Programación de Computadores - UNAL

Generalidades Programación

Comencemos con algo de historia.

Historia de la computación

Toca iniciar por aquí porque es lo que vamos a terminar programando...

El concepto numérico se considera, generalmente, como anterior al desarrollo de los lenguajes escritos; los primeros registros del hombre son anotaciones sobre la cantidad de granos, animales y demás posesiones personales. Con este fin, el hombre empleaba guijarros, palos y/o marcas en las paredes de las cavernas que habitaba.

El ábaco es considerado como el primer instrumento elaborado por el hombre para realizar operaciones aritméticas de manera más eficiente. La primera máquina que realizaba cálculos de manera autónoma fue inventada en 1642 por el gran matemático y filósofo francés Blas Pascal. La máquina de Pascal era movida mediante una serie de ruedas dentadas, numeradas del cero al nueve, alrededor de sus circunferencias y era capaz de sumar y restar en forma directa. Gottfried Wilhelm Leibniz le adicionó a la máquina de Pascal un cilindro diseñado especialmente para que fuera capaz de multiplicar y dividir de manera directa. -- Vídeo interesante --

A principios del siglo XIX el ingeniero Joseph Marie Jacquard perfeccionó el concepto de tarjeta perforada, con el cual se podían “programar” las máquinas de tejer para que siguieran un patrón o diseño. Este concepto fue posteriormente utilizado en las máquinas de cómputo para decirles qué debían calcular.

La verdadera de la computadora fue la máquina llamada “motor de diferencias”, construida en 1822 por Charles Babbage para calcular algoritmos y tablas astronómicas. Ésta máquina estaba dividida funcionalmente en dos grandes partes: una que ordenaba y otra que ejecutaba las órdenes. La que ejecutaba las órdenes era una versión muy ampliada de la máquina de Pascal, mientras que la otra era la parte clave. La innovación consistía, en que el usuario podía combinando las especificaciones de control, lograr que la misma máquina ejecutara operaciones complejas, diferentes a las hechas antes. Babbage concibió una memoria, un procesador aritmético, los medios de ingresar datos y/o instrucciones, así como una sección de producción que imprimiría los resultados.

En 1937, Howard H. Aiken en unión con IBM crearon la “Calculadora Controlada de Secuencia Automática” conocida como el “Mark I”. El Mark I era un monstruo de cuatro y media toneladas métricas, con 78 aparatos independientes vinculados por unos 800 kilómetros de cable. En tres décimas de segundo podía efectuar sumas y restas de 23 dígitos y en cerca de 6 segundos podía multiplicar números de 23 dígitos.

En 1946, el ENIAC fue creado para el ejército norteamericano en la escuela Moore de Ingeniería Eléctrica, de la Universidad de Pennsylvania. Sus creadores fueron un estudiante graduado, J. Presper Eckert, y un físico, el Dr. John W. Mauchly. Juntos eliminaron la necesidad de las partes que se movían mecánicamente en la computadora central. En su lugar, adaptaron circuitos eléctricos de gatillo “flip-flop” y “pulsaciones” electrónicas para conectar o desconectar tubos al vacío, como interruptores. Como las interrupciones de este tipo podían hacerse miles de veces más rápido que los aparatos electro-mecánicos, el ENIAC constituyó un gran inicio hacia el desarrollo de las computadoras modernas.

El último paso para completar el concepto de la computadora de hoy, fue el desarrollo del concepto de máquina almacenadora de programas. Este paso se dio a fines de los cuarenta, después de que el célebre matemático hungaro-norteamericano Dr. John Von Neumann sugirió que las instrucciones de operación, así como los datos, se almacenaran de la misma manera en la “memoria” de la computadora. Además, aportó la idea de hacer que la computadora modificara sus propias instrucciones de acuerdo con un control programado. Las ideas de Von Newman fueron fundamentales para los desarrollos posteriores y se le considera el padre de las computadoras.

Generaciones

• Generación Cero: En la cuál el hombre construyo máquinas, usando dispositivos mecánicos tales como ruedas dentadas y piñones, para realizar básicamente operaciones aritméticas como suma, resta, multiplicaciones y divisiones. Estas máquinas se conocen con el nombre de Máquinas Aritméticas.

Máquina aritmética.

• Primera Generación: En la cuál el hombre construyó máquinas de cálculo para tareas muy específicas como investigación y militares, usando dispositivos electro-mecánicos como relés y tubos de vacío los cuales dieron paso a los elementos transistorizados. Las máquinas de cómputo de esta generación tenían pocas facilidades de programación. La comunicación se establecía en lenguaje de máquina (lenguaje binario). Estos aparatos eran grandes y costosos.

Computadora de primera generación.

• Segunda Generación: En la cuál el hombre construyó computadores (máquinas de cálculo), basados en el transistor. Los computadores de esta generación tienen propósito general, no son usados únicamente para la investigación y el aspecto militar, ya son usados en el arte, la economía y la industria. Se programaban en nuevos lenguajes llamados “de alto nivel”.

Transistor como base de sistemas electrónicos digitales.

• Tercera Generación: En la cual el hombre construye diferentes tipos de computadores, basados en el desarrollo de los circuitos integrados. En esta generación se desarrollan los primeros programas de software de tipo específico.

Computador Electrónico -VAX.

• Cuarta Generación: En la cual el hombre construye computadores de tamaño pequeño pero de gran capacidad, llamados microcomputadores, los cuales están basados en el microprocesador. La aparición del microprocesador se debe a los desarrollos hechos en la tecnología VLSI (Integración de Gran Escala). En esta generación se hacen aplicaciones de software orientadas al usuario final.

Apple 2.

• Quinta Generación: En la cual el hombre construye computadores con más de un procesador, cada uno con una tarea específica como procesamiento de imagen y procesamiento de sonido, y/o con una tarea en común. Adicionalmente se construyen computadores capaces de autoconfigurarse, auto-programarse, etc. En esta generación se desarrolla software tanto genérico como específico.

Centro de datos con servidores.

Recursos adicionales

Vídeo con la historia de las computadoras por generaciones

COMPUTADOR

Un COMPUTADOR es una máquina que realiza cálculos de manera automática. Se divide fundamentalmente en dos partes: el hardware y el software. El HARDWARE es la parte física de un computador, es decir, la parte que realiza los cálculos. El SOFTWARE es la parte lógica del computador, es decir, la parte que le dice al hardware qué hacer. Usando una metáfora se puede decir que: “Un computador es como un ser humano: el hardware es el cuerpo y el software es la mente”.

Arquitectura de hardware

Un computador desde la perspectiva del hardware, está constituido por una serie de dispositivos cada uno con un conjunto de tareas definidas. Los dispositivos de un computador se dividen según la tarea que realizan en: dispositivos de entrada, dispositivos de salida, dispositivos de comunicaciones, dispositivos de almacenamiento y dispositivo de cómputo.

Arquitectura de Hardware.

• Dispositivos de entrada: Son aquellos que permiten el ingreso de datos a un computador. Entre estos se cuentan: teclados, ratones, scanners, micrófonos, cámaras fotográficas, cámaras de video, controles de juegos, lápices ópticos, y guantes de realidad virtual.

Dispositivos de Entrada.

• Dispositivos de salida. Son aquellos que permiten mostrar información almacenada o procesada por el computador. Entre otros están: las pantallas de video, impresoras, audífonos, plotters, guantes de realidad virtual, gafas y cascos virtuales.

Dispositivos de Salida.

• Dispositivos de almacenamiento. Son aquellos en los cuales el computador puede guardar información y de los cuales puede obtener información previamente almacenada. Entre otros están los discos flexibles, discos duros, unidades de cinta, CD-ROM, CD-ROM de re-escritura y DVD.

Dispositivos de Almacenamiento.

• Dispositivos de comunicación: Son aquellos que le permiten a un computador comunicarse con otros. Entre estos se cuentan los modems y tarjetas de red.

• Dispositivo de cómputo: Es la parte del computador que realiza todos los cálculos y tiene el control sobre los demás dispositivos. Está formado por tres elementos fundamentales: la unidad central de proceso, la memoria y el bus de datos y direcciones.

Diagrama esquemático del dispositivo de computo.

• La unidad central de proceso (CPU): es el ‘cerebro’ del computador, está encargada de realizar todos los cálculos, utilizando para ello la información almacenada en la memoria y de controlar los demás dispositivos, procesando las entradas y salidas provenientes y/o enviadas a los mismos. Mediante el bus de datos y direcciones, la CPU se comunica con los diferentes dispositivos enviando y obteniendo tales entradas y salidas. Para realizar su tarea la unidad central de proceso dispone de una unidad aritmético lógica, una unidad de control, un grupo de registros y opcionalmente una memoria caché para datos y direcciones.

• La unidad aritmético lógica (ALU) es la encargada de realizar las operaciones aritméticas y lógicas requeridas por el programa en ejecución, la unidad de control es la encargada de determinar las operaciones e instrucciones que se deben realizar, el grupo de registros es donde se almacenan tanto datos como direcciones necesarias para realizar las operaciones requeridas por el programa en ejecución y la memoria caché se encarga de mantener direcciones y datos intensamente usados por el programa en ejecución.

Diagrama de funcionamiento de la CPU.

• La memoria está encargada de almacenar toda la información que el computador está usando, es decir, la información que es accedida (almacenada y/o recuperada) por la CPU y por los dispositivos.

• La unidad de medida de memoria es el byte, constituido por 8 bits (ceros o unos). Cada byte tiene asignada una dirección de memoria, para poder ser accedida por la CPU. Para la interpretación de la información que está en memoria, como datos o comandos o instrucciones, se utilizan códigos que la CPU interpreta para llevar a cabo las acciones deseadas por el usuario.

• Existen diferentes tipos de memoria, entre las cuales se encuentran las siguientes: RAM (Random Access Memory): Memoria de escritura y lectura, es la memoria principal del computador. El contenido solo se mantiene mientras el computador está encendido. ROM (Read Only Memory): Memoria de solo lectura, es permanente y no se afecta por el encendido o apagado del computador. Generalmente almacena las instrucciones que le permiten al computador iniciarse y cargar (poner en memoria RAM) el sistema operativo. Caché: Memoria de acceso muy rápido, usada como puente entre la CPU y la memoria RAM, para evitar las demoras en la consulta de la memoria RAM.

• El bus de datos y direcciones permite la comunicación entre los elementos del computador. Por el bus de datos viajan tanto las instrucciones como los datos de un programa y por el bus de direcciones viajan tanto las direcciones de las posiciones de memoria donde están instrucciones y datos, como las direcciones lógicas asignadas a los dispositivos.

Arquitectura de software

Un computador desde la perspectiva del software, está constituido por:

• Un sistema operativo.
• Un conjunto de lenguajes a diferente nivel con los cuales se comunica con el usuario y con sus dispositivos. Entre estos están los lenguajes de máquina, los ensambladores y los de alto nivel.
• Un conjunto de aplicaciones de software.
• Un conjunto de herramientas de software.

Software: Es un conjunto de instrucciones que le dicen al hardware que hacer. El hardware por si solo no puede hacer nada.

Lenguaje de programación: Es un conjunto de reglas y estándares que es utilizado para escribir programas de computador (software), que puedan ser entendidos por él.

Programa: Es la representación de algún software en un lenguaje de programación específico.

Sistema Operativo

Es el software encargado de administrar los recursos del sistema. Adicionalmente, ofrece un conjunto de comandos para interactuar con la máquina. Los sistemas operativos pueden ser escritos en lenguaje de alto nivel (UNIX fue escrito en C), en lenguaje ensamblador y/o en lenguaje máquina. Algunos de los sistemas operativos más conocidos son DOS, UNIX, LINUX y las distintas versiones de Microsoft Windows.

Lenguajes a diferente nivel

Lenguaje de Máquina

Es el único lenguaje que entiende el hardware (máquina) y usa exclusivamente el sistema binario (ceros y unos). Este lenguaje es específico para cada hardware (procesador, dispositivos, etc.). El programa (tanto códigos de instrucción como datos) es almacenado en memoria.

Lenguaje de máquina (binario).

Lenguaje Ensamblador

Es un lenguaje que usa mnemónicos (palabras cortas escritas con caracteres alfanuméricos), para codificar las operaciones. Los datos y/o direcciones son codificados generalmente como números en un sistema hexadecimal. Generalmente es específico (aunque no único) para cada lenguaje de máquina. ENSAMBLADOR es un software, generalmente escrito en lenguaje de máquina, que es capaz de traducir de lenguaje ensamblador a lenguaje de máquina.

Lenguaje ensamblador.

Lenguaje de Alto Nivel

Es un lenguaje basado en una estructura gramatical para codificar estructuras de control y/o instrucciones. Cuenta con un conjunto de palabras reservadas (escritas en lenguaje natural). Estos lenguajes permiten el uso de símbolos aritméticos y relacionales para describir cálculos matemáticos, y generalmente representan las cantidades numéricas mediante sistema decimal. Gracias a su estructura gramatical, estos lenguajes permiten al programador olvidar el direccionamiento de memoria (donde cargar datos y/o instrucciones en la memoria), ya que este se realiza mediante el uso de conceptos como el de variable.

Lenguaje de alto nivel.

Los COMPILADORES e INTERPRETES son software capaz de traducir de un lenguaje de alto nivel al lenguaje ensamblador específico de una máquina. Los primeros toman todo el programa en lenguaje de alto nivel, lo pasan a lenguaje ensamblador y luego lo ejecutan. Los últimos toman instrucción por instrucción, la traducen y la van ejecutando.

Aplicaciones

Una APLICACION es un software construido para que el computador realice una tarea específica y con el cual no se puede construir otro software. Ejemplos de aplicaciones son los procesadores de texto como Microsoft Word y Word Perfect y las hojas electrónicas de cálculo como Microsoft Excel y Lotus.

Herramientas

Una HERRAMIENTA es un software construido especialmente para el desarrollo de nuevo software, (tanto de aplicaciones como de herramientas). Ejemplos de herramientas son los compiladores como Turbo C, Turbo Pascal y Dev C++, las herramientas CASE y los ambientes integrados de desarrollo.

Arquitectura de Software Completa.

Resumen (Spoilers)

• Las computadoras son un avance de los sencillos utensilios que el nombre uso para contar a principios de su historia.
• El ábaco fué el primer calculador digital.
• La máquina de Pascal inventada en 1642 fue la primera máquina calculadora.
• La verdadera precursora de las computadoras electrónicas fue el “Motor de Diferencias” construida en 1922 por Charles Babbage.
• En 1937 la IBM ayudó a Howard Aiken a crear el Mark I.
• El Mark I y la Segunda Guerra Mundial desempeñaron papeles claves en el desarrollo de las computadoras norteamericanas.
• El resultado fue el Eniac terminado en 1946 creado por un estudiante graduado Prespert Eckert y el físico John Mauchly.
• Afines de los años 40 John Von Nuemann concibió la idea de que en la memoria coexistan datos con instrucciones. Alrededor de este concepto y el de control programado gira toda la evolución posterior de la industria de las computadoras.
• Existen computadoras analógicas y digitales. Son computadoras digitales aquellas que manejan la información de manera discreta y son analógicas las que trabajan por medio de funciones continuas, generalmente representación de señales eléctricas.
• El computador está constituido por Hardware y Software. El hardware es la parte física y el software la parte lógica.
• Los componentes del hardware son: dispositivos de entrada, dispositivos de salida, dispositivos de almacenamiento, dispositivos de comunicación y dispositivo de cómputo (Unidad central de proceso, memoria, bus de datos y direcciones).
• Desde la perspectiva de software el computador está constituido por: sistema operativo, conjunto de lenguajes a diferente nivel (lenguajes de máquina, ensambladores y alto nivel), aplicaciones y herramientas.