1. Introducción a las Ciencias de Computadoras - PowerPoint PPT Presentation

1. Introducción a las Ciencias de Computadoras

Algoritmos y Desarrollo de Programas I

• Cuando finalice esta lección, el estudiante:
• Podrá definir lo que es Ciencias de Computadoras.
• Sabrá lo que es un algoritmo y cómo se relaciona con los programas de computadoras.
• Distinguirá los componentes de un sistema de computadoras: el hardware y el software.

• Cuando finalice esta lección, el estudiante:
• Identificará los dispositivos principales de hardware.
• Distinguirá los tipos principales de software
• Podrá indicar cómo se utiliza el sistema binario para representar números y caracteres en la memoria de la computadora

• Cuando finalice esta lección, el estudiante:
• Sabrá lo que es un lenguaje de programación.
• Sabrá lo que es el Ciclo de Vida del Desarrollo de un Programa y cuáles son sus etapas.
• Conocerá cuáles son las principales herramientas en el desarrollo de programas

• Ciencias de computadoras…
• No es usar programas
• …todo el mundo debería saber usar programas
• No es reparar computadoras
• …esto lo hace un Técnico en Electrónica
• No es diseñar computadoras
• …esto lo hace un Ingeniero de Computadoras

• Computer Science is no more about computers than Astronomy is about telescopes. ~ Edsger W. Dijkstra
• Esta cita la pronunció uno de los padres de las Ciencias de Computadoras.
• Si Ciencias de Computadoras no es el estudio de las computadoras, ¿qué es entonces?

• Las Ciencias de Computadoras es el estudio de los algoritmos.
• Un algoritmo es un procedimiento detallado para resolver un problema.
• Un programa es un algoritmo implementado con un lenguaje de programación.
• Por lo tanto, los científicos de computadoras somos solucionadores de problemas.

• Los científicos de computadoras:
• Analizan los requisitos de un problema.
• Diseñan el algoritmo más adecuado.
• Implementan el algoritmo escribiendo un programa.
• Ejecutan el programa en una computadora.

• Ciencias de computadoras…
• Utiliza las matemáticas y la lógica
• …para analizar la eficiencia de los algoritmos
• Utiliza el método científico y conceptos de ingeniería
• …para diseñar algoritmos y programas de forma organizada
• Utiliza destrezas de comunicación escrita y oral
• …para comunicarse con sus colegas y con el público
• Es interdisciplinaria
• …ya que uno tiene que aprender a resolver problemas de diversos tipos

• Es una parte importante de la Ciencia de Computadoras, ya que el fin primordial del diseño de un algoritmo es que éste pueda ser programado y ejecutado en una computadora.
• Los programadores crean los programas que hacen de la computadora una herramienta útil en todas las profesiones.

• Para programar hay que ser creativo.
• La programación es un arte porque cada pequeño detalle de un programa tiene que ser diseñado con mucho cuidado.
• Dos programas pueden implementar el mismo algoritmo y ser completamente diferentes gracias a la creatividad de su autor.

• La programación es una ciencia porque requiere análisis, experimentación y disciplina.
• Para programar hay que aprender lenguajes diferentes con reglas.
• Se usa la teoría matemática para determinar la eficiencia de un programa.

• Una computadora es una máquina que manipula datos de distintos tipos de acuerdo a un conjunto de instrucciones.
• Estos datos pueden ser:
• Números
• Símbolos
• Imágenes
• Sonidos
• etc.

• Una computadora puede …
• Obtener datos.
• Informar resultados.
• Llevar a cabo cómputos matemáticos y otros procesos.
• Almacenar y recuperar datos rápidamente.
• Repetir procesos un sinnúmero de veces sin cansarse ni equivocarse.

• Los sistemas de computadoras consisten de:
• Hardware – los componentes físicos de la máquina (monitor, teclado, etc.)
• Software – las instrucciones que se ejecutan, organizadas en programas

• El hardware consiste de los componentes físicos de la computadora, tales como el monitor, teclado, impresora, CPU, etc.
• La gran mayoría de las computadoras siguen el modelo de Von Neumann (1945).

• En el modelo de Von Neumann, las computadores se componen de:
• Dispositivos de entrada
• Dispositivos de salida
• Memoria o almacenamiento principal
• Memoria o almacenamiento secundario
• Unidad central de procesamiento (CPU)

Main Memory

CPU

Input Devices

Output Devices

Secondary Storage

Devices

• Los dispositivos de entrada (input devices) permiten que la computadora reciba datos del mundo exterior.
• Teclado
• Ratón
• Rastreador (scanner)
• Cámara digital
• Micrófono

• Los dispositivos de salida (output devices) permiten que la computadora comunique información al mundo exterior.
• Pantalla
• Impresora
• Bocinas

• La memoria principal (main memory) está conectada al CPU y almacena los datos e instrucciones entradas.
• Hay dos tipos de memoria principal:
• RAM (Random-Access Memory o memoria de acceso aleatorio)
• ROM (Read-Only Memory o memoria solamente para leer)

• RAM es un tipo de memoria rápida y barata en la cual se puede escribir y leer.
• RAM se divide en secciones del mismo tamaño que se pueden acceder en cualquier orden.
• El problema con RAM es que es volátil, o sea, se borra cuando la computadora se apaga.

• Cada sección de memoria posee una dirección y almacena un byte.
• Un byte es un grupo de 8 bits.
• Un bit es un dígito binario (0 ó 1).

• En un byte puede haber una porción de un dato o de una instrucción.
• No es raro que una computadora moderna tenga varios gigabytes (billones de bytes) de RAM.

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

Direcciones de memoria

Cada sección de memoria almacena un byte.

Un byte es un grupo de 8 bits.

10101010

A una sección de 2 bytes se le llama un word.

• ROM es también una memoria principal y es tan rápida como RAM pero es más cara y no se puede escribir en ella, sólo leer.
• Los datos e instrucciones en ROM son colocados por el manufacturero de la computadora.
• ROM no es volátil y su tamaño suele ser de solamente varios kilobytes (miles de bytes).

• ROM contiene los programas que le permiten a la computadora llevar a cabo el POST (Power-On Self-Test y cargar el sistema operativo).
• Algunos tipos de ROM pueden ser alterados pero el procedimiento es lento y no es frecuente.

• Cuando hablemos de memoria principal nos referiremos a RAM.
• Además de la memoria principal, las computadoras tienen dispositivos de memoria o almacenamiento secundario (secondary storage).

• Los dispositivos de almacenamiento secundario son mucho más lentos que RAM pero también mucho más baratos.
• Disco duro
• USB flash drives
• CD y DVD
• Estos dispositivos no son volátiles y se puede leer y escribir en ellos.
• Su capacidad se mide en megabytes (millones de bytes), gigabytes (billones de bytes) y terabytes (trillones de bytes).

• El componente más importante de una computadora es la unidad central de procesamiento.
• También se conoce como CPU (Central Processing Unit).
• Su trabajo es buscar las instrucciones y datos de la memoria principal, ejecutar las instrucciones y producir resultados que se devuelven a la memoria principal.

• El CPU consiste de tres componentes principales:
• Unidad de control – coordina todos los componentes de la computadora.
• Unidad de aritmética y lógica – ejecuta las instrucciones llevando a cabo cómputos matemáticos y comparaciones.
• Registros – almacenan momentáneamente los datos y la instrucción con la que está trabajando el CPU en un momento dado.

Processor

Control Unit

Arithmetic Logic Unit (ALU)

InstructionsDataInformation

InstructionsDataInformation

Control Unit

Arithmetic Logic Unit (ALU)

Memory

InputDevices

OutputDevices

Data

Information

StorageDevices

Memory

Processor

ALU

Control Unit

Step 1. FetchObtain program instruction or data item from memory

Step 2. DecodeTranslate instruction into commands

Step 4. StoreWrite result to memory

Step 3. ExecuteCarry out command

• El software consiste del conjunto de programas que una computadora ejecuta.
• Hay tres categorías generales de software:
• Sistema Operativo
• Programas de Aplicaciones
• Herramientas de Programación

• El sistema operativo es el conjunto de programas que administra los dispositivos de hardware y controla los procesos que se llevan a cabo en la computadora.
• Algunos ejemplos:
• Windows
• Mac OS X
• UNIX, Linux
• Android

• Las aplicaciones son los programas que hacen que la computadora sea útil para los usuarios.
• Algunos ejemplos:
• Procesadores de palabra (Word)
• Hojas de cálculo (Excel)
• Programas de presentaciones (PowerPoint)
• Manejadores de bases de datos (Access)

• Las herramientas de programación le permiten a las personas construir, ejecutar y evaluar programas de computadoras.
• Editores de texto – para escribir el programa
• Compiladores o interpretadores – para traducir el programa a lenguaje de máquina (binario)
• Depuradores – para evaluar y encontrar errores en el programa
• Es común que estas herramientas se combinen en un ambiente de desarrollo integrado (IDE).

• Los científicos de computadoras debemos estar familiarizados con los eventos más importantes en el desarrollo de éstas.
• A continuación se muestran algunos momentos importantes en el desarrollo de máquinas programables.

• En 1801 Joseph Jacquard inventó una máquina de tejer que creaba patrones dejándose llevar por instrucciones en una tarjeta perforada.

• En los 1830s Charles Babbage diseñó unas máquinas (difference and analytical engines) que podían realizar cálculos matemáticos rápidamente usando un sistema de tarjetas parecido al de Jacquard.
• Ada Lovelace diseñó programas para el analytical engine.

• En 1889 Herman Hollerith construyó una máquina que usaba tarjetas perforadas para tabular el censo de EE.UU. de 1890.

• A fines de los 1930s Howard Aiken construyó la Mark I que usaba transmisores eléctricos.
• La Universidad de Harvard la usaba para realizar cálculos complejos.

• La sucesora de la Mark I, la Mark II, es famosa por contener el primer bug (error) en un programa.
• Lo encontró un ayudante de la programadora Grace Hopper.

• En los 1940s John Mauchly y J. Presper Eckert desarrollaron la primera computadora digital electrónica llamada ENIAC.
• Usaba tubos al vacío.

• La Mark I y la ENIAC se programaban conectando físicamente cables eléctricos en un orden determinado anteriormente.

Programadoras de la ENIAC

• La Mark I y la ENIAC no seguían el modelo de Von Neumann.
• Además de describir los componentes de las computadoras, este modelo sugería que la memoria almacenara tanto los datos como las instrucciones (concepto del programa almacenado).

• A partir de los 1950s, las compañías de computadoras reemplazaron los tubos al vacío por los transistores que son mucho más confiables y eficientes.

• Los transistores han continuado achicándose y se agrupan en circuitos integrados.
• Los circuitos integrados se colocan en piezas pequeñas llamadas chips o microchips.

• A partir de los 1960s surgieron computadoras que permitían que muchas personas trabajaran a la vez usando terminales.
• A partir de los 1970s surgieron las primeras redes de computadoras de cobertura amplia (wide area networks) y conceptos tales como el Internet, el correo electrónico y la transferencia de archivos.

• A finales de los 1970s y especialmente durante los 1980s se empezaron a utilizar las computadoras personales y se desarrollaron las redes de cobertura local (local area networks).

• En los años 1990s se popularizaron enormemente las computadoras personales debido al desarrollo de sistemas operativos y aplicaciones que usaban interfaces gráficas.
• La creación del World Wide Web a principio de los 1990s y su comercialización fueron también momentos importantes.

• En la primera década de este siglo, hay varios desarrollos importantes tales como:
• Infraestructura de comunicaciones eficiente (DSL, cable, redes inalámbricas)
• Tecnología ubicua (presente en todas partes y en todo momento, tales como celulares, cámara digitales, iPod e imitadores, PDAs, etc.)

• Todos los datos e instrucciones se representan internamente en la memoria de la computadora usando números binarios.
• Las computadoras usan números binarios porque es más fácil crear dispositivos electrónicos de dos estados de voltaje (binarios) que de 10 estados (dispositivos decimales).

• Los humanos usamos el sistema decimal para representar los números.
• 147 = (1 × 102) + (4 × 101) + (7 × 100) = 100 + 40 + 7
• La computadora usa el sistema binario.
• 100100112 = (1 × 27) + (1 × 24) + (1 × 21) + (1 × 20) = 128 + 16 + 2 + 1 = 14710

• Para transformar de binario a decimal y viceversa conviene recordar que:
• 20 = 1 24 = 16
• 21 = 2 25 = 32
• 22 = 4 26 = 64
• 23 = 8 27 = 128

• Para determinar la representación binaria de un número entero en sistema decimal se puede crear una tabla de las potencias de 2 y determinar con cuál suma de potencias se obtiene el número deseado.
• Por ejemplo,
• 14710 = ?2

1 0 0 1 0 0 1 1

128 64 32 16 8 4 2 1

• Un algoritmo que podemos utilizar para determinar la representación binaria de un número entero en sistema decimal es dividir el número entre 2 y seguir dividiendo el cociente obtenido hasta que sea 0. Luego, se recogen los residuos en orden inverso.

• Por ejemplo, 14710 = ?2
• 147 / 2 = 73 R 1
• 73 / 2 = 36 R 1
• 36 / 2 = 18 R 0
• 18 / 2 = 9 R 0
• 9 / 2 = 4 R 1
• 4 / 2 = 2 R 0
• 2 / 2 = 1 R 0
• 1 / 2 = 0 R 1
• Por lo tanto, 14710 = 100100112

• Los números con los que hemos trabajados son enteros no negativos.
• Para representar números negativos y números con punto decimal se usan métodos que sólo almacenen bits en la memoria.
• Estos métodos se verán en otro curso.

• El número más grande que se puede representar en 1 byte es 255 (= 28 – 1).
• Para representar números mayores hacen falta usar varios bytes.
• Los científicos de computadoras utilizan el sistema hexadecimal para abreviar representaciones binarias.

• El sistema hexadecimal define 16 dígitos diferentes que van del 0 al 9 y de la A a la F.
• Para transformar un número binario a hexadecimal sólo es necesario:
• Agrupar los bits en porciones de 4 bits.
• Sustituir cada porción de 4 bits por su equivalente hexadecimal.

• La siguiente tabla compara los sistemas decimal, hexadecimal y binario:

• Por ejemplo:
• 100010112 = 8B16
• 110100112 = D316
• 010101112 = 5716
• En el último ejemplo es importante destacar que el 57 es un número hexadecimal que corresponde al 87 decimal.

• Además de números, la computadora almacena caracteres.
• Un caracter es una letra, símbolo o dígitos que no se usa en un cómputo matemático.
• A cada caracter se le asigna un número binario equivalente de acuerdo a un código.

• Los códigos más utilizados son:
• ASCII – cada caracter corresponde a un número binario de 8 bits.
• Unicode – cada caracter corresponde a un número binario de 16 bits.
• Muchos programas utilizan ASCII pero los programas hechos en lenguajes modernos, como Java, utilizan Unicode.

• En el código ASCII se utilizan los números de 0 a 255 para representar los caracteres.
• Por ejemplo, al caracter ‘A’ se le asigna el número 65, al caracter ‘B’ se le asigna el número 66 y así sucesivamente.
• Esto quiere decir que cuando se coloca el caracter ‘A’ en la memoria, lo que se almacena es la representación binaria del número 65.

• Es importante destacar que una letra puede tener varios caracteres asociados.
• A continuación se muestran varios caracteres con sus códigos ASCII:

A = 6510 a = 9710 á = 16010

B = 6610 b = 9810 é = 13010

C = 6710 c = 9910 í = 16110

• Para transformar una cadena de caracteres a binario hace falta una tabla de código ASCII (puede buscarla en Internet).
• Por ejemplo, la representación binaria de la cadena de caracteres “Auto” requiere 4 bytes y es la siguiente
• 01000001 01110101 01110100 01101111

• Las imágenes, el sonido y el vídeo también se representan usando números binarios pero los métodos se verán en otro curso.

• Como se indicó anteriormente, un programa es un algoritmo implementado usando un lenguaje de programación
• Los programas obtienen datos, los procesan siguiendo instrucciones precisas y producen información.

• El lenguaje nativo de la computadora se conoce como lenguaje de máquina.
• En este lenguaje, tanto los datos como las instrucciones se representan como números binarios.

• Programar en lenguaje de máquina es difícil ya que sólo se usan bits y cada tipo diferente de CPU tiene su propio lenguaje.
• En los años 1950s, se inventó el lenguaje de ensamblaje que sustituye las instrucciones en lenguaje de máquina por palabras y permite el uso de variables.

• El problema del lenguaje de ensamblaje es que, como el de máquina, depende del tipo de CPU.
• Hoy en día se programa usando lenguajes de alto nivel que no dependen del tipo de CPU y que son más fáciles de aprender.

• Algunos ejemplos de lenguajes de alto nivel son:
• FORTRAN – primer lenguaje de alto nivel. Fue diseñado para aplicaciones científicas y matemáticas.
• COBOL – lenguaje diseñado para aplicaciones comerciales.
• C y C++ - lenguajes diseñados para programar sistemas operativos.
• Java – lenguaje diseñado para programar aplicaciones que en una computadora o en páginas Web.
• Visual Basic – lenguaje diseñado para crear fácilmente aplicaciones de Windows.

• Para apreciar los distintos tipos de lenguajes, veamos un ejemplo.
• Suponga que en RAM hay dos números en las direcciones 120 y 121 y que se desea sumarlos y colocar el resultado en la dirección 122.
• En un lenguaje de alto nivel, como Java, se pueden usar variables para representar las direcciones de memoria y escribir la siguiente instrucción:
• c = a + b;

• En un lenguaje de ensamblaje, se usan instrucciones más primitivas que detallan el trabajo que realiza el CPU, por ejemplo:
• MOVE a, R1
• MOVE b, R2
• ADD R1, R2
• MOVE R2, c
• En este fragmento se mueven los datos de RAM a registros del CPU, se procesan y se mueve el resultado de un registro a RAM.

• En un lenguaje de máquina, los nombres de las instrucciones, de los registros y de las variables se sustituirían por códigos binarios.
• El programa del ejemplo se podría ver así:
• 00001000 01111000 00000001
• 00001000 01111001 00000010
• 00001001 00000001 00000010
• 00001000 00000010 01111010

• Basic
• Cobol
• C++
• RPG
• Java

ADA

ALGOL

APL

FORTH

FORTRAN

HYPERTALK

LISP

LOGO

MODULA-2

PASCAL

PILOT

PL/I

PROLOG

SMALLTALK

• Mientras más complejos son los programas más necesario es recurrir a un proceso sistemático para desarrollarlos.
• La Ingeniería de Software es la disciplina de las Ciencias de Computadoras que envuelve el desarrollo de programas complejos.

• La Ingeniería de software recomienda un proceso que se le conoce como el Ciclo de Vida del Desarrollo de Programas (SDLC, por sus siglas en inglés).

• Las siguientes son las etapas principales del SDLC:
• Análisis – se determinan los requisitos del programa en términos de los datos requeridos (input), las fórmulas (process) y los resultados deseados (output).
• Diseño – se diseña el algoritmo que cumple los requisitos. Además se diseñas las pantallas y los informes que sean necesarios.
• Codificación – se escribe el programa usando un lenguaje de programación adecuado.

• Etapas del SDLC (cont.):
• Evaluación – se prueba el programa para corroborar que cumple con los requisitos.
• Implantación – se pone el programa a disposición de los usuarios.
• Mantenimiento – se actualiza el programa para incorporar cambios en los requisitos.

• El SDLC permite desarrollar programas metódicamente pero no indica el estilo de programación que se debe seguir.
• En la actualidad hay dos estilos de programación populares:
• La programación procedimental o estructurada
• La programación orientada a objetos

• En la programación procedimental (conocida también como programación estructurada), los programas se organizan en procedimientos o rutinas que ejecutan tareas requeridas.
• Los procedimientos contienen instrucciones que se organizan usando estructuras de control (secuencia, selección y repetición).

• En la programación orientada a objetos (OOP, Object-Oriented Programming), los programas se componen de artículos que interactúan entre sí llamados objetos.
• Cada objeto posee sus propias características y puede ejecutar operaciones.

• El siguiente ejemplo puede ayudar a tener una idea sobre estos conceptos.
• Suponga que usted tiene que programar un sistema de matrícula de estudiantes.
• ¿Cómo se diseñará el programa?

• Si está usando programación procedimental, se deben identificar las tareas (procedimientos), por ejemplo:
• Matricularse en un curso
• Darse de baja de un curso
• Ver los cursos matriculados
• Pagar la matrícula

• Si está usando programación orientada a objetos, se deben identificar los objetos que interactúan, por ejemplo:
• Estudiantes
• Cursos
• Profesores
• Registrador

• Cada objeto que represente un estudiante en el sistema tendrá sus características (identificación, nombre, programa de estudios, etc.).
• También podrá llevar a cabo operaciones tales como matricularse o darse de baja de un curso.

• Java es un lenguaje diseñado para usar programación orientada a objetos pero permite la programación procedimental.
• En este curso y su continuación veremos ambos estilos de programación.