7 Lectura opcional
Para comprender mejor el entorno en el que programamos, es útil conocer algunos aspectos históricos y conceptuales de la computación. En este capítulo opcional, exploraremos una breve reseña sobre el desarrollo de las computadoras, desde sus orígenes hasta la actualidad. También definiremos los conceptos de hardware y software, elementos fundamentales que permiten el funcionamiento de cualquier sistema informático. Aunque no es imprescindible para aprender R, esta información proporciona un contexto valioso sobre la evolución de la tecnología y su impacto en la programación.
7.1 Breve reseña histórica sobre la programación
La historia de la programación está vinculada directamente con la de la computación. Esta palabra proviene del latín computatio, que deriva del verbo computare, cuyo significado es “enumerar cantidades”. Computación, en este sentido, designa la acción y efecto de computar, realizar una cuenta, un cálculo matemático. De allí que antiguamente computación fuese un término usado para referirse a los cálculos realizados por una persona con un instrumento expresamente utilizado para tal fin (como el ábaco, por ejemplo) o sin él. En este sentido, la computación ha estado presente desde tiempos ancestrales, sin embargo debemos remontarnos al siglo XVII para encontrar los primeros dispositivos diseñados para automatizar cómputos matemáticos.
En 1617 el matemático escocés John Napier (el mismo que definió los logaritmos) inventó un sistema conocido como los huesos de Napier o huesos neperianos que facilitaba la tarea de multiplicar, dividir y tomar raíces cuadradas, usando unas barras de hueso o marfil que tenían dígitos grabados. Esta fue la base para otras ideas más avanzadas, entre ellas la que dio origen a la primera calculadora mecánica, inventada por el alemán Wilhelm Schickard en 1623, capaz de realizar cómputos aritméticos sencillos funcionando a base de ruedas y engranajes. Se componía de dos mecanismos diferenciados, un ábaco de Napier de forma cilíndrica en la parte superior y un mecanismo en la inferior para realizar sumas parciales de los resultados obtenidos con el aparato de la parte superior. Fue llamado reloj calculador. A partir de aquí se fueron desarrollando otros modelos, todos ellos teniendo en común el hecho de ser puramente mecánicos, sin motores ni otras fuentes de energía. El operador ingresaba números ubicando ruedas de metal en posiciones particulares y al girarlas otras partes de la máquina se movían y mostraban el resultado. Algunos ejemplos son las calculadoras del inglés William Oughtred en 1624, de Blaise Pascal en 1645 (llamada pascalina), la de Samuel Morland en 1666 y las de Leibniz, en 1673 y 1694.
El siglo XVIII trajo consigo algunos otros diseños, pero un gran salto se dio a comienzos del siglo XIX de mano de un tejedor y comerciante francés, Joseph Jacquard. En 1801 creó un telar que tenía un sistema de tarjetas perforadas para controlar las puntadas del tejido, de forma que fuera posible programar una gran diversidad de tramas y figuras. Sin saberlo, Jacquard sentó una idea fundamental para la creación de las computadoras.
En 1822 el matemático británico Charles Babbage publicó un diseño para la construcción de una máquina diferencial, que podía calcular valores de funciones polinómicas mediante el método de las diferencias. Este complejo sistema de ruedas y engranajes era el primero que podía trabajar automáticamente utilizando resultados de operaciones previas. Si bien el diseño era viable, por motivos técnicos y económicos no lo pudo concretar (sólo construyó un modelo de menor escala). Sin embargo, Babbage no se dio por vencido y en 1837 presentó el diseño de una máquina analítica, un aparato capaz de ejecutar cualquier tipo de cálculo matemático y que, por lo tanto, se podría utilizar con cualquier propósito. Tal como el telar de Jacquard, la operación de esta máquina sería controlada por un patrón de perforaciones hechas sobre una tarjetas que la misma podría leer. Al cambiar el patrón de las perforaciones, se podría cambiar el comportamiento de la máquina para que resuelva diferentes tipos de cálculos. Para la salida de resultados, la máquina sería capaz de perforar tarjetas. Además, funcionaría con un motor a vapor y su tamaño hubiese sido de 30 metros de largo por 10 de ancho. Si bien Babbage tampoco llegó a concretar en vida este diseño que dejó plasmado en más de 300 dibujos y 2200 páginas por motivos políticos, se lo considera como la primera conceptualización de lo que hoy conocemos como computadora, por lo cual Babbage es conocido como el padre de la computación.
En 1843 Lady Ada Lovelace, una matemática y escritora británica, publicó una serie de notas sobre la máquina analítica de Babbage, en las que resaltaba sus potenciales aplicaciones prácticas, incluyendo la descripción detallada de tarjetas perforadas para que sea capaz de calcular los números de Bernoulli. Al haber señalado los pasos para que la máquina pueda cumplir con estas y otras tareas, Ada es considerada actualmente como la primera programadora del mundo, a pesar de que en la época no fue tomada en serio por la comunidad científica, principalmente por su condición de mujer.
La utilidad de las tarjetas perforadas quedó confirmada en 1890, cuando Herman Hollerith las utilizó para automatizar la tabulación de datos en el censo de Estados Unidos. Las perforaciones en determinados lugares representaban información como el sexo o la edad de las personas, logrando que se pudieran lograr clasificaciones y conteos de forma muy veloz. Así, se tardaron sólo 3 años en procesar la información del censo, cinco años menos que en el anterior de 1880. Con el fin de comercializar esta tecnología, Hollerith fundó una compañía que terminaría siendo la famosa International Business Machine (IBM), empresa líder en informática hasta el día de hoy.
Sin embargo, la visión de Babbage de una computadora programable no se hizo realidad hasta los años 1940, cuando el advenimiento de la electrónica hizo posible superar a los dispositivos mecánicos existentes. John Atanasoff y Clifford Berry (Iowa State College, Estados Unidos) terminaron en 1942 en Iowa State College (Estados Unidos) una computadora electrónica capaz de resolver sistemas de ecuaciones lineales simultáneas, llamada ABC (por “Atanasoff Berry Computer”). La misma contaba con 300 tubos de vacío, unas bombillas de vidrio con ciertos componentes que podían recibir y modificar una señal eléctrica mediante el control del movimiento de los electrones produciendo una respuesta, que habían sido presentados por primera vez en 1906 por el estadounidense Lee De Forest. La ABC dio comienzo a la conocida como la primera generación de computadoras basadas en el empleo de tubos de vacío.
La primera computadora electrónica de propósito general fue la ENIAC, Electronic Numerical Integrator and Computer, completada por Presper Eckert y John Mauchly en la Universidad de Pensilvania. Podía realizar cinco mil operaciones aritmética por segundo y tenía más de 18000 tubos de vacío, ocupando una sala de 9x15 metros en un sótano de la universidad donde se montó un sistema de aire acondicionado especial.
Ni la ABC ni la ENIAC eran reprogramables: la ABC servía el propósito específico de resolver sistemas de ecuaciones y la ENIAC era controlada conectando ciertos cables en un panel, lo que hacía muy compleja su programación. El siguiente gran avance se produjo en 1945, cuando el matemático húngaro-estadounidense John von Neumann (Universidad de Princeton) propuso que los programas, es decir, las instrucciones para que la máquina opere, y también los datos necesarios, podrían ser representados y guardados en una memoria electrónica interna. Así nació el concepto de programa almacenado (o stored-program), en contraposición con el uso de tableros de conexiones y mecanismos similares de los modelos vigentes. Los creadores de la ENIAC, bajo la consultoría de von Neumann, implementaron esto en el diseño de su sucesora, la EDVAC, terminada en 1949. También ya había experimentado con esta idea el alemán Konrad Zuse, quien entre 1937 y 1941 desarrolló la Z3, por lo cual es considerada por algunos como la primera máquina completamente automática y programable. En lugar de usar tubos de vacíos, empleaba un conjunto de 2600 relés, unos dispositivos electromagnéticos inventados en 1835 y empleados, por ejemplo, en telegrafía. El modelo original de la Z3 fue destruido en Berlín por un bombardeo durante la segunda guerra mundial.
Este nuevo paradigma cambió la historia de la computación, como también lo hizo la invención del transistor en 1947 en los Laboratorios Bell. Un transistor es un dispositivo electrónico semiconductor que entrega una señal de salida en respuesta a una señal de entrada, mucho más pequeño que los tubos de vacío y que consumen menos energía eléctrica. Así, una computadora podía tener cientos de miles de transistores, no obstante ocupando mucho espacio.
Desde entonces, la computación ha evolucionado muy rápidamente, con la introducción de nuevos sistemas y conceptos, que llegan a los complejos y poderosos diseños electrónicos que caracterizan la vida actual. En un intento de caracterizar y resumir esta impactante evolución, algunos historiadores dividen al desarrollo de las computadoras modernas en “generaciones”.
7.2 Niveles de abstracción de los lenguajes de programación
Si bien hay distintos lenguajes de programación, una computadora en definitiva es un aparato que sólo sabe hablar en binario, es decir, sólo interpreta señales eléctricas con dos estados posibles, los cuales son representados por los dígitos binarios 0 y 1. Toda instrucción que recibe la computadora se construye mediante una adecuada y larga combinación de ceros y unos1. Este sistema de código con ceros y unos que la computadora interpreta como instrucciones o conjuntos de datos se llama lenguaje de máquina (o código de máquina).
Programar en lenguaje de máquina es muy complejo y lento, es fácil cometer errores pero es difícil arreglarlos. Por eso a principios de la década de 1950 se inventaron los lenguajes ensambladores, que usan palabras para representar simbólicamente las operaciones que debe realizar la computadora. Cada una de estas palabras reemplaza un código de máquina binario, siendo un poco más fácil programar. Imaginemos que deseamos crear un programa que permita sumar dos números elegidos por una persona. La computadora puede hacer esto si se lo comunicamos mediante un mensaje compuesto por una larga cadena de ceros y unos (lenguaje de máquina) que a simple vista no podríamos entender. Sin embargo, escrito en lenguaje ensamblador, el programa se vería así (por ejemplo):
El programa que se encarga de traducir esto al código de máquina se llama ensamblador. A pesar de que no haya ceros y unos como en el lenguaje de máquina, probablemente el código anterior tampoco sea fácil de entender. Aparecen instrucciones que tal vez podemos interpretar, como add por sumar o sub por substraer, pero está lleno de cálculos hexadecimales, referencias a posiciones en la memoria de la computadora y movimientos de valores que no lo hacen muy amigable. Por eso, a pesar de que la existencia de los lenguajes ensambladores simplificó mucho la comunicación con la computadora, se hizo necesario desarrollar lenguajes que sean aún más sencillos de usar.
Por ejemplo, con el lenguaje que vamos a aprender, R, el problema de la imagen anterior, que consiste en pedirle a una persona que ingrese dos números para luego sumarlos se resumen en las siguientes líneas de código:
n1 <- scan()
n2 <- scan()
print(n1 + n2)En las dos primeras líneas con la instrucción scan() (que quiere decir “escanear”, “leer”) se le pide a la persona que indique dos números y en la tercera línea se muestra el resultado de la suma, con la instrucción print() (“imprimir”, “mostrar”). Mucho más corto y entendible.
Esta simplificación es posible porque nos permitimos ignorar ciertos aspectos del proceso que realiza la computadora. Todas esas acciones que se ven ejemplificadas en la imagen con el código ensamblador se llevan a cabo de todas formas, pero no lo vemos. Nosotros sólo tenemos que aprender esas últimas tres líneas de código, de forma que nos podemos concentrar en el problema a resolver (ingresar dos números, sumarlos y mostrar el resultado) y no en las complejas operaciones internas que tiene que hacer el microprocesador.
En programación, la idea de simplificar un proceso complejo ignorando algunas de sus partes para comprender mejor lo que hay que realizar y así resolver un problema se conoce como abstracción2. Esto quiere decir que los lenguajes de programación pueden tener distintos niveles de abstracción:
- Lenguajes de bajo nivel de abstracción: permiten controlar directamente el hardware de la computadora, son específicos para cada tipo de máquina, y son más rígidos y complicados de entender para nosotros. El lenguaje ensamblador entra en esta categoría.
- Lenguajes de alto nivel de abstracción: diseñados para que sea fácil para los humanos expresar los algoritmos sin necesidad de entender en detalle cómo hace exactamente el hardware para ejecutarlos. El lenguaje que utilizaremos en este taller, R, es de alto nivel. Son independientes del tipo de máquina.
- Lenguajes de nivel medio de abstracción: son lenguajes con características mixtas entre ambos grupos anteriores.
Si bien podemos programar usando un lenguaje de alto nivel para que nos resulte más sencillo, alguien o algo debe traducirlo a lenguaje de máquina para que la computadora, que sólo entiende de ceros y unos, pueda realizar las tareas. Esto también es necesario incluso si programáramos en lenguaje ensamblador. Para estos procesos de traducción se crearon los compiladores e intérpretes.
Un compilador es un programa que toma el código escrito en un lenguaje de alto nivel y lo traduce a código de máquina, guardándolo en un archivo que la computadora ejecutará posteriormente (archivo ejecutable). Para ilustrar el rol del compilador, imaginemos que alguien que sólo habla español le quiere mandar una carta escrita en español a alguien que vive en Alemania y sólo habla alemán. Cuando esta persona la reciba, no la va a entender. Se necesita de un intermediario que tome la carta en español, la traduzca y la escriba en alemán y luego se la mande al destinatario, quien ahora sí la podrá entender. Ese es el rol de un compilador en la computadora. Ahora bien, el resultado de la traducción, que es la carta escrita en alemán, sólo sirve para gente que hable alemán. Si se quiere enviar el mismo mensaje a personas que hablen otros idiomas, necesitaremos hacer la traducción que corresponda. De la misma forma, el código generado por un compilador es específico para cada máquina, depende de su arquitectura.
Además de los compiladores, para realizar este pasaje también existen los intérpretes. Un intérprete es un programa que traduce el código escrito en lenguaje de alto nivel a código de máquina, pero lo va haciendo a medida que se necesita, es decir, su resultado reside en la memoria temporal de la computadora y no se genera ningún archivo ejecutable. Siguiendo con el ejemplo anterior, es similar a viajar a Alemania con un intérprete que nos vaya traduciendo en vivo y en directo cada vez que le queramos decir algo a alguien de ese país. En su implementación por defecto, el lenguaje R es interpretado, no compilado.
Concluyendo, gracias al concepto de la abstracción podemos escribir programas en un lenguaje que nos resulte fácil entender, y gracias al trabajo de los compiladores e intérpretes la computadora podrá llevar adelante las tareas necesarias.
7.3 Software y hardware
Como podemos ver, en la historia de la computación hubo dos aspectos que fueron evolucionando: las máquinas y los programas que las dirigen. Hacemos referencia a estos elementos como hardware y software respectivamente, y es la conjunción de ambos la que le da vida a la computación y hace posible la programación.
El hardware es el conjunto de piezas físicas y tangibles de la computadora. Existen diversas formas de clasificar a los elementos que componene al hardware, según distintos criterios:
(#tab:hardware) Clasificación del hardware| Critero | Clasificación | Descripción | Ejemplos |
|---|---|---|---|
| Según su utilidad | Dispositivos de procesamiento | Son los que reciben las instrucciones mediante señales eléctricas y usan cálculos y lógica para interpretarlas y emitir otras señales eléctricas como resultado. | microprocesador, tarjeta gráfica, tarjeta de sonido, etc. |
| Dispositivos de almacenamiento | Son capaces de guardar información para que esté disponible para el sistema. | disco duro, pen drive, DVD, etc. | |
| Dispositivos de entrada | Captan instrucciones por parte de los usuarios y las transforman en señales eléctricas interpretables por la máquina. | teclado, mouse, touch pad, etc. | |
| Dispositivos de salida | Transforman los resultados de los dispositivos de procesamiento para presentarlos de una forma fácilmente interpretable para el usuario. | monitor, impresora, etc | |
| Según su ubicación | Dispositivos internos | Generalmente se incluye dentro de la carcasa de la computadora. | microprocesador, disco rígido, ventiladores, módem, tarjeta gráfica, fuente de alimentación, puertos, etc. |
| Dispositivos externos o periféricos | No se incluye dentro de la carcasa de la computadora y está al alcance del usuario | monitor, teclado, mouse, joystick, micrófono, impresora, escáner, pen drive, lectores de código de barras, etc. | |
| Según su importancia | Hardware principal | Dispositvos esenciales para el funcionamiento de la computadora | microprocesador, disco rígido, memoria RAM, fuente de alimentación, monitor, etc. |
| Hardware complementario | Aquellos elementos no indispensables (claramente, dependiendo del contexto, alguna pieza del hardware que en alguna situación podría considerarse complementaria, en otras resulta principal). |
\(~\)
Por otro lado tenemos al software, que es el conjunto de todos los programas (es decir, todas las instrucciones que recibe la computadora) que permiten que el hardware funcione y que se pueda concretar la ejecución de las tareas. No tiene una existencia física, sino que es intangible. El software se puede clasificar de la siguiente forma:
(#tab:software) Clasificación del software| Clasificación | Descripción | Ejemplos |
|---|---|---|
| Software de sistema o software base | Son los programas informáticos que están escritos en lenguaje de bajo nivel como el de máquina o ensamblador y cuyas instrucciones controlan de forma directa el hardware. | BIOS o UEFIs (sistemas que se encargan de operaciones básicas como el arranque del sistema, la configuración del hardware, etc), sistemas operativos (Linux, Windows, iOS, Android), controladores o drivers, etc. |
| Software de aplicación o utilitario | Son los programas o aplicaciones que usamos habitualmente para realizar alguna tarea específica. | procesadores de texto como Word, reproductor de música, Whatsapp, Guaraní, navegadores web, juegos, etc. |
| Software de programación o de desarrollo | Son los programas y entornos que nos permiten desarrollar nuestras propias herramientas de software o nuevos programas. Aquí se incluyen los lenguajes de programación. | C++, Java, Python, R, etc. |
Como podés leer en Sección 7.1, las primeras computadoras no se manejaban con lenguajes de programación, sino que para introducir información e instrucciones en las primeras computadoras se usaban tarjetas perforadas, en las cuales los orificios representaban un “0” y las posiciones que no los tenían se entendían como un “1”, de modo que la máquina podía operar empleando el sistema binario.↩︎
La abstracción no es una idea exclusiva de la programación. Se encuentra, también, por ejemplo, en el arte abstracto.↩︎