Categoría: programación

fundamentos de los computadores, programación

Fundamentos de computadores

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Los computadores fueron desarrollados como una herramienta para agilizar la realización repetitiva de operaciones aritméticas y lógicas básicas; con el tiempo fueron ganando complejidad, tanto por el número de operaciones como por la complejidad propia de los cálculos.

Hoy en día, se han convertido en un elementos imprescindibles en todos los campos de la ciencia, de la comunicación y del ocio.

A pesar de los grandes cambios que han ido sufriendo las máquinas, el procesamiento de los datos dentro de un computador continúa basado en la realización de operaciones aritméticas y lógicas sencillas sobre datos que se encuentran en la memoria principal.

La información es codificada de manera adecuada para poder ser tratada por un procesador digital.

Las características de la tecnología con la que se construyen los computadores obligan a trabajar con sólo dos símbolos diferentes: el 0 y el 1.

Toda la información que tenga que procesar un computador se tendrá que codificar usando únicamente estos dos símbolos.

Estos son, pues, los puntos de partida:

  • Dentro de un computador toda la información se codifica como cadenas de ceros y unos.
  • Una cadena de ceros y unos no tiene sentido por ella misma. Hay que conocer la manera cómo se codifica la información, esto es el formato en que están codificados los datos.
  • El procesamiento que lleva a cabo un computador sobre las cadenas de ceros y unos consiste en operaciones aritméticas y lógicas sencillas.
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Estructura general de un computador digital

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Una computadora es un dispositivo construido con el propósito de manipular o transformar información para conseguir una información más elaborada, por ejemplo, el resultado de un problema determinado.

Una computadora digital trabaja con datos numéricos, codificados todos ellos en un sistema de numeración en base 2, es decir, basados en señales binarias; señales sobre las que podemos identificar solamente dos valores distintos.

Un computador digital dispone de una estructura organizada en módulos diferenciados, con tareas y funcionalidades bien definidas.

La estructura general de un computador digital es:

Datos de entrada + procesamiento = resultado (datos de salida)

Estructura general de un computador

Los dispositivos de entrada y los de salida constituyen elementos de conversión de la información entre el mundo analógico y el mundo digital.

El procesador está constituido por una unidad central de proceso (CPU, Central Process Unit) y una memoria íntimamente relacionada.

Arquitectura general de un procesador

La unidad central de proceso es la encargada de procesar los datos de acuerdo con el programa establecido, y se organiza en dos grandes bloques: la unidad de control y la unidad de proceso o camino de datos.

Estructura de una CPU
  • La unidad de proceso reúne los recursos de cálculo.
  • La unidad de control es la encargada de dar las órdenes en la secuencia correcta a la unidad de proceso para realizar las operaciones que establece el programa en ejecución.
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¿Qué es la electrónica digital?

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La electrónica digital o discreta es la electrónica basada en señales sobre las que sólo se identifica un conjunto finito de valores diferentes.

En contraposición, en la electrónica analógica las señales pueden variar de forma continua, es decir, no están reducidas a un conjunto de valores.

En una señal digital sólo se diferencia entre el valor alto de tensión y el valor bajo de tensión, por ejemplo 0 V y 5 V. En cambio, en una señal analógica se pueden registrar cualquier valor de tensión dentro de los márgenes de funcionamiento.

Las tecnologías actuales con las que se construyen los sistemas digitales trabajan especialmente bien cuando las señales se identifican con dos valores de tensión diferente.

Estos valores reciben denominaciones diferentes según el ámbito de trabajo, como verdadero y falso o bien 0 y 1 lógicos.

Trabajar directamente con información analógica resulta poco práctico si queremos procesar información digital en una computadora. Por lo tanto, hay que disponer de mecanismos para digitalizar la información, es decir, para codificarla utilizando sólo ceros y unos.

Las computadoras son sistemas digitales complejos. Entender y conocer las herramientas metodológicas para su diseño y síntesis nos abre el camino al desarrollo de sistemas digitales específicos. Los conceptos básicos del funcionamiento de las computadoras son conocimientos necesarios para aquel que quiera trabajar en el diseño de sistemas electrónicos, en la programación de los mismos o en el desarrollo de aplicaciones específicas que requieran cierto grado de optimización.

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Estructuras algorítmicas

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En todo algoritmo aparecerán las siguientes partes:

  1. Encabezamiento: sirve para identificar dónde empieza la descripción de nuestro algoritmo y para darle un nombre.
  2. Definición de constantes: después del encabezamiento definiremos las constantes que utilizaremos en nuestro algoritmo. En caso de no utilizar constantes no aparecerán.
  3. Definición de tipos: definiremos los tipos de nuestras variables.
  4. Declaración de variables: diremos qué variables utilizaremos en nuestro algoritmo.
  5. Cuerpo del algoritmo: acciones que realizará.
  6. Final del algoritmo: nos sirve para tener en claro donde acaba el algoritmo.

La palabra clave algoritmo se pondrá siempre al principio de un algoritmo; y junto con el nombre del algoritmo conforma el encabezamiento. La palabra clave falgoritmo se pone una vez ya hemos descrito todas las acciones de nuestro algoritmo.

Las constantes siempre tienen que aparecer en medio de las palabras claves const y fconst. De forma que siempre que veamos estas palabras sabremos que todo lo que se encuentra en medio son definiciones de constantes.

Lo mismo sucede con las definiciones de tipos y las palabras clave tipo y ftipo; así como las declaraciones de variables y las palabras clave var y fvar.

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¿Qué significa especificar?

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El primer paso en la construcción de algoritmos consiste en saber claramente qué es lo que queremos resolver, es decir, cuál es el problema que tenemos que solucionar.

Especificar: consiste en dar la información necesaria y suficiente para definir el problema que hay que resolver de la manera más clara, concisa y no ambigua posible.

Por lo tanto:

  • la especificación nos dice cuál es el problema que tenemos que resolver.
  • el algoritmo nos dice cómo resolvemos el problema.

En la especificación haremos una descripción de:

  • el estado inicial en que se encuentra el entorno y del cual partiremos (pre-condición).
  • el estado final del entorno al que debemos llegar para resolver el problema (post-condición).

Siguiendo el ejemplo de la lavadora, podríamos tener la siguiente pre-condición:

{Pre: la ropa está dentro de la lavadora y la lavadora está conectada al suministro de luz y de agua. Además el cajón destinado al jabón, está lleno de jabón}

Y podríamos tener una post-condición así:

{Post: la ropa que estaba dentro de la lavadora, continúa adentro, pero ahora está limpia}

Elementos de la especificación:

  1. declaración de variables.
  2. pre-condición
  3. nombre del algoritmo
  4. post-condición

Ejemplo de especificación:

Queremos especificar un algoritmo que intercambie los valores de dos variables. Nuestro entorno, por lo tanto, está construido por dos variables. La especificación resulta así:

x, y : entero

{Pre: x = X e y = Y} *

intercambiar

{Post: x = Y e y = X}

*En la especificación utilizamos la X y la Y mayúscula para designar el valor de las variables: x ,y debido a que el valor de las variables puede cambiar cuando se ejecuta el algoritmo. Por convención, siempre utilizaremos como nombre del valor inicial de una variable el nombre de la misma variable en mayúscula.

La especificación es un paso previo y necesario para diseñar algoritmos. La especificación también nos puede servir para recordar claramente qué hace nuestro algoritmo sin la necesidad de leer todo el código. Además de la especificación es recomendable añadir comentarios dentro del algoritmo. Los comentarios y la pre y post-condición se ponen entre llaves. Los comentarios aunque no formen parte del algoritmo propiamente dicho son importantes para hacer más comprensibles los algoritmos.

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Algoritmos y cambios de estado

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El objetivo del algoritmo es resolver un problema. La forma como un algoritmo resuelve un problema forma parte del algoritmo mismo. La resolución del problema se consigue actuando sobre el entorno donde está inmerso el algoritmo.

Por ejemplo, una lavadora dispone de un método para lavar la ropa. Por tanto, podemos decir que las lavadoras disponen de un algoritmo para lavar la ropa.

¿Cuál es el entorno sobre el que actúa la lavadora? De una manera simplificada, podemos decir que es la ropa que se encuentra dentro del tambor de la lavadora.

¿Cómo actúa?

Si le pedimos a la lavadora que lave la ropa, la lavadora seguirá el siguiente proceso:

  • utilizar agua y jabón del cajón.
  • calentar el agua a 40 grados.
  • dar vueltas durante 20 minutos. Es decir, lavar.
  • expulsar el agua.
  • incorporar más agua.
  • dar vueltas durante 10 minutos.
  • …
  • dar vueltas durante 10 minutos (aclarado).
  • expulsar el agua.
  • centrifugar

Inicialmente la ropa está sucia y después de que la lavadora aplique el algoritmo de lavar, la ropa está limpia. Es decir, se ha generado un cambio de estado en el entorno sobre el que actúa la lavadora. 

Estado inicial: ropa sucia y estado final: ropa limpia. Por tanto, hemos solucionado el problema: lavar la ropa. La lavadora, para lavar ropa, ejecuta un conjunto de acciones. Cada una de las acciones modifica el estado anterior. Es decir, entre el estado inicial y el estado final pueden darse muchos estados intermedios. 

Las acciones que ejecuta la lavadora genera cambios de estado en el entorno; cambios que nos acercarán hacia el estado final deseado. 

Por lo tanto, el entorno de un algoritmo es el conjunto de objetos que intervienen en éste. Por otro lado, los únicos objetos que la ejecución de un algoritmo podrá modificar son las variables. Así pues, un proceso -la ejecución de un algoritmo- sólo se puede modificar el entorno cambiando el valor de las variables que contiene. 

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Expresiones: semántica y sintaxis

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Cuando escribimos algoritmos, operamos entre los diferentes objetos que hayamos declarado por nuestro entorno de trabajo para obtener valores concretos.

Una expresión es cualquier combinación de operadores y operandos:

  • Un operando puede ser una variable, una constante o una expresión.
  • Los operadores pueden ser unarios o binarios. Un operador unario es aquel que sólo opera con un único operando. Es, por ejemplo, el caso de la negación lógica y el signo menos aplicado a un número. Un operador binario es aquel que opera con dos operandos, por ejemplo, la suma o la resta.

La definición anterior de expresión no es suficiente. Para que una expresión nos sea útil, es necesario que ésta siga unas reglas sintácticas y que se respete el significado de los símbolos utilizados. En otras palabras, hace falta que una expresión sea correcta en sintaxis y semántica.

Sintaxis

Una expresión correcta y, por tanto, evaluable debe seguir las siguientes normas de combinación:

  • Un valor es una expresión.
  • Una variable es una expresión.
  • Una constante es una expresión.
  • Si E es una expresión, (E) también lo es.
  • Si E es una expresión y · es un operador unario, · E también lo es.
  • Si E1 y E2 son expresiones y · es un operador binario, E1 · E2 también lo es.
  • Si E1, E2 , …, En son expresiones y f es una función, f(E1, E2 , …, En) también lo es. Las expresiones se escriben linealizadas, es decir, de izquierda a derecha y de arriba abajo.

Semántica

Aunque una expresión tenga una sintaxis correcta, ésta puede carecer de sentido, ya que hay que respetar la tipificación de variables, constantes, operadores y funciones.

Por ejemplo, si encontramos un operador suma aplicado a variables boolea-nas, la expresión puede ser correcta sintácticamente, pero será incorrecta semánticamente, ya que la suma no está definida para los booleanos.

Otro ejemplo es 4.0 + 7, la cual no es correcta semánticamente porque mezcla dos tipos de datos diferentes. Notad que la última expresión puede tener sentido fuera del contexto algorítmico, pero no lo tiene dentro de la algorítmica.

Evaluación

La evaluación de una expresión se hace de izquierda a derecha comenzando por las funciones y los elementos comprendidos entre los paréntesis internos. Dentro de los paréntesis se evaluarán primero las operaciones prioritarias y después, las de menos prioridad.

Una constante se evaluará según el valor descrito en su definición, así como según el valor que guarda en el momento en que se evalúa.

Las prioridades de los operadores son:

  • −(cambio de signo), no
  • ∗, /, div, mod
  • 3. +, − (resta)
  • 4. =,≠,<,≤,>,≥
  • y
  • o

En igualdad de prioridades, se evalúa de izquierda a derecha.

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Declaración de objetos

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Antes de que un algoritmo utilice un objeto, es preciso que éste se haya declarado previamente.

  • Si el objeto es constaste, se debe declarar dentro de un apartado acotado por las palabras clave const … fconst.
  • Si el objeto es variable, se declarará dentro de un apartado acotado por las palabras var… fvar.

En el caso de un objeto constante, tenemos que escribir su nombre, su tipo y el valor constante:

En el caso de un objeto variable, la declaración toma la forma:

En el caso de variables del mismo tipo, se pueden declarar de la siguiente forma:

Existen una serie de palabras que delimitan las partes del algoritmo. Estas palabras se denominan palabras clave, y nos ayudan a identificar fácilmente a qué se corresponde cada elemento. Estas palabras claves son exclusivas del lenguaje algorítmico, por lo tanto, no las podemos usar como nombre de los objetos (constantes o variables). Por ejemplo, no podemos usar var como nombre de constante o variable.

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Objetos elementales del lenguaje algorítmico

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Al diseñar un algoritmo trataremos con datos; necesitaremos, por lo tanto, referenciar estos datos y explicar qué comportamientos esperamos que hagan. Para conseguir este objetivo, es importante conocer el concepto de objeto, que será el soporte para mantener los datos que trate un algoritmo.

Un objeto tiene tres atributos:

  • Nombre o identificador
  • Tipo
  • Valor
  1. El nombre nos permite identificar unívocamente el objeto.
  2. El tipo indica el conjunto de valores que puede tener y qué operaciones se pueden aplicar sobre el objeto
  3. El valor de un objeto no tiene que ser necesariamente un número. El valor de un objeto será un elemento del conjunto al que pertenece y que viene indicado por su tipo correspondiente.

Por lo tanto, un objeto podrá ser:

  • Constante: su valor no es modificable.
  • Variable: su valor se puede modificar.

Los tipo elementales (2) pueden ser cuatro:

  • Booleano
  • Carácter
  • Entero
  • Real
  1. Boleano: es uno de los tipo más utilizados, su origen se encuentra en el álgebra de Boole. Sus dos valores sirven para indicar certeza o falsedad de un estado concreto del entorno. Por lo tanto, sólo tiene dos valores posibles: cierto y falso.
  2. Carácter: el tipo más elemental para que un algoritmo pueda gestionar información simbólica es el tipo carácter. Por ejemplo, ‘e’ es el valor de carácter correspondiente a la letra «e».
  3. Entero: en programación tenemos que distinguir los números enteros de los reales. Así, el 4 es un entero, -10 es otro entero.
  4. Real: desde un punto de vista informático, los enteros no tienen nada que ver con los reales. La sintaxis de reales se diferencia de la de los enteros por la presencia del punto».» para denotar la coma decimal. Si vemos escrito 5, sabemos que corresponde al entero 5, si vemos escrito 5.0 sabemos que corresponde al real 5.

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Algoritmo: conceptos y definiciones

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Un algoritmo se define como una descripción no ambigua y precisa de las acciones que hay que realizar para resolver un problema bien definido en un tiempo finito. Un algoritmo es un conjunto ordenado y finito de operaciones que permite hallar la solución de un problema.

Para comprender el concepto de algoritmo, es preciso definir los conceptos de entorno, acción, proceso y procesador.

  • Entorno: es el conjunto de objetos necesarios para llevar a cabo una tarea determinada. El estado del entorno es un momento determinado en la descripción del estado de los objetos del entorno en aquel momento concreto. Un algoritmo actúa de manera que hace cambiar progresivamente el estado de su entorno.
  • Acción: es un suceso finito en el tiempo y que tiene un efecto definido y previsto. Una acción puede actuar sobre un entorno y lo puede modificar, es decir, se parte de un estado inicial y se llega a un estado final diferente.
  • Proceso: es la ejecución de una o varias acciones. El algoritmo expresa unas pautas que hay que seguir para llevar a cabo una tarea concreta. El encargado de llevar a cabo el proceso es el procesador.
  • Procesador: es una entidad capaz de comprender y ejecutar eficazmente un algoritmo. El destinatario del algoritmo es el procesador.

La computadora procesará nuestros algoritmos, pero para hacerlo es necesario que entienda nuestras lenguaje algorítmico. Es preciso, por lo tanto, transcribir nuestros algoritmos a un lenguaje de programación, es decir, a un lenguaje capaz de ser comprendido por la computadora. Así pues, un programa es sólo la codificación de un algoritmo en un lenguaje que la computadora entienda.

Lo realmente importante es, entonces, llegar a saber diseñar un algoritmo que resuelva un problema determinado. El hecho de codificarlo para obtener un programa consiste simplemente es realizar una traducción.