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CIENCIA DE COMPUTACIÓN PARA SECUNDARIA

CAPÍTULO 2 – CONCEPTOS BÁSICOS DE COMPUTACIÓN

(Computer Science Made Simple – V. Anton Spraul)

CONCEPTOS Y TERMINOLOGÍA CLAVES

Conocer los términos clave y algunos conceptos básicos lo ayudarán a comprender el poder de las computadoras.

Clasificación de las computadoras

Los científicos de computación clasifican a las computadoras en base a su potencia y a su utilización.

Una computadora personal (como la IBM PC) está diseñada para se usada por una persona a la vez. Es lo que la mayoría de nosotros piensa cuando alguien habla de computadoras, porque es la clase de computadora que vemos más a menudo. Las computadoras la gente utiliza en casa o en los laboratorios de las escuelas son computadoras personales.

Una laptop es una computadora personal compacta con todos los dispositivos comprimidos en un contenedor para hacerla fácilmente portable. El término general dispositivo se refiere a cualquier componente hardware importante. Así, una laptop es cualquier computadora en la que el todo el hardware está dentro de un simple contenedor fácilmente transportable.

Una estación de trabajo (Workstation) es también una computadora diseñada para ser utilizada por una persona a la vez, pero está conectada a una red (un conjunto de computadoras conectadas para compartir datos). Por ejemplo, en una compañía de seguros, todos los empleados pueden tener computadoras en sus escritorios conectadas a una red para poder compartir los datos de los clientes. Aunque las computadoras destinadas a ser Workstation pueden tener más potencia que las computadoras personales, no siempre es así.

Una computadora central (mainframe) es una potente computadora compartida por múltiples usuarios a la vez. Cada usuario tiene un terminal, el cual en este contexto puede ser simplemente una combinación de teclado y pantalla utilizados para acceder a la mainframe. Si el terminal no es nada más que un teclado y una pantalla se le denomina “terminal tonto”, porque no realiza procesos por sí mismo. Sin embargo, una Workstation también puede ser utilizada como terminal, en cuyo caso se le denominará “terminal inteligente”.

Una minicomputadora es cualquier computadora potente capaz de ser utilizada por múltiples personas por no con la potencia como para ser considerada una mainframe. Este término está cayendo en desuso.

Una supercomputadora está entre las más rápidas de las computadoras actuales. Ya que esta clasificación está basada en el rendimiento, ninguna computadora puede estar en esta categoría por siempre. Los sistemas que fueron considerados supercomputadoras 10 años atrás son computadoras comunes en nuestros días.

Un servidor es una computadora en una red que brinda un servicio a otras computadoras. Las mainframes a menudo son utilizadas como servidores, pero no todo servidor es una mainframe. Inclusive una computadora personal es lo suficientemente potente para ser utilizada como servidor.

Un cliente es una computadora que utiliza un servidor para algún servicio. Un ejemplo de la relación cliente-servidor es un cajero automático (Automatic Teller Machine - ATM). El ATM es una computadora, pero todo lo que sabe es cuánto dinero hay dentro de él. Cuando usted requiere dinero de su cuenta mediante un ATM, el ATM debe consultar a una computadora central de su banco para determinar si su cuenta tiene el balance suficiente para atender su pedido de dinero y

El Universo de César Vallejo – Lima - PerúComputación: 3ro, 4to, 5to de Secundaria 1


debitar a su cuenta una vez que le haya entregado el dinero. El ATM es el cliente y la computadora central es el servidor.

Binario

Las computadoras son máquinas electrónicas. Esencialmente todo lo que ellas hacen implica prender (on) o apagar (off) conmutadores. Es difícil imaginar que todo lo que las computadoras son capaces de hacer con este principio básico. Para saber cómo, es necesario conocer el concepto de sistema binario.

Fundamentos binarios

Binario significa tener dos estados. EN el caso de las computadoras los dos estados son off y on. El truco para comprender lo binario es verlo cómo una serie de estados “on” y “off” pueden representar cualquier dato que pueda imaginarse.

Suponga que un joven – llamémosle Todd – es un estudiante avanzado de ciencias de la computación que vive fuera del campus en un apartamento con su compañero de cuarto, Stu. Marta, la amiga de Todd, le ha propuesto ver una película este fin de semana, y Todd le ha prometido hacerle saber si puede ir después de revisar su horario. Desafortunadamente, Todd sabe que Stu estará en el teléfono toda la noche con su distante enamorada.

Todd y Marta resuelven este problema con una idea tomada de Paul Revere. Todd tiene dos ventanas en su dormitorio con una lámpara frente a cada una de ellas. Prendiendo una lámpara, o o la otra, o ambas, o ninguna, él puede enviar una de las cuatro señales que Marta podría ver desde su residencia universitaria, en los bajos de la colina.

Nro mensaje Lámpara Izq Lámpara der Significado

1 Off Off No puedo ir, muy ocupado

2 On Off Puedo ir Sábado en la noche

3 Off On Puedo ir Domingo en la tarde

4 On On Puedo ir Viernes en la noche

Si Todd tuviera más lámparas, podría enviar una variedad mayor de señales. Para enviar una letra del alfabeto, por ejemplo, Todd necesitaría enviar 26 diferentes señales. Esto requeriría 5 luces.

Luz 1 Luz 2 Luz 3 Luz 4 Luz 5Letra

representada

Off Off Off Off Off 1 A

Off Off Off Off On 2 B

Off Off Off On Off 3 C

Off Off Off On On 4 D

Off Off On Off Off 5 E

……



On On Off Off Off 25 Y

On On Off Off On 26 Z

Para Navidad, Todd compró tiras de luces para adorna el balcón de su apartamento. Cada tira tiene 5 luces y él puede apagar cada una. De este modo, cada tira puede ser una letra de un mensaje utilizando el sistema mostrado antes. Si el cuelga 12 tiras de su balcón, podría decirle FELIZNAVIDAD a Marta. Unos días después podría cambiar las luces para enviar otro mensaje: FELIZAÑO.

Binarios en computación

Si usted escribe “Feliz Navidad” en un procesador de texto y luego lo borra y escribe “Feliz Año”, los patrones electrónicos dentro de la computadora están cambiando tal como las luces del balcón de Todd.

En computación, las señales off son escritas como el número 0 y las señales on son escritas como el número 1. Así, la fila E de la tabla anterior se escribiría como 00100, porque las dos primeras lámparas y las dos últimas están en off, y la del medio está en on. Cada indicador off/on, escrito como 0 o 1, se le conoce como bit, que viene de los términos binary digit.

Los bits se agrupan en bytes, que son grupos de 8 bits. Por qué 8? Este número de bits permite que un byte almacene un carácter, que es cualquier letra, dígito u otro símbolo que pueda ser escrito mediante un teclado. Ocho bits permiten 256 combinaciones, que es más que suficiente para las letras minúsculas (26), las letras mayúsculas (otras 26), los dígitos de 0 a 9 y símbolos especiales como $, % y las comillas. Incluso el espacio entre palabras es un carácter. Cuando lee que algunos dispositivos de computadora pueden almacenar tantos datos como una novela o una enciclopedia, esa información se basa en la idea de que un byte es igual a un carácter. Si la longitud promedio de una palabra es de 5 caracteres (cuatro letras más el espacio antes de la palabra) y una novel típica tiene 80 mil palabras, entonces se necesitarían 400 mil bytes para almacenar una novela.

Cualquier dato puede almacenarse en formato binario, siempre que cada valor posible pueda emparejarse con un número entero, en cual puede ser convertido a un valor binario. Para los datos que ya son numéricos, como las notas de las pruebas de los estudiantes, los recuentos de inventarios, o los saldos de las cuentas, es fácil. También los datos textuales pueden ser almacenados fácilmente como acabamos de ver. El proceso se hace más difícil, cuando no hay una correspondencia obvia entre los datos originales y el conjunto de valores binarios.

Digital versus analógico

Considere un cuarto con dos lámparas, una en el techo y otra en una mesa. La lámpara del techo es controlada por una perilla en la pared. Cuando la perilla es girada en sentido horario la luz se hace cada vez más brillante. Cuando se gira en sentido anti horario, la luz se hace cada vez más tenue. La lámpara sobre la mesa también tiene su conmutador, pero cuando este se gira toma varias posiciones. Si la lámpara está apagada y se rota el conmutador en sentido horario un paso se hace una luz tenue, otra rotación hace una luz media, si se rota de nuevo se hace una luz brillante, y una rotación más hace que la lámpara se apague.

La lámpara de la mesa tiene cuatro posiciones distintas y pueden ser fácilmente replicadas en binario. El número de posiciones de la lámpara del techo, sin embargo, no es contable, porque la perilla no tiene varios pasos. Visto de otra forma, la lámpara de la mesa no tiene alternativas entre



medio brillante y totalmente brillante, mientras que la lámpara del techo tiene muchas posibilidades entre dos niveles de brillantez.

Los datos con distintos valores (como la lámpara de la mesa) se denominan datos discretos. Los datos con valores continuos (como la lámpara del techo) se denominan datos analógicos.

Los datos discretos almacenados en formato binario son digitales. Piense la palabra “digital” como “numérico”, por tanto los datos digitales devienen en datos almacenados como números. Os datos digitales son almacenados como patrones binarios, pero para nuestro nivel de abstracción, imagine aquellos patrones como números.

Con un conjunto de valores distintos, una codificación binaria puede asignarse fácilmente a cada uno. Con os datos analógicos, sin embargo, primero hay que convertir los datos a una forma discreta.

Este proceso se entiende más fácilmente cuando solo hay un valor. Piense en un termómetro de mercurio ordinario. Para leer la temperatura usted compara el final de la línea del mercurio con la escala impresa fuera del vidrio. Esta lectura es una medición analógica. La línea de mercurio puede tener cualquier longitud y a menudo no se alinea con una marca específica de la escala.

Ahora considere un termómetro con una pantalla numérica como la de una calculadora. Para mostrar la temperatura como un número, el termómetro tiene que convertir la temperatura de algún tipo de de medición analógica a una discreta. Este proceso de conversión se llama cuantificación.

Este proceso pierde algo de los datos originales. Suponga que tiene un termómetro con pantalla digital en su pared. Muestra 72 grados pero un minuto después cambia a 73 grados. Usted no pensaría que la temperatura del cuarto cambió un grado en un instante. Lo que ocurrió es que la temperatura fue subiendo lentamente, hasta un punto en que estaba más cerca de 73 que de 72, y entonces la pantalla cambió. Los datos analógicos tienen un rango de valores continuo. Cuando son reemplazados por valores finitos debe ocurrir un redondeo. La diferencia entre los datos analógicos y su representación discreta es el error de cuantificación. Así, si la temperatura es realmente 72.423 y la pantalla muestra 72, el 0.423 es el error de cuantificación. Este error de cuantificación puede reducirse teniendo más valores digitales posibles. Si la temperatura mostrada fuera 72.4 por ejemplo, el error de cuantificación sería de solo 0.023.

Cuando una señal varía continuamente en el tiempo, se deben hacer más sacrificios para producir una versión digital. Considere la música que es transformada a “audio digital”. Cuando la música se escucha por un altavoz, el cono del altavoz se mueve hacia adentro y hacia afuera conforme el flujo de corriente en el cable del equipo de sonido sube y baja. Si se traza una línea para mostrar cuán fuerte es la corriente en el tiempo sería una línea continua, dentada.

El ejemplo de la música es una situación más complicada que la de la temperatura. La corriente no solo tiene un rango continuo de valores (como la temperatura) sino que también un valor cambiante. Para convertir esta clase de señal a una forma discreta se requiere de un proceso llamado muestreo. En estadística, el muestreo es utilizado cuando no se puede interrogar a una población completa. Por ejemplo, cuando 10,000 votantes son preguntados acerca de por quién votarán en las elecciones, estas 10,000 personas representan a todo el país.

En computación el muestreo significa tomar mediciones analógicas por intervalos y luego cuantificar cada medición. Con el ejemplo de la música, en vez de tratar de capturar la señal original completa, el audio es muestreado muchas veces por segundo, y la fuerza de la señal registrada en cada momento se transforma en un número.



Igual que con la cuantificación, la señal original es reproducida mejor cuantas más muestras son tomadas por segundo. La calidad del audio digital tiene dos números que la describen. Uno es la frecuencia de muestreo, que es el número de muestras por segundo que se han tomado. El otro número es bits por muestra, que indica el tamaño del rango que se asigna a cada calor cuantificado. Conforme estos valores crecen, la reproducción se hace más exacta, pero los datos digitales resultantes también ocupan más espacio.

¿ES MEJOR LO DIGITAL?

Los anuncios a menudo ofrecen algo que es “digital”. Las compañías de televisión por satélite, por ejemplo, ofrecen “120 canales, todos con calidad digital de imagen y sonido”.

Lo cierto es que no siempre lo digital es mejor que lo analógico. Una ventaja importante de de la señal digital, además de ser la única cosa con la que una computadora puede trabajar, es su



perfecta reproducción. Porque todo es almacenado como un bit, la misma serie de bits puede ser reproducida donde sea como una copia exacta de los datos originales. Una copia de una cinta VHS, que es analógica, es algo más difusa que la original, mientras que una copia en DVD es idéntica al original.

Más allá de eso, sin embargo, el DVD no tiene una ventaja inherente. Las grabaciones de películas en DVD suelen utilizar altas frecuencias de muestras y de bits y por tanto las películas se ven mejor que en VHS. Pero un DVD que utilice pocas muestras puede verse peor que un VHS bien hecho. Similarmente, cuando los CD de audio fueron introducidos al mercado, las compañías de grabación volvían a las cintas maestras con varias décadas de antigüedad y las transferían a CD sin preocuparse por el proceso. Este proceso significó que el ruido y el siseo de la cinta original, que no eran audibles en las grabaciones analógicas, eran bastante notorias en los CD.

No se debe asumir que todo lo digital es de alta calidad.

Potencias de 2

Como nosotros originalmente contamos con los dedos, los humanos tenemos un sistema basado en el número 10. Esto significa que usualmente trabajamos naturalmente con números como 10, 1000 o 100 000. También significa que añadir un dígito al número multiplica su máximo valor por 10. Por ejemplo, si un auto tiene un odómetro con 5 dígitos, puede mostrar el millaje hasta 99 999. Si le añadimos un dígito, podríamos mostrar el millaje hasta 999 999, que es diez veces más.

Como las computadoras usan el sistema binario están preparadas para trabajar con potencias de 2. Mientras que añadir un dígito a un número permite aumentar en 10 su máximo valor, añadir un bit a un número binario solo duplica su máximo valor. Esto quiere decir que dos bits pueden almacenar cuatro valores, tres bits pueden almacenar ocho valores, y así sucesivamente. Las computadoras trabajan mejor con los valores de la serie 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024, etc. donde cada número es el doble del anterior. Estos números son las potencias de 2.

En consecuencia, las computadoras no son descritas como que tienen 250 o 500 megabytes de almacenamiento. Siempre son números como 256 o 512.

Terminología del tamaño

La tabla siguiente muestra las métricas que se usan más frecuentemente en la ciencia de computación.

La primera columna es el prefijo que se antepone a la unidad, como “kilo” en “kilobyte”. La segunda columna es la abreviación de prefijo. Por ejemplo, la forma corta de kilobyte es kb. Note que el uso de las mayúsculas es importante: M significa “mega” pero “m” significa mili. La tercera columna es el valor general del prefijo tal como se utiliza fuera del mundo de la computación. La cuarta columna es el valor usado en computación y la quinta columna muestra algunos ejemplos.

Prefijo AbreviaturaValor de uso

generalValor en

computaciónEjemplo

Giga G 1 000 000 000 1 073 741 824 2.6 Gigahertz

Mega M 1 000 000 1 048 576 512 megabits

Kilo K 1 000 1 024 256 kilobytes

Mili m 1/1000 30 milisegundos


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