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Mática: Automática
El tratamiento de datos mediante ordenador es automático y racional pues se realiza mediante órdenes establecidas y razonamientos humanos ya que el software es creado por el hombre.
Con el conjunto físico no se puede hacer nada si no se dispone de un lenguaje lógico para comunicarse con él: Software o Componente lógico. Hay dos tipos de software:
1. De sistema: conjunto de programas necesarios para que el ordenador tenga capacidad de trabajar. Hacen posible que la pantalla funcione, que represente lo que se escribe desde el teclado y muestre los movimientos del ratón...
2. De aplicación: son los programas que maneja el usuario, programas de tratamientos de textos, de bases de datos, hojas de cálculo...
La calculadora más antigua son las manos, a través de las cuales el hombre realiza sus primeros cálculos. Pronto comienza a utilizar objetos de la naturaleza como trozos de madera y pequeñas piedras, en latín Calculus, para realizar cálculos mas complicados. Pero para operaciones con números grandes este método es limitado.
El paso siguiente es asignar un valor simbólico al objeto, hasta ahora el valor de un objeto era la unidad, a partir de ahora un objeto puede significar 5, 10 o cualquier cantidad que se le asigne. Esto hace que aparezcan los primeros objetos creados con el único propósito de realizar cálculos.
El ábaco es un ejemplo de estos diseños, se compone de un marco de madera en el que hay tendidos una serie de hilos o varillas. En cada uno de ellos se insertan una serie de cuentas que permiten almacenar cantidades y realizar operaciones básicas de suma y resta.
Ábaco
La calculadora que alcanzó mayor difusión fue la desarrollada por el filósofo Blaise Pascal, que a la edad de 19 años desarrolló su Machina Aritmética. Años después creó la Pascaliana que podía realizar sumas y restas. Esta calculadora estaba basada en una serie de engranajes y ruedas dentadas. La base de las operaciones consistía en contar los dientes de un engranaje, al igual que un cuentakilómetros.
Máquina de Pascal
En 1671, Gottfried Wilhelm Leibniz construye la primera máquina capaz de sumar, restar, multiplicar y dividir. El mecanismo también era de engranajes. Las multiplicaciones se realizaban como sumas sucesivas y las divisiones como restas sucesivas. Fue denominada Máquina Universal.
Estas no eran máquinas automáticas ya que requerían la intervención humana durante el proceso.
Al comienzo del siglo XIX el francés Joseph-Marie Jacquard, inventa un telar mecánico cuyos diseños se reproducían gracias a una serie de tarjetas perforadas, las cuales permitían repetir el diseño del dibujo en la tela siempre que se desease. Las tarjetas perforadas transmitían a la tejedora las instrucciones necesarias para su funcionamiento.
Utilizando este procedimiento de tarjetas perforadas unido al anterior diseño de ruedas mecánicas, Charles Babbage desarrolló en 1834 la Máquina Analítica. Esta máquina se proyectó con los tres componentes básicos de un ordenador actual:
En 1890 Herman Hollerith, crea una máquina para realizar el censo de EEUU. Esta máquina utiliza un sistema electrónico para la lectura de las tarjetas perforadas y un sistema mecánico para calcular. En 1924 la compañía fundada por Hollerith cambia de nombre para denominarse "International Business Machines" (IBM).
La aparición de la tecnología eléctrica permite la incorporación de relés, que son interruptores binarios con dos posiciones, encendido y apagado.
¿Cómo es posible representar los números si los interruptores sólo tienen dos posiciones? En china antiguamente ya se había utilizado un sistema binario de numeración que fue descrito por Leibniz en el siglo XVII.
Calculadora de Leibniz
Este sistema consiste en utilizar dos dígitos para representar las cifras, comúnmente 1 y 0, así 0 = Cero, 1= Uno, 10= dos, 11= Tres, 100= Cuatro, 101= Cinco, etcétera…
Es aquí importante destacar la aportación de la Lógica Algebraica de Boole, que reduce la lógica, y en consecuencia las operaciones matemáticas, a combinaciones de elementos binarios (Boole utiliza Verdadero y Falso, que corresponden a 1 y 0).
Los ordenadores que han ido apareciendo desde los años 40 se han agrupado en 5 generaciones, que se diferencian por sus componentes. Sin embargo la verdadera revolución de la informática no llegó hasta la aparición de los microprocesadores.
3.3.1. Primera generación 1940-1960
La Universidad de Harvard establece un acuerdo con la empresa IBM para crear un computador de carácter general. Esta máquina estuvo operativa en 1944 y se denominó Mark I. Tenía la capacidad de almacenar 72 números de 23 cifras, utilizaba tarjetas perforadas para introducir los números y las operaciones. Su velocidad no era muy elevada, necesitando diez segundos para realizar una multiplicación y once para una división.
E.N.I.A.C. Primer ordenador construido totalmente
electrónico
En 1947 se construyó en la Universidad de Pennsylvania la ENIAC, que fue la primera computadora propiamente dicha. Esta máquina ocupaba todo un sótano de la universidad, pesaba 30 toneladas y requería todo un sistema de aire acondicionado, pero era capaz de realizar cinco mil operaciones aritméticas en un segundo. Lo que MARK I realizaba en una semana, ENIAC lo hacía en una hora, pero cada vez que se cambiaba el de tipo de operación había que cambiar las conexiones de los cables, operación que podía durar varios días de trabajo.
El proyecto, subvencionado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos, culminó dos años después, cuando se integró el ingeniero húngaro John von Neumann; sus ideas resultaron tan fundamentales para el desarrollo posterior que es considerado el padre de las computadoras.
La idea fundamental de Neumann fue permitir que en la memoria coexistieran datos con instrucciones, para que la computadora pudiera ser programada a través de esos datos y no por medio de alambre que eléctricamente programaban las operaciones de la computadora.
En 1952 Neumann termina EDVAC. Esta máquina, además de almacenar en la memoria los datos y las instrucciones, era capaz de almacenar programas específicos para su funcionamiento, de esta forma el cambio de operaciones se hacía por medio de programas y no alambres.
En 1951 aparece la UNIVAC. Se creó para la realización del censo electoral de Estados Unidos. Es la primera computadora comercial. Disponía de mil palabras de memoria central y podía leer cintas magnéticas. Dos años después IBM lanza el IBM 701.
En esta generación cabe destacar la aparición de los primeros lenguajes de programación que permitían substituir la programación en Lenguaje Máquina, es decir 1 y 0, que eran introducidos directamente en el computador, por una Programación Simbólica, que traduce símbolos del lenguaje natural a Lenguaje Máquina.
Su aparición hizo que las computadores fuesen más rápidas pequeñas y baratas. En esta generación se ampliaron las memorias auxiliares y se crearon los discos magnéticos de gran capacidad. Se diseñaron las impresoras y lectores ópticos y se desarrollaron los lenguajes de programación, aparecen los nuevos lenguajes de programación denominados Lenguajes de Alto Nivel.
El primer ordenador con transistores, el ATLAS 1962, se
construyó
en 1956.
3.3.3. Tercera generación 1965-1975
El primer aparato basado totalmente en circuitos integrados es el IBM serie 360 que incorporó además un Sistema Operativo para el control de la máquina.
A mediados de los 70 aparecen las primeras minicomputadoras.
Otras características son el aumento de la capacidad de entrada y salida de datos, mayor duración de los componentes, nuevos lenguajes de programación Logo, Pascal, Basic, bases de datos. Surgen terminales inteligentes con memoria propia y los procesadores de palabras. Se reduce del tamaño y coste de los computadores y mejora la velocidad de cálculo.
Se abre una nueva era con la aparición de las Computadoras Personales o Personal Computer.
En 1976 Steve Wozniak y Steve Jobs fabrican en el garaje de su casa la primera microcomputadora Apple I del mundo y más tarde fundan la compañía Apple.
Otras compañías lanzan posteriormente sus modelos de microcomputadoras.
En 1981 IBM lanza al mercado su primer IBM-PC.
Un ejemplo, los primeros microcomputadores tenían un precio superior a los dos millones de pesetas. A finales de los 80, el precio estaba sobre las doscientas mil pesetas y su rendimiento era 100 veces mayor.
En esta época destaca el desarrollo de los sistemas
operativos,
que buscan una integración entre el usuario y el ordenador, a
través
de la utilización de gráficos.
Las alianzas entre compañías rivales son la tónica de esta época, IBM firma acuerdos con Apple y Motorola, para la producción de una nueva serie de microprocesadores denominados PowerPC. Intel lanza el microprocesador Pentium como respuesta a esta alianza. Conforme avanzan los años la velocidad y el rendimiento de los microprocesadores es mayor gracias a los avances en la microelectrónica.
Hay que destacar que por otro lado otras empresas continúan trabajando en supercomputadores que incorporan varios microprocesadores en la misma máquina.
Según la "Ley de Moore" el número de transistores por microprocesador se duplica cada 18 meses. Se ha cumplido en los últimos 30 años y se prevé se cumpla durante los próximos 20 años.
| Modelo |
Fecha
|
Velocidad de reloj
|
Ancho de bus interno
|
| 4004 |
15/11/1971
|
108 Khz
|
4 bits
|
| 8008 |
1/4/1972
|
108 Khz
|
8 bits
|
| 8080 |
1/4/1974
|
2 Mhz
|
8 bits
|
| 8088 |
8/6/1978
|
5-8 Mhz
|
8 bits
|
| 8086 |
1/6/1979
|
5-10 Mhz
|
16 bits
|
| 80286 |
1/2/1982
|
8-12 Mhz
|
16 bits
|
| 80386 SX |
17/10/1985
|
16-33 Mhz
|
16 bits
|
| 80386 DX |
16/6/1988
|
16-20 Mhz
|
32 bits
|
| 80486 SX |
10/4/1989
|
16-33 Mhz
|
32 bits
|
| 80486 DX |
22/4/1991
|
25-50Mhz
|
32 bits
|
| PENTIUM |
22/3/1993
|
60-200 Mhz
|
32 bits
|
| PENTIUM PRO |
27/3/1995
|
150-200 Mhz
|
64 bits
|
| PENTIUM II |
7/5/1997
|
233-300 Mhz
|
64 bits
|
| PENTIUM III |
7/5/1999
|
> 400 Mhz
|
64 bits
|
4. Estructura básica de un ordenador
La información digital va asociada a las actividades humanas y al modo en que el hombre resuelve los problemas. Por tanto, los computadores digitales son especialmente apropiados para simular dicho comportamiento y utilizan como modelo para su funcionamiento y organización interna al cerebro humano.
Resulta útil ilustrar estas consideraciones con el siguiente ejemplo, en el que se van a analizar los procesos involucrados en el cálculo manual a base de lápiz y papel. El principal objetivo del papel es almacenar información. La información que se almacena en el papel puede incluir una lista de instrucciones que indica los pasos a seguir en el cálculo- es decir un algoritmo o programa-, así como los datos iniciales del problema a partir de los cuales se realizan los cálculos. A lo largo del proceso de cálculo también se escribirán en el papel los resultados intermedios de las operaciones y, al término del mismo, se escribirá el resultado final. Los procesos de cálculo tiene lugar en el cerebro humano, al cual podemos denominar el procesador.
Pueden distinguirse dos funciones básicas en el cerebro humano mientras realiza este trabajo:
Los elementos principales de un computador digital son análogos a los elementos que hemos identificado en la actividad anterior y se muestran en la Figura.
Una diferencia sustancial entre el hombre y la máquina radica en la forma en que ambos representan la información (tanto instrucciones como datos). Los seres humanos utilizan los lenguajes naturales, que contienen una gran variedad de símbolos, y suelen representar los números en base 10.
Sin embargo los computadores actuales, debido a las tecnologías electrónicas en que se fundamentan basadas en transistores, procesan y almacenan la información en forma binaria, es decir, utilizando dos únicos símbolos denominados convencionalmente 0 y 1.
Para poder establecer la comunicación entre la máquina y los usuarios humanos deberá utilizarse un traductor que convierta la información desde el lenguaje máquina al lenguaje humano y viceversa. El dispositivo que realiza esta función es un computador digital que se denomina unidad de entrada-salida.
Como conclusión se puede decir que cualquier computador digital o humano debe disponer de los siguientes elementos:
5. Cómo trabaja un ordenador. Representación interna de la información
| El número 173 puede verse como: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
o lo que es lo mismo 173 = 1 x 102 + 7 x 101 + 3 x 100
Si hay valores negativos el exponente se haría negativo.
El Bit es la unidad principal (BInari digiT)= dígito
binario
(1 o 2).
| 1 | 1 dígito... 2 combinaciones | 000 | 3 dígitos... 8 combinaciones |
| 0 | 001 | ||
| 010 | |||
| 00 | 2 dígitos... 4 combinaciones | 100 | |
| 01 | 101 | ||
| 10 | 110 | ||
| 11 | 111 | ||
| 011 | |||
| n dígitos... 2^n combinaciones posibles |
Los procesadores más sencillos son de 8 bits, lo que
significa
8 dígitos. Para transformar un número binario 10011010(2)
al sistema decimal se debe hacer lo siguiente:
| 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| ¯ | ¯ | ¯ | ¯ | ¯ | ¯ | ¯ | ¯ |
| 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 |
Se numeran los dígitos de derecha a izquierda empezando por cero.
Se multiplica el dígito ( 0 ó 1) por 2 elevado al
número
de posición y se suma el resultado obteniendo así un
número
decimal.
| 10101101(2) = | 1 x 27 | + 0 x 26 | + 1 x 25 | + 0 x 24 | + 1 x 23 | + 1 x 22 | + 0 x 21 | + 1 x 20= |
|
=
|
|
|
|
|
|
|
|
+1= 173 |
Otra forma de convertir números binarios en decimales es
usando
esta tabla:
| 128 | 64 | 32 | 16 | 8 | 4 | 2 | 1 | |||||
| 27 | 26 | 25 | 24 | 23 | 22 | 21 | 20 | |||||
| 1 | = 1 x 20 = 1 | |||||||||||
| 0 | = 0 x 21 = 0 | |||||||||||
| 1 | = 1 x 22 = 4 | |||||||||||
| 1 | = 1 x 23 = 8 | |||||||||||
| 0 | = 0 x 24 = 0 | |||||||||||
| 1 | = 1 x 25 = 32 | |||||||||||
| 0 | = 0 x 26 = 0 | |||||||||||
| 1 | = 1 x 27 =128 | |||||||||||
| La conversión sería | =173(10) valor decimal | |||||||||||
La solución es sumar los valores posicionales positivos. La conversión decimal a binaria sería dividir el número por dos y el resto es el valor binario.
Para pasar de un número decimal a uno binario se debe
dividir
sucesivamente entre dos. El resultado se obtiene por el cociente final
y los restos que van quedando en las sucesivas divisiones de derecha a
izquierda:
|
173
|
2 | |||||||||||||
|
13
|
86
|
2 | ||||||||||||
|
1
|
06
|
43
|
2 | |||||||||||
|
0
|
03
|
21
|
2 | |||||||||||
|
1
|
01
|
10
|
2 | |||||||||||
|
1
|
0
|
5 | 2 | |||||||||||
| 1 | 2 | 2 | ||||||||||||
| 0 | 1 |
173(10) =10101101(2)
Otra forma de hacerlo:
| 173(10) | |
| 173/2 = 86 R=1 | |
| 86/2 = 43 R=0
43/2 = 21 R=1 21/2 = 10 R=1 10/2 = 5 R=0 5/2 = 2 R=1 2/2 = 1 R=0 |
10101101(2) = 173(10) |
Dos números binarios se pueden sumar siguiendo este
esquema:
| 0+0=0 | 0+1=1 | 1+1=10 |
| 10110 | ||
| + 01101 | ||
| 100011 |
Los caracteres se representan en código decimal, hexadecimal y binario. Cada carácter tiene una cadena binaria asignada y su correspondiente número decimal. Existen distintos códigos para representar cada carácter con un combinación de bits. Uno de estos códigos es el ASCII.
Muestra de algunos caracteres codificados, extraídos de
una tabla
de código ASCII:
| Carácter | Equivalente Binario | Equivalente Decimal | Carácter | Equivalente Binario | Equivalente Decimal | |
| espacio | 0100000 | 32 | a | 1100001 | 97 | |
| . (punto) | 0101110 | 46 | b | 1100010 | 98 | |
| 0 | 0110000 | 48 | c | 1100011 | 99 | |
| 1 | 0110001 | 49 | d | 1100100 | 100 | |
| 2 | 0110010 | 50 | e | 1100101 | 101 | |
| 3 | 0110011 | 51 | f | 1100110 | 102 | |
| 4 | 0110100 | 52 | ||||
| 5 | 0110101 | 53 | ||||
| 6 | 0110110 | 54 | ||||
| 7 | 0110111 | 55 | ||||
| 8 | 0111000 | 56 | ||||
| 9 | 0111001 | 57 |
Byte: agrupación de 8 bits. Puedo representar 28=256 combinaciones posibles. Los ordenadores actuales trabajan siempre con agrupaciones de 1, 2, 4 y 8 bits, es decir, con bloques de 8, 16, 32 y 64 bits, pero siempre múltiplos de 8 bits.
Kilobyte: 210 bytes que son 1.024 bytes.
Megabyte: 220 bytes que son 1.048.576 bytes o 1.024 kilobytes.
Gigabyte: 230 bytes que son 1.0243 bytes o 1.024 megabytes.
Terabyte: 240 bytes que son 1.0244 bytes o 1.024 gigabytes.
El ordenador consta de módulos:
Microprocesador: Es el cerebro del ordenador. Se encarga de realizar todas las operaciones de calculo y de controlar lo que pasa en el ordenador recibiendo información y dando órdenes para que los demás componentes trabajen.
Coprocesador: Está especializado en realizar cálculos matemáticos complejos(operaciones logarítmicas, trigonométricas). Ayuda al microprocesador a realizar todas estas operaciones.
El Bus: El bus de la placa base es la circuitería por donde circulan los datos que van y vienen del microprocesador.
Bus de trasmisión de datos: líneas físicas por donde circulan los datos que se han leído o que se van a escribir (entrada/salida)
Bus de trasmisión de direcciones: líneas físicas por donde circulan las direcciones desde donde se va a leer (entrada) o donde se va a escribir (salida)
Bus de control: líneas físicas por donde circulan las ordenes de control (entrada/salida)
Bios: Basic Input / Output System. Es una memoria especial que tiene toda la información necesaria para hacer funcionar el ordenador correctamente y gestionar las operaciones de entrada y salida.
Controladores de disco y placas de expansión: son tarjetas (circuitos impresos) donde se conectan y controlan los periféricos.
Un conjunto de circuitos electrónicos, en cuyo caso estaremos haciendo referencia a la memoria interna.
Dispositivos que se basan en alguna propiedad física estable del medio para guardar la información: propiedades ópticas, magnéticas o dieléctricas. En este segundo caso se hace referencia a la memoria externa.
Métodos de almacenamiento:
Disco duro: En un disco duro en el que la información se almacena en unos finos discos de aluminio recubiertos por un material sensible a alteraciones magnéticas. El número de estos discos varía según la capacidad de la unidad y se encuentran uno sobre otro atravesados por un eje. Cada disco posee dos pequeños cabezales, uno en cada cara. Estos cabezales se encuentran flotando a 3 o 4 micropulgadas del disco sin llegar a tocarlo (el diámetro de un cabello es de 4000 micropulgadas). Estos cabezales generan señales eléctricas que alteran los campos magnéticos del disco. Cuanto más cerca esté el cabezal del disco, menor es el punto magnético y más información se puede albergar en el mismo espacio.
El sistema operativo del ordenador coordina y jerarquiza todos los procesos que se llevan a cabo en un ordenador y los periféricos (operaciones de escritura y lectura - entrada y salida).
Multitarea o multiproceso: capacidad para soportar dos o más procesos activos simultáneamente.
Multiprogramación: cuando los procesos en memoria pertenecen a programas distintos. No tienen nada en común. En el caso de la multitarea los procesos son distintos pero no corresponden a programas distintos.
Todo sistema operativo multiprogramación comparte todos los recursos entre procesos de programas distintos, por este motivo se habla de tiempo compartido. Según se distribuya el tiempo en partes iguales o según prioridades, se habla de multiprogramación simétrica o por prioridades.
El sistema operativo se compone de un núcleo o Kernel y un intérprete de comandos denominado Shell.
El shell es un interface entre la CPU y el usuario. Cuando le pedimos algo al ordenador, el shell se encarga de traducirlo en llamadas o peticiones a los programas que componen el kernel o núcleo, y éste acciona el hardware (a través de un comando o un botón).
Cuando se conecta el interruptor de un ordenador, ocurren una serie de operaciones que se pueden englobar en dos grupos: