ordenador -ra

Que ordena.

Dispositivo capaz de resolver problemas ao facer operacións aritméticas e lóxicas cos datos de entrada e producir datos de saída. Modernamente, os ordenadores son dixitais, cuxos sinais de voltaxe e de corrente representan sinais físicos, se ben no pasado, os ordenadores electrónicos analóxicos tiveron certa importancia en simulación. O proceso de dixitalización consiste en converter os sinais e os datos á súa representación numérica no sistema binario.
Os precursores
O primeiro ordenador dixital electrónico, terminado en 1939, foi deseñado polos enxeñeiros estadounidenses J. Atanasoff e C. Barry na University of Iowa. O seu prototipo pesaba 300 kg, tiña 300 tubos electrónicos e empregaba o sistema binario de numeración. Entre 1943 e 1946, os estadounidenses J. Mauchly e J. Eckert baseáronse nas ideas de Atanasoff e deseñaron o ENIAC, o primeiro programador de uso xeral, para o cálculo de traxectorias balísticas, que pesaba 30 toneladas, consumía 140 kW, ocupaba 150 m 2 e tiña 19.000 tubos electrónicos. Era un ordenador programable de uso xeral aínda que a programación se fixera con cables externos e 3.000 interruptores manuais. Estos primeiros ordenadores baseáronse nas ideas de precursores como o matemático inglés C. Babbage, que en 1823 deseñara a “máquina analítica” (analytical engine), un ordenador mecánico que nunca foi terminado, e que podería ser capaz de facer operacións aritméticas sobre datos contidos en cartóns perforados. Outro precursor foi o tamén matemático inglés G. Boole, inventor da álxebra booleana, que definiu as regras tanto da lóxica proposicional como da lóxica dos circuítos dixitais que empregan os ordenadores. No s XX destacan os traballos do húngaro J. von Neumann, o inglés A. Turing e o estadounidense C. Shannon, o fundador da teoría da información. O deseño dos primeiros ordenadores non sería posible sen outros desenvolvementos tecnolóxicos como o tubo electrónico, as resistencias, os condensadores e bobinas electrónicas e os cartóns perforados de H. Hollerith.
O transistor
A década de 1950 caracterizouse pola aparición dos ordenadores comerciais. Estes modelos, baseados nas ideas de J. von Neumann e A. Turing, empregaban transistores e memorias magnéticas. Os primeiros transistores foron deseñados en 1947 polos físicos estadounidenses W. Shockley, W. Brattain e J. Bardeen polo que recibiron o Premio Nobel de Física (1956), considerado por moitos como un dos descubrimentos máis importantes do s XX, que inaugurou a era dos semicondutores e impulsou a fabricación dos modernos ordenadores. O transistor pode empregarse como amplificador de sinal ou de potencia na electrónica analóxica, e nos circuítos dixitais dos ordenadores como conmutador para construír circuítos lóxicos de dous estados, “0” e “1”. O transistor básico pode ser de xermanio ou de silicio, e está composto de tres áreas: o emisor, a base e o colector. As áreas “tipo n” teñen un exceso de electróns e as áreas “tipo p” unha carencia de electróns. Unha pequena voltaxe na unión do emisor/base crea unha corrente que é capaz de controlar a tensión que existe entre o emisor e o colector e unha voltaxe cero ou negativa na unión do emisor/base corta practicamente a súa corrente emisor/base e tamén a corrente do emisor ao colector. De aí que se poida dicir que a corrente por base pode conmutar a corrente do emisor ao colector. Os transistores que se empregan en lóxica dixital, como é o caso dos ordenadores, o que fan é cambiar dun estado a outro. Un transistor pódese comparar cun interruptor eléctrico manual, xa que basicamente corta ou permite o paso da corrente de electróns que representan os sinais dixitais. Os circuítos integrados modernos conteñen millóns de transistores, que son a base dos dispositivos electrónicos, poden facer 2 billóns de conmutacións por segundo, polo que serían necesarios 100.000 transistores, un por riba doutro, para chegar ao espesor dunha folla de papel. As voltaxes que se empregan en electrónica son moi baixas e a corrente que manexan os semicondutores é moi pequena e polo tanto a enerxía conmutada entre estados é tamén moi pequena. A información básica dun ordenador dixital é o bit, que pode representar dous estados, aberto ou pechado, se falamos de corrente, ou alto ou baixo, en caso da voltaxe e nos dispositivos ópticos representa a presenza ou ausencia de luz (fotóns). Estes dous estados represéntanse por “0” e “1”, o chamado sistema binario de numeración. Toda información que procesa un ordenador dixital ten que ser convertida a unha serie de bits e para dixitalizar un carácter empréganse normalmente 8 bits, un octeto, que describe o tamaño das memorias. Os transistores normalmente arránxanse en octetos na memoria central. Tamén é necesario empregar varios bits para representar números, píxels (ou puntos dunha imaxe) ou elementos de son. Cando se fala do tamaño destes rexistros, fálase de palabra e o seu número de bits é un dos indicadores da potencia de proceso dun ordenador, ao igual que a velocidade do reloxo e que o tamaño da memoria central. Moitos ordenadores modernos teñen 32 ou 64 bits, se ben os microordenadores integrados en equipos poden ter menos (4, 8 ou 16).
O modelo de J. von Neumann
Von Neumann introduciu o concepto do programa almacenado en que un programa é unha secuencia de instrucións en linguaxe máquina (conxunto básico de comandos que a unidade de control do ordenador pode executar). O modelo de von Neumann divide o ordenador en catro unidades: a memoria central, a unidade de control, a unidade aritmética e lóxica e os dispositivos de entrada e saída. A memoria central, cuxos parámetros máis importantes son a capacidade (que se mide en octetos) e o tempo de acceso, serve para almacenar o programa e os datos que este usa. A unidade de control interpreta as instrucións máquina despois de lelas da memoria. A unidade aritmética e lóxica executa as instrucións. Os dispositivos de entrada obteñen os datos do exterior e convértenos nun formato dixital se é necesario. Os dispositivos de saída entregan os datos procesados ao exterior e fan a conversión contraria. As instrucións en linguaxe máquina están codificadas en palabras, que á súa vez están formadas por un número determinado de bits. Fálase de ordenadores de 4, 8, 16, 32 ou 64 bits de palabra cando cada instrución está codificada empregando ese número de bits. As instrucións máquina representan operacións moi básicas, como por exemplo:
Sumar dous datos


FORMULA


Dato 1 0011 0101 1001 0111
Dato 2 0100 0110 0001 0000
——————————————————
Resultado0111 1011 1010 0111
Supoñendo que os datos están nas direccións de memoria 100 e 101, o programa ensamblador dun ordenador hipotético para facer esta suma sería:
LDA100; Carga o acumulador co dato na dirección de memoria 100
ADD101; Súmalle o dato da dirección de memoria 101
STA102; Leva o resultado á dirección de memoria 102
Operación de negación lóxica:
Dato 0100 1100 0110 1111
Resultado 1011 0011 1001 0000

Os primeiros ordenadores comerciais
A segunda xeración de ordenadores dixitais da década de 1960 comezou a utilizar transistores discretos. Estas máquinas necesitaban moito persoal para a súa explotación e salas limpas con aire acondicionado. Traballaban en batch, almacenábanse en fitas ou tambores magnéticos e desde alí pasaban á memoria central cando o traballo previo terminaba. As memorias centrais estaban feitas de ferrita e os programas e os datos introducíanse en cartóns perforados escritos en linguaxe FORTRAN ou COBOL. Na década de 1960 xorden os circuítos integrados con centos e miles de transistores e estendeuse o uso de discos removibles, terminais de CRT (tubos de raios catódicos) e os módems para comunicacións. Os sistemas operativos sofisticáronse coa aparición do multiproceso, os sistemas de tempo real e o teleproceso. En 1964 apareceu o sistema 360 de IBM, familia de ordenadores comerciais que tivo moito éxito na mediana e grande empresa e nas administracións, co que IBM chegou a controlar o 70% do sector dos ordenadores comerciais.
Superordenadores, miniordenadores e microordenadores
Nesta época apareceron os superordenadores para aplicacións científicas de cálculos intensivos, que traballaban en coma flotante con circuítos electrónicos que facían os cálculos directamente en números reais. Os superordenadores empregaban tecnoloxías máis rápidas de semicondutores, como a ECL (Emitter Couple Logic) e tamén podían executar máis dunha instrución máquina en paralelo. Na década de 1970 creáronse os miniordenadores, cunha arquitectura máis simple ca a dos grandes ordenadores e, moito máis baratos, que tiveron moito éxito no ensino e en aplicacións de control e supervisión de equipos industriais, como en robótica, comunicacións e control. Conxuntamente cos ordenadores comerciais, os miniordenadores puxeron de moda o uso de lonxitudes de palabra con múltiplos de 8, e apareceron ordenadores baratos de 8 bits de palabra, de 16 e 32. A codificación da información estandarizouse durante estes anos e o uso do código ASCII fíxose universal. Nesta época tamén apareceron os microordenadores, cuxa novidade estaba en conter nun chip (circuíto integrado) todos os compoñentes dun ordenador. A compañía Intel desenvolveu o primeiro microprocesador, o Intel 4004, deseñado para unha calculadora que tiña 4 bits de palabra e 2003 transistores nunha área de 3 x 4 mm. Os microordenadores empregáronse para substituír a electrónica por cable no control e supervisión de equipos, o que deu lugar ao nacemento de compañías de fabricación de ordenadores persoais, sobre todo desde a aparición do Intel 8080, o primeiro microprocesador de 8 bits. Nesta época apareceron numerosas compañías deste tipo, das que moitas desapareceron rapidamente, a excepción da Apple Computer Company, creada en 1976, que aínda existe. As aplicacións baseadas en microordenadores tamén progresaron rapidamente, sobre todo as follas electrónicas, os procesadores de texto e as bases de datos. En 1981 apareceu o ordenador persoal que revolucionou o mercado. Coñecido como o IBM PC (Personal Computer), baseábase no microprocesador Intel 8088 e tiña 16 bits de palabra, un reloxo de 4,77 Mhz, ata 64 quilo-octetos de memoria, un disquete de 160 quilo-octetos e un sistema operativo MS-DOS, dunha empresa chamada Microsoft. Ao principio do s XXI, as vendas de ordenadores persoais no mundo chegan aos 150 millóns cada ano e os máis potentes teñen reloxos da orde dos Ghz, 64 bits de palabra e máis de 1 Giga-octeto de memoria central. O segundo tipo de ordenadores máis importantes son os servidores, onde residen os datos das organizacións, incluíndo a información distribuída por Internet. As supercomputadoras construídas con miles de microprocesadores que traballan en paralelo seguen sendo as ferramentas fundamentais en campos específicos como a seguridade, a predición do tempo ou a exploración de xacementos petrolíferos. Os ordenadores máis usados, invisibles para o usuario, son os microordenadores integrados en todo tipo de equipos, como electrodomésticos, equipos de control, comunicacións e automóbiles.
O software
O software é a parte modificable ou branda dun ordenador, é dicir, os programas. O francés J. Jacquard foi o primeiro en empregar un programa para o control dun equipo mecánico para o que usou cartóns perforados que contiñan o programa dos movementos dun tear deseñado por el mesmo. Foron G. Boole e C. Shannon os que estableceron as ideas básicas para a programación dos ordenadores. ENIAC foi o primeiro ordenador programable que se utilizou para resolver problemas, aínda que a programación neste caso implicou cambios nas conexións dos cables externos e da posición de miles de interruptores manuais. A tecnoloxía mellorou notablemente cando os equipos permitiron almacenar os programas en unidades periféricas, como as cintas de papel e as memorias magnéticas. Estes programas estaban escritos directamente en linguaxe máquina, cunha fileira de ceros e uns. A primeira linguaxe de programación foi a linguaxe “ensamblador”, que aceptaba programas escritos nunha linguaxe simbólica determinada polo hardware do ordenador. A primeira linguaxe de alto nivel foi a FORTRAN (Formula Translation) creada por IBM en 1952. Un programa, chamado compilador, orixinaba o programa en linguaxe máquina a partir do escrito en FORTRAN, o que permitiu que un mesmo programa escrito en FORTRAN se puidese executar, despois de compilado, en calquera ordenador. Este avance representou a creación dun mercado de aplicacións de software independente do hardware. A linguaxe FORTRAN estaba dirixida a solucionar problemas de tipo científico, onde predominaba a complexidade dos cálculos. Anos despois apareceron outros códigos dirixidos a resolver diferentes problemas como a LISP (1957), enfocada ao campo da intelixencia artificial, a ALGOL (Algorithmic Language) que naceu en 1958, que polo seu elegante deseño influíu notablemente nas linguaxes da seguinte xeración e introduciu a recursión, é dicir, a posibilidade de incluír a execución dunha subrutina (un conxunto de instrucións) dentro de si mesma, e a definición formal (matemática) das linguaxes. Derivada da ALGOL foi a ALGOL 68 e a linguaxe PASCAL, creada polo suízo M. Wirth. A linguaxe de maior importancia comercial foi a COBOL (Common Business Oriented Language), que apareceu en 1958 da man do Departamento de Defensa de EE UU , dirixida aos problemas típicos do mundo dos negocios, e que tiña a gran vantaxe de posuír un poderoso soporte de arquivos e grandes facilidades para integrar os datos dos mesmos nos programas. A linguaxe C, creada por D. Ritcher na década de 1970, tivo moita importancia por ser a orixe do sistema operativo Unix, que permitía un fácil acceso aos rexistros do hardware, o que o facía ideal para escribir o software do sistema e que se empregaba en campos como as telecomunicacións e a robótica. En canto ás interfaces gráficas para os usuarios, os primeiros modelos xorden na década de 1960. A complexidade destes programas levou ao desenvolvemento das linguaxes orientadas aos obxectos. A primeira linguaxe destas características foi a SIMULA, creada polos noruegueses Ole-Johan Dahl e K. Nygaard en 1960 e en 1980 naceu a linguaxe C++, da man de B. Stroustrup, que se baseou integramente na linguaxe C e que é moi usado en problemas de gran complexidade, conxuntamente con ferramentas de axuda ao deseño como as CASE ou as OOD (Object-Oriented Design). As linguaxes orientadas aos obxectos trataron de aproximarse ao problema físico, creando obxectos programáticos cunha correspondencia en obxectos físicos. Moi usados en interfaces gráficas de usuario e simulación de fenómenos físicos, crearon novos e poderosos conceptos, dos que destacan os de abstracción, herdanza, encapsulación e polimorfismo. En canto á linguaxe Java, está baseada en obxectos, como a C++, se ben ten a vantaxe de ser independente da máquina en que se executa. Isto conségueo executando os programas escritos nunha máquina virtual en lugar de executalos directamente no ordenador concreto, como os programas compilados. Esta característica fai de Java a linguaxe de Internet, xa que os programas poden enviarse a través da rede e executarse sen ter en conta o sistema operativo. Os programas de navegación en Internet (browsers) permiten baixar e executar programas en Java.
Sistemas operativos
Conxunto de programas e datos do sistema que controlan as operacións do ordenador cuxas funcións básicas son: o acendido do ordenador, incluíndo o hardware, os datos do sistema e a comprobación de que o hardware e os periféricos operan correctamente; o control dos periféricos e o soporte das funcións de entrada e saída solicitadas polos programas, incluída a xestión dos arquivos; a xestión e a execución das diferentes tarefas; a interacción co usuario, normalmente empregando unha interface gráfica; o control continuado do sistema, o que inclúe a xestión da memoria, dos usuarios e dos erros durante unha operación normal, e a xestión da comunicación entre tarefas, tanto locais como remotas. Os modernos sistemas operativos son multitarefa, co que se poden executar varios programas independentes simultaneamente. A función de xestión de tarefas do sistema operativo executa os programas activos de xeito que por un curto espazo de tempo (da orde dos milisegundos) cada programa ten o control do ordenador e o resultado é semellante a executar un único programa. Un sistema operativo é multiusuario cando permite a máis dunha persoa controlar os seus arquivos e executar os seus programas con independencia dos demais. Os usuarios poden estar conectados localmente, cunha terminal CRT, ou remotamente, con medios de telecomunicacións. Unix e Linux (unha variedade de Unix) son dous exemplos de sistemas operativos multiusuario e multitarefa. Un exemplo de sistema operativo multitarefa e monousuario é o sistema operativo Windows 98, en que un usuario pode executar varias tarefas. Un sistema operativo soporta multiproceso se se pode executar en máis dun procesador á vez, o que permite que os programas se executen máis rápido, xa que dous programas ou partes do mesmo programa poden, teoricamente, ser executados en paralelo. Unix, Linux e Windows poden funcionar en ordenadores con máis dun procesador. Unha función moi importante no caso dos sistemas operativos é a interface gráfica do usuario, que emprega habitualmente unha pantalla gráfica, o teclado e un rato. O sistema operativo Linux posúe máis dunha interface deste tipo, baseada en X-Windows. Igual que as redes locais e moitas outras tecnoloxías relacionadas cos ordenadores, as interfaces gráficas naceron no centro PARC da compañía Xerox. Os sistemas operativos máis usados son sen dúbida os que se dedican aos sistemas de control e tempo real, que teñen requirimentos estritos no tempo de resposta aos equipos que controlan e que se empregan en robótica, telecomunicacións, equipos de control e supervisión, automóbiles e electrodomésticos.
Redes de telecomunicacións e Internet
A aparición das redes de telecomunicacións e de Internet abriu o campo a novas posibilidades no mundo da computación. A utilización de redes locais permite a varios ordenadores utilizar a mesma impresora, intercambiar datos ou compartir arquivos e influír no xeito en que se deseñaban as aplicacións. Así, moitas aplicacións modernas que xestionan datos que comparten con varios usuarios deséñanse en modo cliente-servidor, concepto que apareceu na década de 1980 en conexión co de redes de área local. O servidor é o compoñente de aplicación que xestiona os datos e as conexións dos clientes e execútase normalmente en ordenadores potentes con soporte de bases de datos, protexidos contra roubos e outros problemas. Con frecuencia os servidores están duplicados por seguridade, xa que neles residen os datos da empresa ou da organización. O compoñente da aplicación que representa ao cliente execútase normalmente en ordenadores distintos e menos potentes e as conexións co servidor poden ser a través de redes locais ou por conexións remotas, utilizando Internet. Por este método, varios clientes poden ter acceso á mesma base de datos sen interferencia mutua, xa que o servidor resolve os problemas de acceso e sincronización das operacións. As redes de telecomunicacións permiten tamén unha colaboración entre aplicacións que se coñecen como aplicacións distribuídas. Neste caso, dous programas en ordenadores distintos colaboran formando unha única aplicación. As aplicacións colaboradoras coñécense co nome de compoñentes, e entre elas intercambian datos e sincronizan as súas actividades. O software que facilita o traballo de escribir aplicacións distribuídas coñécese como middleware (software intermediario). Os produtos de software intermediario máis usados no dominio público son CORBA, COM/DCOM, JavaBeans e Web Services. Estas ferramentas son independentes da plataforma, e proporcionan ao programador as seguintes vantaxes: localizan na rede outras aplicacións e servizos doutros programas colaboradores e o programador non ten que saber con antelación en que ordenador se executan as aplicacións, transportan de modo fiable as mensaxes entre aplicacións, converten os formatos dos datos dun ordenador a outro de modo transparente, e o programador pode concentrarse estritamente na solución dun problema concreto. CORBA, controlado pola organización pública OMG (Object Management Group), está presente nun gran número de empresas de software, e é o máis empregado no campo do control en tempo real e das telecomunicacións. JavaBeans é a tecnoloxía de compoñentes no entorno Java, software intermediario independente da plataforma. Web Services é o nome con que se coñece unha serie de especificacións e protocolos para o desenvolvemento de aplicacións distribuídas en Internet. Esta tecnoloxía está controlada por W3C (World Wide Web Consortium), unha organización aberta e a máis prometedora no mundo do software.
O futuro das computadoras
Os ordenadores do s XXI baséanse en semicondutores, unha tecnoloxía que naceu co transistor en 1947. Despois de máis de 50 anos aínda non están claras as limitacións desta tecnoloxía, aínda que existen problemas de computación en materias que poden empregar tecnoloxía cada vez máis potente, como o campo da criptografía ou a previsión do tempo. Os laboratorios traballan en varias direccións de investigación, e buscan tecnoloxías máis rápidas e compactas ou con capacidade de computación en paralelo. Existen prototipos de ordenadores cuánticos, baseados no spin do núcleo do átomo, portas lóxicas baseadas en nanotubos de carbón e transistores extremadamente pequenos de materiais non semicondutores. Outros experimentos mostran posibilidades de computación paralela orixinada no DNA para certos tipos de problemas. É máis que probable que os ordenadores do futuro fagan os cálculos con fotóns do mesmo xeito que os de hoxe se fan con electróns, como demostra a existencia de prototipos de ordenadores ópticos ou fotónicos. Tamén existe o equivalente óptico do transistor, e hai unha ampla experiencia na miniaturización de compoñentes ópticos como o LED ou o láser. Ademais, os ordenadores fotónicos integraríanse perfectamente cos sistemas de comunicacións baseados en fibra óptica. Un paso intermedio cara aos ordenadores fotónicos son os ordenadores híbridos con partes electrónicas e ópticas, en que a electrónica fai as computacións e a óptica a transmisión dos datos dentro dos chips. Esta solución parece inevitable a curto prazo polas limitacións da transmisión eléctrica en altas frecuencias. En canto aos dispositivos PLD (Programmable Logic Devices) e FPGAS (Field Programmable Gate Arrays), hai que destacar que neste tipo de elementos o hardware é modificable, o que non é posible nos microprocesadores. Utilizados en electrónica de control, teñen a potencialidade de unificar o hardware e o software. A capacidade destes dispositivos de facer miles de operacións en paralelo e de modificar o hardware foi básica para idear un tipo de ordenadores que adaptan o hardware ao software, xusto ao revés dos ordenadores tradicionais.