Fundamentos de la Computación

Introducción

El desarrollo computacional e informático ha sido motivado por las siguientes razones:

• Ayudar al hombre en la ejecución de tareas rutinarias, repetitivas y muchas veces engorrosas.
• Transmitir y tratar la información.

Hoy en día, las aplicaciones informáticas se han integrado en gran parte de las tareas realizadas por el hombre, recreativas y laborales, haciéndose cada vez más sofisticadas y complejas.

Definiciones

Informática

Este término surge en Francia en 1962 como “Information Automatique”, y se define como:

“Ciencia que estudia el tratamiento automático y racional de la información”

Se dice automática, por el uso de la computadora (máquina) y otros dispositivos.

Se dice racional, debido a la intervención humana.

La ciencia de la informática incluye:

• El desarrollo de nuevas máquinas.
• El desarrollo de nuevos métodos de trabajo.
• Construcción de aplicaciones informáticas.
• Mejorar los métodos y aplicaciones existentes.

Computador

Hardware + Software

Hardware: Componentes electrónicos, eléctricos, mecánicos que soportan la información y realizan las operaciones básicas. Se compone de varias unidades con funciones distintas entre sí. Arquitectura de computadores: descripción de los distintos componentes del hardware.

Software: Conjunto de instrucciones y datos que, almacenados en la memoria de la máquina, describen el trabajo a realizar. A un conjunto de instrucciones y datos se les denomina programa: por lo tanto puede definirse software como el conjunto de programas que el hardware ejecuta para realizar un trabajo de tratamiento de la información.

Dato e Información

• Dato: Símbolo o símbolos que se suministran al computador.
• Al computador se le ingresan datos y emite datos de resultado.
• Información: Interpretación de los datos realizada por un usuario.
• Las personas trabajan con información.

Datos – Proceso – Información

Un Poco de Historia

La primera «máquina» destinada a facilitar las operaciones de cálculo encuentra su origen en China hace unos 2.500 años: es el ábaco.

El nacimiento de la industria generó una abundancia de productos por comercializar, con los consiguientes problemas de cálculo y de control, y la necesidad de nuevos instrumentos para resolverlos.

En el incipiente desarrollo del siglo XVII aparecen las primeras máquinas destinadas a ayudar a resolver problemas aritméticos.

En 1642 el francés Blas Pascal fabricó -a los 19 años de edad- la primera máquina sumadora mecánica. Este invento es de la mayor importancia, por cuanto probó que un dispositivo material podía realizar operaciones que parecían exclusivas de la mente humana.

Posteriormente se inventan y perfeccionan una gran cantidad de máquinas destinadas a resolver problemas específicos, aritméticos principalmente.

En el siglo XIX Babbage, nacido en Inglaterra, ideó una máquina no solo capaz de resolver problemas aritméticos sino de “autocontrolar” su funcionamiento.

Otro hecho fundamental del siglo XIX fue el desarrollo realizado por George Boole, de una nueva álgebra. El álgebra de Boole consiste en un método para resolver problemas de lógica que recurre solamente a valores binarios “true” y “false” y a tres operadores ”and”, “or” y “not”. Esta es la base de lo que se conoce como código binario, que utilizan todos los computadores actuales.

Muchos años después (1937), Shannon y Weaver, desarrollan lo que se llamó “Teoría Matemática de la Comunicación” o “Teoría de la Información” estableciendo conceptos y unidades de información que aún rigen la informática.

Generaciones de Computadores

Los cambios tecnológicos producidos han originado una clasificación de las computadoras en generaciones.

1. 1ª Generación (1940 – 1952): Computadoras diseñadas a base de válvulas de vacío como principal elemento de control y cuyo uso fundamental fue la realización de aplicaciones en los campos científicos y militares. Se programaban en lenguaje de máquina y utilizaban como memoria las tarjetas y cintas perforadas. Ejemplo: ENIAC construido por el Ministerio de Defensa de USA en 1947.
2. 2ª Generación (1952 – 1964): Se fabrican en base a los transistores. Adquieren más potencia y fiabilidad y pierden tamaño. Se amplió su aplicación utilizándose en los negocios. Se programaban en lenguajes de más alto nivel que el lenguaje de máquina como el ensamblador y más tarde COBOL y ALGOL. Poseían memoria interna a través de núcleos de ferrita, tambores magnéticos y cintas magnéticas. Ejemplo: UNIVAC.
3. 3ª Generación (1964 – 1971): El elemento de fabricación representativo de esta generación es el circuito integrado que se encapsulaban en pastillas de silicona. La miniaturización se extendió a todos los componentes del computador. El software evolucionó también considerablemente y se produjo un gran desarrollo de los sistemas operativos. Los dispositivos de almacenamiento primario adquirieron mayor capacidad y rapidez mediante las memorias de semiconductores y aparecieron los discos magnéticos como medios de almacenamiento secundario.
4. 4ª Generación (1971 – 1981): Aparece el microprocesador consistente en la integración de toda la CPU del computador en un solo circuito integrado. Aparece el disquete y un gran número de lenguajes de programación. Los computadores comienzan a ser conectados entre sí de manera más ordenada con lo que aparecen las redes de transmisión de datos.
5. 5ª Generación (1981 – 199?): Los computadores de esta generación se caracterizan por utilizar componentes de muy alta integración (VLSI). La interconexión de computadores y la integración de datos, imágenes y voz se mejoran notablemente debido a la potencia que alcanzan estos equipos. Los lenguajes y programas se hacen cada vez más poderosos y las interfaces con los usuarios se hace cada vez más amigable.

Tipos de Computadores

Según el propósito para el que fueron fabricados se clasifican en:

• Multipropósito: Son programadas por medio de lenguajes de programación y pueden realizar cualquier tipo de procesos.
• Propósito específico: Ejecutan operaciones pre-definidas, como control de procesos, cajas registradoras, etc.

Según su tecnología:

• Computadores digitales.
• Computadores analógicas.

Según su tamaño se clasifican en:

• Supercomputadores: Destinadas a cálculos precisos y rápidos. Son los más poderosos. Poseen varios procesadores.
• Mainframes: Soportan gran cantidad de usuarios conectados, se usan generalmente en las empresas para procesos corporativos. (IBM 3090)
• Minicomputadores: Menos poderosos que los mainframes, pero de menor costo.(VAX DEC, AS/400)
• Microcomputadores: Utilizados por lo general por un solo usuario.(PCs, Workstation, etc.)

Cómo Funcionan los Computadores

Entrada – Procesamiento/Almacenamiento – Salida

Computador vs Hombre

• CPU (Central Processing Unit): Cerebro; pensar.
• Memoria ROM: Instintos.
• Memoria RAM: Información que maneja en este momento.
• Memoria secundaria (discos magnéticos y ópticos, cintas): Información que busco en elementos adicionales.
• Dispositivos de salida: Entrega de información (gestos, voz).
• Dispositivos de entrada: Ingreso de información (sentidos: oídos, ojos, …).

Estructura del Computador

Los computadores están formados por una serie de componentes, los cuales determinan en conjunto las capacidades del computador.

• CPU y tarjeta madre.
• Memoria RAM y ROM.
• Disco duro, unidad de CD-ROM y DVD.
• Monitor y tarjeta de video.
• Otros dispositivos.

Caja de Computador

Tipo: Escritorio – Torre – Todo en uno.

Elementos visibles: Botones, diskettera, luces de control.

Conexiones o puertos.

Unidades de Entrada

• Teclado: Expandido, 101 teclas, etc.
• Mouse: Varios botones (variaciones: trackball).
• Scanner: BW, color.
• Joystick: Utilizado con juegos.
• Lector óptico: Lectores láser de códigos de barra.

Teclado

Dispone de un conjunto de teclas agrupadas en 4 bloques:

• Alfanumérico.
• Numérico.
• De movimiento.
• De función, de tal forma que pulsando cada una de ellas se transfiere su codificación a la computadora.

Mouse

Dispositivo de entrada de movimientos y órdenes de activación (clic o doble-clic).

Unidades de Salida

• Monitor: VGA, SVGA, UVGA, CGA, Hércules.
• Programas operan en modo de texto o gráfico.
• Impresora: Láser, inyección tinta, matriz de puntos.
• Parlantes: Sistemas multimedia.

Pantalla (Monitor)

Caja consistente de un tubo de rayos catódicos CRT y de un cañón que puede disparar un haz de electrones contra una pantalla fosforescente.

La resolución de la pantalla está asociada a la cantidad de puntos luminosos que poseen.

Se definen por tres características:

• Tamaño: varía entre 5 y 21 pulgadas. La medición se realiza en forma diagonal.
• Resolución:
  • VGA (Video Graphics Array): 640*480 y hasta 256 colores.
  • SVGA: desde 800*600 hasta 1280*1024.
• Monocromático o a colores.

Impresoras

Se caracterizan por:

• Impacto-Matriz de puntos: Baja calidad, usan cinta, económicas, lentas.
• Tinta: Media a alta calidad, usan cartucho de tinta, precio moderado, velocidad moderada según el trabajo.
• Láser: Alta calidad, usan tóner, precio alto, rápidas, funcionan como las fotocopiadoras.

Tarjeta Madre

Tarjeta madre (Mother Board) es la placa de circuitos integrados en la cual se inserta el procesador, la memoria y otros componentes.

• Es la base para comenzar a «armar un computador».
• Diferentes dispositivos se insertan en buses de la tarjeta madre.
• Alta velocidad de paso de datos. Algunos buses estándar: ISA/EISA, IDE, PCI, SCSI.

Unidad de Procesamiento

Unidad Central de Proceso (generación-tipo-velocidad) + Memoria RAM (volátil-acceso rápido).

Unidad Central de Procesos (CPU)

Es el “cerebro” del computador, su función es controlar el funcionamiento de todos los demás componentes y coordinar y realizar todas las operaciones.

CPU es un chip que viene en la tarjeta madre.

• Grandes computadores (mainframe) utilizan CPU más poderosas e incluso varias dentro del mismo computador.
• PC utilizan una sola CPU generalmente.

Su capacidad se indica por el modelo (en PC: 8088, 80286, 80386, 80486, Pentium).

• Intel – Pentium IV
• AMD – Athlon

CPU tiene un reloj interno cuya velocidad se mide en Hertz, lo que determina la velocidad de procesamiento.

Tipos de Microprocesadores

Microprocesadores actuales AT:

• x86: 286, 386, 486.
• Pentium, Pentium MMX, Pentium Pro, Pentium Celeron, Pentium II, Pentium III, Pentium IV, Xeon de Intel.
• K5, K6, Duron, Athlon de AMD.

Componentes de la CPU

Unidad de Control (UC)

Se encarga de traer las instrucciones de memoria principal y determinar su tipo.

Unidad de Aritmética y Lógica (UAL)

Se encarga de llevar a cabo evaluaciones aritméticas (adición, substracción, multiplicación, división) y lógicas (AND, OR, NOT, etc.) necesarias para realizar las distintas instrucciones.

Registros

Constituyen una pequeña memoria de alta velocidad, utilizada para almacenamiento de resultados intermedios y de cierta información de control.

• Contador de programa: Almacena información (la dirección) de la siguiente instrucción a ejecutar.
• Registro de instrucción: Contiene la instrucción que se está ejecutando.
• Registros de propósito general: Registros accesibles por programadores de bajo nivel.

Memorias Internas

Memoria Principal

La memoria es el componente encargado de almacenar los datos y los programas, para que puedan ser procesados. Para que el computador realice cualquier operación requiere primero que los datos y programas se encuentren en la memoria principal.

Para ello, primero debemos ingresar los datos y programas a través de un dispositivo de entrada y llevarlos hasta la memoria principal, una vez ahí el procesador puede realizar el procesamiento.

Tipos de memoria principal: RAM, ROM, RAM – Caché.

RAM – Random Access Memory o Memoria de Acceso Directo

Se llama así por cuanto es posible acceder directamente a la información almacenada si se conoce la «dirección» donde se encuentra.

Se caracteriza por:

• Volátil.
• Alta velocidad de acceso.
• La capacidad de almacenamiento de la RAM es siempre escasa.

ROM – Read Only Memory o Memoria Sólo de Lectura

Se llama así ya que puede ser leída pero no alterada.

Se caracteriza por:

No volátil. Almacena una especie de «programa maestro» que contiene instrucciones básicas para la unidad de control.

RAM-Caché

En esta área se conservan los datos de uso más frecuente (requeridos por el procesador) junto con su dirección en la RAM.

Se ubica actualmente dentro del procesador.

Memoria Secundaria

Memoria Auxiliar o Secundaria

Son los dispositivos de almacenamiento masivo de información, datos y programas, para que puedan ser recuperados y utilizados posteriormente.

Características:

• Menor velocidad de acceso a los datos.
• Mayor capacidad de almacenamiento.
• Medios de almacenamiento permanente.
• Menor costo que la memoria principal.

Unidades de Almacenamiento

Medidas de Almacenamiento

• 1 bit (binary digit, “0;1”): unidad mínima de información.
• 1 byte: 8 bit.
• 1 kilobyte (KB): 1024B.
• 1 megabyte (MB): 1024KB.
• 1 gigabyte (GB): 1024MB.

Diskettes

Consiste en una base de plástico recubierta por una fina capa de material magnetizable.

Se dividen en pistas y sectores.

Se clasifican en:

• Por su diámetro en, 51/4”, 31/2 ”, 8” y 11”.
• Por su densidad en, alta densidad (HD), baja densidad, y doble densidad (DD).

Se usan de 3 1/2 de 1,44 MB.

Discos Duros

Consisten en una base metálica (por lo general aluminio), de 5” a 10”, sobre la cual hay una capa de material magnetizable.

Dependiendo del número de discos que poseen, están:

• Disco único.
• Diskpack.

Características:

• Se ubican en la unidad central.
• Mayor rapidez de acceso, con respecto a los diskettes.
• Mayor capacidad de almacenamiento, con respecto a los diskettes. En un rango, actualmente, de los gigabytes.

Unidad de CD-ROM

CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory).

Actualmente existen los discos WORM (Write Once Read Many – una sola escritura muchas lecturas).

Funcionamiento

La unidad escritora utiliza un láser de alto poder para laserizar agujeros en la superficie del disco óptico.

Representación de Datos

Todo en el computador es guardado como un número binario. Lo que representa depende del contexto.

• 00101001 es 41 en base de 10.
• 00101001 es la instrucción de sumar los registros en el procesador Intel Pentium.
• 00101001 color verde en una imagen.
• 00101001 letra “B” en el conjunto de caracteres.

Número de bits (un lugar en la representación binaria) da la medida de cuántas cosas diferentes se pueden representar.

• 8 bits significan 256 (2⁸) diferentes caracteres, colores, instrucciones, números.

Programas especiales nos traducen el código binario en forma de texto o imagen.

Sistemas Numéricos

• Decimal (10 dígitos, 0 al 9).
• Binaria (2 dígitos, 0 y 1).
• Octal (8 dígitos, 0 al 7).
• Hexadecimal (10 dígitos (0 al 9) y 6 letras (desde la A a la F).