Computadora

Una computadora es una máquina que puede programarse para realizar automáticamente secuencias de operaciones aritméticas o lógicas ( computación ). Las computadoras electrónicas digitales modernas pueden realizar conjuntos genéricos de operaciones conocidas como programas . Estos programas permiten a las computadoras realizar una amplia gama de tareas. El término sistema informático puede referirse a una computadora nominalmente completa que incluye el hardware , el sistema operativo , el software y el equipo periférico necesario y utilizado para su funcionamiento completo; o a un grupo de computadoras que están conectadas y funcionan juntas, como una red de computadoras o un clúster de computadoras .

Una amplia gama de productos industriales y de consumo utilizan computadoras como sistemas de control , incluidos dispositivos simples para propósitos especiales como hornos microondas y controles remotos , y dispositivos de fábrica como robots industriales . Las computadoras son el núcleo de los dispositivos de propósito general, como las computadoras personales y los dispositivos móviles como los teléfonos inteligentes . Las computadoras impulsan Internet , que conecta a miles de millones de computadoras y usuarios.

Las primeras computadoras estaban destinadas a ser utilizadas únicamente para cálculos. Los instrumentos manuales simples como el ábaco han ayudado a las personas a hacer cálculos desde la antigüedad. A principios de la Revolución Industrial , se construyeron algunos dispositivos mecánicos para automatizar tareas largas y tediosas, como guiar patrones para telares . Las máquinas eléctricas más sofisticadas hicieron cálculos analógicos especializados a principios del siglo XX. Las primeras máquinas calculadoras electrónicas digitales se desarrollaron durante la Segunda Guerra Mundial , tanto electromecánicas como con válvulas termoiónicas . Los primeros transistores semiconductores a fines de la década de 1940 fueron seguidos por los MOSFET (transistor MOS) basados ​​en silicio y las tecnologías de chips de circuitos integrados monolíticos a fines de la década de 1950, lo que condujo al microprocesador y la revolución de los microordenadores en la década de 1970. La velocidad, la potencia y la versatilidad de las computadoras han aumentado drásticamente desde entonces, con el recuento de transistores aumentando a un ritmo rápido ( la ley de Moore señaló que los recuentos se duplicaban cada dos años), lo que condujo a la Revolución Digital durante fines del siglo XX y principios del XXI.

Convencionalmente, una computadora moderna consta de al menos un elemento de procesamiento , típicamente una unidad central de procesamiento (CPU) en forma de microprocesador , junto con algún tipo de memoria de computadora , típicamente chips de memoria semiconductores . El elemento de procesamiento lleva a cabo operaciones aritméticas y lógicas, y una unidad de secuenciación y control puede cambiar el orden de las operaciones en respuesta a la información almacenada . Los dispositivos periféricos incluyen dispositivos de entrada ( teclados , ratones , joysticks , etc.), dispositivos de salida ( monitores , impresoras , etc.) y dispositivos de entrada/salida que realizan ambas funciones (por ejemplo, pantallas táctiles ). Los dispositivos periféricos permiten recuperar información de una fuente externa y permiten guardar y recuperar los resultados de las operaciones.

No fue hasta mediados del siglo XX que la palabra adquirió su definición moderna; según el Oxford English Dictionary , el primer uso conocido de la palabra computadora fue en un sentido diferente, en un libro de 1613 llamado The Yong Mans Gleanings del escritor inglés Richard Brathwait : "He leído la computadora más verdadera de los tiempos, y el mejor aritmético que jamás haya respirado , y él reduce tus días a un número corto". Este uso del término se refería a una computadora humana , una persona que realizaba cálculos o computaciones . La palabra continuó teniendo el mismo significado hasta mediados del siglo XX. Durante la última parte de este período, a menudo se contrataba a mujeres como computadoras porque se les podía pagar menos que a sus contrapartes masculinas. ^[1] En 1943, la mayoría de las computadoras humanas eran mujeres. ^[2]

El Diccionario Etimológico Online da el primer uso atestiguado de computadora en la década de 1640, con el significado de 'alguien que calcula'; este es un "sustantivo agente de computar (v.)". El Diccionario Etimológico Online afirma que el uso del término para significar " 'máquina calculadora' (de cualquier tipo) es de 1897". El Diccionario Etimológico Online indica que el "uso moderno" del término, para significar 'computadora electrónica digital programable' data de "1945 bajo este nombre; [en un] sentido teórico] desde 1937, como máquina de Turing ". ^[3] El nombre se ha mantenido, aunque las computadoras modernas son capaces de muchas funciones de nivel superior.

Los dispositivos se han utilizado para ayudar a los cálculos durante miles de años, principalmente mediante correspondencia uno a uno con los dedos . El primer dispositivo de conteo probablemente fue una especie de palo de conteo . Las ayudas para llevar registros posteriores en toda la Media Luna Fértil incluyeron cálculos (esferas de arcilla, conos, etc.) que representaban recuentos de elementos, probablemente ganado o granos, sellados en recipientes huecos de arcilla sin cocer. ^{[a] [4]} El uso de varillas de conteo es un ejemplo.

El ábaco se utilizó inicialmente para tareas aritméticas. El ábaco romano se desarrolló a partir de dispositivos utilizados en Babilonia ya en el año 2400 a. C. Desde entonces, se han inventado muchas otras formas de tablas o tableros de cálculo. En una casa de contabilidad europea medieval , se colocaba un paño a cuadros sobre una mesa y se movían marcadores sobre él de acuerdo con ciertas reglas, como ayuda para calcular sumas de dinero. ^[5]

Se cree que el mecanismo de Antikythera es la computadora analógica mecánica más antigua conocida , según Derek J. de Solla Price . ^[6] Fue diseñado para calcular posiciones astronómicas. Fue descubierto en 1901 en el naufragio de Antikythera frente a la isla griega de Antikythera , entre Kythera y Creta , y se ha datado aproximadamente en el año  100 a. C. Los dispositivos de complejidad comparable al mecanismo de Antikythera no reaparecerían hasta el siglo XIV. ^[7]

Se construyeron muchas ayudas mecánicas para el cálculo y la medición con fines astronómicos y de navegación. El planisferio era un mapa estelar inventado por Abū Rayhān al-Bīrūnī a principios del siglo XI. ^[8] El astrolabio se inventó en el mundo helenístico en el siglo I o II a. C. y a menudo se atribuye a Hiparco . Una combinación del planisferio y la dioptra , el astrolabio era en realidad una computadora analógica capaz de resolver varios tipos diferentes de problemas en astronomía esférica . Un astrolabio que incorporaba un calendario mecánico computarizado ^{[9] [10]} y ruedas dentadas fue inventado por Abi Bakr de Isfahán , Persia , en 1235. ^[11] Abū Rayhān al-Bīrūnī inventó el primer astrolabio lunisolar con calendario mecánico con engranajes, ^[12] una temprana máquina de procesamiento de conocimiento con cables fijos ^[13] con un tren de engranajes y ruedas dentadas, ^{[14] alrededor} del año  1000 d . C.

El sector , un instrumento de cálculo utilizado para resolver problemas de proporción, trigonometría , multiplicación y división, y para diversas funciones, como cuadrados y raíces cúbicas, fue desarrollado a finales del siglo XVI y encontró aplicación en artillería, topografía y navegación.

El planímetro era un instrumento manual que permitía calcular el área de una figura cerrada trazándola sobre ella mediante un mecanismo mecánico.

La regla de cálculo fue inventada alrededor de 1620-1630 por el clérigo inglés William Oughtred , poco después de la publicación del concepto de logaritmo . Es una computadora analógica operada manualmente para realizar multiplicaciones y divisiones. A medida que avanzaba el desarrollo de la regla de cálculo, las escalas añadidas proporcionaron recíprocos, cuadrados y raíces cuadradas, cubos y raíces cúbicas, así como funciones trascendentales como logaritmos y exponenciales, trigonometría circular e hiperbólica y otras funciones . Las reglas de cálculo con escalas especiales todavía se utilizan para realizar rápidamente cálculos rutinarios, como la regla de cálculo circular E6B utilizada para cálculos de tiempo y distancia en aviones ligeros.

En la década de 1770, Pierre Jaquet-Droz , un relojero suizo , construyó una muñeca mecánica ( autómata ) que podía escribir sosteniendo una pluma de ave. Al cambiar el número y el orden de sus ruedas internas, se podían producir diferentes letras y, por lo tanto, diferentes mensajes. En efecto, se la podía "programar" mecánicamente para que leyera instrucciones. Junto con otras dos máquinas complejas, la muñeca se encuentra en el Museo de Arte e Historia de Neuchâtel , Suiza , y todavía funciona. ^[15]

Entre 1831 y 1835, el matemático e ingeniero Giovanni Plana ideó una máquina de calendario perpetuo que, mediante un sistema de poleas y cilindros, podía predecir el calendario perpetuo de cada año desde el 0 d. C. (es decir, el 1 a. C.) hasta el 4000 d. C., llevando un registro de los años bisiestos y de la duración variable de los días. La máquina de predicción de mareas inventada por el científico escocés Sir William Thomson en 1872 fue de gran utilidad para la navegación en aguas poco profundas. Utilizaba un sistema de poleas y cables para calcular automáticamente los niveles de marea previstos para un período determinado en una ubicación particular.

El analizador diferencial , una computadora analógica mecánica diseñada para resolver ecuaciones diferenciales por integración , utilizaba mecanismos de rueda y disco para realizar la integración. En 1876, Sir William Thomson ya había discutido la posible construcción de tales calculadoras, pero se había visto obstaculizado por el par de salida limitado de los integradores de bolas y discos . ^[16] En un analizador diferencial, la salida de un integrador impulsaba la entrada del siguiente integrador, o una salida gráfica. El amplificador de par fue el avance que permitió que estas máquinas funcionaran. A partir de la década de 1920, Vannevar Bush y otros desarrollaron analizadores diferenciales mecánicos.

En la década de 1890, el ingeniero español Leonardo Torres Quevedo comenzó a desarrollar una serie de máquinas analógicas avanzadas que podían resolver raíces reales y complejas de polinomios , ^{[17] [18] [19] [20]} que fueron publicadas en 1901 por la Academia de Ciencias de París . ^[21]

Charles Babbage , ingeniero mecánico y erudito inglés , fue el creador del concepto de computadora programable. Considerado el " padre de la computadora ", ^[22] concibió e inventó la primera computadora mecánica a principios del siglo XIX.

Después de trabajar en su máquina diferencial , anunció su invención en 1822, en un artículo para la Royal Astronomical Society , titulado "Nota sobre la aplicación de maquinaria al cálculo de tablas astronómicas y matemáticas". ^[23] También diseñó un motor analítico para ayudar en los cálculos de navegación; en 1833 se dio cuenta de que era posible un diseño mucho más general. La entrada de programas y datos se proporcionaría a la máquina a través de tarjetas perforadas , un método que se utilizaba en ese momento para dirigir telares mecánicos como el telar Jacquard . Para la salida, la máquina tendría una impresora, un trazador de curvas y una campana. La máquina también podría perforar números en tarjetas para leerlos más tarde. El motor incorporaría una unidad lógica aritmética , flujo de control en forma de ramificación condicional y bucles , y memoria integrada , lo que lo convirtió en el primer diseño de una computadora de propósito general que podría describirse en términos modernos como Turing-completo . ^{[24] [25]}

La máquina se adelantó a su tiempo en un siglo. Todas las piezas de la máquina debían fabricarse a mano, lo que suponía un gran problema para un dispositivo con miles de piezas. Finalmente, el proyecto se disolvió cuando el gobierno británico decidió dejar de financiarlo. El fracaso de Babbage en completar la máquina analítica se puede atribuir principalmente a dificultades políticas y financieras, así como a su deseo de desarrollar una computadora cada vez más sofisticada y avanzar más rápido que cualquier otro. Sin embargo, su hijo, Henry Babbage , completó una versión simplificada de la unidad de cómputo de la máquina analítica (el molino ) en 1888. Hizo una demostración exitosa de su uso en tablas de cómputo en 1906.

En su obra Ensayos sobre la automática publicada en 1914, Leonardo Torres Quevedo escribió una breve historia de los esfuerzos de Babbage por construir una máquina diferencial mecánica y una máquina analítica. El artículo contiene un diseño de una máquina capaz de calcular fórmulas como , para una secuencia de conjuntos de valores. Toda la máquina debía ser controlada por un programa de solo lectura , que se completaba con disposiciones para la ramificación condicional . También introdujo la idea de la aritmética de punto flotante . ^{[26] [27] [28]} En 1920, para celebrar el centenario de la invención del aritmómetro , Torres presentó en París el Aritmómetro electromecánico, que permitía al usuario ingresar problemas aritméticos a través de un teclado , y calcular e imprimir los resultados, ^{[29] [30] [31] [32]} demostrando la viabilidad de una máquina analítica electromecánica. ^[33]$Estilo de visualización a^{x}(yz)^{2}}$

Durante la primera mitad del siglo XX, muchas necesidades de computación científica fueron satisfechas por computadoras analógicas cada vez más sofisticadas, que usaban un modelo mecánico o eléctrico directo del problema como base para el cálculo . Sin embargo, no eran programables y generalmente carecían de la versatilidad y precisión de las computadoras digitales modernas. ^[34] La primera computadora analógica moderna fue una máquina de predicción de mareas , inventada por Sir William Thomson (que luego se convertiría en Lord Kelvin) en 1872. El analizador diferencial , una computadora analógica mecánica diseñada para resolver ecuaciones diferenciales por integración utilizando mecanismos de rueda y disco, fue conceptualizado en 1876 por James Thomson , el hermano mayor del más famoso Sir William Thomson. ^[16]

El arte de la computación analógica mecánica alcanzó su apogeo con el analizador diferencial , construido por HL Hazen y Vannevar Bush en el MIT a partir de 1927. Este se basó en los integradores mecánicos de James Thomson y los amplificadores de par inventados por HW Nieman. Se construyeron una docena de estos dispositivos antes de que se hiciera evidente su obsolescencia. En la década de 1950, el éxito de las computadoras electrónicas digitales había significado el fin de la mayoría de las máquinas de computación analógica, pero las computadoras analógicas siguieron utilizándose durante la década de 1950 en algunas aplicaciones especializadas como la educación ( regla de cálculo ) y la aviación ( sistemas de control ).

La tesis de maestría de Claude Shannon de 1937 sentó las bases de la computación digital, siendo su idea de aplicar el álgebra de Boole al análisis y síntesis de circuitos de conmutación el concepto básico que subyace a todas las computadoras digitales electrónicas. ^{[35] [36]}

En 1938, la Marina de los Estados Unidos había desarrollado una computadora analógica electromecánica lo suficientemente pequeña como para usarla a bordo de un submarino . Se trataba de la Torpedo Data Computer , que utilizaba la trigonometría para resolver el problema de disparar un torpedo a un objetivo en movimiento. Durante la Segunda Guerra Mundial también se desarrollaron dispositivos similares en otros países.

Las primeras computadoras digitales eran electromecánicas ; los interruptores eléctricos accionaban relés mecánicos para realizar el cálculo. Estos dispositivos tenían una velocidad de funcionamiento baja y finalmente fueron reemplazados por computadoras totalmente eléctricas mucho más rápidas, que originalmente usaban tubos de vacío . La Z2 , creada por el ingeniero alemán Konrad Zuse en 1939 en Berlín , fue uno de los primeros ejemplos de una computadora con relés electromecánicos. ^[37]

En 1941, Zuse siguió con su máquina anterior con la Z3 , la primera computadora digital completamente automática, programable y electromecánica del mundo . ^{[40] [41]} La Z3 se construyó con 2000 relés , implementando una longitud de palabra de 22 bits que operaba a una frecuencia de reloj de aproximadamente 5-10 Hz . ^[42] El código del programa se suministraba en película perforada mientras que los datos se podían almacenar en 64 palabras de memoria o suministrar desde el teclado. Era bastante similar a las máquinas modernas en algunos aspectos, siendo pionera en numerosos avances como los números de punto flotante . En lugar del sistema decimal más difícil de implementar (utilizado en el diseño anterior de Charles Babbage ), el uso de un sistema binario significaba que las máquinas de Zuse eran más fáciles de construir y potencialmente más confiables, dadas las tecnologías disponibles en ese momento. ^[43] La Z3 no era en sí misma una computadora universal, pero podía ampliarse para ser completa de Turing . ^{[44] [45]}

El siguiente ordenador de Zuse, el Z4 , se convirtió en el primer ordenador comercial del mundo; tras un retraso inicial debido a la Segunda Guerra Mundial, se completó en 1950 y se entregó a la ETH de Zúrich . ^[46] El ordenador fue fabricado por la propia empresa de Zuse, Zuse KG , que se fundó en 1941 como la primera empresa con el único propósito de desarrollar ordenadores en Berlín. ^[46] El Z4 sirvió de inspiración para la construcción del ERMETH , el primer ordenador suizo y uno de los primeros en Europa. ^[47]

Los elementos de circuitos puramente electrónicos pronto reemplazaron a sus equivalentes mecánicos y electromecánicos, al mismo tiempo que el cálculo digital reemplazó al analógico. El ingeniero Tommy Flowers , que trabajaba en la Estación de Investigación de Correos de Londres en la década de 1930, comenzó a explorar el posible uso de la electrónica para la central telefónica . El equipo experimental que construyó en 1934 entró en funcionamiento cinco años después, convirtiendo una parte de la red de la central telefónica en un sistema electrónico de procesamiento de datos, utilizando miles de tubos de vacío . ^[34] En los EE. UU., John Vincent Atanasoff y Clifford E. Berry de la Universidad Estatal de Iowa desarrollaron y probaron la Computadora Atanasoff-Berry (ABC) en 1942, ^[48] la primera "computadora digital electrónica automática". ^[49] Este diseño también era completamente electrónico y utilizaba alrededor de 300 tubos de vacío, con condensadores fijados en un tambor giratorio mecánicamente para la memoria. ^[50]

Durante la Segunda Guerra Mundial, los descifradores de códigos británicos de Bletchley Park lograron varios éxitos en la descifrado de comunicaciones militares alemanas encriptadas. La máquina de cifrado alemana, Enigma , fue atacada por primera vez con la ayuda de las bombas electromecánicas que a menudo eran manejadas por mujeres. ^{[51] [52]} Para descifrar la máquina alemana más sofisticada Lorenz SZ 40/42 , utilizada para comunicaciones de alto nivel del Ejército, Max Newman y sus colegas encargaron a Flowers la construcción del Colossus . ^[50] Pasó once meses desde principios de febrero de 1943 diseñando y construyendo el primer Colossus. ^[53] Después de una prueba funcional en diciembre de 1943, Colossus fue enviado a Bletchley Park, donde fue entregado el 18 de enero de 1944 ^[54] y atacó su primer mensaje el 5 de febrero. ^[50]

Colossus fue la primera computadora programable digital electrónica del mundo . ^[34] Utilizaba una gran cantidad de válvulas (tubos de vacío). Tenía entrada de cinta de papel y podía configurarse para realizar una variedad de operaciones lógicas booleanas con sus datos, pero no era Turing-completa. Se construyeron nueve Colossi Mk II (el Mk I se convirtió en un Mk II, lo que dio lugar a diez máquinas en total). Colossus Mark I contenía 1500 válvulas termoiónicas (tubos), pero Mark II, con 2400 válvulas, era cinco veces más rápido y más simple de operar que Mark I, lo que aceleraba enormemente el proceso de decodificación. ^{[55] [56]}

El ENIAC ^[57] (Electronic Numerical Integrator and Computer) fue el primer ordenador electrónico programable construido en los EE. UU. Aunque el ENIAC era similar al Colossus, era mucho más rápido, más flexible y era Turing-completo. Al igual que el Colossus, un "programa" en el ENIAC se definía por los estados de sus cables de conexión e interruptores, muy lejos de las máquinas electrónicas de programa almacenado que vinieron después. Una vez que se escribía un programa, tenía que ser introducido mecánicamente en la máquina con un restablecimiento manual de enchufes e interruptores. Las programadoras del ENIAC eran seis mujeres, a menudo conocidas colectivamente como las "chicas ENIAC". ^{[58] [59]}

Combinaba la alta velocidad de la electrónica con la capacidad de ser programada para resolver muchos problemas complejos. Podía sumar o restar 5000 veces por segundo, mil veces más rápido que cualquier otra máquina. También tenía módulos para multiplicar, dividir y extraer la raíz cuadrada. La memoria de alta velocidad estaba limitada a 20 palabras (unos 80 bytes). Construida bajo la dirección de John Mauchly y J. Presper Eckert en la Universidad de Pensilvania, el desarrollo y la construcción de ENIAC duraron desde 1943 hasta su pleno funcionamiento a finales de 1945. La máquina era enorme, pesaba 30 toneladas, utilizaba 200 kilovatios de energía eléctrica y contenía más de 18.000 tubos de vacío, 1.500 relés y cientos de miles de resistencias, condensadores e inductores. ^[60]

El principio de la computadora moderna fue propuesto por Alan Turing en su influyente artículo de 1936, ^[61] Sobre los números computables . Turing propuso un dispositivo simple al que llamó "máquina de computación universal" y que ahora se conoce como máquina de Turing universal . Demostró que una máquina de este tipo es capaz de calcular cualquier cosa que sea computable ejecutando instrucciones (programa) almacenadas en cinta, lo que permite que la máquina sea programable. El concepto fundamental del diseño de Turing es el programa almacenado , donde todas las instrucciones para la computación se almacenan en la memoria. Von Neumann reconoció que el concepto central de la computadora moderna se debió a este artículo. ^[62] Las máquinas de Turing son hasta el día de hoy un objeto central de estudio en la teoría de la computación . A excepción de las limitaciones impuestas por sus almacenes de memoria finitos, se dice que las computadoras modernas son Turing-completas , es decir, tienen una capacidad de ejecución de algoritmos equivalente a una máquina de Turing universal.

Las primeras máquinas de computación tenían programas fijos. Cambiar su función requería recablear y reestructurar la máquina. ^[50] Con la propuesta de la computadora con programa almacenado esto cambió. Una computadora con programa almacenado incluye por diseño un conjunto de instrucciones y puede almacenar en memoria un conjunto de instrucciones (un programa ) que detalla el cálculo . La base teórica para la computadora con programa almacenado fue establecida por Alan Turing en su artículo de 1936. En 1945, Turing se unió al Laboratorio Nacional de Física y comenzó a trabajar en el desarrollo de una computadora digital electrónica con programa almacenado. Su informe de 1945 "Calculadora electrónica propuesta" fue la primera especificación para un dispositivo de este tipo. John von Neumann en la Universidad de Pensilvania también circuló su Primer borrador de un informe sobre el EDVAC en 1945. ^[34]

El Manchester Baby fue el primer ordenador con programa almacenado del mundo . Fue construido en la Universidad de Manchester en Inglaterra por Frederic C. Williams , Tom Kilburn y Geoff Tootill , y ejecutó su primer programa el 21 de junio de 1948. ^[63] Fue diseñado como un banco de pruebas para el tubo Williams , el primer dispositivo de almacenamiento digital de acceso aleatorio . ^[64] Aunque el ordenador fue descrito como "pequeño y primitivo" en una retrospectiva de 1998, fue la primera máquina funcional que contenía todos los elementos esenciales para un ordenador electrónico moderno. ^[65] Tan pronto como el Baby demostró la viabilidad de su diseño, comenzó un proyecto en la universidad para convertirlo en un ordenador prácticamente útil, el Manchester Mark 1 .

El Mark 1 a su vez se convirtió rápidamente en el prototipo del Ferranti Mark 1 , el primer ordenador de propósito general disponible comercialmente del mundo. ^[66] Construido por Ferranti , fue entregado a la Universidad de Manchester en febrero de 1951. Al menos siete de estas máquinas posteriores fueron entregadas entre 1953 y 1957, una de ellas a los laboratorios Shell en Ámsterdam . ^[67] En octubre de 1947, los directores de la empresa de catering británica J. Lyons & Company decidieron asumir un papel activo en la promoción del desarrollo comercial de ordenadores. El ordenador LEO I de Lyons , inspirado estrechamente en el EDSAC de Cambridge de 1949, entró en funcionamiento en abril de 1951 ^{[68] y realizó el primer} trabajo rutinario de ordenador de oficina del mundo .

El concepto de transistor de efecto de campo fue propuesto por Julius Edgar Lilienfeld en 1925. John Bardeen y Walter Brattain , mientras trabajaban con William Shockley en Bell Labs , construyeron el primer transistor funcional , el transistor de contacto puntual , en 1947, al que siguió el transistor de unión bipolar de Shockley en 1948. ^{[69] [70]} A partir de 1955, los transistores reemplazaron a los tubos de vacío en los diseños de computadoras, dando lugar a la "segunda generación" de computadoras. En comparación con los tubos de vacío, los transistores tienen muchas ventajas: son más pequeños y requieren menos energía que los tubos de vacío, por lo que emiten menos calor. Los transistores de unión eran mucho más confiables que los tubos de vacío y tenían una vida útil más larga e indefinida. Las computadoras transistorizadas podían contener decenas de miles de circuitos lógicos binarios en un espacio relativamente compacto. Sin embargo, los primeros transistores de unión eran dispositivos relativamente voluminosos que eran difíciles de fabricar en una base de producción en masa , lo que los limitaba a una serie de aplicaciones especializadas. ^[71]

En la Universidad de Manchester , un equipo bajo el liderazgo de Tom Kilburn diseñó y construyó una máquina que utilizaba los transistores recientemente desarrollados en lugar de válvulas. ^[72] Su primera computadora transistorizada y la primera del mundo, estuvo operativa en 1953 , y una segunda versión se completó allí en abril de 1955. Sin embargo, la máquina hizo uso de válvulas para generar sus formas de onda de reloj de 125 kHz y en los circuitos para leer y escribir en su memoria de tambor magnético , por lo que no fue la primera computadora completamente transistorizada. Esa distinción corresponde a la Harwell CADET de 1955, ^[73] construida por la división de electrónica del Establecimiento de Investigación de Energía Atómica en Harwell . ^{[73] [74]}

El transistor de efecto de campo de metal-óxido-silicio (MOSFET), también conocido como transistor MOS, fue inventado en Bell Labs entre 1955 y 1960 ^{[75] [76] [77] [78] [79] [80]} y fue el primer transistor verdaderamente compacto que podía miniaturizarse y producirse en masa para una amplia gama de usos. ^[71] Con su alta escalabilidad , ^[81] y un consumo de energía mucho menor y una mayor densidad que los transistores de unión bipolar, ^[82] el MOSFET hizo posible construir circuitos integrados de alta densidad . ^{[83] [84]} Además del procesamiento de datos, también permitió el uso práctico de los transistores MOS como elementos de almacenamiento de celdas de memoria , lo que llevó al desarrollo de la memoria semiconductora MOS , que reemplazó a la anterior memoria de núcleo magnético en las computadoras. El MOSFET condujo a la revolución de las microcomputadoras , ^[85] y se convirtió en la fuerza impulsora detrás de la revolución de las computadoras . ^{[86] [87]} El MOSFET es el transistor más utilizado en computadoras, ^{[88] [89]} y es el componente fundamental de la electrónica digital . ^[90]

El siguiente gran avance en potencia informática llegó con la llegada del circuito integrado (CI). La idea del circuito integrado fue concebida por primera vez por un científico especializado en radar que trabajaba para el Royal Radar Establishment del Ministerio de Defensa , Geoffrey WA Dummer . Dummer presentó la primera descripción pública de un circuito integrado en el Simposio sobre el progreso en componentes electrónicos de calidad en Washington, DC , el 7 de mayo de 1952. ^[91]

Los primeros circuitos integrados funcionales fueron inventados por Jack Kilby en Texas Instruments y Robert Noyce en Fairchild Semiconductor . ^[92] Kilby registró sus ideas iniciales sobre el circuito integrado en julio de 1958, demostrando con éxito el primer ejemplo integrado funcional el 12 de septiembre de 1958. ^[93] En su solicitud de patente del 6 de febrero de 1959, Kilby describió su nuevo dispositivo como "un cuerpo de material semiconductor... en el que todos los componentes del circuito electrónico están completamente integrados". ^{[94] [95]} Sin embargo, la invención de Kilby era un circuito integrado híbrido (CI híbrido), en lugar de un chip de circuito integrado (CI) monolítico. ^[96] El CI de Kilby tenía conexiones de cables externos, lo que dificultaba su producción en masa. ^[97]

Noyce también ideó su propia idea de un circuito integrado medio año después que Kilby. ^[98] La invención de Noyce fue el primer chip IC monolítico verdadero. ^{[99] [97]} Su chip resolvió muchos problemas prácticos que el de Kilby no había resuelto. Producido en Fairchild Semiconductor, estaba hecho de silicio , mientras que el chip de Kilby estaba hecho de germanio . El IC monolítico de Noyce se fabricó utilizando el proceso planar , desarrollado por su colega Jean Hoerni a principios de 1959. A su vez, el proceso planar se basó en el trabajo de Carl Frosch y Lincoln Derick sobre la pasivación de la superficie de los semiconductores mediante dióxido de silicio. ^{[100] [101] [102] [103] [104] [105]}

Los circuitos integrados monolíticos modernos son predominantemente circuitos integrados MOS ( metal-óxido-semiconductor ), construidos a partir de MOSFET (transistores MOS). ^[106] El primer circuito integrado MOS experimental que se fabricó fue un chip de 16 transistores construido por Fred Heiman y Steven Hofstein en RCA en 1962. ^[107] General Microelectronics introdujo más tarde el primer circuito integrado MOS comercial en 1964, ^[108] desarrollado por Robert Norman. ^[107] Tras el desarrollo del transistor MOS de compuerta autoalineada (compuerta de silicio) por Robert Kerwin, Donald Klein y John Sarace en Bell Labs en 1967, el primer circuito integrado MOS de compuerta de silicio con compuertas autoalineadas fue desarrollado por Federico Faggin en Fairchild Semiconductor en 1968. ^[109] Desde entonces, el MOSFET se ha convertido en el componente de dispositivo más crítico en los circuitos integrados modernos. ^[106]

El desarrollo del circuito integrado MOS condujo a la invención del microprocesador , ^{[110] [111]} y anunció una explosión en el uso comercial y personal de las computadoras. Si bien el tema de exactamente qué dispositivo fue el primer microprocesador es polémico, en parte debido a la falta de acuerdo sobre la definición exacta del término "microprocesador", es en gran medida indiscutible que el primer microprocesador de un solo chip fue el Intel 4004 , ^[112] diseñado y realizado por Federico Faggin con su tecnología de circuitos integrados MOS de compuerta de silicio, ^[110] junto con Ted Hoff , Masatoshi Shima y Stanley Mazor en Intel . ^{[b] [114]} A principios de la década de 1970, la tecnología de circuitos integrados MOS permitió la integración de más de 10 000 transistores en un solo chip. ^[84]

Los System on a Chip (SoCs) son computadoras completas en un microchip (o chip) del tamaño de una moneda. ^[115] Pueden tener o no memoria RAM y flash integradas . Si no están integradas, la RAM suele colocarse directamente encima (conocido como Package on package ) o debajo (en el lado opuesto de la placa de circuito ) del SoC, y la memoria flash suele colocarse justo al lado del SoC. Esto se hace para mejorar las velocidades de transferencia de datos, ya que las señales de datos no tienen que viajar largas distancias. Desde ENIAC en 1945, las computadoras han avanzado enormemente, y los SoC modernos (como el Snapdragon 865) tienen el tamaño de una moneda y al mismo tiempo son cientos de miles de veces más potentes que ENIAC, integran miles de millones de transistores y consumen solo unos pocos vatios de energía.

Los primeros ordenadores portátiles eran pesados ​​y funcionaban con corriente eléctrica. El IBM 5100, de 23 kg (50 lb), fue uno de los primeros ejemplos. Los portátiles posteriores, como el Osborne 1 y el Compaq Portable , eran considerablemente más ligeros, pero aún necesitaban estar enchufados. Los primeros portátiles, como el Grid Compass , eliminaron este requisito al incorporar baterías, y con la continua miniaturización de los recursos informáticos y los avances en la duración de las baterías portátiles, los ordenadores portátiles crecieron en popularidad en la década de 2000. ^[116] Los mismos avances permitieron a los fabricantes integrar recursos informáticos en los teléfonos móviles celulares a principios de la década de 2000.

Estos teléfonos inteligentes y tabletas funcionan con una variedad de sistemas operativos y recientemente se convirtieron en el dispositivo informático dominante en el mercado. ^[117] Estos funcionan con sistemas en un chip (SoC), que son computadoras completas en un microchip del tamaño de una moneda. ^[115]

Las computadoras se pueden clasificar de diferentes maneras, entre ellas:

• Ordenador analógico
• Computadora digital
• Computadora híbrida
• Arquitectura de Harvard
• Arquitectura de von Neumann
• Conjunto de instrucciones complejo para computadoras
• Computadora con conjunto de instrucciones reducido

• Supercomputadora
• Computadora central
• Minicomputadora (término que ya no se utiliza), ^[118] Computadora de gama media
• Servidor
  • Servidor montado en bastidor
  • Servidor Blade
  • Servidor de torre
• Ordenador personal
  • Puesto de trabajo
  • Microordenador (término ya no utilizado) ^[119]
    • Ordenador doméstico (término en desuso) ^[120]
  • Computadora de escritorio
    • Escritorio en torre
    • Escritorio de línea delgada
      • Computadora multimedia ( computadoras con sistemas de edición no lineal , PC de edición de video y similares, este término ya no se utiliza) ^[121]
      • Computadora para juegos
    • PC todo en uno
    • Nettop ( PC de formato pequeño , mini PC)
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• Sistema en chip (también conocido como procesador de aplicaciones o AP si carece de circuitos, como circuitos de radio)
• Microcontrolador

El término hardware abarca todas aquellas partes de un ordenador que son objetos físicos tangibles. Los circuitos , los chips informáticos, las tarjetas gráficas, las tarjetas de sonido, la memoria (RAM), la placa base, las pantallas, las fuentes de alimentación, los cables, los teclados, las impresoras y los dispositivos de entrada (mouse) son todos hardware.

Una computadora de propósito general tiene cuatro componentes principales: la unidad lógica aritmética (ALU), la unidad de control , la memoria y los dispositivos de entrada y salida (denominados colectivamente E/S). Estas partes están interconectadas por buses , a menudo hechos de grupos de cables . Dentro de cada una de estas partes hay miles o billones de pequeños circuitos eléctricos que pueden encenderse o apagarse por medio de un interruptor electrónico . Cada circuito representa un bit (dígito binario) de información de modo que cuando el circuito está encendido representa un "1", y cuando está apagado representa un "0" (en representación lógica positiva). Los circuitos están dispuestos en puertas lógicas de modo que uno o más de los circuitos puedan controlar el estado de uno o más de los otros circuitos.

Cuando se envían datos no procesados ​​a la computadora con la ayuda de dispositivos de entrada, los datos se procesan y se envían a dispositivos de salida. Los dispositivos de entrada pueden ser manuales o automáticos. El acto de procesamiento está regulado principalmente por la CPU. Algunos ejemplos de dispositivos de entrada son:

• Teclado de computadora
• Cámara digital
• Tableta gráfica
• Escáner de imágenes
• Palanca de mando
• Micrófono
• Ratón
• Teclado superpuesto
• Reloj en tiempo real
• Bola de seguimiento
• Pantalla táctil
• Lápiz óptico

Los medios a través de los cuales la computadora proporciona información se conocen como dispositivos de salida. Algunos ejemplos de dispositivos de salida son:

• Monitor de computadora
• Impresora
• Altavoz de PC
• Proyector
• Tarjeta de sonido
• Tarjeta de video

La unidad de control (a menudo llamada sistema de control o controlador central) administra los distintos componentes de la computadora; lee e interpreta (decodifica) las instrucciones del programa, transformándolas en señales de control que activan otras partes de la computadora. ^[d] Los sistemas de control en computadoras avanzadas pueden cambiar el orden de ejecución de algunas instrucciones para mejorar el rendimiento.

Un componente clave común a todas las CPU es el contador de programa , una celda de memoria especial (un registro ) que realiza un seguimiento de desde qué ubicación de la memoria se leerá la siguiente instrucción. ^[e]

La función del sistema de control es la siguiente (esta es una descripción simplificada y algunos de estos pasos pueden realizarse simultáneamente o en un orden diferente según el tipo de CPU):

1. Lea el código de la siguiente instrucción de la celda indicada por el contador del programa.
2. Descodificar el código numérico de la instrucción en un conjunto de comandos o señales para cada uno de los demás sistemas.
3. Incrementa el contador del programa para que apunte a la siguiente instrucción.
4. Lee los datos que la instrucción requiere de las celdas en la memoria (o quizás de un dispositivo de entrada). La ubicación de estos datos requeridos normalmente se almacena dentro del código de instrucción.
5. Proporcionar los datos necesarios a una ALU o registro.
6. Si la instrucción requiere una ALU o hardware especializado para completarse, indique al hardware que realice la operación solicitada.
7. Escribe el resultado de la ALU en una ubicación de memoria o en un registro o quizás en un dispositivo de salida.
8. Regrese al paso (1).

Dado que el contador de programa es (conceptualmente) simplemente otro conjunto de celdas de memoria, se puede modificar mediante cálculos realizados en la ALU. Si se suma 100 al contador de programa, la siguiente instrucción se leerá desde un lugar 100 posiciones más abajo en el programa. Las instrucciones que modifican el contador de programa se conocen a menudo como "saltos" y permiten bucles (instrucciones que se repiten en la computadora) y, a menudo, la ejecución condicional de instrucciones (ambos ejemplos de flujo de control ).

La secuencia de operaciones que realiza la unidad de control para procesar una instrucción es en sí misma como un programa de computadora corto y, de hecho, en algunos diseños de CPU más complejos, hay otra computadora aún más pequeña llamada microsecuenciador , que ejecuta un programa de microcódigo que hace que sucedan todos estos eventos.

La unidad de control, la ALU y los registros se conocen colectivamente como unidad central de procesamiento (CPU). Las primeras CPU estaban compuestas por muchos componentes separados. Desde la década de 1970, las CPU se han construido típicamente en un solo chip de circuito integrado MOS llamado microprocesador .

La ALU es capaz de realizar dos clases de operaciones: aritméticas y lógicas. ^[122] El conjunto de operaciones aritméticas que admite una ALU en particular puede limitarse a la suma y la resta, o puede incluir multiplicación, división, funciones trigonométricas como seno, coseno, etc., y raíces cuadradas . Algunas pueden operar solo con números enteros ( enteros ) mientras que otras usan punto flotante para representar números reales , aunque con precisión limitada. Sin embargo, cualquier computadora que sea capaz de realizar solo las operaciones más simples puede programarse para descomponer las operaciones más complejas en pasos simples que pueda realizar. Por lo tanto, cualquier computadora puede programarse para realizar cualquier operación aritmética, aunque tomará más tiempo hacerlo si su ALU no admite directamente la operación. Una ALU también puede comparar números y devolver valores de verdad booleanos (verdadero o falso) dependiendo de si uno es igual, mayor o menor que el otro ("¿es 64 mayor que 65?"). Las operaciones lógicas implican lógica booleana : AND , OR , XOR y NOT . Pueden ser útiles para crear sentencias condicionales complicadas y procesar lógica booleana .

Las computadoras superescalares pueden contener múltiples ALU, lo que les permite procesar varias instrucciones simultáneamente. ^[123] Los procesadores gráficos y las computadoras con características SIMD y MIMD a menudo contienen ALU que pueden realizar operaciones aritméticas en vectores y matrices .

La memoria de una computadora puede verse como una lista de celdas en las que se pueden colocar o leer números. Cada celda tiene una "dirección" numerada y puede almacenar un solo número. Se puede ordenar a la computadora que "coloque el número 123 en la celda 1357" o que "suma el número que está en la celda 1357 al número que está en la celda 2468 y coloque el resultado en la celda 1595". La información almacenada en la memoria puede representar prácticamente cualquier cosa. Letras, números e incluso instrucciones de la computadora se pueden colocar en la memoria con la misma facilidad. Dado que la CPU no diferencia entre diferentes tipos de información, es responsabilidad del software dar significado a lo que la memoria ve como nada más que una serie de números.

En casi todas las computadoras modernas, cada celda de memoria está configurada para almacenar números binarios en grupos de ocho bits (llamados byte ). Cada byte puede representar 256 números diferentes (2 ⁸ = 256); ya sea de 0 a 255 o de −128 a +127. Para almacenar números más grandes, se pueden usar varios bytes consecutivos (normalmente, dos, cuatro u ocho). Cuando se requieren números negativos, generalmente se almacenan en notación de complemento a dos . Son posibles otras disposiciones, pero generalmente no se ven fuera de aplicaciones especializadas o contextos históricos. Una computadora puede almacenar cualquier tipo de información en la memoria si se puede representar numéricamente. Las computadoras modernas tienen miles de millones o incluso billones de bytes de memoria.

La CPU contiene un conjunto especial de celdas de memoria llamadas registros , en las que se puede leer y escribir mucho más rápido que en el área de memoria principal. Normalmente hay entre dos y cien registros, según el tipo de CPU. Los registros se utilizan para los elementos de datos que se necesitan con más frecuencia, a fin de evitar tener que acceder a la memoria principal cada vez que se necesitan datos. Como se trabaja con los datos constantemente, reducir la necesidad de acceder a la memoria principal (que suele ser lenta en comparación con la ALU y las unidades de control) aumenta en gran medida la velocidad del ordenador.

La memoria principal de la computadora viene en dos variedades principales:

• memoria de acceso aleatorio o RAM
• memoria de solo lectura o ROM

La memoria RAM se puede leer y escribir en cualquier momento que la CPU lo ordene, pero la ROM está precargada con datos y software que nunca cambian, por lo tanto, la CPU solo puede leer desde ella. La ROM se usa típicamente para almacenar las instrucciones iniciales de arranque de la computadora. En general, el contenido de la RAM se borra cuando se apaga la computadora, pero la ROM retiene sus datos indefinidamente. En una PC, la ROM contiene un programa especializado llamado BIOS que organiza la carga del sistema operativo de la computadora desde la unidad de disco duro a la RAM cada vez que la computadora se enciende o se reinicia. En las computadoras integradas , que con frecuencia no tienen unidades de disco, todo el software requerido puede almacenarse en la ROM. El software almacenado en la ROM a menudo se llama firmware , porque en teoría se parece más al hardware que al software. La memoria flash difumina la distinción entre ROM y RAM, ya que retiene sus datos cuando se apaga pero también es reescribible. Sin embargo, generalmente es mucho más lenta que la ROM y la RAM convencionales, por lo que su uso está restringido a aplicaciones donde la alta velocidad es innecesaria. ^[f]

En los ordenadores más sofisticados puede haber una o más memorias caché de RAM , que son más lentas que los registros pero más rápidas que la memoria principal. Generalmente los ordenadores con este tipo de caché están diseñados para mover datos que se necesitan con frecuencia a la caché de forma automática, a menudo sin necesidad de intervención alguna por parte del programador.

La E/S es el medio por el cual una computadora intercambia información con el mundo exterior. ^[125] Los dispositivos que proporcionan entrada o salida a la computadora se denominan periféricos . ^[126] En una computadora personal típica, los periféricos incluyen dispositivos de entrada como el teclado y el mouse , y dispositivos de salida como la pantalla y la impresora . Las unidades de disco duro , las unidades de disquete y las unidades de disco óptico sirven como dispositivos de entrada y salida. La red de computadoras es otra forma de E/S. Los dispositivos de E/S a menudo son computadoras complejas por derecho propio, con su propia CPU y memoria. Una unidad de procesamiento de gráficos puede contener cincuenta o más computadoras diminutas que realizan los cálculos necesarios para mostrar gráficos en 3D . ^{[ cita requerida ]} Las computadoras de escritorio modernas contienen muchas computadoras más pequeñas que ayudan a la CPU principal a realizar la E/S. Una pantalla plana de la era de 2016 contiene su propio circuito de computadora.

Aunque se puede pensar que una computadora ejecuta un programa gigantesco almacenado en su memoria principal, en algunos sistemas es necesario dar la apariencia de ejecutar varios programas simultáneamente. Esto se logra mediante la multitarea, es decir, haciendo que la computadora cambie rápidamente entre la ejecución de cada programa por turno. ^[127] Un medio por el cual se hace esto es con una señal especial llamada interrupción , que puede hacer que la computadora deje de ejecutar instrucciones periódicamente donde estaba y haga otra cosa en su lugar. Al recordar dónde estaba ejecutando antes de la interrupción, la computadora puede volver a esa tarea más tarde. Si varios programas se están ejecutando "al mismo tiempo", entonces el generador de interrupciones puede estar causando varios cientos de interrupciones por segundo, lo que provoca un cambio de programa cada vez. Dado que las computadoras modernas generalmente ejecutan instrucciones varios órdenes de magnitud más rápido que la percepción humana, puede parecer que muchos programas se están ejecutando al mismo tiempo aunque solo uno se esté ejecutando en un instante dado. Este método de multitarea a veces se denomina "tiempo compartido", ya que a cada programa se le asigna una "porción" de tiempo por turno. ^[128]

Antes de la era de los ordenadores baratos, el uso principal de la multitarea era permitir que muchas personas compartieran el mismo ordenador. Aparentemente, la multitarea haría que un ordenador que cambia entre varios programas funcione más lentamente, en proporción directa a la cantidad de programas que esté ejecutando, pero la mayoría de los programas pasan gran parte de su tiempo esperando a que los dispositivos de entrada/salida lentos completen sus tareas. Si un programa está esperando a que el usuario haga clic con el ratón o presione una tecla del teclado, no se tomará un "fragmento de tiempo" hasta que se produzca el evento que está esperando. Esto libera tiempo para que se ejecuten otros programas, de modo que se puedan ejecutar muchos programas simultáneamente sin una pérdida de velocidad inaceptable.

Algunas computadoras están diseñadas para distribuir su trabajo entre varias CPU en una configuración de multiprocesamiento, una técnica que antes solo se empleaba en máquinas grandes y potentes, como supercomputadoras , computadoras mainframe y servidores . Las computadoras personales y portátiles multiprocesador y multinúcleo (varias CPU en un solo circuito integrado) están ahora ampliamente disponibles y, como resultado, se utilizan cada vez más en los mercados de gama baja.

Las supercomputadoras, en particular, suelen tener arquitecturas muy singulares que difieren significativamente de la arquitectura básica de programas almacenados y de las computadoras de propósito general. ^[g] A menudo cuentan con miles de CPU, interconexiones personalizadas de alta velocidad y hardware informático especializado. Dichos diseños tienden a ser útiles solo para tareas especializadas debido a la gran escala de organización del programa requerida para utilizar la mayoría de los recursos disponibles a la vez. Las supercomputadoras suelen utilizarse en aplicaciones de simulación a gran escala , renderizado de gráficos y criptografía , así como con otras tareas denominadas " vergonzosamente paralelas ".

El software se refiere a las partes de la computadora que no tienen una forma material, como programas, datos, protocolos, etc. El software es la parte de un sistema informático que consiste en información codificada o instrucciones de computadora, en contraste con el hardware físico a partir del cual se construye el sistema. El software de computadora incluye programas de computadora, bibliotecas y datos no ejecutables relacionados , como documentación en línea o medios digitales . A menudo se divide en software de sistema y software de aplicación . El hardware y el software de la computadora se requieren mutuamente y ninguno puede usarse de manera realista por sí solo. Cuando el software se almacena en hardware que no se puede modificar fácilmente, como con la ROM BIOS en una computadora compatible con IBM PC , a veces se lo llama "firmware".

Hay miles de lenguajes de programación diferentes: algunos pensados ​​para uso general, otros útiles sólo para aplicaciones altamente especializadas.

La característica definitoria de las computadoras modernas que las distingue de todas las demás máquinas es que pueden programarse . Es decir, se le puede dar algún tipo de instrucciones (el programa ) a la computadora, y esta las procesará. Las computadoras modernas basadas en la arquitectura de von Neumann a menudo tienen código de máquina en forma de lenguaje de programación imperativo . En términos prácticos, un programa de computadora puede tener solo unas pocas instrucciones o extenderse a muchos millones de instrucciones, como lo hacen los programas para procesadores de texto y navegadores web , por ejemplo. Una computadora moderna típica puede ejecutar miles de millones de instrucciones por segundo ( gigaflops ) y rara vez comete un error a lo largo de muchos años de funcionamiento. Los programas de computadora grandes que constan de varios millones de instrucciones pueden llevar años de trabajo de equipos de programadores y, debido a la complejidad de la tarea, casi con certeza contienen errores.

Esta sección se aplica a las computadoras más comunes basadas en máquinas RAM .

En la mayoría de los casos, las instrucciones de la computadora son simples: sumar un número a otro, mover algunos datos de una ubicación a otra, enviar un mensaje a algún dispositivo externo, etc. Estas instrucciones se leen de la memoria de la computadora y generalmente se llevan a cabo ( se ejecutan ) en el orden en que se dieron. Sin embargo, generalmente hay instrucciones especializadas para indicarle a la computadora que salte hacia adelante o hacia atrás a algún otro lugar en el programa y continúe la ejecución desde allí. Estas se denominan instrucciones de "salto" (o ramificaciones ). Además, las instrucciones de salto pueden realizarse de manera condicional para que se puedan usar diferentes secuencias de instrucciones según el resultado de algún cálculo anterior o algún evento externo. Muchas computadoras admiten directamente subrutinas al proporcionar un tipo de salto que "recuerda" la ubicación desde la que saltó y otra instrucción para regresar a la instrucción que sigue a esa instrucción de salto.

La ejecución de un programa puede compararse con la lectura de un libro. Si bien una persona normalmente lee cada palabra y línea en secuencia, a veces puede volver a un lugar anterior en el texto o saltarse secciones que no le interesan. De manera similar, una computadora a veces puede volver atrás y repetir las instrucciones en alguna sección del programa una y otra vez hasta que se cumpla alguna condición interna. Esto se denomina flujo de control dentro del programa y es lo que permite que la computadora realice tareas repetidamente sin intervención humana.

En comparación, una persona que utiliza una calculadora de bolsillo puede realizar una operación aritmética básica, como sumar dos números, con solo pulsar unas cuantas teclas. Pero sumar todos los números del 1 al 1.000 requeriría miles de pulsaciones de teclas y mucho tiempo, con una certeza casi absoluta de cometer un error. Por otro lado, una computadora puede programarse para hacer esto con solo unas pocas instrucciones simples. El siguiente ejemplo está escrito en lenguaje ensamblador MIPS :

 begin: addi $8 , $0 , 0 # inicializa la suma en 0 addi $9 , $0 , 1 # establece el primer número a sumar = 1 loop: slti $10 , $9 , 1000 # verifica si el número es menor que 1000 beq $10 , $0 , finish # si el número impar es mayor que n entonces sale add $8 , $8 , $9 # actualiza la suma addi $9 , $9 , 1 # obtiene el siguiente número j loop # repite el proceso de suma finish: add $2 , $8 , $0 # coloca la suma en el registro de salida                                        

Una vez que se le ordena ejecutar este programa, la computadora realizará la tarea de suma repetitiva sin más intervención humana. Casi nunca cometerá un error y una PC moderna puede completar la tarea en una fracción de segundo.

En la mayoría de los ordenadores, las instrucciones individuales se almacenan como código de máquina y a cada instrucción se le asigna un número único (su código de operación u opcode para abreviar). El comando para sumar dos números tendría un opcode; el comando para multiplicarlos tendría un opcode diferente, y así sucesivamente. Los ordenadores más simples pueden realizar cualquiera de un puñado de instrucciones diferentes; los ordenadores más complejos tienen varios cientos para elegir, cada uno con un código numérico único. Dado que la memoria del ordenador puede almacenar números, también puede almacenar los códigos de instrucción. Esto lleva al hecho importante de que los programas completos (que son simplemente listas de estas instrucciones) se pueden representar como listas de números y se pueden manipular dentro del ordenador de la misma manera que los datos numéricos. El concepto fundamental de almacenar programas en la memoria del ordenador junto con los datos sobre los que operan es el quid de la arquitectura de von Neumann, o de programa almacenado. ^{[130] [131]} En algunos casos, un ordenador puede almacenar parte o la totalidad de su programa en la memoria que se mantiene separada de los datos sobre los que opera. Esto se llama arquitectura Harvard en honor al ordenador Harvard Mark I. Las computadoras modernas de von Neumann muestran algunos rasgos de la arquitectura Harvard en sus diseños, como en los cachés de CPU .

Si bien es posible escribir programas de computadora como largas listas de números ( lenguaje de máquina ) y si bien esta técnica se utilizó con muchas computadoras tempranas, ^[h] es extremadamente tedioso y potencialmente propenso a errores hacerlo en la práctica, especialmente para programas complicados. En cambio, a cada instrucción básica se le puede dar un nombre corto que sea indicativo de su función y fácil de recordar: un mnemónico como ADD, SUB, MULT o JUMP. Estos mnemónicos se conocen colectivamente como lenguaje ensamblador de una computadora . La conversión de programas escritos en lenguaje ensamblador en algo que la computadora realmente pueda entender (lenguaje de máquina) generalmente se realiza mediante un programa de computadora llamado ensamblador.

Los lenguajes de programación ofrecen diversas formas de especificar programas para que los ejecuten las computadoras. A diferencia de los lenguajes naturales , los lenguajes de programación están diseñados para no permitir ninguna ambigüedad y ser concisos. Son lenguajes puramente escritos y, a menudo, son difíciles de leer en voz alta. Por lo general, un compilador o un ensamblador los traduce a código de máquina antes de ejecutarlos, o los traduce directamente en tiempo de ejecución un intérprete . A veces, los programas se ejecutan mediante un método híbrido de las dos técnicas.

Los lenguajes de máquina y los lenguajes ensambladores que los representan (denominados colectivamente lenguajes de programación de bajo nivel ) son generalmente exclusivos de la arquitectura particular de la unidad central de procesamiento ( CPU ) de una computadora. Por ejemplo, una CPU de arquitectura ARM (como la que se puede encontrar en un teléfono inteligente o en un videojuego portátil ) no puede entender el lenguaje de máquina de una CPU x86 que podría estar en una PC . ^[i] Históricamente, se creó una cantidad significativa de otras arquitecturas de CPU y se usaron ampliamente, incluidas en particular las MOS Technology 6502 y 6510 además de la Zilog Z80.

Aunque es considerablemente más fácil que en lenguaje de máquina, escribir programas largos en lenguaje ensamblador suele ser difícil y también propenso a errores. Por lo tanto, la mayoría de los programas prácticos se escriben en lenguajes de programación de alto nivel más abstractos que pueden expresar las necesidades del programador de manera más conveniente (y, por lo tanto, ayudar a reducir el error del programador). Los lenguajes de alto nivel generalmente se "compilan" en lenguaje de máquina (o, a veces, en lenguaje ensamblador y luego en lenguaje de máquina) utilizando otro programa de computadora llamado compilador . ^[j] Los lenguajes de alto nivel están menos relacionados con el funcionamiento de la computadora de destino que el lenguaje ensamblador, y más relacionados con el lenguaje y la estructura del problema o problemas que se resolverán con el programa final. Por lo tanto, a menudo es posible usar diferentes compiladores para traducir el mismo programa de lenguaje de alto nivel al lenguaje de máquina de muchos tipos diferentes de computadora. Esto es parte de los medios por los cuales el software como los videojuegos pueden estar disponibles para diferentes arquitecturas de computadora, como computadoras personales y varias consolas de videojuegos .

El diseño de programas pequeños es relativamente simple e implica el análisis del problema, la recopilación de entradas, el uso de las construcciones de programación dentro de los lenguajes, el diseño o uso de procedimientos y algoritmos establecidos, el suministro de datos para dispositivos de salida y soluciones al problema según corresponda. ^[132] A medida que los problemas se hacen más grandes y complejos, se encuentran características como subprogramas, módulos, documentación formal y nuevos paradigmas como la programación orientada a objetos. ^[133] Los programas grandes que involucran miles de líneas de código y más requieren metodologías de software formales. ^[134] La tarea de desarrollar grandes sistemas de software presenta un desafío intelectual significativo. ^[135] Producir software con una confiabilidad aceptablemente alta dentro de un cronograma y presupuesto predecibles ha sido históricamente difícil; ^[136] la disciplina académica y profesional de la ingeniería de software se concentra específicamente en este desafío. ^[137]

Los errores en los programas informáticos se denominan " bugs ". Pueden ser benignos y no afectar a la utilidad del programa, o tener solo efectos sutiles. Sin embargo, en algunos casos pueden hacer que el programa o el sistema entero se " cuelga ", dejándose de responder a entradas como clics del ratón o pulsaciones de teclas, que falle por completo o que se bloquee . ^[138] A veces, los errores benignos pueden ser aprovechados con intenciones maliciosas por un usuario inescrupuloso que escribe un exploit , un código diseñado para aprovecharse de un error e interrumpir la ejecución adecuada de una computadora. Los errores no suelen ser culpa de la computadora. Dado que las computadoras simplemente ejecutan las instrucciones que se les dan, los errores casi siempre son el resultado de un error del programador o de un descuido en el diseño del programa. ^[k] A la almirante Grace Hopper , una científica informática estadounidense y desarrolladora del primer compilador , se le atribuye haber utilizado por primera vez el término "bugs" en informática después de que se encontrara una polilla muerta provocando un cortocircuito en un relé en la computadora Harvard Mark II en septiembre de 1947. ^[139]

Las computadoras se han utilizado para coordinar información entre múltiples ubicaciones desde la década de 1950. El sistema SAGE del ejército estadounidense fue el primer ejemplo a gran escala de un sistema de este tipo, que dio lugar a una serie de sistemas comerciales de propósito especial como Sabre . ^[140] En la década de 1970, los ingenieros informáticos de las instituciones de investigación de todo Estados Unidos comenzaron a conectar sus computadoras entre sí utilizando tecnología de telecomunicaciones. El esfuerzo fue financiado por ARPA (ahora DARPA ), y la red informática resultante se denominó ARPANET . ^[141] Las tecnologías que hicieron posible Arpanet se difundieron y evolucionaron.

Con el tiempo, la red se extendió más allá de las instituciones académicas y militares y se la conoció como Internet. La aparición de las redes implicó una redefinición de la naturaleza y los límites de la computadora. Los sistemas operativos y las aplicaciones de las computadoras se modificaron para incluir la capacidad de definir y acceder a los recursos de otras computadoras en la red, como dispositivos periféricos, información almacenada y similares, como extensiones de los recursos de una computadora individual. Inicialmente, estas facilidades estaban disponibles principalmente para las personas que trabajaban en entornos de alta tecnología, pero en la década de 1990, la difusión de aplicaciones como el correo electrónico y la World Wide Web , combinada con el desarrollo de tecnologías de red baratas y rápidas como Ethernet y ADSL , hizo que las redes de computadoras se volvieran casi omnipresentes. De hecho, el número de computadoras que están conectadas en red está creciendo fenomenalmente. Una gran proporción de computadoras personales se conectan regularmente a Internet para comunicarse y recibir información. Las redes "inalámbricas", que a menudo utilizan redes de teléfonos móviles, han hecho que las redes se vuelvan cada vez más omnipresentes incluso en entornos informáticos móviles.

Una computadora no necesita ser electrónica , ni siquiera tener un procesador , ni memoria RAM , ni siquiera un disco duro . Si bien el uso popular de la palabra "computadora" es sinónimo de una computadora electrónica personal, ^[l] una definición moderna típica de una computadora es: " Un dispositivo que calcula , especialmente una máquina electrónica programable [generalmente] que realiza operaciones matemáticas o lógicas de alta velocidad o que ensambla, almacena, correlaciona o procesa información de otra manera". ^[142] Según esta definición, cualquier dispositivo que procesa información califica como una computadora.

Se están llevando a cabo investigaciones activas para crear computadoras no convencionales a partir de muchos tipos nuevos y prometedores de tecnología, como las computadoras ópticas , las computadoras de ADN , las computadoras neuronales y las computadoras cuánticas . La mayoría de las computadoras son universales y pueden calcular cualquier función computable , y están limitadas únicamente por su capacidad de memoria y velocidad de operación. Sin embargo, los diferentes diseños de computadoras pueden brindar un rendimiento muy diferente para problemas particulares; por ejemplo, las computadoras cuánticas pueden potencialmente descifrar algunos algoritmos de cifrado modernos (mediante factorización cuántica ) muy rápidamente.

Existen muchos tipos de arquitecturas informáticas :

• Computadora cuántica vs. computadora química
• Procesador escalar vs. procesador vectorial
• Computadoras con acceso a memoria no uniforme (NUMA)
• Máquina registradora vs. máquina apiladora
• Arquitectura de Harvard vs. arquitectura de von Neumann
• Arquitectura celular

De todas estas máquinas abstractas , un ordenador cuántico es el que promete más para revolucionar la informática. ^[143] Las puertas lógicas son una abstracción común que puede aplicarse a la mayoría de los paradigmas digitales o analógicos anteriores. La capacidad de almacenar y ejecutar listas de instrucciones llamadas programas hace que los ordenadores sean extremadamente versátiles, lo que los distingue de las calculadoras . La tesis de Church-Turing es una declaración matemática de esta versatilidad: cualquier ordenador con una capacidad mínima (ser Turing-completo) es, en principio, capaz de realizar las mismas tareas que cualquier otro ordenador puede realizar. Por lo tanto, cualquier tipo de ordenador ( netbook , superordenador , autómata celular , etc.) es capaz de realizar las mismas tareas computacionales, dado suficiente tiempo y capacidad de almacenamiento.

Una computadora resolverá los problemas exactamente de la manera en que está programada, sin tener en cuenta la eficiencia, las soluciones alternativas, los posibles atajos o los posibles errores en el código. Los programas informáticos que aprenden y se adaptan forman parte del campo emergente de la inteligencia artificial y el aprendizaje automático . Los productos basados ​​en inteligencia artificial generalmente se dividen en dos categorías principales: sistemas basados ​​en reglas y sistemas de reconocimiento de patrones . Los sistemas basados ​​en reglas intentan representar las reglas utilizadas por expertos humanos y tienden a ser costosos de desarrollar. Los sistemas basados ​​en patrones utilizan datos sobre un problema para generar conclusiones. Algunos ejemplos de sistemas basados ​​en patrones incluyen el reconocimiento de voz , el reconocimiento de fuentes, la traducción y el campo emergente del marketing en línea.

A medida que el uso de computadoras se ha extendido por toda la sociedad, hay un número cada vez mayor de carreras que involucran computadoras.

La necesidad de que las computadoras funcionen bien juntas y puedan intercambiar información ha generado la necesidad de muchas organizaciones de normalización, clubes y sociedades tanto de naturaleza formal como informal.

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