TRABAJO PRACTICO Nº4 (MICROPROCESADORES)

Trabajo Practico Nº 4: Microprocesadores

La historia de la electrónica digital arranca a principios del siglo XIX, cuando George Boole, un matemático inglés, desarrolló un sistema lógico basado en variables binarias (es decir, pueden tomar 2 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 Ó (Or)
F = A + B

Operación Ó Exclusiva (Xor)
F = A + B

Operación NO (Not)
F = ~ A

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 la tabla de verdad de la operación "y" es el siguiente:

Del mismo modo el siguiente circuito cumple con la tabla de verdad de la función "o":

Circuito de relés o relay

Antiguas válvulas de vació

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 relés, que son dispositivos electromagnéticos, capaces de mover un grupo de contactos.

Después se utilizaron válvulas de vació, 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 la Argentina en la Universidad de Buenos Aires, en la facultad de ciencias exactas llamada por los científicos como "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 realizado. 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 especificas (centrales de alarmas), esto resultaba caro dado que su diseño y producción exigía importantes inversiones que solo podían ser recuperadas en base a grandes producciones.
La solución a este problema llegó a principio de los años 70 cuando se crearon circuitos electrónicos digitales programables, es decir, que se empezaron a fabricar circuitos integrados capaces de cumplir las más 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 estaba signada por el desarrollo de los microprocesadores. Ellos se clasifican y se denominan en función a su 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 segundos o Hertz. En la practica solo se fabrican microprocesadores cuyo bus de datos que tenga su ancho igual a los sucesivos valores de las potencias de 2, existen entonces procesadores de 2, 4, 8, 16, 32 y de 64 bits. El primer microprocesador comercial conocido fue fabricado por 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 juguetes. Contenía 2300 transistores y con una frecuencia de clock de 700 KHz, podía realizar alrededor de 60000 operaciones por segundo.

El primer microprocesador de 8 bits de Intel fue el 8008 lanzado el 1 de abril de 1972, llegaba a la cifra de 3500 transistores, podía realizar 200 mil instrucciones por segundo trabajando a 2 MHz. Para esa misma época, Motorola sacaba el 6800 y Zilog sacaba el Z80. Estas 3 empresas (Intel, Motorola y Zilog) iniciaron una serie de computadoras personales (Personal Computer, hoy conocida como PC)
Los primeros microprocesadores de 16 bits fueron el 8086 y 8088 de Intel. Fueron el inicio de lo que se conoce como arquitectura X86. Estos microprocesadores llegaban a operar a frecuencia 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 16 bits que contaba con 134.000 transistores y llegaba a operar a velocidades de 25 MHz. Uno de los primeros microprocesadores con arquitectura de 32 bits fue el 80386. Este microprocesador, el ultimo que no requería ni disipador ni ventilador, permitió que Microsoft desarrollara su primer Sistema Operativo con interfaz gráfica (Windows). En sus diferentes versiones llegó a trabajar en el orden de 40 MHz.
Los microprocesadores de 64 bits poseen varios núcleos trabajando en paralelo a una velocidad de 4GHz, es decir, son 1000 veces mas rápidos que el 80386. 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 altas temperaturas (1800ºC). A partir de un mono cristal de silicio ultra puro se obtiene mediante un proceso de giro y tracción un cilindro de 30 cm de diámetro y un metro y medio de largo de silicio ultra puro.
Este proceso es muy lento con aproximadamente 10 a 40 mm por hora. De este cristal se corta los extremos y se obtiene un cilindro perfecto. De ese cilindro se cortan rodajas llamadas obleas (waffer) que tienen aproximadamente 10 micrones de espesor.

Para este trabajo se utiliza una sierra de diamantes. De cada cilindro se obtiene miles de obleas, y de cada oblea, cientos de microprocesadores. Las obleas son luego pulidas hasta obtener una superficie perfectamente plana, luego se somete 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 micron, y por ultimo se reciben con una capa aislante formada por oxido de silicio.

Pequeño microprocesador sin pines

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 la oblea endurecida mediante luz ultra violeta. 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 u oblea, que contiene los circuitos integrados del microprocesador. Los transistores construidos de esta forma tienen un tamaño aproximadamente a 45 nanometros  Solo para comparar el tamaño de los transistores podemos decir que tienen el tamaño equivalente al diámetro de 200 electrones.

Microprocesador con pines

Las salas de empleados para la fabricación de circuitos integrados se denomina salas limpias y poseen filtros absolutos para filtrar el aire, capaces de retener partículas mayores a 0,1 micron. 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 milímetros sin fines ni capsula protectora. Luego cada una de estas plaquitas serán introducidas en una capsula plástica  y conectada a los pines metálicos que permiten su conexión con el exterior. Estas conexiones se realizan utilizando delgadisimos alambres, generalmente de oro. Luego la capsula 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 SO permite interactuar a diversas aplicaciones con el hardware de dispositivos como computadoras, celulares, tabletas, iPad's, etc 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'.

-Ejercicio: Si tengo 8 números hexadecimales quisiera saber cuantas placas de red con distinto código puede haber en el mundo.
-Respuesta: 140.737.488.399.999 placas de red.

Los sistemas operativos mas conocidos son LINUX, UNIX, Android, Mac Os, Symbian, Meego, Windows, etc. Los sistemas operativos pueden clasificarse además en sistemas mono-tarea (como el DOS) y multi-tarea (como el Windows). También se pueden clasificar mono-usuario o multi-usuario como los sistemas operativos 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.

Diferentes distribuciones de Linux

Diferentes logos de Windows a lo largo de su historia

Diferentes logos de Apple a lo largo de historia

Sistema Solaris de Sun

Logo característico del sistema Android

Logo de OpenBSD

Logo de FreeBSD

♦ Breve historia de los Sistemas Operativos:
Las primeras computadoras no tenían SO. A principio de los '60 las computadoras utilizaban el procesamiento por lotes (batch), que es un sistema de trabajo mono-tarea muy eficiente.
Durante la década del '60 se produjeron los primeros desarrollos que condujeron a los primeros sistemas operativos. IBM creó el OS360 para su linea de mainframes/360. Este SO tenía varios avances como el concepto de tiempo compartido (time sharing) que permitía compartir los recursos de maquinas costosas entre múltiples usuarios interactuando en tiempo real, donde usuario creía tener acceso a una maquina exclusiva. Posteriormente se desarrolló el sistema Multics, que fue el sistema de tiempo compartido mas usado y que dio lugar al UNIX.
El SO UNIX fue desarrollado a fines de 1960 por Ken Thomson y Dennis Richie. Cuyas implementaciones comerciales fueron: SOLARIS de SUN MICROSYSTEMS, AIX de IBM y UX de HP. Hacia fines de 1991, un estudiante de la universidad de Helsinski llamado Linus Torvalds desarrolló un nucleo de SO (Kernel) para PC con arquitectura X86 de Intel, que emulaba muchas funcionalidades de UNIX y lo lanzó en forma de código abierto bajo el nombre de Linux.
En 1992, el proyecto GNU comenzó a usar Linux para sus programas. GNU es un acrónimo recursivo que significa que "GNU no es Linux". El proyecto GNU fue iniciado por Richard Stallman.
Para la década de 1980, IBM lanzó su primera computadora personal con el SO DOS (Disk Operation System) de Microsoft. Este S.O. era novedoso porque fue lanzado al mercado sobre un soporte magnético (disquete) mientras que hasta ese momento los SO se encontraban embebidos en el hardware. Microsoft lanza al mercado en 1990 un SO con interfaz gráfica que además permitía el uso del mouse.
En realidad este SO había sido 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 SO "OS MAC". Fué creado por Apple para su linea de computadoras de escritorio Macintosh en 1985, incluía una interfaz gráfica compuesta por ventanas, iconos y menúes controlados por un ratón.