Desde la década de 1950, la evolución de las computadoras se clasifica en cinco genera- ciones soportadas en las innovaciones tecnológicas. Los periodos de las tres primeras generaciones están bien delimitados, mientras que la cuarta y quinta tienen una frontera más difusa.
Primera generación.
• Se identifica por el empleo de tubos o válvulas de vacío y abarca desde la publicación del modelo Von Newmann hasta la aparición del transistor (1945-1956). La computadora que inició esta generación es la mencionada Univac I.
Segunda generación.
• Inicia en 1956 con la invención del transistor que permitió dise- ñar computadoras más pequeñas, eficientes y con mayor velocidad de ejecución. Entre 1956 y 1963, los transistores desplazaron a los tubos de vacío y redujeron sus dimen- siones, así como la energía necesaria para su funcionamiento. En cuanto a los disposi- tivos de almacenamiento de datos, se sustituyeron los primitivos tambores magnéticos por núcleos magnéticos y se eliminaron las tarjetas perforadas para dar paso a la cin- ta magnética y el disco como medio de almacenamiento secundario. Estos disposi- tivos eran más rápidos y proporcionaban mayor capacidad de procesamiento de datos en un menor espacio físico. Esta generación también se destacó por la apari- ción de la industria de desarrollo del software con la introducción de los dos lengua- jes de programación de alto nivel: FORTRAN en 1954, para aplicaciones científicas y COBOL en 1959 para aplicaciones de negocios. Ambos lenguajes de programación reemplazaron el lenguaje ensamblador que sustituyó al lenguaje máquina (basado en ceros y unos) y que es el lenguaje con el que funcionan las computadoras. A partir de 1964 se comenzaron a desarrollar los circuitos integrados que contenían un gran número de transistores en un solo clip o pastilla.
Tercera generación.
• Se encuadra entre 1964 y 1971; durante este periodo se consoli- da el circuito integrado y aparece el microprocesador. De manera concreta, en 1970
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4 CAPÍTULO 1 Introducción a la programación
se inventó el microprocesador, una unidad central de proceso (CPU, por sus siglas en inglés) completa en un solo chip. En 1977, Stephen Wozniak y Steven Jobs diseñaron y construyeron la primera computadora Apple.
Cuarta generación.
• Inició en la década de 1970 y hasta la actualidad representa mu- chas de las innovaciones tecnológicas que han aparecido en estas cuatro décadas.
Quinta generación.
• Este término fue empleado por los japoneses para describir las computadoras potentes e inteligentes que se comenzaron a desarrollar a mediados de la década de 1990. Se superaron las ideas originales y actualmente el término no está bien definido, aunque existen conceptos similares que pueden englobarlo: compu- tación paralela, computación cuántica, etcétera.
En 1981, IBM presentó la computadora personal (PC, por sus siglas en inglés), lo cual supuso el comienzo de una revolución en el ámbito informático y todavía sigue vigente. Las computadoras actuales son potentes, fiables y fáciles de utilizar, su tamaño se redujo considerablemente y se han popularizado las computadoras portátiles en diferentes esca- las: laptops, netbooks, smartbooks, los ya conocidos teléfonos inteligentes, los PDA (asis- tentes digitales personales), tabletas digitales (tablet PC ) como el iPad y los cada día más populares lectores de libros electrónicos (eReader).
Los teléfonos celulares o móviles y las redes de comunicaciones inalámbricas y fijas configuran el nuevo modelo de computación llamado computación móvil o computación celular. Este modelo está generando innumerables aplicaciones de computación móvil como los dispositivos portátiles (hand-held ) que permiten conexiones a internet, envíos de correos electrónicos, conexión a redes sociales, navegación con sistemas GPS, visuali- zación de mapas de ciudades, carreteras, etcétera.
Aunque existen diferentes categorías de computadoras, todavía tienen la misma orga- nización, comparten los mismos elementos y siguen el modelo de Von Newmann.
1.2 Organización y componentes
de una computadora
Una computadora es un dispositivo electrónico que almacena y procesa datos; y es capaz de ejecutar órdenes o comandos. Las computadoras procesan datos bajo el control de un conjunto de instrucciones denominadas programas. Las computadoras se componen de hardware y software. El primero es la parte física de las computadoras y consta de varios elementos o dispositivos: monitor (pantalla), teclado, ratón (mouse), disco duro, memo- ria, CD y/o DVD rom, memoria externa (flash), cámara de video, etcétera; el segundo es el conjunto de instrucciones que controlan el hardware y realizan tareas específicas. La programación en computación consiste en escribir instrucciones que la computadora ejecute. Al igual que en numerosas máquinas actuales, es posible aprender un lenguaje de programación para escribir los programas sin necesidad de conocer el hardware de la computadora, aunque es mejor y más eficiente que el programador o la persona que desarrolla el programa comprenda bien el efecto de las instrucciones que compila.
Como ya se dijo, una computadora es un dispositivo electrónico capaz de ejecutar órdenes o instrucciones. Las instrucciones básicas que realiza son: entrada, como lectura o introducción de datos; salida, para visualizar o escribir resultados; almacenamiento de datos; y realización de operaciones básicas (aritméticas y lógicas) y complejas. En el mer- cado actual, y sobre todo en el de la información, proliferan las computadoras personales de escritorio y los diferentes tipos de portátiles; los grandes fabricantes como Hewlett- Packard o HP, Dell, Acer, Asus, Oracle (gracias a la compra de Sun Microsystems), Toshiba, Samsung, Sony, LG, entre otros, ofrecen una extensa gama de equipos a precios asequibles que facilitan el aprendizaje del usuario.
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1.2 Organización y componentes de una computadora 5
1.2.1 Hardware
Los componentes o unidades más importantes del hardware de una computadora son: unidad central de proceso o procesador (CPU, central processing unit), memoria central o principal (RAM, random access memory), dispositivos o periféricos de entrada y salida, dispo- sitivos de almacenamiento y dispositivos de comunicación. Los diferentes componentes se conectan a través de un subsistema denominado bus que transfiere datos entre ellos. La figura 1.1 presenta los componentes principales de una computadora, mientras que la fi- gura 1.2, muestra la organización de la memoria central.
1.2.1.1 Unidad central de proceso y memoria
La unidad central de proceso o de procesamiento (UCP) es el cerebro de la computado- ra y su función principal es la recuperación de instrucciones de la memoria y su eje- cución. La UCP (CPU, por sus siglas en inglés) normalmente tiene dos componentes: unidad de control y unidad aritmética y lógica.
La unidad de control regula y coordina las acciones de otros componentes mediante un conjunto de instrucciones. La unidad aritmética y lógica ejecuta operaciones numéri- cas (suma, resta, multiplicación y división) y operaciones lógicas (comparaciones).
La unidad central de proceso, también se conoce como procesador o microproce- sador. Desde un punto de vista físico, el procesador es el circuito integrado contenido en un chip. Existen numerosos fabricantes de chips de microprocesadores, aunque los más populares son Intel y AMD. Una de las características principales de los microprocesa- dores es la velocidad distinguida por su velocidad de reloj. Cada computadora tiene un reloj interno que emite impulsos electrónicos a una velocidad constante; se utiliza para controlar y sincronizar diversas operaciones entre los diferentes componentes de la computadora.
La unidad de medida de la velocidad se denomina hercio (Hz), y equivale a un im- pulso por segundo; la velocidad de reloj de la computadora se mide normalmente en gigahercios (GHz), mil millones de hercios, y a mayor cantidad de gigahercios mayor velocidad de ejecución de la computadora.
Muchas de las computadoras que se comercializan actualmente incorporan múlti- ples CPU, lo que les permite ejecutar numerosas operaciones de manera simultánea; a éstas se les llama multiprocesadores y desde el punto de vista práctico se conocen como multinúcleo; desde el año 2010, Intel y AMD comercializan procesadores de dos a ocho núcleos.
Figura 1.1 Componentes principales de una computadora.
Dispositivos de salida UCP (Procesador) Memoria externa (almacenamiento permanente) Dispositivos de entrada Memoria principal Unidad de control Unidad aritmética y lógica 01_Joyanes.indd 5 01_Joyanes.indd 5 27/4/11 14:38:2327/4/11 14:38:23
6 CAPÍTULO 1 Introducción a la programación
La memoria de una computadora almacena datos de entrada, programas que se han de ejecutar y resultados. En la mayoría de las computadoras existen dos tipos de memo- ria: de acceso aleatorio o RAM, que guarda temporalmente programas y datos; y de sólo lec- tura o ROM (read only memory), que almacena datos o programas de modo permanente.
La memoria de acceso aleatorio o simplemente memoria, se utiliza para reunir de modo temporal información, datos y programas; en general, la información almacenada en ésta puede ser de dos categorías: instrucciones de programa o datos de operación para las ins- trucciones. Para que un programa se pueda ejecutar debe situarse en la memoria central mediante una operación denominada carga (load) del programa. Después, cuando el pro- grama se ejecuta, cualquier dato a procesar por éste, se debe llevar a la memoria mediante las instrucciones del programa. En la memoria central, también hay datos diversos y es- pacio de almacenamiento temporal necesarios para el funcionamiento del programa en ejecución. Éste tipo de memoria es volátil porque su contenido se borra cuando se apaga la computadora; y es, en realidad, la que se conoce como memoria principal o de trabajo y en ella se pueden escribir y leer datos.
La RAM se conecta directamente a la CPU y todos los programas deben cargarse o al- macenarse en ella para que puedan ejecutarse; de modo similar, todos los datos deben llevarse a la misma memoria antes de poder manipularlos y, cuando la computadora se apaga o desconecta, toda la información contenida en ella se pierde. Desde el punto de vista práctico, la información que llega desde las unidades de entrada se retiene en la me- moria principal, ésta la procesa para cuando se necesite y los resultados se sitúan en dispo- sitivos de salida. La RAM es rápida y reducida en tamaño físico; es uno de los componentes más importantes de una computadora y sirve para almacenar información (datos y pro- gramas). Existen dos tipos de memoria y de almacenamiento: principal (memoria principal o memoria central) y secundario o masivo (discos, cintas, etc.). Las computadoras utilizan ceros y unos porque los dispositivos digitales tienen dos estados conocidos como cero y uno (por convenio), y son componentes del sistema de numeración binario. Diferentes tipos de datos, como números, caracteres y cadenas (series o conjuntos de caracteres) se codifi- can en series de bits o dígitos binarios (ceros y unos). Un bit es un dígito cero o bien, un dígito uno. La memoria almacena los datos e instrucciones de programas que la CPU eje- cutará. La unidad básica de memoria es el byte, y es una secuencia de ocho bits (ejem- plo: 10010001). La memoria principal se compone de una secuencia ordenada de celdas denominadas de memoria. Cada una se encuentra en una posición exclusiva denominada dirección, y permiten el acceso a la información almacenada en la celda. La figura 1.2 repre- senta la memoria principal con algunos datos.
Direcciones Contenido de la dirección 997 999 998 997 325 . . . 3 2 1 0
Figura 1.2 Dirección y contenido de la memoria.
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1.2 Organización y componentes de una computadora 7
La memoria central de una computadora es una zona organizada en centenares o milla- res de unidades de almacenamiento individual llamadas celdas o posiciones de memoria; también se denominan palabras aunque no guardan analogía con las del lenguaje. Cada palabra pue- de ser un grupo de 8, 16, 32 o incluso 64 bits en las computado ras más modernas y poten- tes. Si la palabra es de 8 bits se conoce como byte. El término bit se deriva de las palabras inglesas binary digit1 y es la unidad de información más pequeña que puede tratar una compu- tadora. El término byte se utiliza en la jerga informática y, normalmente, las palabras de 16 bits se conocen como palabras de 2 bytes, y las palabras de 32 bits como palabras de 4 bytes. Dispositivos de entrada y salida
Para realizar tareas útiles en las computadoras se requiere capturar datos y programas, y visualizar los resultados del procesamiento de tales datos. Los componentes que envían (alimentan) datos y programas a las computadoras se denominan dispositivos o periféri- cos de entrada. Se obtiene información (datos y programas) desde los dispositivos de entrada y esta información se pone a disposición de otras unidades de procesamiento. Los periféricos de entrada más usuales son: teclado, mouse, escáner para digitalizar in- formación y unidades de almacenamiento secundario. La información también se puede introducir mediante micrófonos o cámaras de video que permiten subir fotografías y vi- deos, o bien, recibirlos desde redes de comunicaciones, especialmente internet o dispo- sitivos de escaneado de texto o imágenes.
Los elementos que utiliza la computadora para visualizar y almacenar resultados se denominan dispositivos o periféricos de salida. La mayoría de la información que emite la computadora se visualiza en pantallas (monitores), se imprime o se guarda en dispositivos de almacenamiento secundario. Por otra parte, las computadoras pueden enviar informa- ción a redes tales como internet.
En la actualidad, los periféricos multimedia que se utilizan en tareas multimedia ganan popularidad y pueden ser de entrada o salida como los altavoces, que suelen estar incor- porados en la mayoría de los equipos portátiles y de escritorio, pero también pueden co- nectarse a través de puertos USB; micrófonos para capturar sonidos; cámaras web, ya sea incorporadas o conectadas externamente también mediante puertos USB; auriculares para escuchar sonido o con micrófono incorporado.
Dispositivos de almacenamiento
La memoria principal es volátil de modo que la información almacenada en ella, antes de su procesamiento, se pierde cuando se apaga la computadora. La información que en ella se ubica debe transferirse a otros dispositivos de almacenamiento donde se pueda guardar de modo permanente y por periodos de tiempo indeterminados.
Los datos y los programas que se pueden guardar en estos aparatos se moverán a la memoria principal cuando la computadora los necesite. Un dispositivo que almace- na la información de forma permanente y por largos periodos se denomina de alma- cenamiento secundario. Existen cuatro tipos principales de dispositivos o periféricos de este tipo:
Unidades de disco (discos duros y disquetes). •
Unidades de discos compactos (CD, DVD,
• Blu-ray).
Unidades de cinta. •
Unidades de memoria flash o USB y tarjetas de memoria SD. •
Unidades de memoria ZIP. •
1 Binario se refi ere a un sistema de numeración basado en los dígitos o números, 0 y 1; por consiguiente, un bit es un 0, o bien, un 1.
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8 CAPÍTULO 1 Introducción a la programación
Todos los soportes de almacenamiento funcionan sobre unidades lectoras de CD, DVD o disquetes y discos duros.
Dispositivos de comunicación
Las computadoras se conectan entre sí a través de redes informáticas y dispositivos de comunicación. La conexión física a una red se puede realizar mediante conexión cablea- da o a través de una red sin cables, es decir inalámbrica (wireless). Aunque en las empre- sas todavía existen redes corporativas LAN e intranet, en la actualidad lo más usual es que estas redes y las domésticas se conecten entre sí por medio de internet.
Los dispositivos de comunicación más utilizados son el módem y la tarjeta de interfaz de red (NIC, network interface card). En el caso de las redes inalámbricas se requiere un router que permite configurar las redes como si fuesen cableadas.
La conexión a internet requerirá la contratación de un proveedor de servicios de internet (ISP, Internet Service Provider) que permitirá la conexión desde el hogar o des- de la empresa. Estas conexiones se realizarán a través de tecnología ADSL (utiliza la línea telefónica tradicional), cable de fibra óptica, por satélite o mediante tecnologías inalám- bricas Wi-Fi o WiMax.
1.2.2 Software
Los programas, conocidos como software, son instrucciones a la computadora; sin éstos, una computadora es una máquina vacía porque éstas no entienden los lenguajes huma- nos y es necesario utilizar lenguajes de computadoras para comunicarse con ellas.
El software de una computadora es un conjunto de instrucciones de programa de- talladas que controlan y coordinan el hardware conectado al equipo y las operaciones de un sistema informático. El auge de las computadoras durante el siglo pasado y el actual se debe esencialmente al desarrollo de sucesivas generaciones de software potente, cada vez más fácil de utilizar.
Las operaciones que debe realizar el hardware se especifican en una lista de instruc- ciones, llamadas programas, o software; éste es un conjunto de sentencias o instrucciones dadas a la computadora; el proceso de escritura o codificación de un programa se llama programación o desarrollo y las personas que se especializan en esta actividad son los pro- gramadores. Existen dos tipos importantes de software: del sistema y de aplicaciones; cada uno realiza una función diferente. Los dos tipos de software se relacionan entre sí, de modo que los usuarios y los programadores puedan usar la computadora con eficiencia.
El software del sistema es un conjunto generalizado de programas que gestiona los recursos de la computadora, tal como el procesador central, enlaces de comunicaciones y dispositivos periféricos; los desarrolladores se llaman programadores de sistemas: Por otra parte, el software de aplicaciones es el conjunto de programas que escriben las em- presas o usuarios, ya sea de forma individual o en equipo, y que instruyen a la compu- tadora para que ejecute una tarea específica; quienes lo desarrollan se conocen como programadores de aplicaciones.
El software del sistema coordina las diferentes partes de un sistema de computadora y conecta e interactúa entre el software de aplicación y el hardware de la computadora. Hay otro tipo de programas del sistema que gestionan y controlan las actividades de la computadora y, además, realizan tareas de proceso comunes; a éstos se les denomina utility, utilidades o utilerías. El software del sistema que gestiona y controla las activida- des de la computadora se denomina sistema operativo. Otro tipo de software del sistema es el grupo de programas traductores o de traducción de lenguajes de computadora que convierten los lenguajes de programación, entendibles por los programadores, en len- guaje máquina.
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1.3 Sistema operativo 9
El software del sistema es, entonces, el conjunto de programas indispensables para que la máquina funcione; también se denominan programas del sistema. Éstos son bási- camente, el sistema operativo, los editores de texto, los compiladores o también llamados intérpretes (lenguajes de programación) y los programas de utilidad.
El software de aplicación tiene como función principal ayudar al usuario de una compu tadora a ejecutar tareas específicas; estos programas se pueden desarrollar con diferentes lenguajes y herramientas de software. Por ejemplo, una aplicación de procesa- miento de textos como Word o Word Perfect ayuda a crear documentos; una hoja de cálcu- lo como Lotus 1-2-3 o Excel ayuda a automatizar tareas tediosas o repetitivas de cálculos matemáticos o estadísticos y a generar diagramas o gráficos; PowerPoint ayuda a diseñar presentaciones visuales; Access u Oracle ayudan a crear archivos y registros de datos o a crear bases de datos.
Los usuarios normalmente compran el software de aplicaciones en CD o DVD (an- tiguamente en disquetes) o los descargan de internet para instalarlo copiando los pro- gramas correspondientes en el disco duro de la computadora. Cuando compre estos programas, asegúrese de que sean compatibles con su computadora y con su sistema operativo. Existe gran diversidad de programas de aplicación para todo tipo de activi- dades, ya sean personales, de negocios, navegación y manipulación en internet, gráficos y presentaciones visuales, etcétera.
Los lenguajes de programación sirven para escribir programas que permitan la co- municación usuario/máquina; ciertos programas especiales llamados traductores, ya sean compiladores o intérpretes, convierten las instrucciones escritas en lenguajes de programación en instrucciones escritas en lenguaje máquina de 0 y 1, bits que ésta pueda entender.
Los programas de utilidad2 facilitan el uso de la computadora; un ejemplo es el edi- tor de textos que permite la escritura y revisión de documentos, que se usó para escribir este libro.
Los programas que realizan tareas concretas como cálculo de nóminas, contabilidad, análisis estadísticos, etcétera, es decir, los programas que podrá escribir en Java, se denomi- nan programas de aplicación; a lo largo del libro se verán pequeños programas de aplicación que muestran los principios de una buena programación de computadora.
Se debe diferenciar entre la creación de un programa y la acción de la computadora