MANUAL DE INTRODUCCIÓN A LA COMPUTACIÓN Universidad de Guadalajara

Transcripción

1 MANUAL DE INTRODUCCIÓN A LA COMPUTACIÓN Universidad de Guadalajara Revisado por: Ing. Carlos Alberto Sánchez Romero 1

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3 1.1 ANTECESORES Y RAZON DE EXISTENCIA En la antigüedad para realizar cálculos matemáticos se hacia uso de sistemas muy rudimentarios, tales como los dedos de las manos, nudos en cuerdas, agrupación de piedras, etc. Se dice que el sistema mas eficaz fue la utilización del ABACO. El ABACO es el dispositivo de conteo mecánico (se remonta a 5000 años atrás); el ábaco aun se usa en la educación para demostrar los principios del conteo y la aritmética. Como antecesores lejanos de las computadoras deben considerarse fundamentalmente los siguientes aparatos: a) La maquina de Pascal llamada Pascalina b) El Telar de Jacquard c) La maquina Analítica de Charles Babbage d) Maquina Tabuladora de Hollerith e) La Mark I f) ENIAC El francés Blaise Pascal ( ) uno de los grandes Filósofos y Matemáticos de la historia construyo una maquina para sumar basada engranes, llamada Pascalina esto fue en el año de 1642 y hasta la fecha se siguen empleando en las cajas registradoras mecánicas y en los cuenta kilómetros de los automóviles y anteriormente en las gasolineras. El francés Joseph Marie Jacquard ( ) tejedor, pasaba todo su tiempo libre intentando mejorar las condiciones de trabajo de su gremio de tejedores, ya que (trabajaban 16 horas diarias sin día de descanso) su solución fue el telar de Jacquard. Se construyo en El movimiento de las agujas el hilo y la tela se dirigía por medio de perforaciones sobre una tarjeta para generar los patrones elaborados que aun se conocen como tejidos de Jacquard. El telar de Jacquard tuvo aceptación inmediata entre los propietarios de las fabricas de telas porque podían contratar trabajadores menos capacitados por menos dinero. No obstante los tejedores se amotinaron y tildaron de traidor a Jacquard. El ingles Charles Babbage ( ) en la primera mitad del siglo XIX desarrollo la maquina diferencial y la maquina analítica, personas de todo tipo desde los banqueros hasta los navegantes dependían de las tablas matemáticas durante la apresurada revolución industrial. Sin embargo estas tablas calculadas en forma manual por lo regular contenían muchos errores. Después de percatarse que sus propias tablas contenían gran cantidad de errores Charles Babbage ideo una maquina diferencial accionada a base de vapor y luego una maquina analítica que realizaba cálculos tediosos con precisión, como eran todas las operaciones matemáticas (60 Operaciones por segundo), con posibilidad de ser programadas por medio de tarjetas perforadas, también se ideo para la realización automática de tablas de logaritmos y funciones trigonométricas. Se diseño en 1833, requería miles de engranes y transmisiones ocuparían el área de un campo de fútbol y se impulsaría por medio de una maquina de locomotora, por otro lado, fue un fallido intento por crear una enorme maquina de Pascal, el intento fracaso porque debido a la limitada tecnología de los engranes nunca pudo completarse. Babbage se le conoce como el padre de la informática murió en 1871 en un asilo de ancianos y sus ideas desaparecieron en la oscuridad de la historia. No fue sino hasta la década de 1940 en que se supo de su genio al descubrir sus escritos pero ya en ese tiempo existían laboratorios completos de ingenieros e investigadores trabajando en la invención de las computadoras electrónicas. A la computadora de Babbage también se le conoce como la maquina que no se llego a terminar. 3

4 En 1940, John W. Mauchly y John Presper Eckert junto con científicos de la Universidad de Pennsylvania, construyeron en la escuela Moore de Ingeniería Eléctrica, a petición del ministerio de defensa de Estados Unidos, la primera computadora electrónica denominada ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator ) construida a base de válvulas de vacío, que entró en funcionamiento en En el equipo de construcción de esta computadora se encontraban J. V. Atanasoff y C. Berry cuyos estudios y ensayos en su calculadora ABC fueron muy importantes para el proyecto ENIAC. La diferencia esencial entre la ABC y la ENIAC consistía en que esta última era programable y universal, es decir, podía ser aplicada a cualquier tipo de cálculos. Fue muy utilizada por el Ejercito de los Estados Unidos para el cálculo de la trayectoria de proyectiles por medio de tablas. Poco después, en John W. Mauchly, construyó la primera computadora de serie puesta a la venta: ésta fue la UNIVAC-I (Universal Automatic Computer-Computador Automático Universal), que también utilizaba cintas magnéticas. Esos mismos profesores crearon otra computadora llamada UNIVAC I, dicha computadora quedo inconclusa por falta de asesoramiento monetario y decidieron vender dicho proyecto a la compañía IBM (Internacional Businnes Machines) la cual se encargo de dividir en generaciones la evolución de las computadoras. RAZON DE EXISTENCIA DE LAS COMPUTADORAS Para explicar, entonces, la existencia de las computadoras, deben de tomarse en cuenta al menos los siguientes factores: a) El estado de avance de la electrónica b) La existencia de una teoría matemática para describir combinaciones de variables Lógicas y sustentar una visión del mundo que llamaremos Digital. c) Disponibilidad de grandes capitales para la investigación y el desarrollo tecnológico Este ultimo, punto por desgracia, esta ligado con la guerra y el desarrollo de las armas. Efectivamente, la primera computadora surge como respuesta a la necesidad de resolver en forma practica y rápida el problema de efectuar los miles y miles de cálculos requeridos para determinar la trayectoria de un proyectil. El Departamento de Defensa de los Estados Unidos de América y la Universidad de Pennsylvania trabajaron en un proyecto destinado a obtener trayectorias balísticas por medios mecánicos o electrónicos, y todo esto dio como resultado la maquina llamada ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator ) a finales de QUE ES UNA COMPUTADORA? La computadora es una maquina capaz de realizar y controlar a gran velocidad cálculos y procesos complicados que requieren una toma rápida de decisiones. 4

5 FUNCIÓN DE LA COMPUTADORA Las computadoras pueden resultar misteriosas, pues son productos de alta tecnología.. Se les han atribuido características humanas o superhumanas y debemos reconocer que las computadoras son simplemente herramientas diseñadas, programadas y utilizadas por personas. La limitación más importante de las computadoras es que no pueden pensar por si mismas, no pueden resolver problemas ni tomar decisiones sin la intervención del hombre. Aun así, las computadoras son muy útiles para organizar la información para la resolución de problemas y la toma de decisiones. Las computadoras pueden efectuar cosas sorprendentes cuándo siguen paso a paso las instrucciones de los programas, pero las personas son las que piensan antes de escribir los programas. Las computadoras se han fabricado para ayudar al hombre en sus tareas, no para sustituirlo. Las computadoras no pueden efectuar juicios emocionales, desobedecer las instrucciones provistas por los humanos, o reemplazar las relaciones entre las personas. Por el contrario, las personas deben de ser extremadamente explícitas al instruir a las computadoras para que desarrollen cualquier tarea sencilla. Lo que las computadoras pueden hacer resulta extremadamente útil. Estas pueden: * Almacenar grandes volúmenes de información * Procesar datos rápidamente y con exactitud * Representar números gráficamente * Simular posibles resultados basados en un conjunto determinado de condiciones * Recomendar o tomar una acción basada en los resultados. 1.2 GENERACIONES DE COMPUTADORAS PRIMERA GENERACION. Comprende desde 1946 hasta 1958, tomando en consideración dentro de la primera generación las computadoras construidas en 1944, 1946 y 1947 las cuales estaban construidas con las siguientes características: 1) Estaban construidas por tubos al vacío (18,000 bulbos) que al producir bastante calor empezaban a emitir errores. 2) Estaban compuestas aproximadamente por 200,000 piezas mecánicas y 800,000 metros de cable, lo cual provocaba que su estado físico fuera muy grande. 3) El estado del aire acondicionado era de estricta calidad el cual variaba entre los 17 y los 22 grados centígrados, de esta forma se evitaban los errores. 4) La programación era externa, por medio de módulos y la memoria por tambores magnéticos. 5) Su peso era aproximadamente entre 70 y 80 toneladas. 6) Su longitud era entre 18 a 20 metros. 7) En software ( Lenguaje Maquina ) Tambor magnético. El tambor magnético era de aluminio y estaba cubierto de un material llamado MAYDEN, sobre el se grababa la información por medio de puntos magnéticos. 5

6 SEGUNDA GENERACION. Desde 1958 a 1965, dentro de esta generación la evolución de las computadoras es bastante marcada, es decir, es notable la diferencia, por lo que también tiene sus características. Este sistema no era muy eficaz ya que constantemente se perdía la información porque el tambor magnético no tenia capa protectora 1) Los bulbos son sustituidos por transistores. 2) Disminuye el tamaño físico de las computadoras aproximadamente en un 50%. 3) También disminuye el control de calidad del aire acondicionado. 4) La programación es interna y se puede soportar todos los programas de proceso. 5) La velocidad de operación es de microsegundos. 6) En software ( Los Lenguajes de alto Nivel ) TERCERA GENERACION. Comprende desde 1965 hasta 1970, dentro de esta generación el tamaño físico de la computadora se reduce a lo máximo y tiene las siguientes características: 1) El transistor es sustituido por el microtransistor. 2) Disminuye de un 60 a un 70% el tamaño físico de las computadoras. 3) El control de calidad del aire acondicionado también disminuye. 4) La memoria sigue interna por medio de núcleos magnéticos. 5) La velocidad de proceso sigue siendo de microsegundos. 6) En software ( Sistema Operativo ) CUARTA GENERACION. Comprende de 1971 hasta 1980, dentro de esta generación el tamaño físico de las computadoras se reduce de un 80 a un 90% y tienen las siguientes características: 1) El microtransistor es sustituido por circuitos integrados los cuales tienen la función de 64 microtransistores. 2) El control de calidad del aire acondicionado es nulo o casi nulo. 3) La velocidad de proceso es de nano-segundos 1X ) Se trabaja la multiprogramación y el teleproceso local y remoto. 5) En software ( LISP, PROLOG ) 6

7 QUINTA GENERACION. Aunque no sea totalmente correcto decir que las computadoras actuales son de la cuarta generación, ya se habla de la siguiente, es decir de la quinta. Comprende de ( ?). En 1981, los principales países productores de nuevas tecnologías (fundamentalmente Estados Unidos y Japón) anunciaron una nueva generación, esta nueva generación de computadoras tendrá las siguientes características estructurales: 1. Estarán hechas con microcircuitos de muy alta integración, que funcionaran con un alto grado de paralelismo y emulando algunas características de las redes neurales con las que funciona el cerebro humano. 2. Computadoras con Inteligencia Artificial 3. Interconexión entre todo tipo de computadoras, dispositivos y redes (redes integradas) 4. Integración de datos, imágenes y voz (entorno multimedia) 5. Utilización del lenguaje natural (lenguaje de quinta generación) Estos conceptos merecen una somera explicación, debido a que si representan avances cualitativos con respecto a las generaciones anteriores. La mayoría de las computadoras actuales ejecutan las instrucciones del lenguaje de maquina en forma secuencial, es decir, efectúan una sola operación a la vez. Sin embargo, en principio también es posible que una computadora disponga de varios procesadores centrales, y que entre ellos realicen en forma paralela varias operaciones, siempre y cuando estas sean independientes entre si. MULTIPROGRAMACION Es la técnica que permite que dos o más programas ocupen la misma unidad de memoria principal y que sean ejecutados al mismo tiempo. Así por ejemplo mientras se ejecutan operaciones de entrada y salida de un programa, la unidad central de proceso puede ocuparse en realizar operaciones distintas de las de E/S pertenecientes a otros programas. La multiprogramación se refiere a dos o más programas corriendo o procesándose al mismo tiempo. La multiprogramación se controla a través del sistema operativo, el cual observa los programas y los vigila hasta que estén concluidos. El número de programas que pueden multiprogramarse en forma efectiva, depende de una combinación de la cantidad de memoria, de la velocidad de la CPU y del numero y velocidad de los recursos periféricos que tenga conectados, así como de la eficiencia del SISTEMA OPERATIVO. 7

8 1.3 MICROCOMPUTADORAS Y COMPUTADORAS PERSONALES. TIPOS DE COMPUTADOAS. Desde el punto de vista de construcción, existen dos tipos de maquinas capaces de ejecutar algoritmos: MAQUINAS CON LOGICA CABLEADA. En ellas, el algoritmo esta interiormente implementado en el cableado de los circuitos o en las memorias de solo lectura (ROM-read only memory). Las más conocidas son: LAS CALCULADORAS. Son maquinas para ejecutar un determinado numero de algoritmo predefinido de tipo matemático (suma, resta, multiplicaciones, divisiones, funciones trigonometricas, logaritmos, funciones estadísticas, etc.). LAS COMPUTADORAS ANALOGICAS. Son maquinas destinadas al control del proceso y a la simulación. en la actualidad se encuentran instaladas en cadena de fabricación y en mercados, como el de la automatización entre otros. MAQUINAS CON LOGICA PROGRAMADA. Son la computadoras convencionales que admiten programación de algoritmos por medio de lenguajes de programación: por ellos son maquinas de propósito general, pues se puede aplicar a cualquier tipo de procesos. Estas computadoras tienen las siguientes características: 1. Gran velocidad de calculo 2. Gran capacidad de almacenamiento 3. Gran precisión 4. Versatilidad o posibilidad de realizar multitud de trabajos de distintos tipos. 5. Automatización, pues la mano del hombre interviene relativamente poco en el trabajo final que realiza la computadora. 6. Asiduidad, puesto que en ellas no existe el cansancio y ejecutan con la misma precisión la primera y la última operación. Una computadora de lógica programada solo puede realizar tres tipos de operaciones. Operaciones aritméticas (suma y resta) Operaciones lógicas (operaciones) Almacenar o recuperar operación La versatilidad de una computadora se obtiene al reducir cualquier problema simple o compuesto en una combinación adecuada de estas operaciones. Antes de hacer una clasificación formal de las computadoras según el tipo de señales que manejan, vamos a definir los conceptos fundamentales que intervienen en la misma. Se dice que un suceso es de tipo continuo cuando la escala de manifestaciones de sus variables no tienen discontinuidades. Estos procesos se denominan analógicos. Si la escala de manifestaciones de las variables de un suceso sólo tiene determinados valores, se dice que es de tipo discreto y recibe el nombre de digital. 8

9 CLASIFICACION DE LAS COMPUTADORAS POR SU CAPACIDAD Atendiendo a la configuración o estructura interna de una computadora puede, clasificares de la siguiente forma: CONPUTADORAS ANALOGICAS. Son aquellas que manejan señales eléctricas analógicas proporcionales a medidas físicas de tipo continuo. Su programación en la mayoría de los casos está en su propio cableado y se utiliza fundamentalmente para controlar procesos y en problema de simulación. COMPUTADORASA DIGITALES. Maneja señales eléctricas de tipo digital. Se programa por medio de lenguajes de programación y su utilización contiene cualquier tipo de trabajos; por tanto, configuran el grupo de computadoras de tipo general. En la actualidad, mas del 95% de las computadoras son de este tipo. COMPUTADORAS HÍBRIDAS. Poseen características de las dos anteriores. Suelen estar constituidas de una computadora digital que procesa información analógica, para lo cual tiene sus entradas y salidas controladas por medio de convertidores analógico - digitales y digitales - analógicos Computadora Analógica Conv. A / D Conv D / A Computadora Híbrida Computadoras Analógicas, Digitales e Híbridas Las computadoras digitales por su potencia de calculo, capacidad de almacenamiento interno y numero de periféricos que pueden soportar se clasifican en cuatro grandes grupos: Supercomputadora. Es una maquina diseñada especialmente para calculo que requieren una gran velocidad de proceso. Generalmente pose un gran número de procesadores que trabajan en paralelo, con lo que consiguen realizar billones de operaciones por segundo. Un ejemplo de estas computadoras es la Cray Y- MP de Cray Research INC. 9

10 Computadora o Mainframe. Es una maquina diseñada principalmente para dar servicio a grandes empresas y organizaciones. Su potencia de calculo es inferior a la de las anteriores, ejecutando solo varios millones de operaciones por segundo. Una de sus características principales es la de soportar un gran número de terminales o estaciones de trabajo. Además pueden intervenir en procesos de distribución en los que se conectan dos o más computadoras en paralelo, de tal forma que se reparte el trabajo a realizar. Un buen ejemplo de este tipo de computadoras es la IBM 3090 la cual es capas de soportar aproximadamente terminales conectadas. Minicomputadora. Son maquinas de tipo medio, es decir su capacidad de proceso es inferior y por lo tanto pueden controlar un menor numero de terminales. Dos ejemplos muy típicos de este tipo de computadoras son las VAX de digital equipment corporation (DEC) y la AS/400 de IBM. Microcomputadoras. Se trata de una maquina cuyo funcionamiento interno se basa en el uso del microcomputador, y con el se consigue una serie de prestaciones, que en potencia, manejabilidad, portabilidad, precio, etc., cubren la gama más baja de necesidades en el mundo de la informática. Hoy se puede decir que el mundo de la microinformática o el de las Microcomputadoras es el más importante y también el más popular. Dentro de las microcomputadora se puede distinguir dos grupos importantes: Computadora personal (personal computer-pc) Estación de trabajo (workstation) La computadora personal es la microcomputadora fácil de usar y con grandes prestaciones. Generalmente posee un solo puesto de trabajo, aunque puede tener varios. Actualmente la mayor gama de equipo hardware y de aplicaciones software que existe en el mercado pertenece al grupo de computadoras personales. Una estación de trabajo es una microcomputadora de gran potencia que se utiliza para trabajo de ingeniería Laptop. Consisten en una computadora personal portátil de tamaño pequeño, gran potencia y muy manejable en todos los sentidos. Las características principales su peso que oscila entre 1 y 2 kg. Notebook. Es una computadora personal similar a la laptop, pero aun más pequeña, de menor peso y mas especializada., es decir, esta preparada para realizar funciones de computadora personal, servir de ayuda a estudiantes sirviéndoles una capacidad de calculo rápido importante, ofrecer a comerciales funciones de agenda muy evolucionadas, etc. Pocket-pc o palmtop. Es una pequeña computadora personal de mano que viene a ser la última versión de calculadora científica programable. 1.-MICROCOMPUTADORAS.- Se caracterizan por su configuración básica irregular, que puede estar compuesta por un monitor o una televisión, un drive, una unidad de cassette, etc. Su capacidad de memoria es mínima de 8 a 16 kbytes por lo cual trabaja pequeños volúmenes de información. 2.-MINICOMPUTADORAS.- Se caracterizan por tener una configuración básica regular que puede estar compuesta por un monitor, unidades de diskette, disco, impresora, etc. Su capacidad de memoria varía de 16 a 256 kbytes. 10

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