Un ordenador digital está diseñado para procesar datos en forma numérica (véase circuito digital); sus circuitos realizan directamente las operaciones matemáticas de suma, resta, multiplicación y división. Los números con los que opera un ordenador digital se expresan en el sistema binario; los dígitos binarios, o bits, son 0 y 1, de modo que 0, 1, 10, 11, 100, 101, etc., corresponden a 0, 1, 2, 3, 4, 5, etc. Los dígitos binarios se expresan fácilmente en los circuitos del ordenador por la presencia (1) o ausencia (0) de una corriente o tensión. Una serie de ocho bits consecutivos se denomina byte; el byte de ocho bits permite 256 combinaciones diferentes de encendido y apagado. Cada byte puede representar uno de hasta 256 caracteres alfanuméricos, y esta disposición se denomina conjunto de caracteres de un solo byte (SBCS); el estándar de facto para esta representación es el conjunto de caracteres ASCII ampliado. Algunos idiomas, como el japonés, el chino y el coreano, requieren más de 256 símbolos únicos. Sin embargo, el uso de dos bytes, o 16 bits, para cada símbolo permite la representación de hasta 65.536 caracteres o ideogramas. Esta disposición se denomina conjunto de caracteres de doble byte (DBCS); Unicode es el estándar internacional para este tipo de conjuntos de caracteres. Uno o más bytes, dependiendo de la arquitectura del ordenador, se denomina a veces palabra digital; puede especificar no sólo la magnitud del número en cuestión, sino también su signo (positivo o negativo), y también puede contener bits redundantes que permiten la detección automática, y en algunos casos la corrección, de ciertos errores (véase código; teoría de la información). Un ordenador digital puede almacenar los resultados de sus cálculos para utilizarlos posteriormente, puede comparar los resultados con otros datos y, en función de esas comparaciones, puede modificar la serie de operaciones que realiza. En la actualidad, los ordenadores digitales se utilizan para una amplia gama de fines personales, empresariales, científicos y gubernamentales, desde juegos electrónicos, correo electrónico, redes sociales y aplicaciones de procesamiento de datos y textos hasta la autoedición, las videoconferencias, la predicción meteorológica, la simulación de pruebas de armas nucleares, la criptografía y muchos otros fines.
Las operaciones de un ordenador digital se llevan a cabo mediante circuitos lógicos, que son circuitos digitales cuya única salida está determinada por las condiciones de las entradas, normalmente dos o más. Los diversos circuitos que procesan los datos en el interior del ordenador deben funcionar de forma altamente sincronizada; esto se consigue controlándolos con un oscilador muy estable, que actúa como reloj del ordenador. Las velocidades típicas de los relojes de los ordenadores personales oscilan actualmente entre varios cientos de millones de ciclos por segundo y varios miles de millones. Operando a estas velocidades, los circuitos informáticos digitales son capaces de realizar cientos de miles de millones de operaciones aritméticas o lógicas por segundo, pero los superordenadores son capaces de realizar más de un millón de veces más rápido; tales velocidades permiten la rápida solución de problemas que serían imposibles de resolver a mano por un ser humano. Además de los circuitos aritméticos y lógicos y de una serie de registros (ubicaciones de almacenamiento a las que se puede acceder más rápidamente que al almacenamiento principal, o memoria, y que se utilizan para mantener los resultados intermedios de los cálculos), el corazón del ordenador, llamado unidad central de procesamiento o CPU, contiene los circuitos que decodifican los datos.contiene los circuitos que decodifican el conjunto de instrucciones, o programa, y hacen que se ejecute.
Asociado con la CPU está el almacenamiento principal, o memoria, donde se guardan los resultados u otros datos durante periodos de tiempo que van desde una pequeña fracción de segundo hasta días o semanas antes de ser recuperados para su posterior procesamiento. El almacenamiento principal, que antes estaba formado por tubos de vacío y más tarde por pequeños núcleos ferromagnéticos en forma de rosquilla ensartados en una matriz de alambre, consiste ahora en circuitos integrados, cada uno de los cuales puede contener miles de millones de dispositivos semiconductores. Mientras que cada tubo de vacío o núcleo representaba un bit y la memoria total del ordenador se medía en miles de bytes (o kilobytes, KB), los chips de memoria de los ordenadores modernos representan cientos de millones de bytes (o megabytes, MB) y la memoria total de los ordenadores personales y centrales se mide en miles de millones de bytes (gigabytes, GB) o más. La memoria de sólo lectura (ROM), en la que no se puede escribir, mantiene su contenido en todo momento y se utiliza para almacenar la información de control del ordenador. La memoria de acceso aleatorio (RAM), en la que se puede leer y escribir, se pierde cada vez que se apaga el ordenador. Los ordenadores modernos incluyen ahora memoria caché, a la que la CPU puede acceder más rápidamente que a la RAM pero más lentamente que a los registros; los datos de la memoria caché también se pierden cuando se apaga el ordenador.
Los programas y los datos que no se están utilizando en ese momento en el almacenamiento principal pueden guardarse en un almacenamiento auxiliar o secundario. Aunque la cinta de papel perforada y las tarjetas perforadas sirvieron en su día para este propósito, los principales materiales utilizados hoy en día son las cintas y discos magnéticos y los dispositivos de memoria flash, todos los cuales pueden leerse y escribirse en ellos, y dos tipos de discos ópticos, el disco compacto (CD) y su sucesor el disco versátil digital (DVD). En comparación con la memoria RAM, estos dispositivos son menos costosos (aunque la memoria flash es más cara que las otras dos), no son volátiles (es decir, los datos no se pierden cuando se apaga el ordenador) y pueden proporcionar una forma conveniente de transferir datos de un ordenador a otro. De este modo, las instrucciones de funcionamiento o los datos emitidos por un ordenador pueden almacenarse y utilizarse posteriormente en el mismo ordenador o en otro.
En un sistema que utiliza cinta magnética, la información se almacena en una grabadora especialmente diseñada, similar a la que se utiliza para grabar sonido. La cinta magnética se utiliza ahora en gran medida para el almacenamiento externo de grandes volúmenes de datos o copias de seguridad de sistemas importantes. En los sistemas de discos magnéticos y ópticos, el principio es el mismo: el medio magnético u óptico se encuentra en una trayectoria, o pista, en la superficie de un disco. La unidad de disco también contiene un motor para hacer girar el disco y uno o varios cabezales magnéticos u ópticos para leer y escribir los datos en el disco. Las unidades de disco adoptan varias formas, siendo la diferencia más significativa el hecho de que el disco pueda extraerse del conjunto de la unidad. Los dispositivos de memoria flash, como las unidades flash USB, las tarjetas de memoria flash y las unidades de estado sólido, utilizan una memoria no volátil que puede borrarse y reprogramarse en bloques.
Los discos magnéticos extraíbles hechos de mylar encerrados en un soporte de plástico (las versiones más antiguas tenían soportes de papel) están ahora en gran medida obsoletos. Estos disquetes tienen distintas capacidades, con discos de muy alta densidad que contienen 250 MB… más que suficiente para contener una docena de libros del tamaño de Anna Karenina de Tolstoi. Los discos duros magnéticos internos y externos, o discos duros, están hechos de metal y dispuestos en capas espaciadas. Pueden contener muchos más datos que los disquetes o los discos ópticos, y pueden leer y escribir datos mucho más rápido que los disquetes. A medida que los discos duros bajaron de precio, se incluyeron cada vez más como componente de los ordenadores personales y sustituyeron a los disquetes como soporte estándar para el almacenamiento de sistemas operativos, programas y datos.
Los discos compactos pueden contener cientos de megabytes y se han utilizado, por ejemplo, para almacenar la información contenida en una enciclopedia completa de varios volúmenes o un conjunto de obras de referencia. El DVD es una tecnología de almacenamiento óptico mejorada, capaz de almacenar hasta diez veces más datos que la tecnología del CD. Los discos de memoria de sólo lectura (CD-ROM) y los discos de memoria de sólo lectura (DVD-ROM) sólo se pueden leer… los discos se imprimen con datos en la fábrica, pero una vez escritos no se pueden borrar y reescribir con nuevos datos. A finales de la década de los 90 se introdujeron nuevas tecnologías de almacenamiento óptico: CD-Recordable (CD-R) y DVD-Recordable (DVD-R, DVD+R), discos ópticos en los que el ordenador puede escribir para crear un CD-ROM o DVD-ROM, pero en los que sólo se puede escribir una vez; y CD-ReWritable (CD-RW), DVD-ReWritable (DVD-RW y DVD+RW) y DVD?Random Access Memory (DVD-RAM), discos en los que se puede escribir varias veces.
Los dispositivos de memoria flash, un desarrollo aún más reciente, son una evolución de la memoria de sólo lectura programable y borrable eléctricamente. Aunque es más cara que las tecnologías de almacenamiento magnético y óptico, la memoria flash puede leerse y escribirse mucho más rápido, lo que permite tiempos de arranque más cortos y un acceso y almacenamiento de datos más rápidos. Como la memoria flash también es resistente a los golpes mecánicos y se ha vuelto cada vez más compacta, una unidad flash USB permite el almacenamiento externo fácil y portátil de grandes cantidades de datos. Las unidades de estado sólido son más fáciles de acceder y escribir que los discos duros magnéticos y consumen menos energía, por lo que se han convertido en habituales en los ordenadores portátiles ligeros de gama alta y en los ordenadores de alto rendimiento. La memoria flash también se utiliza en las tabletas de los ordenadores y en los teléfonos inteligentes. Las unidades híbridas, que combinan una menor cantidad de memoria flash con un gran disco duro magnético, permiten el almacenamiento económico de grandes cantidades de datos al tiempo que se benefician de un acceso más ágil a los archivos del sistema operativo y de los programas que se utilizan con frecuencia pero que sólo se modifican ocasionalmente.
Los datos se introducen en el ordenador y los datos procesados se ponen a disposición a través de los dispositivos de entrada/salida, también llamados periféricos. Todos los dispositivos auxiliares de almacenamiento se utilizan como dispositivos de entrada/salida. Durante muchos años, el medio de entrada/salida más popular fue la tarjeta perforada. Los dispositivos de entrada más populares son el terminal del ordenador y los discos duros magnéticos internos, y los dispositivos de salida más populares son la pantalla del ordenador asociada a un terminal (que suele mostrar la salida que ha sido procesada por una unidad de procesamiento gráfico) y la impresora. Los seres humanos pueden comunicarse directamente con el ordenador a través de los terminales informáticos, introduciendo instrucciones y datos mediante teclados muy parecidos a los de las máquinas de escribir, utilizando un dispositivo señalador como un ratón, una bola de seguimiento o un panel táctil, o hablando a un micrófono que está conectado a un ordenador que ejecuta un software de reconocimiento de voz. El resultado de la entrada puede mostrarse en una pantalla de cristal líquido, de diodos emisores de luz o de tubos de rayos catódicos, o en la salida de una impresora. Otro dispositivo de entrada/salida importante en los ordenadores modernos es la tarjeta de red, que permite al ordenador conectarse a una red informática y a Internet mediante una conexión por cable o por radio (inalámbrica). La CPU, el almacenamiento principal, el almacenamiento auxiliar y los dispositivos de entrada/salida conforman colectivamente un sistema informático.
En general, las operaciones más lentas que debe realizar un ordenador son las de transferencia de datos, sobre todo cuando se reciben datos de un ser humano o se le entregan. El procesador central del ordenador está inactivo durante gran parte de este periodo, por lo que se utilizan dos técnicas similares para aprovechar su potencia de forma más completa.
El tiempo compartido, utilizado en grandes ordenadores, permite que varios usuarios en diferentes terminales utilicen un único ordenador al mismo tiempo. El ordenador realiza parte de una tarea para un usuario, luego suspende esa tarea para hacer parte de otra para otro usuario, y así sucesivamente. Cada usuario sólo tiene el uso del ordenador durante una fracción de tiempo, pero el cambio de tareas es tan rápido que la mayoría de los usuarios no son conscientes de ello. La mayoría de las decenas de millones de ordenadores que hay en el mundo son dispositivos autónomos y monousuario, conocidos como ordenadores personales o estaciones de trabajo. Para ellos, la multitarea implica el mismo tipo de cambio, pero para un solo usuario. Esto permite a un usuario, por ejemplo, tener un archivo impreso y otro cargado en un sitio web de Internet mientras edita un tercero en una sesión de procesamiento de textos y escucha una grabación transmitida por Internet. Los ordenadores personales también pueden estar conectados entre sí en una red, en la que cada ordenador está conectado a los demás, normalmente por cable de red, coaxial o de fibra óptica, o por señales de radio (inalámbricas), lo que permite que todos compartan recursos como impresoras, dispositivos de almacenamiento en disco duro y una conexión a Internet. La computación en nube es otra forma de compartir recursos. Al proporcionar acceso tanto al hardware como al software a través de una red, casi siempre Internet, la computación en la nube está diseñada para permitir a muchas personas y organizaciones que utilizan una amplia gama de dispositivos tanto la facilidad de acceso a los recursos informáticos como la flexibilidad para cambiar el tipo y el volumen de los recursos a los que tienen acceso.
Antes de que un ordenador pueda ser utilizado para un propósito determinado, primero debe ser programado, es decir, preparado para su uso mediante la carga de un conjunto de instrucciones, o programa. Los diversos programas mediante los cuales un ordenador controla aspectos de sus operaciones, como los de traducción de datos de una forma a otra, se conocen como software, en contraste con el hardware, que es el equipo físico que comprende la instalación. En la mayoría de los ordenadores, el control momento a momento de la máquina reside en un programa de software especial llamado sistema operativo, o supervisor. Otras formas de software son los ensambladores y compiladores de lenguajes de programación y las aplicaciones para uso empresarial y doméstico (véase programa informático). El software es de gran importancia; la utilidad de un conjunto de hardware muy sofisticado puede verse limitada por la falta de un software adecuado.
Cada instrucción del programa puede ser un paso simple y único, que indique al ordenador que realice alguna operación aritmética, que lea los datos de alguna ubicación determinada de la memoria, que compare dos números o que realice alguna otra acción. El programa se introduce en la memoria del ordenador exactamente como si se tratara de datos, y al activarlo, se ordena a la máquina que trate este material en la memoria como instrucciones. A continuación, se pueden leer otros datos y el ordenador puede llevar a cabo el programa para completar la tarea concreta.
Dado que los ordenadores están diseñados para operar con números binarios, todos los datos e instrucciones deben representarse en esta forma; el lenguaje de la máquina, en el que el ordenador opera internamente, consiste en los diversos códigos binarios que definen las instrucciones junto con los formatos en los que se escriben las instrucciones. Dado que a un programador le lleva mucho tiempo y es tedioso trabajar en el verdadero lenguaje de la máquina, para escribir la mayoría de los programas se utiliza un lenguaje de programación, o lenguaje de alto nivel, diseñado para la comodidad del programador. El ordenador está programado para traducir este lenguaje de alto nivel al lenguaje de la máquina y luego resolver el problema original para el que se escribió el programa. Muchos lenguajes de programación de alto nivel son ahora universales, variando poco de una máquina a otra.
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- Ordenadores analógicos
- Ordenadores digitales
- Desarrollo de los ordenadores
- Bibliografía