Unidad 2

Orígenes históricos

Una pregunta inicial

¿Cómo llegamos desde contar con piedras hasta tener computadoras, Internet e inteligencia artificial?

La historia de la computación es una evolución de miles de años.

Precursores:  Computar es mucho más antiguo que las computadoras

Durante gran parte de la historia humana:

• Computar significaba calcular
• Muchas veces lo hacía una persona
• O se utilizaban herramientas para ayudar al cálculo

La computadora moderna es solo la etapa más reciente de esta evolución.

Primeras herramientas de cálculo

Las primeras civilizaciones necesitaban calcular para:

• comercio
• impuestos
• agricultura
• astronomía
• construcción

Esto llevó a la creación de instrumentos de cálculo.

El ábaco

El ábaco es uno de los instrumentos de cálculo más antiguos, con más de 2000 años de historia.

Permite realizar operaciones aritméticas mediante el movimiento de cuentas.

Características del ábaco

• Representa números mediante posiciones
• Permite sumar, restar, multiplicar y dividir
• Fue ampliamente utilizado en Asia y Europa
• Todavía se usa para enseñanza

Es un ejemplo de herramienta que amplía la capacidad humana para calcular.

El surgimiento de máquinas de cálculo

Con el desarrollo del comercio y la ciencia:

• los cálculos se volvieron más complejos
• aumentó la necesidad de automatizar el cálculo

Esto llevó a la creación de máquinas mecánicas.

La Pascalina

Inventada por Blaise Pascal (1642).

Permitía realizar sumas y restas automáticamente mediante engranajes.

Máquina de Leibniz

Gottfried Wilhelm Leibniz (1673) mejoró las máquinas de cálculo.

Su máquina podía realizar:

• suma
• resta
• multiplicación
• división

Una idea clave: el algoritmo

El matemático Al-Juarismi (820) formalizó la idea de algoritmo.

Un algoritmo es:

una secuencia finita y ordenada de pasos para resolver un problema.

Esta idea es fundamental para la computación moderna.

El sistema binario

Leibniz también estudió el sistema binario (0 y 1).

Hoy es la base del funcionamiento de todas las computadoras digitales.

Computadoras

Charles Babbage

Matemático e inventor inglés del siglo XIX.

Es considerado uno de los pioneros de la computación.

La máquina diferencial (1822)

Babbage diseñó una máquina para:

• calcular tablas matemáticas
• reducir errores humanos

Funcionaba mediante mecanismos mecánicos de engranajes.

prototipo no finalizado

La máquina analítica (1837)

Babbage propuso una máquina mucho más avanzada.

La máquina analítica tenía ideas similares a las computadoras modernas.

Conceptos revolucionarios

La máquina analítica incluía ideas clave:

• memoria
• unidad de cálculo
• entrada de datos
• salida de resultados
• programa (tarjetas perforadas)

Es sorprendentemente similar a una computadora actual.

Programas

Ada Lovelace

Ada Lovelace trabajó con Babbage (1833).

Es considerada la primera programadora de la historia.

La primera idea de programa

Ada Lovelace escribió un algoritmo para la máquina analítica.

Su trabajo anticipó ideas modernas como:

• programación
• software
• computación general

"[La máquina analítica] podría actuar sobre otras cosas además del número, se encontraron objetos cuyas relaciones fundamentales mutuas podrían ser expresadas por la de la ciencia abstracta de las operaciones, y que también deberían ser susceptibles de adaptaciones a la acción de la notación operativa y el mecanismo del motor…

Suponiendo, por ejemplo, que las relaciones fundamentales de los sonidos en la ciencia de la armonía y de la composición musical fueran susceptibles de tal expresión y adaptaciones, el motor podría componer piezas de música elaboradas y científicas de cualquier grado de complejidad o medida"

De máquinas mecánicas a computadoras

Durante el siglo XX ocurrieron avances clave:

• electrónica
• lógica matemática
• circuitos
• teoría de algoritmos

Esto llevó a la creación de las primeras computadoras.

Primer generación de computadoras (1940-1952)

Algunas de las primeras computadoras:

• Z3 (1941)
• ENIAC (1945)
• EDVAC
• Colossus

Programarlas era extremadamente complejo.

Relés y Válvulas

Segunda generación de computadoras (1956-1967)

Algunas de las primeras computadoras:

• DEC PDP-1
• IBM 1407

Primer videojuego

Transistores

Tercer generación de computadoras (1964-1971)

Algunas computadoras:

• IBM 360

Uso científico o comercial

Circuitos integrados

Cuarta generación de computadoras (1972-presente)

Algunas computadoras:

• PDP-11/70
• IBM PC
• Apple 2e

Computadoras personales

Microprocesadores

John von Neumann

Matemático del siglo XX.

En 1945 propuso un modelo conceptual para organizar las computadoras que se transformó en el estándar de la industria.

Idea clave

La propuesta principal fue:

guardar programas y datos en la misma memoria.

Esto permitió que las computadoras fueran programables y flexibles.

Arquitectura general

Componentes principales:

• CPU
• memoria
• entrada
• salida
• buses de comunicación

La CPU incluye:

• ALU
• unidad de control
• registros

CPU

La CPU (Central Processing Unit) es el "cerebro" de la computadora.

Se encarga de ejecutar instrucciones y coordinar todo el sistema.

[ Memory Address Register (MAR) | Memory Data Register (MDR) | Stack Count | Instruction | Accumulator ]

ALU

La Arithmetic Logic Unit realiza:

• operaciones matemáticas
• operaciones lógicas
• comparaciones

Aquí ocurre el procesamiento real.

Unidad de control

La unidad de control:

• interpreta instrucciones
• coordina las operaciones
• controla el flujo de datos

[ Memory Address Register (MAR) | Memory Data Register (MDR) | Stack Count | Instruction | Accumulator ]

Registros

Los registros son memorias muy pequeñas y muy rápidas dentro de la CPU.

Se usan para almacenar datos temporales durante la ejecución.

[ Memory Address Register (MAR) | Memory Data Register (MDR) | Stack Count | Instruction | Accumulator ]

Memoria principal

La memoria principal almacena:

• programas
• datos
• resultados intermedios

Ejemplo actual: RAM

[ Memory Address Register (MAR) | Memory Data Register (MDR) | Stack Count | Instruction | Accumulator ]

Dispositivos de entrada

Permiten introducir información al sistema.

Ejemplos:

• teclado
• mouse
• sensores
• red

Dispositivos de salida

Permiten obtener los resultados.

Ejemplos:

• monitor
• impresora
• almacenamiento
• red

Buses

Los buses conectan los componentes del sistema.

Transportan:

• datos
• direcciones
• señales de control

Ciclo de instrucción

Las computadoras ejecutan instrucciones mediante un ciclo continuo:

1. Fetch     [obtener]
2. Decode [interpretar]
3. Execute [ejecutar]
4. Store     [guardar]

Este ciclo se repite continuamente, en millones de instrucciones por segundo.

Arquitectura de von Neumann

• el cuello de botella de von Neumann (memoria única datos e instrucciones)

• el paralelismo limitado

• la eficiencia energética

Es el modelo de arquitectura conceptual dominante

No es la única forma de organizar una computadora

Los procesadores actuales son en realidad híbridos

Problemas:

Otras arquitecturas de computadoras

Arquitectura Harvard

Idea principal:

separar la memoria de instrucciones de la memoria de datos

Esto permite:

• acceder a instrucciones y datos al mismo tiempo
• mejorar el rendimiento

Dónde se usa Harvard

Este tipo de arquitectura se utiliza mucho en:

• microcontroladores
• sistemas embebidos
• dispositivos electrónicos pequeños

Ejemplos:

• Arduino
• controladores industriales
• electrodomésticos inteligentes

Procesadores con múltiples núcleos

Las computadoras modernas suelen tener varios procesadores trabajando en paralelo.

Ejemplo:

un CPU con

• 4 núcleos
• 8 núcleos
• 16 núcleos

Esto permite ejecutar varias tareas al mismo tiempo real

Computación paralela

La idea es dividir un problema grande en muchas partes más pequeñas.

Cada procesador trabaja en una parte.

Ejemplos donde esto es importante:

• simulaciones científicas
• inteligencia artificial
• análisis de grandes volúmenes de datos

GPU y procesamiento vectorial

Las GPUs (Graphics Processing Units) fueron diseñadas originalmente para gráficos.

Pero hoy también se usan para:

• inteligencia artificial
• simulaciones
• cálculo científico

Una GPU puede tener miles de núcleos simples.

Computación neuromórfica

Algunos investigadores están diseñando computadoras inspiradas en el cerebro humano.

Características:

• redes de neuronas artificiales
• comunicación por señales
• gran eficiencia energética

Las computadoras modernas son híbridas

Los procesadores actuales combinan varias ideas:

• modelo Von Neumann
• múltiples núcleos
• unidades SIMD
• GPUs
• memorias cache separadas

Es decir:

la arquitectura real es una combinación de varios enfoques.