1.0
Qué es la Informática
Informática (Del fr. informatique). 1. f. Conjunto de conocimientos científicos y técnicas que hacen posible el tratamiento automático de la información por medio de ordenadores.
(Extraído del Diccionario de la RAE, 2001)
Un poco de historia…
Ábaco – 2000 a.c.
El sumador de Pascal – mediados s. XVII
La calculadora de G.W. von Leibniz – finales s. XVII
La máquina de diferencias de Babbage – s. XIX
Concepto de programa externo
1945: Comienzo de la era de la Informática
Modelo J. von Neumann: estructura de la computadora tal y como la conocemos hoy; concepto de programa interno
Coincide con el desarrollo de la electrónica
1.1
Qué es la Informática
Más sobre la Historia de la Informática en el MIGShttp://www.fdi.ucm.es/migs
1.2
Computadora electrónica 1. f. Máquina electrónica digital, dotada de una memoria de gran capacidad y de métodos de tratamiento de la información, capaz de resolver problemas matemáticos y lógicos mediante la utilización automática de programas informáticos.
(Extraído del Diccionario de la RAE, 2001)
Fundamentos de computadores Introducción a la programación
Qué es una computadora
Hardware (Voz ingl.).1. m. Inform. Conjunto de los componentes que integran la parte material de una computadora.
Software (Voz ingl.).1. m. Conjunto de programas, instrucciones y reglas informáticas para ejecutar ciertas tareas en una computadora.
1.3
Un poco de hardware
Memoria
Dispositivo de salida
Dispositivos de entrada
Memoria secundaria
Ratón
Teclado
Unidad Central
de Procesamiento
Carcasa (tipo torre)
Unidad
de disquetes
Unidad
de CD-ROM
Memoria principal
y Unidad de Disco Duro
(ambos dentro)
Monitor
1.4
Un poco de hardware: el Modelo Von Neumann
Unidad de Control
Unidad Aritmético-Lógica
Unidad Central de Procesamiento (CPU)
Unidad de Memoria
Ideas importantes:
Un programa es una cadena secuencial de instrucciones
Las instrucciones ordenan al ordenador realizar una operación sobre unos datos
Las instrucciones se ejecutan una tras otra, aunque puede haber bifurcaciones condicionales (usar un dato para decidir entre dos instrucciones diferentes por donde continuar)
El computador procesa tanto instrucciones como sus datos
Las instrucciones y los datos se almacenan juntos en memoria
1.5
Un poco de hardware: la Unidad de Memoria (UM)
Almacena las instrucciones y los datos del programas
El almacén está formado por celdas
Identificadas unívocamente por su dirección
Siempre contienen información
Se puede leer o escribir información en ellas
(Gp:) Selector
(Gp:)
…
(Gp:) UM
(Gp:) Registro de Dirección (RD)
(Gp:) Celdas
(Gp:) Registro de Intercambiode Datos (RID)
1.6
Un poco de hardware: la Unidad Aritmético-Lógica (UAL)
Realiza las operaciones elementales aritméticas (suma, resta, multiplicación, división, etc.) y lógicas (comparaciones de igualdad, mayor, menor, etc.)
(Gp:)
(Gp:) Banco de Registros Temporales (BRT)
(Gp:) Operador
(Gp:) UAL
(Gp:) Acumulador
1.7
Un poco de hardware: la Unidad de Control (UC)
Obtiene y almacena los datos en la UM, obtiene e identifica las instrucciones del programa de la UM y manda ejecutar las operaciones a la UAL
(Gp:) Registro de Instrucción (RI)
(Gp:) Decodificador
(Gp:) UC
(Gp:) Secuenciador
(Gp:) Contador de Programa (CP)
(Gp:) Operación Direcciones de 3 operandos
Ejecución de una instrucción
Los pasos del ciclo de instrucción según Von Neumann
LEER
INSTRUCCIÓN
DECODIFICAR
INSTRUCCIÓN
CAPTURAR
DATOS
REALIZAROPERACIÓN
ALMACENAR
RESULTADOS
CALCULAR
INSTRUCCIÓN
SIGUIENTE
El CP indica la dirección de la celda donde está la instrucción que se debe copiar al RI
El operando del RI (que puede ser un dato o la dirección de la celda de un dato) se copia en el BRT
(Esto se repite para todos los operandos de entrada)
La dirección de celda de la siguiente instrucción se copia al CP
El resultado del Acumulador se copia en la dirección de la celda del resultado, generalmente indicada en el último operando de la instrucción(Esto se repite para todos los resultados)
Ejecución de una instrucción (cont.)
Operación: SUMA-CELDAS Operando 1: X Operando 2: Y Operando 3: ZSUMA-CELDAS suma el dato de la primera dirección al de la segunda y lo guarda en la tercera
1.10
La computadora manipula únicamente información digital:Datos e instrucciones se codifican como dígitos binarios (0’s y 1’s)
¿Por qué no se usa una representación de otro tipo?
Problema tecnológico (es más fácil representar ceros y unos)
¿A qué nos conduce la solución adoptada para evitar el problema tecnológico?
La máquina sólo puede trabajar con cadenas de ceros y unos
¿Qué entiende la computadora?
1.11
a = (b + c)/(d + e)
Pasos
sumar b y c, y guardar el resultado en una dirección de memoria temporal X
sumar d y e, y guardar el resultado en una dirección de memoria temporal Y
dividir el contenido de X por el de Y y guardar el resultado en la dirección de memoria de a
Ejemplo de código máquina
codigoOp direccOp1 direccOp2 direccRes
0000 00001000 00001100 00001110
0000 00011000 00011100 00011110
0101 00011110 00001110 00000100
Código de la división
Direcc. Temporal X
Direcc. Temporal Y
Código de la suma
Lenguaje máquina
(Gp:) x
(Gp:) y
1.12
Lenguaje máquina (cont.)
Inconvenientes
Grandes posibilidades de error
Portabilidad: máquina-dependiente
No se puede llevar el programa a otra máquina porque, entre otras cosas, el repertorio de instrucciones es distinto
Tedioso
Nula capacidad de abstracción
Es muy complicado formular una solución a problemas del mundo real con ese lenguaje tan específico
1.13
Lenguaje ensamblador
Lenguaje simbólico con una mínima capacidad de abstracción
Nombres nemotécnicos para los códigos de operación
Nombres simbólicos para las direcciones de memoria
Ejemplo de instrucción de código ensamblador
codigoSimbOp direccSimbOp1, direccSimbOp2, direccSimbRes
Códigos simbólicos de las operaciones
SUM = La suma
DIV = La división
a = (b + c)/(d + e)
SUM B, C, X
SUM D, E, Y
DIV X, Y, A
Cuestiones
¿Cómo entiende la máquina el lenguaje ensamblador?
Si las direcciones de memoria son simbólicas ¿en qué direcciones de memoria se colocan los datos?
Programa ensamblador
Traducción a código binario de códigos simbólicos de operación
Traducción de las direcciones simbólicas a direcciones reales de memoria
Inconveniente: sigue siendo dependiente de la máquina
1.14
Lenguaje ensamblador (cont.)
Código fuente(lenguaje ensamblador)
Programa ensamblador
Código objeto(lenguaje máquina)
1.15
Lenguajes de alto nivel
Lenguaje que permite representar el mecanismo de resolución de los problemas usando instrucciones independientemente de la computadora
Cercanía conceptual al programador
Pascal, C, Java, etc. son lenguajes de alto nivel
Capacidad de abstracción
Abstracción procedimental (poder representar operaciones más complejas como calcular las raíces de un polinomio)
Abstracción de datos (poder representar información más compleja como el estado de una cuenta bancaria)
¿Cómo conseguir que la computadora “entienda” los programas escritos en lenguajes de alto nivel?
Intérprete
Analiza el programa fuente y lo ejecuta directamente en la máquina
Compilador
Analiza el programa fuente y lo traduce a lenguaje máquina
Ej. Turbo Pascal es un compilador de Pascal
1.16
El sistema operativo
Programa básico encargado de manejar el hardware y facilitar el trabajo a los demás programas (aplicaciones) proporcionándoles un conjunto de servicios genéricos
Asignación de tiempos de CPU
Control y asignación racional de los recursos de la computadora
Ejecución de programas
Controlar la E/S (ej., almacenar/recuperar en/de memoria permanente)
Control de errores y protección (ej., monitorizar la ejecución de un programa)
Interfaz con el usuario
…
¡Sin sistema operativo todo sería mucho más complicado!
1.17
El sistema operativo (cont.)
¿Quién ejecuta el sistema operativo?
Las computadoras suelen estar preparadas para, al arrancar, ejecutar un pequeño programa que, a su vez, se encarga de ejecutar el sistema operativo
En el caso de los PCs normales, se almacena en memoria un programa denominado BIOS (Basic Input/Output System), capaz de localizar en memoria secundaria el programa “cargador” del sistema operativo
1.18
Aplicaciones de propósito específico
Programas que permite en uso de la computadora para la realización de trabajos específicos y que se implantan sobre el sistema operativo
Procesadores de texto
Hojas de cálculo
Sistemas de gestión de bases de datos
Herramientas de diseño e ingeniería
Juegos
…
1.19
La programación: resolución de problemas
Un programa es una secuencia de instrucciones con un propósito concreto que un ordenador puede interpretar y ejecutar
Programar es resolver problemas
Conjunto de actividades implicadas en la descripción, el desarrollo y la implementación eficaz de soluciones algorítmicas a problemas bien especificados
Algoritmo 1. m. Conjunto ordenado y finito de operaciones que permite hallar la solución de un problema.
(Extraído del Diccionario de la RAE, 22ª edición)
Un algoritmo es, por tanto, una sistemática que transforma un estado inicial en un estado final
La entrada del programa: Precondiciones
Descripción del estado inicial (datos y situación de partida)
La salida del programa: Postcondiciones
Descripción del estado final (datos y situación deseada al acabar)
1.20
La programación: resolución de problemas (cont.)
Utilizamos los lenguajes de programación para expresar los algoritmos de forma que el ordenador los entienda
De igual forma, que utilizamos la lengua castellana para expresar nuestras ideas a otras personas
Recuerda: Programar BIEN no es sólo conocer la sintaxis de uno o varios lenguajes de programación
1.21
El problema del montón de fichas
Supongamos que tenemos un montón de fichas, cada una de las cuales tiene escrito el nombre de una persona junto con otros datos personales (fecha de nacimiento, dirección, número de teléfono). Las fichas están ordenadas alfabéticamente por el nombre.
Creamos una nueva ficha y deseamos incorporarla al montón existente.
¿Cómo dividimos el montón original en dos montones, tales que todas las fichas del primer montón precedan a la nueva en la ordenación y todas las del segundo no le precedan, pudiendo estar alguno de los montones finales vacío?
¿Cuáles son las precondiciones?
¿Cuáles son las postcondiciones?
¿Qué algoritmos se te ocurren?
¿Qué lenguaje utilizamos para describir todo lo anterior?
La programación: resolución de problemas (cont.)
1.22
(Gp:) Análisis
(Gp:) Diseño
(Gp:) Implementación
(Gp:) Pruebas
(Gp:) Mantenimiento
El Ciclo de Vida del Software
Todas las tareas a realizar desde que se concibe un programa hasta que se deja de utilizar (no sólo “hasta que se codifica” ni “hasta que se instala”)
Existen distintos modelos del ciclo de vida software, aunque nosotros estudiaremos el más simple: Modelo en Cascada
(Gp:) Análisis
(Gp:) Diseño
(Gp:) Implementación
(Gp:) Pruebas
(Gp:) Mantenimiento
(Gp:) “Quiero 3 habitaciones, 2 baños, garaje…”
(Gp:) Planos, diseño circuito eléctrico y de agua…
(Gp:) Se construye la casa
(Gp:) Se comprueba la solidez de la estructura, el funcionamiento de las instalaciones, el acabado…
(Gp:) Algunas reparaciones, se cierra la terraza, se instala aire acondicionado…
(Gp:) Casa
(Gp:) ¿Qué tiene que hacer exactamente nuestro programa?
(Gp:) ¿Cómo vamos a organizar el programa? ¿Qué partes tendrá y cómo funcionará?
(Gp:) Se construye el software
(Gp:) Ponemos a prueba nuestro programa, incluso en situaciones límite
(Gp:) Pequeñas modificaciones o correcciones (parches), actualizaciones, etc…
(Gp:) Software
¿Qué significa todo esto?
1.24
Fases en el desarrollo de una aplicación (cont.)
Análisis
Actividad en la que se analizan y clarifican los diferentes aspectos del problema que debe ser resuelto por la aplicación, con el fin de establecer claramente qué debe ser construido
El resultado es, normalmente, un documento de requisitos software que especifica claramente las funcionalidades de la aplicación
Funcionalidad = lo que tiene que hacerse (sin saber todavía cómo)
1.25
Fases en el desarrollo de una aplicación (cont.)
Diseño
Actividad en la que se decide la organización y la estructura de una aplicación que satisfaga los diferentes requisitos establecidos en la fase de análisis
El resultado es uno (o varios) documentos de diseño que especifican claramente cómo construir la aplicación
Mientras que el análisis se ocupa de qué hay que hacer, el diseño se ocupa de cómo hacerlo
Hay varias técnicas de diseño, nosotros estudiaremos una de las más básicas: el diseño funcional
1.26
Fases en el desarrollo de una aplicación (cont.)
Implementación
Actividad en la que se construye (codifica) la aplicación utilizando un lenguaje de programación concreto, y siguiendo, las directrices marcadas por los documentos de diseño
Si las actividades anteriores han sido realizadas correctamente, la fase de implementación debería ser bastante trivial
La implementación se encarga de concretar el diseño teniendo en cuenta un lenguaje y herramienta de desarrollo concreta
1.27
Fases en el desarrollo de una aplicación (cont.)
Pruebas
Actividad en la que se asegura que la aplicación construida satisface los requisitos del usuario
Se debe invertir mucho tiempo en hacer pruebas (¡mucho más que en su implementación!)
Dos pasos diferenciados
Verificación: ¿Se ajusta la aplicación construida a los requisitos establecidos?
Validación: ¿Resuelve la aplicación el problema que realmente tenía el usuario?
1.28
Fases en el desarrollo de una aplicación (cont.)
Mantenimiento
Actividad en la que la aplicación se modifica para satisfacer cambios o ampliaciones en los requisitos del usuario, corregir errores, etc.
¡Es la actividad más costosa en el desarrollo de software!(Tened en cuenta que hay programas que están muchos años en funcionamiento y lo usan miles de personas)
Estos costes pueden aliviarse si se hacen bien todo lo anterior
*Otras actividades
Confección de los manuales de usuario
Planificación y control del proyecto
Gestión de versiones
…
1.29
Fases en el desarrollo de una aplicación (cont.)
Este Modelo en Cascada, tan lineal, no suele aplicarse “tal cual” en la vida real
Conviene hacer pruebas desde las primeras fases de desarrollo, por ejemplo para detectar y corregir errores prematuros, etc.
Los programas suelen construirse en varias iteraciones (sacando primero una versión básica, luego otra con más funcionalidad añadida, etc.)
Cada iteración es un ciclo completo (análisis, diseño, pruebas, etc.), siendo el diseño más importante en las primeras y la implementación más importante en las últimas
1.30
Lenguajes de programación
Un lenguaje de programación puede describirse a tres niveles distintos:
Nivel sintáctico
Descripción de la forma (= sintaxis) de las instrucciones
Suelen utilizarse lenguajes artificiales con mucho “formalismo” (= rigor matemático y lógico)
Nivel semántico
Descripción del significado (= semántica) de las instrucciones
Puede utilizarse lenguaje natural (español, inglés, etc.) o intentar expresarse de manera más formal
Nivel pragmático
Descripción de cómo se utilizan las instrucciones
Suelen utilizarse tutoriales y ejemplos de programas…
1.31
Sintaxis de los lenguajes de programación
Conjunto de reglas que especifican y permiten verificar la corrección formal de las sentencias de un lenguaje
Formalismos utilizados:
Notación BNF (Backus-Naur Form)
Notación EBNF (Extended Backus-Naur Form)
Diagramas sintácticos
Todos ellos pueden expresar la forma de cualquier lenguaje de programación, sólo hay que elegir el que nos sea cómodo
Estos formalismos se usan para escribir documentación técnica que leen quienes quieren conocer con exactitud un lenguaje
1.32
Notación BNF
TERMINAL Símbolo (ej. una palabra) del lenguaje a definir (se escribe en letras mayúsculas)
Símbolo que se define en términos de otros símbolos (tanto terminales como no terminales) (se escribe en letras minúsculas y entre )
Regla de producción Descripción de un símbolo no terminal como equivalente a 1) una combinación de terminales y no terminales, o 2) al vacío (Ø)
(Un mismo no terminal puede tener varias reglas de producción)
Metasímbolo Símbolo propio de la notación BNF, está reservado y no puede utilizarse en ningún otro símbolo ::= Equivalencia
(lo de la izquierda equivale a lo de la derecha; es una regla de producción)
| Alternativa
(lo de la izquierda o lo de la derecha)
1.33
Sintaxis de los números enteros positivos en notación BNF
::=
::= + |
::= |
::= 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9
::=
¿Sintaxis de los números reales en notación BNF?
Notación BNF (cont.)
Recursividad
Que un símbolo aparezca dentro de su propia definición¡OJO! Pero evitando las definiciones circulares
1.34
Notación EBNF
Añade metasímbolos nuevos y cambia la forma de presentar las cosas
BNF
TERMINAL
Metasímbolo ::= Equivalencia | Alternativa
Recursividad permitida
EBNF
“terminal”
No-terminal
Metasímbolo ::= Equivalencia| Alternativa(…) Agrupación[…] Aparición opcional{…} Aparición 0, 1 o más veces
Recursividad NO permitida (se suple con {…})
Si algún símbolo del lenguaje coincide con un metasímbolo, el símbolo del lenguaje se pone entre ‘comillas simples’
Sintaxis de los números enteros positivos en notación EBNF
Numero-entero ::= [Signo] Secuencia-dígitos
Signo ::= “+”
Secuencia-dígitos ::= Dígito {Dígito}
Dígito ::= “0” | “1” | “2” | “3” | “4” | “5” | “6” | “7” | “8” | “9”
¿Sintaxis de los números reales en notación EBNF?
1.35
Notación EBNF (cont.)
1.36
Diagramas sintácticos
(Gp:) TERMINAL
(Gp:) No Terminal
Alternativa
Aparición 0, 1 o más veces
Aparición opcional
*En las reglas de producción el no terminal de la izquierda se deja sin recuadro
1.37
Diagramas sintácticos (cont.)
Sintaxis de los números enteros positivos en notación de diagramas sintácticos
¿Sintaxis de los números reales en notación de diagramas sintácticos?
+
Dígito
Dígito
1
0
9
Nº entero positivo
Dígito
…