Introducción a la. ,computación

Jorge Vasconcelos Santillán

TERCERA EDICiÓNMéx ico, 2011

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Historia de la computación

Si bien es ta invención no estuvo relacionada con las máquinas de calcular. la ideade representar información mediante tarjetas perforadas fue aprovechada añosmás tard e por Babbage y Hollerith como med io para almacena r datos.

Los proyectos de BabbageEl inventor británico Cha rles Babbage (1791-1871) tiene un lugar particularmentesingula r dentro de la historia de la computaci ón (figura 3.10), pues previó, con unsiglo de anticipación, las diferentes partes que in tegran las computadoras actuales.esto es, máquinas con memoria. un núcleo de control de procesos. dispositivos parala recepción y la emisión de datos, así como la posibilidad de programación.

Babbage comenzó su primer proyecto en 1812. una gran sumadora mecánica queelaboraría tablas de navegación mediante la técn ica matemática llama da métodode las diferencias, lo que le valió el nombre de máquina diferencial (figura 3.11).

El desarrollo de es te proyecto llevó a Babbage a concebir una idea mucho más am­bícíosa en 1834: construir una calculadora unive rsal, una máquina analitica capazde realizar cu alquier tipo de cálculo siguiendo una secuencia de operaciones pre­viamente establecida por el operador (figura 3.12).

Figura3.1n

Charles Babbage. precursor delcómputo moder no.

La máquina diferencial: un com plejomecanismo de 2S mil partes y 15 to­neladas. El prime r modelo funcionalfue const ruido por el Museo de Cien­ciasde Londresen 1982.

La maquina analítica:una calculadora mecánicaprogramable. Este modelo de prueba logr6 serconst ruido en 1871.

Figura 3. 13

Para tal efecto, la máquina conta ría con un almacén donde guardar datos numéri­cos; un núcleo de procesamiento, que fue llamado "molino", para efect uar opera ­ciones aritméticas; y un mecanismo de impresión para reportar resultados. Tantolos datos como el programa de operaciones se rian indicados mediante tarjetas per­foradas.

La calculadora capturó la atención de Ada Augusta Lovelace (1815-1852. (figura3.13), quien a partir de 1842 se dedicó a documentar los avances del proyecto, asícomo a diseñar algunos de los programas que pennitirian a la máquina realizar ela­boradas operaciones matemáticas. Ada apr eció tan profundamente el potencial dees ta máquina , que pronosticó que, eventualme nte, la calculadora no sólo tra bajaríacon números sino que sería uti lizada para producir música y gráficas .

Babbage pensó que la máqu ina analítica impulsaria el desarrollo científico por laimperante neces idad de buscar mejores métodos de programación. Paradójicamen­te, ninguno de los proyectos de Babbage resultaron viables en su tiempo, tanto por

Ada Lc velace es consideradacomo la prime ra programadora.

37Grupo Edirorial Patria

Conceptos de computación

Elconcepto de tarjeta perforadallega a nuestrosdíasen forma de:(a)hojas de alvéolos paraexámenesde opción múlti ple y(b) ta rjetas de acceso.

George Booledesarrolló elálgebra lógica en que sefundanlascomputadoras.

su elevado costo como porque no existían los materiales ni las herramientas nece­sarias para fabrica r las piezas de las máquinas.

Procesamiento de datosEn 1889, Herm an Hollerith , empleado de la oficina del Censo de Estados Unidos,desarrolló un sis tema para agilizar el recuento de inform ación del censo de 1890.

El sistema de Hollerith consideraba una máquina electromecánica de tabulación,y un método de codificar información personal como perforaciones en una tarjeta.Una vez que los datos habían sido transferidos a las tarjetas, éstas eran montadasen la tabuladora, la cual detectaba las perforaciones en cada ta rjeta y su maba losdatos correspondientes (figura 3.14).

Su creación resultó tan exitosa que, pa ra fabricar más, en 1896 fundó su propia em ­presa: Tabulating Machine Company. Algunos años des pués esta compañía se tra ns­formó en la lnternational Busisness Machines, la IBM.

Con su máquina tabuladora, Hollerith introdujo una aplicación nueva: procesa ­miento de datos, esto es, movilizar, almacenar y contabilizar grandes can tidades dedatos, además de hacer cálculos (figura 3.15).

3.3 FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE LACOMPUTACiÓN

El álgebra booleanaEl matemático inglés George Bccle (1815 -1864, figura 3.16) trabajó en desarrollar unformalismo matemático que permitiera representar el razona miento humano y eva­luar su validez. Así,en 1854,Boole demostró que era posible aplicar símbolos algebrai­cos a las operaciones lógicas y valores de certeza a las proposiciones (afirmaciones).

En el álgebra de Boole, las proposiciones se representan como variables algebraicasque pueden ser falsas o verdaderas, pero no ambas al mismo tiempo. Los razona­mientos se forma n al un ir las proposiciones median te conjunción, disyunción, nega­ción e implicación. Una correcta manipulación de los símbolos permite determinarlógicamente si la conclusión del razonamiento es falsa o verdadera. (Abundaremosen este tema en la unidad 5.)

El álgebra de Bcole reviste de especial importancia ya que las computadoras, sutecnología y programación se fundan en la aplicación de sus reglas.

Teoria de la computaciónEl matemático inglés Alan Turing (1912-1954) es otra figura especial dentro de lahistoria de la computación: los resultados de su trabajo sentaron el fundamentoteórico que justifica la validez, tanto de los programas como del funcionamiento delas computadoras.

Buscando formalizar la noción de algoritmo, hacia 1936,Thring visualizó un meca­nismo unive rsal capaz de resolver una diversidad de problemas matemáticos me­diante las instrucciones apropiadas (figura 3.17). Este dispositivo fue pensado cómouna gran cantidad de celdas de memoria donde almacenar datos simbólicos, y unmecanismo de control capaz de efectuar cierto número de acciones: revisa r o mo­dificar el símbolo contenido en una celda, o moverse hacia una de las celdas con ­tiguas. Las acciones a efectuar por este mecan ismo quedan determina das por unaestricta secuencia de instrucciones previamente registrada dentro de la memoria.

Este modelo permite demostrar que algunos problemas matemáticos pueden serresueltos por computadora, mientras que otros no. Por ejemplo, determinar si unnúmero es primo es un problema que puede ser resuelto por compu tadora (esto es,

Historia de la computación

Alan Turing ideó una máqu ina teórica capaz de resolver cualquier prob lema de cómputo.

siempre podrem os esc ribir un programa que, tra s solicitar un número entero, noindique si éste fue primo.)

Sin embargo, no es posible programar una com putadora para que revise un programa cualquiera y determine si éste fun cionará bajo cualquier circunstancia (estimplica que no es posible crea r un programa universal que revise un archivo directamente y determine si éste es un virus o no).

..-Cubierta de vidrio

_ . - - - Placa(ánodo)

Filamento (cátodo)

Bulbo: al esquema de un bulbo y bl foto de un bulbo.

" t' .,I "

I•

b)

Bom billa modificada de Edtson.

..-Cubiertade vidrio

-0---- PI.xll (ánodo)

•

a)

3.4 DESARROLLO DE LA ELECTRÓNICA

El bulbo

Tomando como base este fenómeno, en 1906 el ingenieroLee de Forest agregó un electrodo más (figura 3.19), resul­tando posible regula r la intensidad de la corriente eléct ricaque pasaba entre los dos primeros electrodos. Este nuevotipo de bombilla se llegaria a conocer popularmente comobulbo o válvula y con él se ina ugura la era de la electrónica.

Lascaracterísticas del bulbo se aprovecharon para desarro­llar interruptores electrónicos, esto es , componentes quepermiten u obst ruyen el paso de la corriente eléctrica, perocontrolados de ma nera eléctrica en lugar de mecán ica.

Mientras experimentaba con la lámpara eléctrica, Tho mas Edisan (1847-1931) ob­servó que las pa redes de la bombilla se oscurecían con partícula s de carbón des­prendidas del filamento."

Intenta ndo captura r estas pa rtículas, en 1883 Edison co­locó un a pequeña placa metálica cargada eléctricamente(elect rodo) cerc a del filamento de la bombilla, encontran­do que, con esta modificación, se podía establecer unacorrie nte eléctrica (figura 3.18).

Circuitos digita lesEn 1937, Cla ude E. Shannon (1916-200" demostró que los interr uptores eléctricospodían usarse para represen tar expresiones de álgebra booleana y que, con la apli­cación de la aritmética bina ria , podían resolver relaciones lógicas o nu méricas. Conesta aportación, Sha nnon sentó las bases teóricas de fas circuitos digitales y abrióla uerta al desa rrollo de las com utadoras modernas.

, TIempo después se descubrió que este fenómeno, llamado efecto Edlscn . es debido al desprendimientode elect rones.

fJ91Gru po Editorial Patria t....::::.J

al Réplicadel primertransistor. b)Shockley, Bardeen y Brattain trabajando con el transistor. elTransistor actual.

Conce ptos de computación

b)

••

e)

El transistor comparadocon elbulbo.

EL trabajo de Shannon estuvo enfocado inicialmente a redes de telefonía, que enaquellos años usaban interruptores electromecánicos llamados relevadores. éstossería n reemplazados por el bulbo y. posteriormente, por transistores.

Claude Shannon también trabajó en el desarrollo de la Teoría de la Información,la cual sienta las bases para la comunicación a distancia, la compresión y restau­ración de datos, el procesamiento de señales, el audio digital, y los estudios parareconocimiento del lenguaje hablado, entre muchos otros .

El transistorEl vertiginoso avance tecnológico de nuestros días no hubiera sido posible sin eltransistor, producto del trabajo de william shockley (1910-1989), john Bardeen(1908-1991) y Walter Bratt ain (1902 -1997) , investigadores de los laboratorios Bell.

En 1947, Shockley y su equipo desarrollaron el trans istor (figura 3.20) , un minúsculocomponente electrónico elaborado con semiconductores capaz de funcionar comointe rruptor eléctrico, lo que permitió susti tuir a los frágiles y costosos bulbos.(Los semiconductores son materiales que bajo ciertas circunstancias conducencorriente eléctrica y bajo otras se comportan como aislantes).

Con los transisto res se fabricaron circui tos de estado sólido (esto es, sin partesmóviles o espacio vacío en su interior), lo que redujo de manera considerable eltamaño de los circuitos electrónicos (figura 3.21) y sus costos, haciendo posibleslas calculadoras de bolsillo, los eq uipos portátiles de radio y televisión, los satéli­tes artificiales muchas cosas más.

En 1956 Shockley y su equipo fueron reconocidos con el premio Nobel debido a latrascendencia de su trabajo.

e)

al Dispositivo construido con varios componenteselectrónicos separados.b) Primer circuito integrado. el Circu ito inte grad o moderno.

Historia de la computación

El circuito integradoEn 1958,]ack Kilby (1923-2005) Ysu equipo de trabajo produjeron el primer circuitointe grado.

Un circuito integrado o chip es un complejo circu ito elec t rónico cuyos componentesmicroscópicos se fabrican directamente en una laminilla de silicio de unos cu antosmilímetros cuadrados.

El circuito de Kilby sólo tenía dos transistores (figura 3.22b), pero hoyen día se fa­brican chips con varios millones en su interior (figura 3.22c y 3.23) Yla carrera porincluir más tran sistores conti núa (cuadro 3.1).

Cuadro 3.1 Número de transistores por circuito integrado.

Año Procesador Número de trans istor~1971 4004 2,300

1978 8086 29,000

1982 80286 134,000

1989 8048 6 1.200,000

1993i ~ Pentium 3,100,000

2000 Pen tium 4 42,000,000

2006 Core 2 Duo 291,000,000

2010 Xeon 2,300,000,000

En el año 2000, la Real Academia de Ciencias de Suecia otorgó el premio Nobel defísica a ]ack Kilby, como reconocimiento a la trascendencia de su labor.

El microprocesad orEl microprocesador es un circuito in tegrado capaz de efectua r operaciones ar itmé­ticas, operaciones de lógica matemática , y activar o desactivar las diferentes partesde la computadora.

Los procesadores solían construirse con varios circuit os electrónico s separados ;sin embargo, en 1971, Edward Hoff, ingeniero de la compa ñía Ameri can IntelCorpora tion. concibió la ide a de constr uir un procesador completo dentro de uncircui to inte rada único, esto es, un micro rocesador.

Conectando el microprocesa dor a otros circuitos integrados, como chips de memo­ria, resu ltó posible efectuar un a gran variedad de actividades, como modificar seña­les eléctricas, controla r dispositivos, y transfo rmar o guarda r números.

En las décadas que siguieron. el microprocesador se fue incorporando a un a grancantidad de apa ratos cotidianos, desde las lavadoras y las má quinas de escribir.hasta los automóviles, los aviones y los satéli tes, de manera que todos estos apara ­tos, y muchos más, resultan "primos" de las computadoras.

3.5 EL SIGLO XX: LA COMPUTACiÓN MODERNA

Los primeros cincuent a añosEn 1931, el ingeniero vannevar Bush (1890-1974) construyó el analizador diferen­cial en el Instituto Tecnológico de Massachusetts.

El ana lizador estaba comp uesto por motores eléctricos, ejes y engranajes, que lepermitían resolver ecuaciones diferenciales de segundo grado (relaciones matemá-

a) Un procesador gráfico como elNvidia 280 tiene cerca de 1.4 milmi llones de transistores.

b) Circuito integrado sin cubiertapara conexiones.

c) Tamaño de diferentes compo ­nentes electrónicos (de izqu ierdaa derecha): bulbo, transistor,circuito integrado sencillo,microprocesador antiguo,micropr ocesador moderno(cent ro).

GIlGrupo Editorial Patria L..:.:..J

Conceptos de computación

Sus casi 18000 bulbos y 1500 interruptores electromecánicos. queconsumían unos 150 kilowatts. permitían realizar 5000 sumas cadasegundo y almacenar hasta 20 números de diez cifras. Las válvulasse que maban continuamente y se programaban reacomodando ca­bies y moviendo interruptores (figura 3.26).

ENIAC fue objeto de mejoras y conti nuó trabajando hasta 1955.habiendo es tado en funcionami ento por más de 80 mil horas.

ticas que utilizan los científicos para describir el comportamientode fenómenos complejos).

De manera pa ralela, el ingeniero alemán Konrad Zuse (1910-1995)también se dedicó a diseña r y construir calculadoras automá ti­cas. Su primer modelo, el 21 (1938), sirvió como prototipo a pe­sar de sus problemas técnicos. Con el apoyo del gobierno alemánconstruyó la computadora 23 en 1941, una calculadora electro­mecánica programable.El desarrollo de la computadora británica Colossus estuvo a cargode Alan Thring y se termi nó de constru ir en 1943. Esta máquina seutilizó para descifrar mensajes secretos alemanes.

En 1944, Howard H. Aiken (1900-1973), profesor de la Universida dde Harvard, desa rrolló la computadora Mark l. Esta máquina estu­vo compuesta por interruptores electromecánicos, ruedas dentadas.ejes y motores, los cuales permitían leer instrucciones desde unacinta perforada, imprimir resultados en un teletipo y multiplicar dosnúmeros de 23 cifras en 6 segundos.

La Mark 1, la última gran calculadora automática electromecánica,se utilizó en Harvard por quince años (figura 3.24).

ENIAC: la primera computadoraelectrónicaEn 1942, en plena Segun da Guerra Mundi al, el gobierno de EstadosUnidos requirió de un a máquina calculadora que elaborara tab lasbalísticas para arti llería.

La Universidad de Pennsylvania se enc argó del diseñ o y construc ­ción de ta l calculadora. Como resulta do. en febrero de 1946 se hizola primera demostración pública de la ENlAC (Electronic NumericaJInregra tor and Calculator).

ENIAC, la prime ra computadora totalmente elect rónica, fue cons­truida bajo la dirección de john Eckert (1909- 1985) y john Mauchly(1907 -1980). La computadora, de cas i medio millón de dólares y30 toneladas. se encontraba en un a habitación de 9 por 30 metros(figura 3.25).

eumannHacia 1945, un cuidadoso estudio de la ENIACllevó a la conclusiónde que las computadoras deberían funcionar conforme al sistema

de numeración bina rio (es decir, almacenar y procesar datos en forma de números 1y O) Yque la programación debería efectuarse mediante instrucciones almacenadasen la memoria, en vez de mover interruptores y cables. En cuanto a su organiza ­ción. las computadoras debían tener un módulo dedicado a las operaciones arit­méticas. un módulo de control que operara mediante secuencias de instrucciones,otro módulo de memoria y varios dispositivos para entrada de datos. así como losrespectivos para salida de resultados. En la elaboración de este reporte participó el

•\

Mark 1.

Programación cableada.

ENIAC.

.... Figura 3.24• J

Historia de la computación

IBM 650.

UNIVAC, primera computadora comercial.

matemático hú ngaro jobn von Neumann (1903-1957), que dio nombre a lapropuesta.

La primera computadora que se construyó siguiendo este modelo fue laEDVAC (Electronic DiscreteVariable Computer) en 1947.

L1iPrimera generaciónLas computadoras em pezaron a distribuirse come rcialmente durante la dé ­cada de 1950. Estas máq uinas se caracterizaron por usar bulbos, por lo quese les considera como comput adoras de la primera generación.

La primera computadora que apareció en el mercado fue UN IVAC (UniversalAutomatic Competer. figura 3.27), producto de la com pañia Eckert-Mauchly Comoputer Corporation (fundada en 1947 por los creadores de ENIAC). Esta máquinafue vendida a la Oficina del Censo de Estados Unidos en 1951.

UN1VAC se caracterizó por permitir el procesamiento de letras y símbolos ade ­más de números. y por utilizar cintas magnéticas para recibirlos y tambi énpara almacenarlos.

nas el éxito de UNIVAC, la compañía IBM lanzó su primera computadora en1953, el modelo 701. Poco después produjo el JBM 650, máquina que destacóporque podía guardar grandes cantidades de datos utilizando una memoriade d lindro (tambor) magnético (figura 3.28).

ILa segunda generaciónlEn 1960 apareció la prime ra computadora basa da en transistores. fue la PDP-l.de la compañía Digital Equipment (figura 3.29), A partir de este momento, losbulbos fueron reemplazados por transistores, permitiendo producir computa­doras de menor tamaño y precio. Estas máquinas suelen considerarse comocomputadoras de la segunda generación.

La tercera generaclon IEn 1964 IBM decidió utilizar circuitos integrados en sus computadoras y pre­sentó su modelo 360. Un año después. la Digital Equipment Corporation lanzóal mercado su computadora PDP - S , consideradacomo la primera minicomputadora, de la cual sevendieron más de SOmil unidades (figura 3.30).

El avance logrado con el circuito integrado peromitió producir la tercera generación de compu­tadoras.

La cuarta generaciónlEl desa rrollo del microprocesador permi tió la fabricación de microcomputado ras o comp utadoras personales . lo cual consolidó la industria dla computación. Las primeras microcomputadoras fueron construidas en 1976 y se les considera como la cuarta s eneracién.

Una de las histo rias más interesantes es la deSteve Wozniak y Steve Iobs. Este par de amigosvendieron su carro y su calculadora científica por 1300 dólar es, y trabajaron a rdua ­men te en una cochera para construir una microcomputadora sencilla Cl,ue bastabaconectar a un televiso r y a una grabadora casera de cinta (audiocasete).

I Sin importar qué pequeños fueran, los equipos de cómputo solían requerir de un teletipo para mostrarresultados. y de voluminosos sistemas de memoria para almacenar datos o programas.

l4J1Grupo Editorial Patria L.:.:.J

Conceptos de computa ción

Figura 4. 1

Interruptoreseléctricos representando undato.

I=-_la compañía Crayse haespecializado en lafabricación de supercomputadores. Sumodelo eRAYX-Mp, esampliamentereconocido.

4.1 COMPUTADORAS DIGITALESEn términos generales, una computadora es una máquina capaz de pro­cesar transforman gran cantidad de datos muy rápidamente, de acuer­do con un programa de instrucciones.Sin embargo, para en tender cómose efectúa tal procesamiento y por qué es cap az de segui r instrucciones,necesitamos conocer la estructura y el diseno de la computadora digital.

Una computadora digital funciona controlando y efectuando operacio­nes con señales digitales, esto es, señales que saltan entre un valor bajo

uno alto. sin asar or valores intermedios.

Una forma de interpretar esta idea consiste en pensa r que las compu­tadoras están compuestas por interruptores electrónicos microscópicosy cada uno de éstos sólo puede tener una de dos posiciones: encendi­do o apagado (que equivale a 1 o 0, respectiva mente) . Un programa decómputo manipula estos interrup tores para representar datos y efectuaroperaciones. Cuando los datos se mueven entre diferentes componentes,la información codificada se transforma en pulsos de energía que seránreinterpretados en el otro extremo (figura 4.1).

4.2 CLASIFICACiÓN DE LASCOMPUTADORASUna supercomputa dora es una máquina sumamente rápida (y costosa , al­rededor de 100 millones de dólares en 2010), construida especialmente parahacer miles de billones de operaciones aritméticas por segundo (figura 4.2).8Se utiliza para resolver problema s científicos de c6mputo intensivo, es decir,problem as que involucran una inmensa cantidad de cálculos numéricos; porejemplo, estudios de aerodinámica, predicción climatológica y simulación as­tronómica (ver cuadro 2.3).

"Actualmente, una estación de trabajo Xeon Quad-ccre, trabajando a 2.66 giga·hertz, resulta más poderosa que la multimillonaria supercomputadora Cray e90 dela década de 1990. La mayoría de trabajos que requerían de ta l supercomputado­ra en 1990, ahora pueden ser ejecutados en estaciones de trabajo cuyo costo en2010 es menor a los 5 000 dólares."

Wikipedia.com: Supercomputer

1S de diciembre de 201 0

Un main!rame (antiguame nte llamado macrocomputadora) es un sistema decómputo de gran tamaño con numerosos recursos disponibles como son cientosde gigabytes de me moria principal , miles de terabytes de disco duro, cientos de pe­riféricos y facilidades de teleco municación. y capacidad pa ra permitir máquinasvirtuales . Estas características pe rmiten atender miles de usuarios trabajando si­mult áneamente. Se utiliza para atender las necesidades de cómp uto no intensivode toda una organización, por ejemplo, una ins ti tución ban car ia .

Una minicom pu tadora es un sistema de cómputo de tamaño medio, capaz deatender a cientos de usuarios simultáneamente (figura 4.3). Se utiliza para satisfa­cer las necesidades de cómputo no intensivo de un departamento (dentro de una

6 La supe rcomputadora 13M Sequoia ha sido diseñada par a poder desarrollar hasta 20 mil billones deoperaciones por segundo. Fuente: jowitt,Tom."IBM to build new monster superccmputerr jerhwcrd.4 defebrero de 2009. htt p://www.networl::world.com/newsl2 009/020409.ibm -to-build-new.monster.html

Estructura y funcionamien to de la computadora

Disposit ivoscon sistemasinmersos:al memoria usa, b) teléfono celular.

Un teléfono inteligente esunasistente personal digital queincluye servicios de telefoníacelular y conexión a otrascomputadoras.

Tablet Pe.

b)

Procesadorpara controlaralnuJo dedatosentrelamemoriay lacompuladora

al

organización). En la actualidad. ya no se hace dis tinción entre mín ícomputadoras ymainframes.

Una es tación de trabajo (en inglés workstlltion)9 es una computado ra de pequeñ asdimensiones diseñada específicamente pa ra atender necesidades de cómputo in­tensivo de pocos usuarios o la distribución de información en las redes de cómputo .Ent re sus principales usos está n el procesamiento y la generación de imágenes ci­nema tográficas y telev isivas, el cómputo científico y servir como nodos principalesde Internet.

Una computadora pe rsonal. popularmente conocida como pe, es una computadorade pequeñas dimensiones diseñada especialmente para atender las diversas necesi ­dades de un usuario individua l: procesamiento de textos, contabilidad, presentacio­nes multimedia, correo electrónico, acceso a la Web. etc. Suelen clas ificarse segúnsu tamaño: de escritorio (deshop), portátil ~aptop o notebooli1). s in teclado (tabletap) ode acceso a Internet (netOOo Ii1) (figu ra 4.4).

Un as istente personal digital (en inglés personal digital assistant o PDA) es unacomputadora de mano que proporciona servicios personales de cuade rno de nota s,calculadora, etcétera. también. maneja archivos personales con facilidad : agenda,directorio telefónico, etcétera. Suelen tener un teclado dim inuto o permiten escribirdirectamente sobre su pantalla . Act ualmente, los teléfonos inteligentes incorporantodas las facilidades de un asistente personal digital (figura 4.5).

Un sis tema inmerso, también llamado sis tema integrad o (o conocido en ingléscomo embedded compuring system) es un sistema de cómputo de pequeñas dimen­siones (cent ímetros cuadrados) que se uti liza para controlar dispositivos especíñ ­ces , y se encuentra integrado a és te. por lo cua l es invisible a los ojos del usuario.Dichos sistemas se usan para controlar el despliegue de datos en las pantallas delos aparatos electrónicos. interpretar las teclas oprimidas en un teclado, controlarel movimiento de la cabeza lectora de un disco du ro e interpretar los datos de unamemoria USB. entre muchas otras aplicaciones (figura 4.6).

LA::3O::lSI.RUCTURAITE1AS COIVTPlJT.lWORAS IUna computadora es un sistema conformado por un conjunto de componentes físi­cos llamado hardware, y un conjunto de programas y datos llamado softw are.

jo Este termino ta mbién suele emplea~ al referirse a cualquier computadora destinada al trabajo indivi ­dual deun usuario.

r;;-1Grupo Edi toria l Patria L..:-J

Conceptos de computación

El hardwa re incluye los dispositivos y com ponentes electrónicos , electromecánicos ti

ópticos . que se encargan de captar. emitir, almacenar o transformar datos. y suele re­presentarse como cuatro bloques independientes con función espeáfica (figura 4.7).~ .

Unidad desalida

Unidad dememoria

Bloquesconstituyentesde un sistemade cómputo.

...................................................... ..........~A grandes rasgos. la un idad central de procesamiento es el "cerebro"de la computa-dora; la memoria es ' un gran casillero" donde se encuentran instrucciones y datos;las unidades de ent rada y de salida permiten que la computadora interac túe con laspersonas o con otras máquinas .

El software es un concepto abstracto que se refiere a la información manejada porla computadora y a las instrucciones que indican cómo utilizar el hardware. En ge­neral. el software se integra de elementos intangibles como son programas, datos yprocedimientos que el sistema de cómputo necesita para poder funcionar.

El hardware lo estudiaremos en el resto de esta unidad ; mientras que el software 10retomaremos en las unidades siguientes.

4.4 MODELO TEÓRICO DE VON NEUMANNExceptuando ciertas computadoras muy especiales (cuadro 4.4) las computado­ras digitales se construyen basándose en un esquema (o arquitectura) típico y conun funcionamiento preciso. Este esquema es conocido como modelo de van Neu­mann'?y describe una máquina integrada por cinco partes:

1. Unidad de entrada.

2. Unidad de salida .

3. Unidad de memoria.

4. Unidad de control.

S. Unidad de aritmética y lógica.

Y, además, tres características en su funcionamiento:

1. Utilización del sistema binario.

2. Programas almacenados en la memoria .3. Ejecución de instrucciones y operaciones matemáticas secuencialmente y

una a la vez.

lO Elapellido es de ongen húngaro y se pronuncia ' fon noiman".

Estructura y fun cionamiento de la computadora

El modelo von. Neumann desc ribe sus partes de la siguiente manera:

1. La unidad de en trada es la parte de la computadora encargada derecibir información del exterior para conducirla hacia la secciónde procesami ento.

2. Launidad de salida es la parte que permite que los datos procesadossalgan del computador.

3. La unidad de memoria es un medio de almacena miento de datos.Ahí se alojan tanto los datos a ser procesa dos como las instruccío ­nes.

4. La unidad de control es la sección de la computadora que dirige ycoordina los procesos a realizar.

5. La unidad aritmética y lógica es la parte del modelo con la capacidadde realizar operaciones matemáticas.

Un microprocesador es un circuito integ ra­do que cont iene los circuitos electrón icosnecesariospara la unidad central deprocesamiento.

lbdo lo anteriormente descrito corresponde a un diseño teórico. Su reali ­zación práctica se hace mediante componentes electrónicos, aplicando lalógica booleana y la aritmética binaria . De tal modo, los aparatos que seutilizan para efectuar las actividades de la unidad de entrada son conoci­dos como dispositivos de entrada .

Por lo que respecta a la unidad aritmética y lógica, y a la unidad de con­trol , éstas se encuentran reunidas dentro de un mismo dispositivo conoci­do como procesador o CPU (unidad central de procesamiento) .

Una vez vistos los fund amentos teóricos , conoceremos a continuación los apa ra tosque integran cada parte de una computadora real.

4.5 UNIDAD CENTRAL DE PROCESAMIENTOLa unid ad cen tral de procesamiento, o simplemente procesador o ceu (por sus siglasen inglés), es un complejo gru po de circuitos electrónicos (figura 4.8) que constan ­temente obtiene instrucciones (de la memoria), indicándole qué operaciones deb ehacer. Cada instrucción involucra la utilización de diferentes nartes del nrocesado!.

eT", ,,, /,,,;r4 d atos enl re

la memori a

Independientemente de lo avan- •••••••••••••••••••••••••••••••••••••zado del procesador, su funciónse reduce a obtener inst ruccio­nes de la memoria , interp retar las,efectuar operaciones aritméticaso lógicas, y t ransferir datos ent rela memoria. Estas tareas,bastante 2simples por sí mismas, se llevan acabo con gran rapidez y precisióndentro de un ciclo que se ejecut amientra s la computadora esté en ­cendida (figura 4.9).

Cido de procesamiento..................................... ~Grupo Editorial Patria L-:.J

Conceptos de computación

•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••

Impulso1eléctrico

Instrucc iones

,. - - -- -- --,

Memoriaprimaria

Resultado

Señal de control

•

Operando

Operando ~ - - - - - - - -.,, 'I Datos I, '•- - - - - - - - - - - - - ..---++, _ __ J---------

Registros

!D+1

Operandos

,....--~

Señal de control

Instrucción

Dirección

ememoria

Memoriaprimaria

Instrucciones

~ - - - - - - - -.,, '1 Datos I, '',' J

Unidad central de procesamiento

Diagramade loscomponentesde laCPUy suinteracción con la memoria.

•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••Un procesador está integrado por cua tro bloques de circuitos especializados (figura410) '

1. Unidad de control: es el circuito que decodi fica la instrucción recibida y activao desactiva los demás bloques del procesador para efectuar la instrucción.

2. Unidad aritmética-lógica (o ALU, por sus siglas en inglés): es el circuito encarogado de efectuar operaciones aritméticas, comparaciones y operaciones delógica booleana (ver Unidad S).

3. Registros : son una colección de circuitos de memoria utilizados pa ra guardarlos datos numéricos que requiere la ALU para efectuar operaciones.

4. Contador de programa: es un registro especial que usa la unidad de controlpara u~icar en qué parte de la memoria se encuentra la siguiente instrucción

Una vez que la instrucción ha sido concluida. el procesador bus ca en la memoriaotra instrucción, utilizando como referencia la posición indicada por el contadorde programa; tras haberla obtenido. el valor en este registro se ajusta automática­mente para que en el siguiente ciclo detecte correctame nte la siguien te instrucción

Para sincronizar el trabaj o de los diferentes bloques de la CPU (cuándo pedir otrainstrucción o cuándo realizar una operación aritmética, por ejemplo) se utiliza unreloj electrónico que emite pulsos a intervalos constantes.

El trabajo del reloj se mide en Hertz . Mientras más rápido sea el reloj (es decir. ten ­ga más Hertz), el procesador trabaja más rápidamente y. por tanto, los programas

oro n ".;" '

Enteros con signo21

Decimal Binario

Operaciones de cómputo y representación de datos

Enteros sin signo

Decimal Binario

11001011lata10011000

Estrictamente hablando, el conjunto de los númerosreales se integra por los racionales rquebrados1y los irracionales (aquéllos sin expresión deci malperiódica como n, n../ll.cabe mencionar que enrealidad no podemos manejar núm eros irracionalesmediante expresiones deci males, pues se requeriríauna cantidad infini ta de cifras tras el punto decimal.Por esto. 3.1416 sólo es una aproximación delnúmero n, y tanto 1.414 2 como 1.41421356237 sóloson aproximaciones del número Ji.

Número decimal

25.687510

25000000000000.010

.......... ........iE~guivalente en bin ario

11001.1011,

101101011110011000100000111101001000000000000.0,

•• •

Representación de números reales mediante un punto fijo.

n genera . as compu a oras usan e punto otante , q es una técnica de re ­presentación de números equivalentes semejante a la no ación científica, la cualpermite representar tanto números fracciona rios como ' meros muy grandes omuy pequeñ os. • ••••••••••••••••••••••• • • •

• •Así. al uti lizar nota ción cientí fica. el segundo número de 1 •figura 5.11 queda abreviado como 2.5 x 101l o 2.5E13 ( Paradeterminarq uépo tenciade2esequivalenteal :decir. el punto decimal "ha fletado" trece posiciones a la iz número 10 " se utilizan logaritmos: (1) Relacionar las •quierda). El valor 2.5 es llamado mantisa y el 13 exponent potencias mediante una ecuación. tO" = 2Y• (I1)Tomar :

La diferencia básica entre la notación científica convencion e l logaritmo a ambos lados de la igualdad, log (10U¡ •

Yel punto flotante de las computadoras es que la mantisa ~ . lag(2"'). (111) Aplicar la propiedad de los logaritmos :multiplica por una potencia de 2. En el ejemplo anterior. respecto a los exponentes, 13 x Iog (10) = Y x log (2). •número equivalente es 2.5 x 243 (en base 10) o 10.1 X 1010101 (IV) Despejar la incógnita. y = 13 x 10g (10yiog (2).M :(en binario). Aunque es ta técnica sólo es una aproximación Efectuar los calculos. y "" 4 3. Por tanto.101l "" ¡u. •

•, ..••.••.....................•:n El valorabsoluto de jcs números negativos pueden venfcarse utilizando la técnica delcomplemento a dos;

porejemplo. - 3" - 1101Jo 1101 _ 0010 + 1 _ 0011 (equivale a 3).

1,0Grupo Editorial Patria L:...J

Conceptos de computación

los números reales (en base 10). resulta muy conveniente al desarrollar programas, yaque cualquier número real ocupa la misma cantidad de bits.

La figura 5.12 nos muestra el segundo número de la figura 5.11 en un formato desimple precisión que ocupa 32 bits (4 bytes). Como puede observarse. este espacioestá distribuido de la siguiente manera: 1 bit para el signo del número completo. 8bits para un exponente positivo y 23 bits ara una mantisa sitíva.

Signo(1 bit)

O

(+)

Exponente(8 bits)

00101011

Mantisa(23 bits)

l OlOOOOCXXXXX>OOOO

2.510

Formato de simple prec isión para numeres de punto flotante.

Cornoel exponente ocupa 8 bits. la potencia de 2 quedaría entre 'P y 2~.en cuyo casoel formato no servirla para números menores a 1 (que requieren exponentes negati ­vos). Esto se soluciona ocupando la mitad inferior de este rango (Oa 127) para de notarexponentes negativos. y la mitad superior (128 a 255) para los exponentes positivos.De esta manera. el rango de valores representable con un formato de punto flotantede 32 bits está entre 2- t

7' y 2118 (aproximadamente 1.175 x 10- 3Sy 3.4 x 10~.

Representación de caracteres y ca denas IEn computación se conoce como carácter a u n elemento del conjun to integrado porlas let ras {A...Z. a...z]. los símbolos nu méricos {O...9}y los signos de puntuación {?,! ,M, ' . .}. Cua ndo se hace referencia a ca rac teres ind ividuales, éstos suelen aparecer en­trecomill ados; por ejemplo. la let ra MA-, la arroba M@M,el asterisco "." o el símbolo "s ft .

Cua ndo la información a procesar se basa en ca rac teres (por ejemplo, durante unabúsqueda en Internet), entonces se ocupa la equivalencia de un código (gene ral­mente el ASCII en computado ras personales, y el Unícode en la WEB). De tal ma ne­ra , si deseamos alm ace na r una let ra "B", la computa dora guardará el número 66.22

Cuando los ca racteres se rep resentan con el código ASCII. bas ta un byte de memoriapara almacenar cada símbolo.

Se llam a cad ena a una sec uencia de ca racteres y se u tiliza para guardar textos ome nsajes.Así, el nom bre "LUIS" es una cade na que incl uye los caracteres "L-, "U-, " I~

y "S-. Como puede observarse, se acostumb ra de no tar las cadenas mediante comi­llas: "LUIS"o 'LUIS'.

Cuando el nom bre se almacena de acuerdo co n el código ASCII, cada letra necesitaun byte de memoria (figura S.13a); por supuesto, la memoria de la computadoraguardará en efecto el valor ASCII de cada letra (figura S.13b).

al L u s 76 85 73 83

Represen tación en mem o ria de un nombre. a) Caracteres (observa que las comillas noaparecen dent ro de las celdas). b) Equivalente A5CI del nombre.

En general. la longitud de un mensaje (la cantidad de caracteres que contiene) nopuede ser co nocida de antemano. por lo que se requieren ciertos mecanismos paraque los programas puedan procesar cadenas sin omitir carácter alguno. Las dos téc ­nicas principales se basan en poner delimitadores al inicio o al final de la secuenciade caracteres (cuadro 5.10).

n Esimportante hacer mención de que si guardall'105 una cifra como carácter. poi" ejemplo."9", ésta SIe alma­cena.de acuerdo con su equivalenciaen el cédigoASC1l (57)Yno a su equivalencia en binario.

Operaciones de cómputo y representación de datos

En el formato Pascal el delimitador se coloca al princip io de la cadena, espacio quese aprovecha para indicar el número de caracteres con tenidos. Este m étodo sim pli­fica de manera notable el procesamiento de cade nas; sin emba rgo. también imponeun límite al tamaño de los mensajes. Por ejemplo, si el indicador ocupa un byte,lalongitud máxima del mensaje será de 255 símbolos.

El formato e , o de terminación nula , usa el delimitador para marcar al final de lacadena. Generalme nte, es te es un símbolo que nun ca se usa en textos normales.nEste formato permite almacenar cadenas de cualquier longitud, pero el procesa ­miento de mensajes se vuelve más complicado.

Cuadro S.10 Control del tamaño de una cadena.

al Formato Pascal

b) Formatee

Longitud,",',,";~-,ca rácter 1carácter. carácter,

carácter 2

carácter,

Conforme a estos modelos. el texto ·LUIS~ podría qued ar almacenado como mues ­tra la figura 5.14.

a) Form ato pascal

b) Formato e L

L

U

U

ss#0

Almacenamiento de una pa labra: la) formato Pascal y (b) format o C.

Representación de imágenes ILas imágenes ha n sido un interesante reto para las computado ras. ya que. a diferen­cia de los casos anteriores. és tas no se encuentran asociadas a un pequ eño grupode símbolos que pueden ser manejados fácilmente. La figura 5.15 nos ayudará aentender mejor este subtema .

- ,~ ;'

Dellibro Pequeñas Fanlasias de NoraVasconcelos.lmagen conesade losautores.

Una ampl ificación suficiente permite ver que la imagen está constitu ida po r píxeles .

P íxeles

II Elvalor nulo corresponde a la primera posición(valor O) en la tabla ASCII .

r;-lGrupo Editorial Patria L..::..J

Conceptos de co mputación

Imagen con resolución de 64 pb eles (8 x 8).

distancia . conforman la imagen . Estos puntos son llamados píxe­les (contracción en inglés de pieture element,es decir. ele mentos deimagen). Mientras más píxeles se utilicen, la imagen tendrá ma ­yor resolución y. por tanto, más calidad . Por su puesto, mientrasmás pequeños sean los píxeles. mayor nitidez tendrá la imagen.

IMapas de bits IComo se observa en las figuras 5.15 y 5.16, los píxeles están dis ­tribuidos dentro de una retícula que indica la posición relativa decada uno y su color. Esta orga nización es conocida como m apade bits.

El mapa de bits de la figura 5.16 tien e resolución de 64 píxeles .distrib u idos en 8 renglones y 8 colum nas. Obviamen te, esta re­solución es demasiado pequeña para una imagen de calidad; noobstante, al alejar el libro es posible distinguir con claridad unconocido símbolo.

Con el advenimiento de las cámaras fotográficas digitales, la nociónde resolución se ha vuelto familiar: mientras más mejo r. No hacemucho tiempo, una resolución de 0.3 megapíxeles (640 x 480) eramás que suficiente, ahora, 3.1 rnegapíxeles (2048 x 1536) es muypoco, mientras que 12 megapíxeles está en boga (figura 5.17).

Elmapade bits de la figura 5.16queda codi ficado como lasecuencia [60. 66, 165, 129, 165,153. 66,60J.

las primeras cámaras digitales paraaficionados tenían una resoluciónde 0.3 rneqap lxele s (1999). Actua l­mente algunos teléfonos celularesincluyen cámarasde hasta 10 mega­píxeles(2006) y cámarasprofesiona­les como la Canon EOS 50 Mark 11tiene resolución de 21.1 megapíxe­les (2008). ~

Es conveniente aclarar que la calidad final de la imagen no está determinada única­mente por su resolución, sino, también, por el medio en que es utilizada. Por ejem­plo, el dibujo en la figura 5.15 tiene una resolución de poco más de 0.47 megapíxeles(238 x 196) y,sin embargo, en pantalla no necesita más.

IMemoria por pixel IEl siguiente punto por estudiar es cómo se representan en memoria las imágenes.

Empecemos por analizar imágenes en blanco y negro que son las más sencillas, tan­to para representar como para almacenar. La imagen es descompuesta en una seriede líneas con puntos blancos y negros. Como la imagen sólo requiere dos tonos, elsistema binario se aplica directamen te." La fi gu ra 5.18 ejemplifica el proceso de co­dificación : cada columna corresponde a una potencia de dos (subtema Conversiónde binario a decimal), como hay 8 columnas, cada renglón equivale a un byte. Así.sólo 8 bytes son necesarios para representar la imagen com pleta.

La represent ación de imágenes en blanco y negro es muy económica, ya que sólo ne ­cesita 1 bit por píxel. Por supuesto, no permite colores; para ello necesitamos gruposde bits (cuad ro 5.11), tal como vimos en la sección Siste ma de numeración binario.

l . Los bloques blancos equivalen a O. mientras que los negros equivalen a 1.

165

129

165

153

2' 2 ' 2 ' 2 '

Operaciones de cómputo y representación de datos

Cuadro 5.11 Relación entre los colores disponibles y los bits por píxel.

Número de bits por píxel Número de colores disponibles

1

2

4

8

24

2

4

16

256

16,777,216

Sin embargo. el n úmero de colores disponibles no indi ca cuáles son és tos. Por ejem ­plo. con 2 bits podemos tener tanto (negro , rojo, azul. verd e}como {ama rillo, magen ­ta. gris , n aranja}, por mencionar sólo algunos. El conjunto de colores disp onibles sellama pa leta (cuadro 5.12 y figu ra 5.19). Por supuest o. una misma imagen ap arecerádiferente si el pa trón de colores en la paleta cambia.

Cuadro 5.12 La paleta de colores estándar en la consola de una pe.o Negro 8 Gris

1 Azul marino 9 Azul

2 Verde 10 Verde limón

3 Azul turquesa 11 Azul cielo

4 Rojo oscuro 12 Rojo

Café oscuro 13 Rosa

6 Café claro 14 Amarillo

7 Grisclaro 15 Blanco

Como observamos en el cuadro 5.11, la representación de imágenes en color re­quiere más de 1 bit por pixel. por lo que son más costosas en t érminos de alma­cenamiento. En la figura 5.19 se muestra un mapa de bits de 16 colores (4 bits porpixel). Por cada pixel. la memoria guarda un color de acuerdo con la equivalencianumérica determinada por la paleta.

12 12 2 2 12

5 12 12 12 12

5 5 12 12 12 12 12

5 12 12 12 12 12 12

5 12 12 12 12 12 12 12

5 12 12 12 12 12 12 12Original 5 5 12 12 12 12 12 12

(16 colores)5 5 5 5 1 1 1 12

Ampli ficación 5 5 5 5 1 1 1 1

5 5 5 5 5 7 7 7

Representación en memo ria

(4 bi ts por color, 2 píxelespor byte)

Ma pa de bits de una imagen en color. El formato mostrado es de 4 bits por pixel (16 colores), por lo que cada 8 píxeles consecutivosrequiere 4 bytes. (Losvalores mostrados corresponden a la paleta del cuadro 5.12.)

1,0Grupo Editorial Patr ia L....::..J

Con ceptos de computación

Admi nist ración de lprocesador

Es común que una misma computadora tenga varias aplicaciones funcionando (apa­rentemente) al mismo tiempo, por ejemplo, el reloj que aparece en pantalla. el pro­cesador de textos, el navegador de Internet y la ventana de mensajes instantáneos,ent re otros. Cada uno de estos programas se encuentra "inmóv il" residiendo en la

El sistema operativo está formado por unconjunto de rutinas que controlan el fun­cionamiento interno de la computadora,es decir, indican claramente cómo usartanto sus circuitos prima rios como los dis­positivos conectados. Además, permitenla transferencia de datos entre los progra­mas y el ha rdwa re, y entre el usuario y lacomputadora.

Desde el punto de vista del sistema ope­rativo, las partes de la computadora (pro­cesador, memoria, periféricos) y sus ser­vicios (seguridad, telecomunicaciones,ma nejo de archivos) son cons ideradoscomo recursos? ' mien tras que los pro­gram as son clientes que requieren haceruso de estos recursos (figura 6.2). Dadoque éstos son limitados, además de con ­trolar los circui tos, el sistema operativodebe actuar como administrador de losrecursos para lograr que el sistema decómputo funcione de la mejor manera yque todos los programas sean atendidosde manera apropiada.

La labor realizada por el sistema opera ­tivo es bastan te compleja y su trabajo esefectuado por diferentes rutinas, cadauna encargada de administrar y controlaruna parte o servicio.

6.1 CLASIFICACiÓN DELSOFTWARELa figura 6.1 muestra los niveles de aplicación delsoftware.Justo junto al hardware está el sistema operati­vo. Los paquetes y las máquinas virtuales se construyensobre el sistema operativo, aprovechando los servid osque ésteofrece; mientrasqueen el nivel superior se en­cuentran las herramientas de software, que son sistemasque reúnen varias aplicaci ones y que, en ocasiones. tam­bién propo rcionan facilidades de programación.

6.2 FUNCIO NES DEL SI STEMAOPERATIVO

Unidades de disco

~-~

)

,.1e{f(l.rr\ienta de softw"f' dr(;)

Paquetes

Nivelesde aplicación del software .

Usuario

Funcio nes del sistema operat ivo.

Monitor

" Si tienes experiencia con el sistema opera tivo Windows de Microsoft , puedes ap reciar los recursos alusar las opciones con trol de dispositivos y panel de control.

Programas y aplicaciones (sof tware)

Admin ist ración del pro cesador.

Administ ración de perlferfcos.

Administración de archivosLos da tos almacena dos en la memoria se­cundaria se organizan en forma de archivos,cada uno con un identificador (nombre) di ­ferente. Para manejar los archivos y mante­nerlos en orden, el sistema operativo man­tiene una lista (directorio) de los mismos, yse enca rga de establecer el enlace en tre unprograma con los ar chivos que éste requiera .

Adm inistración de periféricosUna parte primordial del sistema de cómputo son los dis­positivos de entrada y de salida. ya que éstos permiten a lasaplicaciones interactuar con el usuario (a través del teclado,mouse o monitor) o con otros sistemas (como sincronizacióncon una agenda electrónica vía Bluetooth, o acceso a Int er­net vía mód em).

Cuando un programa necesita que el usuario introduzca da -tos o envíe resu ltados, la transferencia de información entrelos dispositivos correspondientes se lleva a cabo a través deuna rutina del sistema operativo que establece la~s,¡cii0,¡¡niieiixiii0,¡¡niie.s _necesarias para tal efecto. El sistema operati - 1""va también vigila el estado de los periféricos,esto es, comprueba si es tán conectados y fun-cionando de manera correcta (figura 6.3b).

memoria princi pal y necesita del procesador para poder fun­cionar; sin embargo, sólo uno de ellos puede hacerlo a la vez."Para resolver esta situación, el sistema coordina en qué mo­mento (y por cuá nto tiempo) se le permite a cada programahacer uso del procesador (figura 6.3a).

Si la com putadora tiene varios procesadores . el sistema ope ­rativo debe controlar cuándo y cómo se usa cada uno deellos. si la computadora es multiusuario, el sistema opera ­tivo decide cuándo se le permite a cada uno utilizar el pro­cesador.

Administració n de memoriaComo vimos en el te ma Dispositivos de me­moria de la Unidad 4, la memoria principales un gran casillero que se va llenando con ­forme el usua rio da inicio a los programasy cuando éstos van produciendo resultados.Para coordinar el uso de la memoria, el sis­tema operativo mantiene un regist ro de lascasillas libres, determina cuántas localidadesrequerirá un programa para ser gua rdad ojunto con sus datos y, finalmente, los colocaen las celdas de memoria asignadas.

la Las nuev as unidade s de procesamiento están siendo diseñadas para pe rmiti r que varios program as(o varias partes de un mismo programa) puedan ser atendidos simultáneamente . Aun en estos casos. laexplicación proporcionada es válida; sin embargo. la labor del sistem a operativo es de una complejidadmucho mayor.

~Grupo Edi to rial Patria L::J

Conceptos de computación

, -_.0-- -

..,""'!"., b)

."......

Interfaz del usuario: modo texto a) y modo gráfi co b).

La memoria secundaria se requiere para gua rdar gran­des cantidades de datos por periodos prolongados.Como la unidad de disco se volvió el dispositivo de al­macenamiento masivo por excelencia, todos los nue ­vos dispositivos de memoria secundaría (memoriasUSB, ta rjetas de memoria , OVO-ROM, discos virtuales, en ­tre otros) suelen ser tratados por el sistema operativocomo si fueran unidades de disco (figuras 6.3d y 6.3e).

Inte rfaz con el usuarioEl sistema operativo ta mbién se encarga de proporcio­na r un mecan ismo de comunicación con el usuario;éste es conocido como la interfaz (figura 6.3c) con elusuar io y puede ser tan simp le como una línea de co­mandos o tan compleja como un a inter faz gráfica (estolo estudiaremos con más detalle en la unidad 8).

Administración de archivos. Control de accesos

l°struc<lón J I .¡",.....................~lostr ya:ión2 J.Instrua:i6n 3

Instruccjón 4

InS!fucción 5

El sistema operativo debe garantizar la integrida d delsistema de cómp uto, esto es , evitar que los da tos quepertenecen a un usuario sean accedidos o modificadospor otro sin el permiso corres pondiente . Los requeri ­mientos de seguridad suelen crecer ju nto con el tama ­ño del sistema de cómputo.

El control de accesos también involucra la elaboraciónde una bitá cora, indicando quiénes han hecho uso dela computadora, así como evitar su uso por quien noesté autorizado (figura 6.3f).

Operación en redCuando los recursos del sistema se encuentran distribui­dos en una red de computado ras, el sistema operativoestá encargado de establecer las conexiones necesariasy efectuar las transferencias de datos entre los diferen­tes componentes de la red.

Administración de archivos en disco du ro o memoria USB.

Programas y aplicaciones (software)

Accesos

1Rl Juan

121 Ana1Rl Ped ro121 Luis

Cont rol de accesos.

6.3 TIPOS DE SISTEMASOPERATIVO SLos sistemas operativos se han desarrollado y especializa­do conforme la complejidad de los sistemas de cómputoha aumentado.Susdiseñadores han buscado hacer usodelas nuevas características del sistema o mejorar las exis­tentes.Esasí que tenemos una diversidadde sistemas ope­rativos,o variaciones de uno mismo.que. además, puedenagruparvarios tipos.

El tipo más conocido en la actualidad es el sis tema paracomputa doras personales . Éstos son desarrollados prin­cipalmente para controlar el funcionamiento de unacomputadora pequeña con un solo usuario.Tal es el casode los sistemas operativos para computadoras persona­les, por ejemploWindows. Mac OSy linux. Unaextensiónde éstos son los sistemas operativos para dispositivosmóviles (asistentes personales digitales y teléfonos inte­ligentes) que, además de controlar la conexión inalám­brica. se enfocan a dar formato correcto a los archivos almacena dos, desplegar lainte rfaz gráfica y controlar el funcionamiento de los periféricos integrados (cáma ra,bocinas, micrófono, teclado).Algunos ejemplos son Palm OS, Wmdows Mobile, Black.BenyD5 y Android.

En contraste, los sistemas de tiempo compartido se desarrolla n pa ra distribuir eltiempo del procesador en sistemas de cómputo para varios usuarios. La compu ­tadora atiende a cada uno de manera secuencial, pero lo hace con ta l rapidez quecada trabajo pareciera ser ejecutado de manera simultánea. Este es el caso de lossistemas para mainfram es y servidores de Inte rne t. El ejemplo más notable, tanto porsus cualidades como por su longevidad es Unix, un sistema operativo diseñado en ladécada de 1970 pa ra opera r minicomputadoras.

Vinculados a los ante riores están los sis temas para operación en red, especializa­dos en compartir recursos distribuidos en una red de computadoras . La operacióndel sistema debe ser de alta confiabilidad y las conexiones deben pasar inadvertidaspara el usu ario, como ocurre en una red de cajeros automá ticos, en la telefonía ce­lular o con la World wide Web. Los desarrolladores de sistemas para computadoraspersona les, como Windows y Mac OS, han extendido la capacidad de éstos parapermitir un acceso sencillo tanto a Internet como a redes locales. Además, han de­sarrollado versiones para las computadoras que proporcionan los servicios en unared , como es el caso de Windows Server. Cabe mencionar que tanto Unix comoLinux han incluido estas características prácticamente desde que fueron creados.

Otro tipo son los sistemas para operación en paralelo." especialmente diseñadospara distribuir el trabajo del sistema de cómputo entre varios procesadores funcio­nando simultáneamente, como ocurre con las supercomputadoras. Una varia ciónde este tipo de sistemas lo podemos apreciar en computadoras personales que per­miten trabajar de manera concu rrente con otros procesadores, por ejemplo, unaconsola para videojuegos tiene un procesador central (cpu) que se coordina con elprocesador gráfico (cpu), permitiendo que cada uno desarrolle ta reas diferentes ycomunicándose cuando el juego en tumo lo demanda .

Finalmente, los sis temas para operació n en tiempo real es tán especialme nte ela ­borados para trabajar en sis temas de cómputo que deben entregar resu ltados eninstan tes precisos, sin retraso alguno, como es el caso del software de control de lossistema robóticos de cirugía, las líneas de producción o los mecanismos de vuelo deciertos aviones . Estos sistemas se caracterizan por intera ctuar con procesos físicos.

:lII Una variación de este tipo de sistemas. Que aún están en desarrollo. son los sisttmas operativos paracomputadoras con proctsador multinilcJeo.

~Grupo Editorial Patria L.:..J

Conceptos de computación

Cuadro 6.1 Proceso de arranque de una computado ra .

~~cen~'j 1~~n~Cia l i za~

AutodiagnosticoProba'memo<III PU.

Ejecutar cargadorOué_<lOi .........

It.Dóndoo "'- '"

Cargarúcleo del sis tema

Configura r dispos itivos(H-""'.~, _ora)

Evaluarnivel de

ej ecuc ión

1El lnlclalllador da comienzo

al proceso prindpal(Llamado proeeso..¡pa dle". id,'ll.,

JEllniCializa<lOr ejecuta el SCIi¡lIdel arranque aprop iado segun

&1 Nivel de eJe.:uclón

El procedimiento, desde que se oprimeel botón de encendido hasta que el sis­tema operativo toma el control de lacomputadora, es conocido como pro­ceso de arranque (llamado en inglésbootstrap).

Las computadoras actuales vienen conun minisistema incorporado en su me­moria ROM (generalmente llamado81OS) con lo cual pueden desarrollarciertas funciones básicas, empezandopor efectuar un autodiagnóstico de lamem oria, el procesador y el hardware, yen seguida proceden a cargar el sistemaoperativo (esto es, llevar del disco duroa la memoria RAM).

SiSlem8 "",~lisio ,,.,

Mostrar lineade comandos

(solid tar clave) - Ejewlar..... administrador ....... ti s~,= -o,

de ventanas "l;1 ... , ;!Y(Ambiente gtállcol

Asesoría: steve Rifkin. administrador de sistemas. Universidad Johns Hopkins.

6.4 PROGRAMAS DE APLICACiÓNSe llaman programa s de aplicación o paquetes a los programas de computadoradiseñados para desarrolla r alguna tarea específica. Generalmente son elaborados ycomercializados por grandes compañías de software (como Adobe, Microsoft, Apple,Wolfram Research), y responden a necesidades comunes a muchos usua rios.

Los paquetes suelen estar hechos de tal modo que la computadora resulte unaherra mien ta sencilla para el usua rio. Así cualquier persona puede beneficiarse delas capacidades de la computadora, sin tener que convertirse en un técnico especia­lizado en compu tación. Además, todos los paquetes proveen la facilidad de guardarlos datos en disco para su uso posterior.

En la actu alidad hay muchos paquetes para una gran variedad de aplicaciones, pro­venien tes de una gran cantidad de fabricantes. Acontinu ación desc ribimos los prin­cipales géneros de paquetes y algunos ejemplos de cada uno.

Conceptos de computación

Una señal digital es una se ñal eléc­trica con valores generalmente en­tre Oy S volts, que cam bia confo rmetranscurre el tiempo. Sin embargo,el paso de un nivel de voltaje a otroocurre de manera abrupta. Un vo lta­je alto es considerado como un bit 1,mientras que un voltaje bajo es con­siderado como un O. ,

7.7 FUNDAMENTOS DE TELECOMUNICACIONES

Unidades para transmisión de datosLa cantidad de bits que pueden ser transferidos de un dispositivo a otro en ciertoinst ante es llamada tasa o razón de transmisión (en inglés data mte) y su unidadson los bits por segundo o bps. Las aberviaturas Kbps y Mbps indican mil y un mi­Ión de bits por segundo, respectiva mente.

Esuna costumbre popular llamar a esta medida veloci­dad de transmisión o ancho de banda (en inglés band­width), aunque estos nombres tienen connotacionesligeramente diferentes en otras áreas del conocimiento.

La comunicación al interior de los circuitos de la compu­tadora suelen experimentar pocos problemas y ser dise­ñados para proporcionar la máxima eficiencia. Por ello,las tasas de transmisión entre diferentes componentesson muy altas." Sin emba rgo, las comunicaciones fue­ra de la CPU son mucho más lentas, tanto por fenóme­nos externos al sistema que repercuten en su eficiencia,como por la naturaleza misma del medio utilizado. Porejemplo, como vimos en la sección anterior, una comu­nicación casera mediante módem telefónico llega a al­canzar unos 52 Kbps, mientras que la conexión de unared LAN mediante cable coaxial de alta velocidad puedealcanzar hasta 10 Mbps.

amo hemos estu diado, los datos sólo son un concep­O abstracto que requiere de un fenómeno físico queos represente: una carga eléctric a, un campo magné­ico o un destello luminoso, entre otros.

a fonna más fácil de aprovecha r estos fenómenosara la representación de datos es mediante bits; que al

noverse producen una se ñal digital ; esto es, una señalue cambia abruptamente entre dos niveles de voltaje,no bajo y otro alto (figura 7.16).

as señales digitales tienden a viajar sin contratiem­os entre los circuitos internos de la computadora, ontre los periféricos conectados a ella (figura 7.17).

in embargo, cua ndo los datos deben recorrer largasistancias necesitamos de las telecomunicaciones,ecnología que, durante décadas, se especializó en ma­ejar y propagar señales analógicas (es decir, aquéllason infinidad de valores entre dos diferentes nivelese ene rgía, figura 7.18).

~epresentación de datos

Tiempo(segundos)

Los dispositivos de transmisión analógica producenuna ond a portadora que viaja hasta los receptores.Esta señal, de amplitud y frecuencia constantes, sirve

como referencia para que el receptor reconozca si se está enviando infonnación on042 (figura 7.19).

Figura 7. 16

Nivel deenergia

Figura l .11 ..---- - - - - - - _ ..~

Las señales digitales suelen moverse sin alteración ent re los circui­tos internosde la computadora.

.l Una señalanalógi ca es una señaleléctri ca o electromagnét ica cuyosvalores cambian conforme transcu­rre el tiempo. Si se compara con laseñal dig ital de la figura 7.1 5, se ob­serva claramente que no hay cam­bios bruscos ent re un nivel de ener­gia y el siguiente.

8

Redes de computadoras

Amplitud

s•a

longuitud de onda

2 6 Tiempo(segundos)

Una onda portadora es una señal periód ica y, como tal, se caracteriza po r su amplitud (la in­tensidad de la señal), su frecuencia (cuántas oscilaciones se producen en un segundo) y sulongitud de onda (cuánto tiempo tarda en producirse una oscilación.) Mient ras estas magni­tudespermanezcan constantes.el receptor determina que no hay información nueva.

Para enviar información, el receptor modifica alguna de las características de laonda (amplitud. frecuencia o fase) de modo que éstas se asemejen a las caracterís­ticas del fenóm eno origina l (figura 7.20).43

.. Cuando la información se trans­mite mediante la técnica de amplitudmodulada, la frecuencia de la porta­dora permanece constan te, pero suamplitud se ajusta de acuerdo con laintensidad de la señal Ofiginal Si­guiendo los cambios de intensidadde la portadora, es posible recuperarla informaciónoriginal.

Tiempo

(segundos)

e•2

,

Nivel mínimode energía o

Nivel máx imode energia

Como podrás apreciar. existen grandes diferenciasentre la tecnología analógica y la tecnología digi­ta l: la primera trata de imitar la forma original delfenómeno productor de información, mientras quela segunda convierte la información producida ennúmeros binarios. Debido a estas diferencias se handesarrollado técnicas que permiten combina r ambasestrategias. y se basan en modificar (modular) alguna

•de las características fundamentales de la portadoraanalógica. generalmente ampl itud o frecuencia. se­gún las características de la señal digital (figura 7.21).

~ Mod ulación de señales d igitales. las señales digitalessaltan entre dos valores, uno alto 0 · 1 ~ y uno bajo 0 ·0": Parapoder transmitir este tipo de señales se necesita modularportadoras analógicas. que oscilan periód icamente entredos niveles de energía. la cual suele ser eléctnca o electro­magnética. En la técnica de frecuencia modulada. la ampli­tud permanece const ante. pe ro se usan dos frecuencias dife­rentes para representar unos o ceros. Observa cómo ocurrela transición en la por tadora justo al mome nto en que cam­bia de valor el bit.

1

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.. En una conversación telefónica. por ejemplo,si aumentas el volumen de tu voz, la portadoraaumenta suamplitud.Igualmente, si cambias tu voz de gravea aguda. la portadora aumentará su frecuencia.

filllGrupo Editorial Patria L..:.:J