Cómo funcionan los ordenadores
Aunque las tecnologías empleadas en los ordenadores digitales han cambiado mucho desde que aparecieron los primeros ordenadores en los años 40, la mayoría todavía utilizan la arquitectura von Neumann, propuesta a principios de los años 40 por John von Neumann.
La arquitectura von Neumann describe un ordenador con 4 secciones principales: la unidad lógica y aritmética (ALU), la unidad de control, la memoria, y los dispositivos de entrada y salida (E/S). Estas partes están interconectadas por un manojo de cables, un enlace común.
En este sistema, la memoria es una secuencia de celdas de almacenamiento numeradas, donde cada una es un bit, o unidad de información. La información es una instrucción que le dice al ordenador lo que tiene que hacer. Las «células» contienen datos que necesita el ordenador para llevar a cabo las instrucciones.
En general, la memoria puede ser rescrita varios millones de veces; se parece más a una libreta que a una lápida.
El tamaño de cada célula y el número de células varía mucho de ordenador a ordenador, y las tecnologías empleadas para la memoria han cambiado bastante; van desde los relés electromecánicos, tubos llenos de mercurio en los que se formaban los pulsos acústicos, matrices de imanes permanentes, transistores individuales a circuitos integrados con millones de celdas en un solo chip.
La unidad lógica y aritmética, o ALU, es el dispositivo que lleva a cabo las operaciones elementales como las operaciones aritméticas (suma, resta), operaciones lógicas (Y, O, NO), y operaciones de comparación. En esta unidad es en donde se hace todo el trabajo computacional.
La unidad de control sigue la dirección de las posiciones en memoria que contienen la instrucción que el ordenador va a realizar en ese momento; recupera la información entregándola a la ALU para la operación que debe desarrollar. Transfiere luego el resultado a ubicaciones apropiadas en la memoria.
Una vez que ocurre lo anterior, la unidad de control va a la siguiente instrucción (normalmente situada en la siguiente posición, a menos que la instrucción sea una instrucción de salto, informando al ordenador de que la próxima instrucción estará ubicada en otra posición de la memoria).
Los dispositivos E/S permiten al ordenador, obtener información del mundo exterior y devolver los resultados de dicha información. Hay una gama muy extensa de dispositivos E/S como los teclados, monitores y unidades de disco flexible o las cámaras web.
Las instrucciones que acabamos de discutir, no son las ricas instrucciones del ser humano. Un ordenador sólo tiene un número limitado de instrucciones bien definidas. Los tipos de instrucciones típicas realizadas por la mayoría de los ordenadores son como estos ejemplos: "...copia los contenidos de la posición de memoria 123, y coloca la copia en la posición 456, añade los contenidos de la posición 666 a la 042, y coloca el resultado en la posición 013, y, si los contenidos de la posición 999 son 0, tu próxima instrucción está en la posición 345...".
Las instrucciones dentro del ordenador se representan mediante números. Por ejemplo, el código para copiar puede ser 001. El conjunto de instrucciones que puede realizar un ordenador se conoce como lenguaje de máquina o código máquina. En la práctica, no se escriben las instrucciones para los ordenadores directamente en lenguaje de máquina, sino que se usa un lenguaje de programación de alto nivel que se traduce después al lenguaje de la máquina automáticamente, a través de programas especiales de traducción (intérpretes y compiladores). Algunos lenguajes de programación representan de manera muy directa el lenguaje de máquina, como los ensambladores (lenguajes de bajo nivel) y, por otra parte, los lenguajes como Prolog, se basan en principios abstractos muy alejados de los que hace la máquina en concreto (lenguajes de alto nivel).
Los ordenadores actuales colocan la ALU y la unidad de control dentro de un único circuito integrado conocido como Unidad central de procesamiento o UCP. Normalmente, la memoria del ordenador se sitúa en unos pocos circuitos integrados pequeños cerca de la UCP. La gran mayoría de la masa del ordenador está formada por sistemas auxiliares (por ejemplo, para traer electricidad) o dispositivos E/S.
Algunos ordenadores más grandes se diferencian del modelo anterior, en un aspecto importante, porque tienen varias UCP y unidades de control que trabajan al mismo tiempo. Además, algunos ordenadores, usados principalmente para la investigación, son muy diferentes del modelo anterior, pero no tienen muchas aplicaciones comerciales.
Por lo tanto, el funcionamiento de un ordenador es en principio bastante sencillo. El ordenador trae las instrucciones y los datos de la memoria. Se ejecutan las instrucciones, se almacenan los datos y se va a por la siguiente instrucción. Este procedimiento se repite continuamente, hasta que se apaga el ordenador. Los programas de ordenador son simplemente largas listas de instrucciones que debe ejecutar el ordenador, a veces con tablas de datos. Muchos programas de ordenador contienen millones de instrucciones, y muchas de esas instrucciones se ejecutan rápidamente. Un ordenador personal moderno típico (en el año 2003) puede ejecutar de 2000 a 3000 millones de instrucciones por segundo. Las capacidades extraordinarias que tienen los ordenadores no se deben a su habilidad para ejecutar instrucciones complejas. Los ordenadores ejecutan millones de instrucciones simples diseñadas por personas inteligentes llamados programadores. Los buenos programadores desarrollan grupos de instrucciones para hacer tareas comunes (por ejemplo, dibujar un punto en la pantalla) y luego ponen dichos grupos de instrucciones a disposición de otros programadores.
En la actualidad, podemos tener la impresión de que los ordenadores están ejecutando varios programas al mismo tiempo. Esto se conoce como poliactividad o multitarea, siendo más usado el segundo término. En realidad, la UCP ejecuta instrucciones de un programa y después tras un breve periodo de tiempo, cambian a un segundo programa y ejecuta algunas de sus instrucciones. Esto crea la ilusión de que se están ejecutando varios programas simultáneamente, repartiendo el tiempo de la UCP entre los programas. Esto es similar a la película que está formada por una sucesión rápida de fotogramas. El sistema operativo es el programa que controla el reparto del tiempo generalmente.
El sistema operativo es una especie de cajón de sastre lleno de códigos. Cada vez que algún código de ordenador es compartido por muchos tipos diferentes de programas durante muchos años, los programadores llevarán dicho código al sistema operativo, al final.
El sistema operativo puede decidir, por ejemplo, qué programas se ejecutan, y cuándo, y qué fuentes (memoria o dispositivos E/S) se utilizan. El sistema operativo tiene otras funciones que ofrecer a otros programas, como los códigos que permiten a los programadores, escribir programas para una máquina sin necesidad de conocer los detalles íntimos de todos los dispositivos electrónicos conectados.
En la actualidad, se está empezando a incluir dentro del sistema operativo algunos programas muy usados debido a que es una manera económica de distribuirlos. No es extraño que un sistema operativo incluya navegadores de internet, procesadores de texto, programas de correo electrónico, interfaces de red, reproductores de películas y otros programas que antes se tenían que comprar aparte.
Usos de los ordenadores
Los primeros ordenadores digitales, de gran tamaño y coste, se utilizaban principalmente para hacer cálculos científicos. ENIAC, uno de los primeros ordenadores americanos, calculaba densidades de neutrón transversales para ver si explotaría la bomba de hidrógeno. El CSIR Mk I, el primer ordenador australiano, evaluó patrones de precipitaciones para un gran proyecto de generación hidroeléctrica. Los primeros visionarios vaticinaron que la programación permitiría jugar al ajedrez, ver películas y otros usos.
La gente que trabajaba para los gobiernos y las grandes empresas también usaron los ordenadores para automatizar muchas de las tareas de recolección y procesamiento de datos, que antes eran hechas por humanos; por ejemplo, mantener y actualizar la contabilidad y los inventarios. En el mundo académico, los científicos de todos los campos empezaron a utilizar los ordenadores para hacer sus propios análisis. El descenso continuo de los precios de los ordenadores permitió su uso por empresas cada vez más pequeñas. Las empresas, las organizaciones y los gobiernos empiezan a emplear un gran número de pequeños ordenadores para realizar tareas que antes eran hechas por ordenadores centrales grandes y costosos. La reunión de varios pequeños ordenadores en un solo lugar se llamaba torre de servidores.
Con la invención del microprocesador en 1970, fue posible fabricar ordenadores muy baratos. Los ordenadores personales se hicieron famosos para llevar a cabo diferentes tareas como guardar libros, escribir e imprimir documentos. Calcular probabilidades y otras tareas matemáticas repetitivas con hojas de cálculo, comunicarse mediante correo electrónico e Internet. Sin embargo, la gran disponibilidad de ordenadores y su fácil adaptación a las necesidades de cada persona, han hecho que se utilicen para varios propósitos.
Al mismo tiempo, los pequeños ordenadores, casi siempre con una programación fija, empezaron a hacerse camino entre las aplicaciones del hogar, los coches, los aviones y la maquinaria industrial. Estos procesadores integrados controlaban el comportamiento de los aparatos más fácilmente, permitiendo el desarrollo de funciones de control más complejas como los sistemas de freno antibloqueo en los coches. A principios del siglo 21, la mayoría de los aparatos eléctricos, casi todos los tipos de transporte eléctrico y la mayoría de las líneas de producción de las fábricas funcionan con un ordenador. La mayoría de los ingenieros piensa que esta tendencia va a continuar.
Etimología de las palabras ordenador y computadora
La palabra española 'ordenador' viene del francés 'ordinateur' que es la traducción del original inglés 'computer'. Nos encontramos, pues, con una palabra española que fue introducida en España como calco de una palabra francesa, pero que denomina a una máquina inventada en Estados Unidos y denominada allí computer. En el español de las Américas se prefiere computadora o computador, inspirándose en el original inglés.
En un principio, la palabra inglesa se utilizaba para designar a una persona que realizaba cálculos aritméticos con o sin ayuda mecánica. Charles Babbage diseñó uno de los primeros ordenadores llamado motor analítico, pero debido a problemas tecnológicos, no fue construido mientras él vivió. Algunos aparatos mecánicos simples como la regla de cálculo también han sido considerados ordenadores. En algunos casos se denominaban ordenadores analógicos, porque no podían realizar funciones separadas o digitales. Lo que hoy llamamos simplemente ordenadores eran denominados comúnmente ordenadores digitales, para distinguirlos de otros aparatos.
Si pensamos en otras palabras para denominar al ordenador, podemos encontrar ejemplos curiosos. Ya hemos visto que la palabra original computer está más relacionada con el cómputo o cálculo, mientras que el francés y el español de España se han decantado más por el orden y la organización ordinateur y "ordenador" respectivamente. En italiano, se emplea la palabra calcolatore, también relacionada con el cálculo. En Suecia han buscado una palabra relacionada con los datos dator. En China, al ordenador se le denomina cerebro eléctrico.
Para conocer la historia de los computadores y de la ciencia relacionada con ellos, consulte informática.
Véase También
simple:Computer
