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fundamentos de los computadores, programación

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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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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Programación en Arduino

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Arduino es una plataforma electrónica de código abierto basada en hardware y software de fácil aprendizaje y utilización.

Las placas Arduino pueden leer entradas (por ejemplo: un dedo en un botón o un mensaje de Twitter) y convertirlo en salidas: activar un motor, encender un LED, etc.

Podemos, por lo tanto, decirle a nuestra placa qué hacer enviando un conjunto de instrucciones al micro-controlador. Para enviar estos mensajes se utiliza un lenguaje de programación y el software Arduino (IDE: Integrated Development Environment , es decir, Entorno de Desarrollo Integrado).

(Descargar IDE: https://www.arduino.cc/en/Main/Software)

Ejemplo: código para sensor y LED

Por lo tanto, al contrario de otras tecnologías como pueda ser un ratón o un teclado, Arduino no es un hardware que se conecte y listo. Requiere de un proceso de configuración y aprendizaje previo y una programación para el micro-controlador.

¿Qué es un IDE o entorno de desarrollo?

Existen muchos entornos de desarrollo para muchos lenguajes de programación. Son herramientas que nos permite programar  y de alguna manera son como procesador de textos. Para escribir un mensaje podemos trabajar con Word o con el Bloc de notas (que es más básico); la finalidad es la misma: escribir mensajes. El IDE de Arduino es algo parecido, la única diferencia es que tiene ciertas herramientas que nos permitirán cargar el programa al micro-controlador.

Con los años, Arduino ha sido el cerebro de miles de proyectos, desde objetos cotidianos hasta instrumentos científicos más complejos. Una comunidad mundial de creadores (estudiantes, aficionados, artistas, programadores y profesionales) se ha reunido en torno a esta plataforma de código abierto; sus contribuciones se han sumado a una increíble cantidad de conocimientos accesibles que puede ser de gran ayuda para principiantes y expertos.

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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.