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 …