para esa misma época Motorola sacaba el 6800 y Zilog sacaba el Z80.
                                                 INTEL 8008
 
                                                MOTOROLA 6800
                                                          
                                            ZILOG Z80

 Estas tres empresas iniciaron una serie de computadoras personales (PC).

   Los primeros microprocesadores de 16b fueron el 8086 y el 8088 de Intel fueron el inicio de lo que se conoce como arquitectura X86. Estos microprocesadores llegaban a operar a frecuencias de 4 MHz. Motorola sacó para esa época el 68000.
   A principios de la década del '80 se lanza al mercado el 80286 que equipaba a las PC IBM AT. Es un microprocesador de 16b que contaba con 134.000 transistores y llegaba a operar a velocidades de 5 MHz. Uno de los primeros microprocesadores con arquitectura de 2b fue el 80386. Este microprocesador, el último microprocesador que no requería ni disipador ni ventilador, permitió que Microsoft desarrollara su primer sistema operativo con interfaz gráfica (GUI: Graphic User Interface): Windows; en sus diferentes versiones llegó a trabajar en el orden de 40 MHz. Los microprocesadores modernos son de 64b, poseen varios núcleos trabajando en paralelo a una velocidad de 4 GHz, es decir que son mil veces más rápidos que el 8086. Poseen alrededor de 700 millones de transistores.

Proceso de fabricación

   El proceso de fabricación de los microprocesadores es muy complejo. Comienza con una buena cantidad de arena (compuesta por silicio) que se funde a 1.300°C. A partir de un monocristal de silicio ultrapuro se obtiene mediante un proceso de giro y tracción un cilindro de 30 cm de diámetro y 1,5 de largo de silicio ultrapuro. Este proceso es muy lento con aproximadamente de 10 a 40 mm por hora. De este cristal se cortan los extremos y se obtiene un cilindro perfecto. De ese cilindro se cortan rodajas llamadas obleas (wafers) que tienen aproximadamente 10 micrones de espesor. A este trabajo se utiliza una sierra de diamantes.
                                                     WAFER

   De cada cilindro se obtienen miles de obleas y de cada una cientos de microprocesadores. Las obleas son luego pulidas hasta obtener una superficie perfectamente plana y luego se someten a un proceso térmico llamado Annealing que permite liberar a las obleas de las tensiones internas producidas durante su procesamiento. Después se somete a una inspección mediante rayos láser para detectar imperfecciones menores a una milésima de micrón y por último se recubren con una capa aislante formada por óxido de silicio.

   Terminado este proceso de preparación se comienza a construir los transistores diodos y resistores mediante un proceso que consiste básicamente en la impresión de sucesivas máscaras sobre las obleas, endurecidas mediante luz ultravioleta. Luego serán atacadas por ácidos encargados de remover las zonas no cubiertas por la impresión. Este proceso se repite cientos de miles de veces hasta llegar al chip que contiene todos los circuitos integrados del microprocesador.

   Los transistores construidos de esta forma tienen un tamaño aproximado de 45 nm (45x10^-9m=0,000000045). Solo para comparar el tamaño de los transistores podemos decir que tienen un tamaño equivalente al diámetro de 200 electrones.

   Las salas empleadas para la fabricación de circuitos integrados se denominan salas limpias y poseen filtros absolutos para filtrar un aire, capaces de retener partículas mayores a 0,1 micro ohm. Los trabajadores emplean trajes especiales que impiden que se liberen en el ambiente restos de piel, polvo, pelo, etc.

   Finalizado el proceso se verifica el funcionamiento de cada microprocesador en forma automática y se marcan aquellos con defectos. Luego los chips son cortados. Ahora cada microprocesador es una placa de unos pocos mm^2 sin pines ni cápsula protectora.
MICROPROCESADOR  conpines

 

   Luego cada una de estas plaquetas será introducida en una cápsula protectora plástica (a veces, cerámica) y conectada a los pines metálicos que permitirán su conexión con el exterior. Estas conexiones se realizan utilizando delgadísimos alambres de oro. Luego la cápsula es provista de un disipador térmico de metal que servirá para mejorar la transferencia de calor desde el interior del chip hacia el disipador principal. El resultado final es un microprocesador como los que equipan a las computadoras.

                            Sistemas Operativos

   Un sistema operativo es un programa que controla y administra el hardware de un dispositivo digital programable. Un sistema operativo permite interactuar a diversas aplicaciones con el hardware de dispositivos como computadoras, teléfonos celulares, trablets, PDA'S y permiten ejecutar en ellos diversos programas.

   Un sistema operativo controla las asignaciones de memoria, las solicitudes al sistema, los dispositivos de entrada y salida, la conexión a redes y el manejo de archivos.

   El sistema operativo comienza a ejecutarse cuando finaliza la ejecución del programa almacenado en el BIOS.

   Los sistemas operativos poseen una interfaz con el usuario mediante el cual el mismo puede realizar operaciones mediante la introducción de comandos en forma de texto o mediante una interfaz gráfica (GUI). Por ejemplo, en el antiguo DOS para copiar un archivo de un lugar a otro debía escribirse un comando como por ejemplo "Copy  pepe.doc A: B:", en cambio en el entorno Windows que posee una interfaz gráfica basta con arrastrar el archivo desde la carpeta 'origen' a la carpeta 'destino'.

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Si tengo 8 números hexadecimales quisiera saber cuántas placas de red con distinto código puede haber en el mundo:

140.737.488.399.999 placas de red.

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   Los sistemas operativos más conocidos son Windows, Linux, Android Unix, Mac Os, Symbian, Meego, etc.

   Los sistemas operativos pueden clasificarse además en sistemas monotarea (como el DOS) y multitarea (como el Windows). También se pueden clasificar monousuario o multiusuario como los S.O. actuales.

   Los sistemas operativos forman una plataforma para que otros sistemas o aplicaciones la utilicen. Aquellas aplicaciones que permiten ser ejecutadas en múltiples sistemas operativos son llamadas multiplataforma.

   Todos los sistemas operativos deben incluir un soporte para uno o más sistemas de archivos. Por ejemplo, el Windows XP soporta sistemas de archivos NTFS y FAT32 (FAT: File Alocation Table).

   En computación un sistema de archivos es un método para el almacenamiento y organización de archivos y datos. El software del sistema de archivos se encarga de organizar los archivos que suelen estar segmentados físicamente en bloques de pocos bytes manteniendo un registro de que bloques pertenecen a que archivos y las direcciones físicas de cada bloque.

   Las primeras computadoras no tenían sistema operativo. A principio de los '60 las computadoras utilizaban el procesamiento por lotes (BATCH) que es un sistema de trabajo monotarea muy ineficiente.

   Durante la década del '60 se produjeron los primeros desarrollos que condujeron a los primeros sistemas operativos. IBM creó el OS360 para su línea de mainframes /360. Este sistema operativo tenía varios avances como el concepto de tiempo compartido (Time Sharing) que permitía compartir los recursos de máquinas costosas entre múltiples usuarios interactuando en tiempo real donde cada usuario creía tener sistema de tiempo compartido más usado y que dio lugar luego al Unix.

   El sistema operativo Unix fue desarrollado a fines de 1960 por Ken Thomsony Dennis Richie, cuyas implementaciones fueron las Solaris de Sun Microsystems, AIX de IBM y UX de HP.

   Hacia fines de 1991 un estudiante de la Universidad Helsinki llamado Linus Torvalds (Linus)desarrolló un núcleo del sistema operativo (Kernel) para PC con arquitectura X86 de Intel que emulaba muchas de las funcionalidades del Unix y lo lanzó en forma de código abierto bajo el nombre de Linux.

   En 1992 el proyecto GNU comenzó a utilizar Linux para sus programas. GNU es un acrónimo recursivo que significa GNU no es Linux. El proyecto GNU fue iniciado por Richard Stallman (Richard).

   Para la década del '80 IBM lanzó al mercado su primera computadora personal que llevaba el sistema operativo DOS de Microsoft. Este sistema operativo era novedoso porque fue lanzado al mercado sobre un soporte magnético (disket) mientras que hasta ese momento los sistemas operativos se encontraban envevidos en el hardware. Microsoft lanza al mercado en 1990 un sistema operativo con interfaz gráfica que además permitía el uso del mouse: Windows. En realidad este sistema operativo había lanzado en 1985 con la versión 1.0, pero no había sido posible su uso comercial hasta que la disputa entre Microsoft y Apple no fue resuelta, dado que Apple había patentado la interfaz gráfica y hasta ¡la Papelera de Reciclaje! que usaba su sistema operativo OS MAC (MAC=Macintosh). El OS MAC fue creado por Apple para su línea de computadoras de escritorio Macintosh en el año 1985, incluía una interfaz gráfica compuesta por ventanas, íconos y menús controlados por un mouse.