Hablando con la máquina¶

Los computadores son dispositivos complejos pero están diseñados para hacer una cosa bien: ejecutar aquello que se les indica. La cuestión radica en cómo indicarle a una máquina lo que queremos que haga. Esas indicaciones se llaman técnicamente instrucciones y se expresan en un lenguaje. Podríamos decir que programar consiste en escribir instrucciones para que sean ejecutadas por un computador. El lenguaje que utilizamos para ello se denomina lenguaje de programación.

El computador¶

Un computador es un dispositivo electrónico diseñado para recibir, procesar, almacenar y producir información útil para el usuario. Su función esencial consiste en transformar datos en resultados mediante la ejecución ordenada de instrucciones o programas.

Los componentes principales del computador se agrupan en dos grandes categorías: hardware y software.

Hardware¶

El hardware corresponde a todos los componentes físicos del computador:

Software¶

El software es el conjunto de programas e instrucciones que permiten al computador realizar tareas:

• Sistema operativo: Administra el hardware y permite la ejecución de otros programas (ejemplos: Windows, Linux, macOS).
• Software de aplicación: Programas diseñados para tareas específicas como procesadores de texto, hojas de cálculo, navegadores web, etc.

Herramientas de apoyo¶

Las herramientas de apoyo informático son programas que facilitan y optimizan la realización de tareas específicas en diversas áreas profesionales y académicas:

• Análisis científico y técnico: MATLAB, R, SPSS.
• Gestión de bases de datos: MySQL, Microsoft Access.
• Ofimática: Microsoft Office (Word, Excel, PowerPoint), Google Workspace.
• Programación general: Python, que usaremos durante esta asignatura.

Algoritmos¶

Antes de programar, es necesario diseñar una solución al problema que queremos resolver. Esta solución toma la forma de un algoritmo.

Características de un algoritmo¶

• Finito: tiene un número determinado de pasos.
• Definido: cada paso está claramente especificado.
• Efectivo: cada paso puede ser ejecutado.

Algoritmos en el día a día¶

Los algoritmos no son exclusivos de la computación. Los usamos constantemente:

Ejercicio: ¿Puedes pensarlo como algoritmo?¶

Antes de ver la solución, intenta escribir en papel los pasos necesarios para resolver el siguiente problema:

Relación con la programación¶

La programación implica la implementación de algoritmos destinados a solucionar problemas particulares. Un programa informático es la materialización de un algoritmo escrito en un lenguaje de programación.

graph LR
    P[Problema] --> A[Algoritmo]
    A --> C[Código Python]
    C --> S[Solución]

Código máquina¶

Pero aún no hemos resuelto el problema de cómo hacer que un computador (o máquina) entienda un lenguaje de programación. A priori se podría decir que un computador sólo entiende un lenguaje muy "simple" denominado código máquina. En este lenguaje se utilizan únicamente los símbolos 0 y 1 en representación de los niveles de tensión alto y bajo, que al fin y al cabo, son los estados que puede manejar un circuito digital. En este contexto, por tanto, hablamos de sistema binario. Si tuviéramos que escribir programas de computador en este formato sería una tarea ardua, pero afortunadamente con el tiempo se han ido creando lenguajes de programación intermedios que, posteriormente, son convertidos a código máquina.

Si intentamos visualizar un programa en código máquina, únicamente obtendríamos una secuencia de ceros y unos:

00001000 00000010 01111011 10101100 10010111 11011001 01000000 01100010
00110100 00010111 01101111 10111001 01010110 00110001 00101010 00011111
10000011 11001101 11110101 01001110 01010010 10100001 01101010 00001111
11101010 00100111 11000100 01110101 11011011 00010110 10011111 01010110

Ensamblador¶

El primer lenguaje de programación que encontramos en esta "escalada" es ensamblador. Veamos a continuación un ejemplo de código en ensamblador del típico programa que se escribe por primera vez, el "Hello, World":

SYS_SALIDA equ 1

section .data
    msg db "Hello, World",0x0a
    len equ $ - msg ;longitud de msg

section .text
global _start ;para el linker
_start: ;marca la entrada
    mov eax, 4 ;llamada al sistema (sys_write)
    mov ebx, 1 ;descripción de archivo (stdout)
    mov ecx, msg ;msg a escribir
    mov edx, len ;longitud del mensaje
    int 0x80 ;llama al sistema de interrupciones

fin: mov eax, SYS_SALIDA ;llamada al sistema (sys_exit)
    int 0x80

Aunque resulte difícil de creer, lo "único" que hace este programa es mostrar en la pantalla de nuestro computador el texto Hello, World.

Un detalle fundamental es que sólo funcionará para una arquitectura x86, ya que las instrucciones en ensamblador están vinculadas con el tipo de arquitectura del procesador.

C¶

Aunque el lenguaje ensamblador nos facilita un poco la tarea de desarrollar programas, sigue siendo bastante complicado ya que las instrucciones son muy específicas y no proporcionan una semántica entendible. Uno de los lenguajes que vino a suplir – en parte – estos obstáculos fue C. Considerado para muchas personas como un referente en cuanto a los lenguajes de programación, permite hacer uso de instrucciones más claras y potentes. El mismo ejemplo anterior del programa "Hello, World" se escribiría así en lenguaje C:

#include <stdio.h>

int main() {
    printf("Hello, World");
    return 0;
}

Python¶

Si seguimos "subiendo" en esta lista de lenguajes de programación, podemos llegar hasta Python. Se dice que es un lenguaje de más alto nivel en el sentido de que sus instrucciones son más entendibles por un humano. Veamos cómo se escribiría el programa "Hello, World" en el lenguaje de programación Python:

print('Hello, World')

¡Pues así de fácil! Hemos pasado de código máquina (ceros y unos) a código Python en el que se puede entender perfectamente lo que estamos indicando al computador. La pregunta que surge es: ¿cómo entiende una máquina lo que tiene que hacer si le pasamos un programa hecho en Python (o cualquier otro lenguaje de programación de alto nivel)? La respuesta es un compilador.

Compiladores¶

Los compiladores son programas que convierten un lenguaje "cualquiera" en código máquina. Se pueden ver como traductores, permitiendo a la máquina interpretar lo que queremos hacer.

sequenceDiagram
  autonumber
  actor User
  User -->> CPU: Please run: file.py
  CPU -->> User: I don't know how!
  create participant Compiler
  User ->> Compiler: Compile it!
  Compiler -->> CPU: Here you have: 10110101011
  CPU -->> User: Done!

En el caso particular de Python el proceso de compilación genera un código intermedio denominado bytecode.

Si partimos del ejemplo anterior:

print('Hello, World')

el programa se compilaría¹ al siguiente "bytecode":

0           0 RESUME                   0

1           2 PUSH_NULL
            4 LOAD_NAME                0 (print)
            6 LOAD_CONST               0 ('Hello, World')
            8 PRECALL                  1
           12 CALL                     1
           22 RETURN_VALUE

A continuación estas instrucciones básicas son ejecutadas por el intérprete de "bytecode" de Python (o máquina virtual)²:

graph LR
  py[.py] --> compiler[Compiler]
  subgraph interpreter[Python Interpreter]
  compiler --> bytecode[Bytecode]
  bytecode --> vm[Python VM]
  end
  vm --> exec[Code execution]
  bytecode -.-> pyc[.pyc]

Compilado vs Interpretado¶

Si queremos ver una diferencia entre un lenguaje compilado como C y un lenguaje "interpretado" como Python es que, aunque ambos realizan un proceso de traducción del código fuente, la compilación de C genera un código objeto que debe ser ejecutado en una segunda fase explícita, mientras que la compilación de Python genera un "bytecode" que se ejecuta (interpreta) de forma "transparente".