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Tema 1:
Introducción a la informática
Objetivos del tema : este tema pretende proporcionar al alumno
conocimientos básicos sobre el funcionamiento de un computador u
ordenador. Se atenderá tanto el funcionamiento de la parte física (hardware)
como de la parte lógica (software).
Si bien el resto de los temas se centrarán sobre la parte lógica, esto es, el
desarrollo de software, hardware y software son dos componentes
imprescindibles para que un sistema informático preste servicio a sus
usuarios y, desde un punto de vista práctico, el uno sin el otro es
completamente inservible. Por ello, para desarrollar software de calidad es
imprescindible tener unos conocimientos mínimos acerca del hardware y su
funcionamiento.
Índice
- Índice ...........................................................................................................................................
- 1 Definición y origen del término informática .......................................................................
- 2 Breves nociones históricas ..................................................................................................
- 2.1 Grandes pifias y es la historia de la informática........................................................
- 3 Estructura de un computador.............................................................................................
- 3.1 El hardware................................................................................................................
- 3.1.1 La CPU ..............................................................................................................
- 3.1.2 La memoria RAM..............................................................................................
- 3.1.3 Dispositivos de entrada y salida ........................................................................
- 3.1.4 El bus del sistema ..............................................................................................
- 3.2 El software.................................................................................................................
- 3.2.1 Software de sistema y de aplicación..................................................................
- 3.2.2 Lenguajes de programación...............................................................................
- 3.2.2.1 Lenguaje Máquina .........................................................................................
- 3.2.2.2 Lenguaje Ensamblador ..................................................................................
- 3.2.2.3 Lenguajes de más alto nivel...........................................................................
2 Breves nociones históricas
El primer dispositivo manual de cálculo fue el ábaco , empleado en Japón desde el año 3.500 a.C. El ábaco es un instrumento compuesto por filas y columnas de cuentas; las columnas representan los números y las filas y usan para calcular los acarreos.
Blaise Pascal (matemático y filósofo francés, 1623-1662) inventó la primera máquina automática de calcular empleando ruedas dentadas. Sumaba y restaba y los resultados aparecían por una ventanilla. Su nombre era pascalina o máquina aritmética de Pascal.
Charles Babbage (matemático inglés, 1792-1871) diseñó la máquina de diferencias que podía resolver funciones (ej. x^2 ). Esta máquina usaba tecnología mecánica (ruedas y palancas) para realizar los cálculos. Lamentablemente la tecnología disponible en la época no permitió construir la máquina. Babbage, no contento con las capacidades de su invención, diseñó una nueva máquina: la máquina analítica, que podía realizar todas las operaciones matemáticas y podía ser programada con tarjetas de cartón perforado. Por ello, a pesar de que tampoco fue posible construir esta máquina, es considerado el padre de la Informática , al definir los fundamentos teóricos de las computadoras actuales.
Augusta Ada Byron (1788-1824) escribió el primer programa para la máquina analítica de Babbage. Por ello, aunque el programa nunca se llegó a ejecutar, se la considera la primera programadora de la historia. Uno de los primeros lenguajes de programación creados se denominó, en honor a ella, Ada.
George Boole (matemático inglés, 1815-1864) desarrolló el álgebra de Boole que permitió a sus sucesores el desarrollo matemático del álgebra binaria y la representación de circuitos de conmutación.
Thomas J. Watson fundada IBM en 1924. En breve la empresa se convertiría en el mayor gigante mundial de la industria informática.
Alan M. Turing (matemático inglés, 1912-1954) desarrolló los fundamentos teóricos de una máquina capaz de resolver todo tipo de problemas con solución algorítmica. Una máquina de Turing es una forma de representar un proceso a partir de su descripción. Esto dio lugar a la teoría matemática de la computación y se demostró la existencia de problemas sin solución algorítmica.
En 1938, John Vicent Atanasoff y Clifford Berry construyeron la primera máquina de calcular digital. Operaba en binario siguiendo la idea de Babbage. Se llamó ABC. Esta máquina no puede considerarse un computador de propósito general ya que sólo era capaz de realizar una única tarea: resolver ecuaciones lineales.
computadora electrónica. Para su construcción emplearon tubos de vacío; esta computadora puede considerarse el primer miembro de la primera generación de ordenadores , caracterizados por el uso de tubos de vacío.
ENIAC podía ser programable. Para ello había que cambiar la posición de un conjunto de cables en un panel de control (las dos mujeres de la imagen se encuentra enfrente al panel de control programando la computadora). ENIAC ocupó toda la planta baja de un edificio de grandes dimensiones y consumía una gran cantidad de electricidad.
En 1944. John von Neumann (1903-1957) desarrolló la idea de programa interno y describe el fundamento teórico de construcción de una computadora electrónica denominada arquitectura de von Neumann. Su idea consistía en la coexistencia en el tiempo de datos e instrucciones en la computadora y la posibilidad de ser
programada, no estando las órdenes cableadas en los circuitos de la máquina. El EDVAC , construído en 1952, fue la primera máquina construida siguiendo las ideas de von Neumann. EDVAC pesaba aproximadamente 7850 kg, tenía una superficie de 150 m2 y estaba organizado en seis partes:
- Unidad de lectura-grabadora, que era la encargada de la lectura, grabación y borrado de las cintas magnéticas.
- Unidad de control, que contenía los botones de operación, las lámparas indicadoras, los interruptores de control y un osciloscopio para el mantenimiento de la computadora.
- Unidad de "reparto", que se encargaba de decodificar las instrucciones, emitía señales de control hacia el resto de unidades y almacenaba la instrucción que se debía ejecutar en cada momento.
- Memoria de alta velocidad, que consistía en dos unidades iguales, cada una contenía 64 líneas de 8 palabras cada una.
- Computadora, la unidad que realizaba las operaciones básicas aritméticas. La unidad aritmética estaba por duplicado, las operaciones se hacían en ambas unidades y se comparaban los resultados, interrumpiéndose la ejecución si no eran idénticos.
- Reloj, que emitía pulsos de reloj a intervalos de 1 μsegundo.
En la década de los 50 se produjo un desarrollo tecnológico que contribuyó enormemente al desarrollo de los computadores: el transistor. Un transistor es un dispositivo electrónico que puede hallarse en dos estados diferentes (conduciendo corriente o no conduciéndola), de bajo consumo y con una transición muy rápida entre ambos estados. La sustitución de las tubos de vacío por transistores permitió construir máquinas más rápidas, con un menor consumo eléctrico, menor disipación de calor y menor tamaño. Estos nuevos computadores se denominan computadores de segunda generación.
En este momento llegaron los "ordenadores personales" o PCs (Personal Computer), ordenadores muy pequeños y baratos que cabían en una mesa de un despacho. El primero en salir al mercado, en agosto de 1981, fue el 5150 de IBM, con un microprocesador Intel 8088 (que contaba con 29.000 transistores en un área de 33 mm²) y con un precio de $5000. El cliente podía elegir el sistema operativo entre CP/M por $400 o MS-Dos (de una empresa por aquel entonces desconocida: Microsoft) por $100 (lo que llevó que se implantara más el sistema operativo de Microsoft).
2.1 Predicciones fallidas en la historia de la informática
El desarrollo de las tecnologías relacionadas con la computación ha sido tan vertiginoso que incluso aquellas personas que, al menos en su tiempo, podían considerarse grandes expertos mundiales del campo erraron totalmente al intentar vislumbrar cómo sería su evolución. Casi de modo continuado, y en muy pocos años, en el campo de la informática se pasa de lo que se considera ciencia ficción a la realidad cotidiana. A continuación recogemos unas cuantas frases que demuestran lo difícil que es intentar hacer predicciones en este campo:
- "Creo que hay un mercado mundial de quizás unos cinco ordenadores". THOMAS WATSON, chairman de IBM, 1943.
- "Los ordenadores del futuro no pesarán más de 1,5 toneladas". POPULAR MECHANICS, adelantando el vertiginoso avance científico, 1949.
- "He viajado por este país de arriba a abajo, hablado con los ejecutivos más importantes y con los mejores técnicos, y os puedo asegurar que el proceso automático de datos es una chapuza que no va a durar mas de un año". El editor de libros sobre empresa de Prentice Hall, 1957.
- "Pero... ¿para que nos van a servir?". Ingeniero de la Advanced Computing Systems Division de IBM, 1968, hablando de los microchips.
- "No existe una sola razón por la cual alguien quisiera tener un ordenador en su casa". KEN OLSON, presidente, chairman y fundador de Digital. Equipment Corp.
- "640K debería ser suficiente para cualquiera." BILL GATES, 1981
3 Estructura de un computador
Podemos definir computador u ordenador como una máquina capaz de aceptar unos datos de entrada, efectuar con ellos operaciones lógicas y aritméticas y proporcionar la información resultante a través de un medio de salida; todo ello sin intervención humana y bajo el control de un programa de instrucciones previamente almacenado en la propia computadora.
En la definición se puede ver que un ordenador consta de dos partes bien diferenciadas: por un lado la parte física, la máquina que da el soporte a las operaciones que se realizarán en ella (el hardware) y por otro lado la parte lógica, el programa que determina el conjunto de operaciones que debe de ejecutar el hardware (el software). Definamos ambos elementos:
Hardware : elemento físico de un computador. Incluye todos los materiales como la propia computadora, los dispositivos externos, los cables, los soportes de la información, etc.
Software : conjunto de elementos lógicos necesarios para que los computadores puedan realizar las tareas encomendadas. Dota al equipo físico de capacidad para prestar servicios a los usuarios.
El hardware es completamente inútil sin el software, ya que no permite realizar ninguna operación. En un principio, el hardware tenía más peso específico que el software: había grandes y caras computadoras dotadas de pocos y pequeños programas. Hoy en día el software tiene mayor peso específico que el hardware.
3.1.1 La CPU
La CPU es el elemento principal, el centro neurálgico del ordenador. Su misión consiste en coordinar y realizar todas las operaciones del ordenador. Para ello extrae una a una las instrucciones del programa que está ejecutando, las analiza y emite las órdenes necesarias para su ejecución.
Físicamente está formada por circuitos electrónicos que se encuentran integrados en un chip de silicio. Los distintos circuitos del chip se construyen sobre una oblea de silicio empleando técnicas similares a las que emplea una fotocopiadora para crear copias de una hoja. En la actualidad en una CPU hay del orden de decenas de millones de transistores.
La CPU consta de:
- Unidad de Control ( Control Unit , CU). Se encarga de gobernar al resto de las unidades. Interpreta y ejecuta las instrucciones y controla su secuencia. Contiene un reloj o generador de pulsos que sincroniza todas las operaciones elementales. La frecuencia de reloj (que suele darse en ciclos/segundo, habitualmente MegaHercios, MHz o GigaHercios, GHz) que determina la velocidad de funcionamiento del ordenador. En 1974 la velocidad típica de una CPU era de 2 MHz, hoy en día está entre los 2 y los 3 GHz.
- Unidad Aritmético-lógica ( Arithmetic-Logic Unit , ALU). Se encarga de realizar todas las operaciones elementales de tipo aritmético (sumas, restas, productos y divisiones) y lógico (ej. comparaciones). La longitud de la palabra de CPU es el número de bits máximo de los datos con los que opera la ALU. En los ordenadores
de propósito general las longitudes de palabras típicas hoy en día son de 32 bits y 64 bits. Los procesadores de propósito específico orientados al procesado de imágenes (como las CPU de las vídeoconsolas) tienen longitudes de palabra superiores (128 bits).
- Banco de registros (pequeñas unidades de almacenamiento de memoria). Son dispositivos de alta velocidad para almacenar datos o instrucciones temporalmente. Son la zona más alta en la jerarquía de memoria. Hay una serie de registros especiales como el contador de programa, que almacena la dirección de la siguiente instrucción ejecutar, registros que almacenan el estado del ordenador, etc.
Hoy en día, gracias a la gran capacidad de integración de los circuitos de silicio, también suele incluirse cierta cantidad de memoria RAM dentro de la CPU, cuyo tamaño ronda el Megabyte.
3.1.2 La memoria RAM
La memoria central, memoria principal o memoria RAM ( Random Access Memory ) se encarga de almacenar los programas y datos necesarios para el funcionamiento del sistema informático. Para que un programa pueda ser ejecutado tanto sus instrucciones como los datos que haya que procesar tienen que estar en esta memoria. Es volátil , esto es, se borra al apagar el ordenador ya que requiere de alimentación de corriente continuada para conservar la información que almacena.
Está constituida por multitud de celdas o posiciones de memoria idénticas numeradas de forma consecutiva. La numeración de cada celda se denomina dirección de memoria y mediante esta dirección se puede acceder de forma directa a cualquiera de sus celdas. Por ello se dice que el acceso a esta memoria es directo o aleatorio. La
altavoces, ploters, proyectores, etc.
- Conexión con los dispositivos de almacenamiento. Los dispositivos de almacenamiento solventan el problema de la volatilidad de la memoria RAM y proporcionan mayor capacidad de almacenamiento que ésta; el precio a pagar por estas ventajas es una velocidad de acceso mucho menor. Actualmente se usan distintas tecnologías para los dispositivos de almacenamiento: dispositivos de almacenamiento magnéticos (discos duros, diskettes y cintas), ópticos (CDROM y DVD) y microelectrónicos (lápices USB). El disco duro constituye el principal almacenamiento del ordenador, siendo el dispositivo que permite un acceso más rápido y un mayor espacio de almacenamiento (también tienen el precio más alto). Es por ello que cuando la memoria RAM no resulta suficiente para almacenar toda la información se vuelca una parte del contenido de ésta al disco duro; a esta información se la denomina memoria virtual. El tamaño típico del disco duro actualmente ronda los 300 Gigabytes.
- Conexiones a redes. Hay dos formas básicas de conexión a la red: conexión a red telefónica y conexión a la red de área local. La primera se lleva a cabo conectando al PC un dispositivo denominado módem y la segunda se realiza a través de una tarjeta de red.
3.1.4 El bus del sistema
El bus es el mecanismo de comunicación entre los elementos de un ordenador. Está constituido por múltiples líneas que permiten indicar la dirección de memoria donde están los datos a tratar, transmitir señales de control a las líneas de datos y dirección, y transmitir los propios datos sobre los cuales opera el ordenador. Toda esta información circula en paralelo por el bus, por lo que cuando un dispositivo lo está usando ninguno más puede acceder a él. La mayor parte del tráfico del bus lo causan los accesos de la CPU a la memoria RAM.
Los dispositivos de entrada y salida no se conectan directamente al bus del sistema; se conectan mediante un controlador , esto es, un circuito impreso que conoce el funcionamiento del dispositivo de entrada y salida y hace las veces de mediador para el intercambio de información entre el dispositivo y el resto del sistema.
3.2 El software
Los programas o software están compuestos por un conjunto de instrucciones que operan sobre un conjunto de datos de entrada para generar un conjunto de datos de salida. Una instrucción es un conjunto de símbolos que representa una orden de operación o tratamiento para la computadora. Podemos definir programa como un conjunto de instrucciones que ejecuta un ordenador para realizar un proceso determinado. El concepto de programa está íntimamente ligado al concepto de ordenador, ya que un ordenador es una máquina que ejecuta las instrucciones codificadas en el programa.
El ordenador está compuesto por un conjunto de circuitos electrónicos que tienen una serie de señales eléctricas de entrada y como resultado de su operación genera una serie de señales eléctricas de salida. En función de la intensidad de las señales se codifica la información: si las señales llevan intensidad (o se les ha aplicado un voltaje) se consideran 1s. Si las señales no llevan intensidad se consideran como 0s. Existen dos tipos de señales claramente diferenciadas. Por un lado, las que están orientadas al control operación de los componentes electrónicos del ordenador que, por tanto, sirven para controlar el funcionamiento interno. Las otras señales están ligadas a las instrucciones que debe ejecutar el ordenador y a los datos que se van a procesar.
CPU RAM Controladores E/S
Bus del sistema
Hardware
Prog
ramasdecontro l
Utilidades
Sistema Operativo
Usuario
Aplicaciones
- Si hay un salto de secuencia, calcula la dirección de la siguiente instrucción ejecutar; si no hay ningún salto continúa ejecutando la siguiente instrucción.
Una aplicación informática es conjunto de uno o varios programas, y su documentación correspondiente, cuyo fin es realizar un determinado trabajo. La documentación permite al usuario de la aplicación comprender su funcionamiento y manejarla. Por sistema informático se entiende el conjunto de elementos necesarios (computadoras, terminales, impresoras, etc.) para la realización y explotación de aplicaciones informáticas. Un sistema informático requiere de varios tipos diferentes de software (programas) que veremos a continuación.
3.2.1 Software de sistema y de aplicación
Hay dos tipos diferentes de software: el software de sistema y software de aplicación. El software de sistema es aquél que proporciona los mecanismos de gestión del hardware y las utilidades para desarrollar aplicaciones. Sirve como base para desarrollar programas y para que el software de aplicación pueda acceder al hardware, permitiendo así aislar al programador de los detalles de bajo nivel de la máquina e incrementando su productividad.
El sistema operativo es, sin duda, el software de sistema más importante de un ordenador. Este software controla y gestiona a los recursos hardware del ordenador, entre ellos la CPU, la memoria RAM y los dispositivos de entrada y salida. Sus funciones más destacadas son la gestión de los programas en ejecución, permitiendo que varios programas puedan compartir la CPU y los diversos recursos del ordenador; la
asignación de memoria los programas para que éstos puedan ejecutarse; la gestión de los controladores de los dispositivos de entrada y salida; la gestión del sistema de archivos proporcionando una organización lógica de los sistemas de almacenamiento a través de volúmenes, directorios y archivos; etc.
Un sistema operativo contiene programas de control , que se ocupan de controlar al equipo físico en todos sus aspectos, y contiene programas de utilidad o aplicaciones , que se encargan de ayudar al usuario en trabajos típicos, como formatear disquetes, manejar ficheros, etc.
Además del sistema operativo, el software de sistema incluye editores para introducir textos y programas en el ordenador, compiladores, intérpretes, etc. y una serie de herramientas que permiten al programador crear software.
El software de aplicación o aplicaciones se compone de programas diseñados para que el usuario interaccione de modo simple con el ordenador con el objeto de realizar una determinada tarea. Es el software que utiliza todo el mundo: procesadores de texto, navegadores web, clientes de correo electrónico, hojas de cálculo, agendas electrónicas etc. Este software es el responsable del éxito de los computadores actuales, ya que proporciona un conjunto de servicios muy atractivos a un usuario que no tiene necesariamente conocimientos sobre el funcionamiento interno del ordenador ni de los programas.
3.2.2 Lenguajes de programación
Los lenguajes de programación sirven para escribir programas que permitan a un ordenador prestar diversos servicios a los usuarios. Hay tres tipos de lenguajes: lenguaje máquina, lenguaje ensamblador y lenguajes de alto nivel.
3.2.2.1 Lenguaje Máquina
Es el lenguaje que entiende directamente el procesador de un ordenador. En la práctica, no se utiliza para programar porque:
- Requiere un conocer con detalle el diseño del procesador y es distinto para cada modelo.
