- 1. Calcular y computar
- 2. Avances previos a los primeros computadores
- 3. La década 1940-50
- 4. Características esenciales de un computador
- 5. Los primeros lenguajes de programación
- 6. El nacimiento de los computadores comerciales
- 7. Los primeros lenguajes de alto nivel
- 8. Bibliografía
Empezamos la historia en los siglos XVI y XVII, en los que los avances tecnológicos en distintos campos de la sociedad europea (astronomía, armamento, comercio, etc.) provocan la necesidad de acelerar y mejorar la precisión de los cálculos. Por ejemplo, para la navegación de los navíos que comercian entre continentes en esos siglos es necesario realizar con precisión multiplicaciones y divisiones de grandes números. Un error en el cálculo podía hacer que el barco pasara de largo una isla o llegara a varios kilómetros de distancia de un destino en la costa.
Los cálculos los realizaban personas especializadas en realizar operaciones matemáticas. Estas personas se denominaban computadores (computers en inglés) y de ahí viene el nombre original en inglés de los ordenadores: instrumentos que sirven para realizar cálculos. Los computadores humanos (Wikipedia - Human Computer) se utilizaron hasta la que no se popularizaron los computadores electrónicos, a principios de los años 1950s. Por ejemplo, en el Proyecto Manhattan que desarrolló la primera bomba atómica había habitaciones llenas de computadores humanos realizando cálculos y pasándose resultados unos a otros en complejas cadenas de computación que simulaban algoritmos que posteriormente serían realizados por los primeros computadores.
El trabajo de computador estaba generalmente desempeñado por hombres, por motivos de status y de rol. En la segunda guerra mundial, debido a la escasez de hombres, se buscó para este puesto a mujeres ingenieras y matemáticas. Realizaron ese trabajo y también el de programación de los primeros computadores electrónicos, como el ENIAC (Six Women Programmed the First Computer—And Didn’t Get the Credit).
Volviendo al siglo XVII y a los primeros computadores humanos, el problema principal al que se enfrentaba era el del cansancio y el tedio, que terminaban produciendo inevitablemente errores cuando los cálculos eran largos y complejos.
El desarrollo del análisis matemático y de instrumentos matemáticos como los logaritmos permite reducir la complejidad de las operaciones matemáticas. Por ejemplo, a principios de 1600 John Napier publica un tratado sobre cómo simplificar operaciones complejas (multiplicaciones o divisiones) convirtiéndolas en sumas y restas usando tablas de logaritmos.
Pero el cálculo de las tablas e logaritmos también era a su vez un proceso complejo y propenso a errores. Cada vez que un editor quería publicar una nueva tabla de logaritmos más precisa tenía que contratar un grupo de computadores, ponerlos a trabajar y recopilar y transcribir los resultados. Tanto el cálculo como la transcripcción generaban errores y muchas publicaciones de tablas de logaritmos contenían algún error.
Otro famoso ejemplo de cálculo matemático es el realizado por el matemático aficionado inglés William Shanks que calculó durante 15 años los 707 primeros decimales de pi. Publicó el resultado en el año 1873. Desafortunadamente sólo eran correctos los 527 primeros digitos, cometió un error en el 528 que arrastró en el resto de dígitos.
Para intentar evitar todos los errores producidos por los cálculos humanos, en los siglos XVII al XIX científicos, relojeros y aficionados construyeron un gran número de máquinas de calcular. Todas ellas mecánicas, basadas en engranajes y palancas. A continuación mostramos algunos ejemplos.
La máquina de sumar del inventor alemán Wilhelm Schickard (1623) o la calculadora del matemático francés Blaise Pascal (1650) son ejemplos de estos primeros aparatos mecánicos que realizaban cálculos.
La calculadora de Pascal (Wikipedia - Pascal's Calculator) podía hacer sumas, restas, multiplicaciones y divisiones. Se construyeron alrededor de 50 unidades que se vendieron por las cortes europeas más importantes.
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| Máquina de Schickard (1623) | Calculadora de Pascal (1650) |
Además de los aspectos prácticos derivados de la realización de operaciones matemáticas, estas máquinas de calcular también representaban un avance científico y tecnológico y generaban curiosidad y expectación en ferias y exhibiciones.
También en esta época se hicieron muy populares mecanismos automáticos que replicaban el movimiento de animales y personas. Eran los famosos autómatas, realizados al igual que las máquinas de calcular con engranajes, palancas, muelles y otros elementos de relojería.
En el siglo XIX la invención del motor de vapor y la automatización de los procesos de fabricación con mecanismos cada vez más complejos da lugar a la revolución industrial.
Un ejemplo es la industria textil, con la invención del telar mecánico en 1805 por el ingeniero francés Joseph Marie Jacquar. Este telar funcionaba de forma completamente automática, sin necesidad de operadores humanos. Podía producir cualquier tipo de patrón, según la programación proporcionada por cintas perforadas. Se trata de uno de los primeros mecanismos programables.
En la fotografía de la derecha se puede ver una imagen de las cintas perforadas que programaban los patrones de estos telares de Jacquar.
En 1820 el ingeniero inglés Charles Babbage diseñó el motor de diferencias (Babbage difference engine) para poder calcular e imprimir tablas numéricas de logaritmos utilizando el método de las diferencias para calcular valores de un polinomio.
Utilizaba un sistema de numeración decimal y consistía en más de 8.000 piezas que se movían con una palanca giratoria. Babbage trabajó durante varios años en la máquina sin poder completarla. En 2002 el Science Museum de Londres presentó una reconstrucción totalmente funcional (ver vídeo).
Todas las máquinas de calcular construidas hasta este momento eran manuales, un operador debía introducir las operaciones una a una. El motor de diferencias es automático (funciona haciendo girar una palanca) pero estaba diseñada para realizar un único cálculo.
En 1840 Babbage tiene la idea de lo que podría haber sido la primera máquina calculadora automática programable: el motor analítico. Una de las fuentes en las que se inspiró fue el telar de Jacquard. Si los patrones definidos en una cinta perforada podían dirigir un telar para que tejiese un determinado dibujo, ¿no podría diseñarse una máquina que en lugar de tejer realizará cálculos? La máquina ya no estaría limitada a realizar un único cálculo, sino que se podrían modificar las operaciones a realizar mediante la cinta perforada.
De esta forma, la idea del motor de diferencias quedó superada por una máquina de propósito general, que sería capaz de realizar cualquier cálculo programado en la cinta.
Se trataría de una máquina totalmente mecánica, pero muchísimo más compleja. Babbage diseñó tres tipos de cintas (o tarjetas) perforadas: una para definir las operaciones matemáticas, otra para las constantes numéricas y otras para las operaciones de carga y almacenamiento de operaciones y números en la "memoria" de la máquina. La máquina tenía tres lectores separados para cada una de las cintas perforadas.
La máquina estaba diseñada para trabajar en base 10 y se podía conseguir que sus cálculos realizaran saltos condicionales y bucles.
Babbage trabajó durante más de 30 años para intentar construir la máquina. Tenían una enorme complejidad para la época y necesitaba muchísima financiación. En 1871 murió habiendo podido construir sólo una parte.
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| Charles Babbage | Motor de diferencias | Motor analítico |
Ada Lovelace tuvo un papel fundamental en la divulgación de la máquina, de sus sistema de programación y fue la primera que entendió sus posibilidades más allá del cálculo de fórmulas.
De forma poco habitual para la época, Ada fue educada en el campo de las ciencias y de las matemáticas. A principios de 1840, con veinticico años, conoció el trabajo de Babbage y colaboró con él, dedicándose durante varios años a conocer y estudiar el diseño y el funcionamiento del motor analítico.
En 1843 publicó el trabajo "Sketch of the analytical engine invented by Charles Babbage" en el que traduce del italiano un artículo sobre el motor analítico escrito por el científico Luigi Federico Menabrea y, lo más importante, añade reflexiones propias sobre el alcance del invento y construye un ejemplo completo, con tablas y diagramas, de cómo hacer que la máquina produzca la secuencia de los números de Bernoulli.
Se puede considerar estas tablas y diagramas como el primer programa de un computador. Pero hay que entender que no se trata de un programa escrito en un lenguaje de programación (el motor analítico no tenía un conjunto de instrucciones definido, ni las ejecutaba de forma secuencial, como los procesadores que veremos más adelante) y que el computador se trataba de un computador mecánico que no llegó a construirse.
Puedes encontrar más información sobre Ada Lovelace en el siguiente enlace Ada Lovelace, la primera programadora de la historia. Un artículo mucho más profundo y detallado es el de Stephen Wolfram: Untangling the Tale of Ada Lovelace.
Todas las máquinas vistas hasta ahora representan avances en el proceso del desarrollo de los primeros computadores, pero a finales del siglo XIX todavía no existía la tecnología ni la teoría matemática necesaria para construir un computador de propósito general. Son ideas de genios inventores adelantados a su tiempo.
Se necesitan algunos avances adicionales antes de llegar a la década clave en la historia de los computadores, la década 1940-50. Algunos de estos avances son teóricos o matemáticos, otros tecnológicos y otros integran tecnología y matemática. Vamos a verlos brevemente en orden cronológico.
El matemático inglés George Boole publicó en 1847 el trabajo "The Mathematical Analysis of Logic", donde describe un sistema algebráico de lógica basada en los valores Verdad y Falso (fácilmente representables en binario como 0 y 1), los operadores AND, OR y NOT y las tablas de verdad que describen el funcionamiento de esos operadores.
El álgebra de Boole, tal y como se denominó el sistema, se hizo popular en matemáticas y lógica y fue utilizado 80 años después por Claude Shannon para formalizar el funcionamiento de los primeros circuitos digitales diseñados en sus tesis de máster en el MIT.
Los relés electromecánicos son dispositivos que permiten implementar interruptores, amplificadores de señal o puertas lógicas.
Son elementos que tienen una entrada de control que puede activar el paso de corriente por un electroimán. Cuando el electroimán se activa atrae a una pestaña y se cierra el circuito principal del relé, con lo que la corriente pasa por él.
El funcionamiento del telégrafo está basado en este mecanismo. Inicialmente todos los relés del sistema de transmisión están abiertos y no pasa la corriente por ninguno. Cuando el transmisor pulsa la palanca del telégrafo para generar un pulso, el pulso se transmite por todos los relés cerrándose todos los circuitos hasta el receptor. A la derecha podemos ver un esquema sacado de la patente del telégrafo realizada por Morse en 1837.
También podemos ver en la imagen de la derecha un ejemplo de una puerta AND implementada con dos relés electromecánicos. Los dos relés están dispuestos de forma secuencial. Cuando la corriente pasa por el interruptor del primer relé se activa su electroimán y pasa la corriente. Si en el interruptor del segundo relé también hay corriente, se cierra también su circuito y la corriente pasa hasta la bombilla. La bombilla se enciende cuando llega una señal de 1 a ambos relés. Si alguno de los relés no tiene corriente en su interruptor (un 0) la bombilla entonces seguirá apagada.
Los relés electromecánicos fueron la pieza básica sobre la que se construyeron todos los primeros computadores. Después, en los años 40, serían sustituidos por las válvulas de vacío (inventadas en 1910), que permitían realizar el mismo comportamiento pero de una forma totalmente electrónica. Y después, en los años 50, por los transistores, mucho más pequeños, fiables y de menos consumo, aumentando de forma exponencial su velocidad.
La forma de introducir los programas y los datos en muchos de los primeros computadores era mediante tarjetas perforadas.
Tienen su origen en Herman Hollerith, que las inventó a finales del siglo XIX para automatizar el procesamiento del censo en los Estados Unidos
En su origen cada tarjeta guardaba los datos de una persona y usaban una codificación unaria: se agujereaba el dato correspondiente (letra o valor) a cada persona (su fecha de nacimiento, sexo, estado civil, etc.)
Las tarjetas perforadas usadas en los primeros computadores ya utilizan una codificación. Cada columna (o fila) define un carácter utilizando alguna combinación de agujeros. Cada tarjeta perforada representa una línea de texto.
Podemos probar un simulador de tarjetas perforadas.
Claude Shannon, George Stibitz y otros ingenieros como el alemán Konrad Zuse se dieron cuenta de forma independiente de que los relés usados para los telégrafos podían utilizarse como puertas lógicas para definir circuitos sumadores, multiplicadores, etc. de números en binario.
La máquina de Turing no es un computador real, no existe físicamente. Es un modelo computacional que formula Alan Turing para estudiar matemáticamente cuáles son los límites del cálculo y la computación, si existen problemas que no pueden ser calculados por muy potente que sea el computador.
Alan Turing, en la Universidad de Cambridge, publicó en 1935 su trabajo "On Computable Numbers, with an Application to the Entscheidungsproblem" en el que demuestra que su nuevo modelo computacional es equivalente a cualquier modelo computacional planteado y que existen problemas que no pueden resueltos por ninguna computación. Este modelo computacional es muy sencillo y muy elegante, con las características abstractas esenciales de un instrumento de computación. La máquina de Turing es muy similar a un computador físico, pero contiene elementos ideales y poco eficientes que hacen imposible tomarlo como un diseño de a partir del que construir un computador físico.
Una máquina de Turing consiste en un scanner lee y escribe 0s y 1s de una cinta infinita (memoria) y se mueve y los escribe en función de una tabla definida en la máquina (programa).
En el mismo trabajo Turing define el concepto de máquina universal que es capaz de leer de la cinta un programa cualquiera y simular su comportamiento en otra parte de la cinta. Esta idea tuvo un profundo impacto en el desarrollo de los computadores, porque mostraba que es posible escribir programas que tomen como datos otros programas. Esto abre la puerta a la idea de los programas almacenados en memoria (ya que son otros datos más) y a la creación de compiladores e intérpretes.
Se dice que un lenguaje de programación es Turing-completo cuando es posible escribir en él un programa que simule una máquina de Turing. De esta forma se puede afirmar que es capaz de escribirse en él cualquier algoritmo computable. En concreto se ha demostrado que para que un conjunto de instrucciones de un procesador sea Turing-completo debe ser capaz de realizar saltos condicionales y direccionamiento indirecto.
En la década 1940-50 se cristalizan todas las ideas previas y se produce un avance exponencial en el desarrollo de máquinas de computación, cada vez más rápidas y programables. La década termina con los primeros computadores comerciales de propósito general y con los primeros programas de inteligencia artificial (juegos de damas y ajedrez).
De forma independiente a todos los proyectos que veremos a continuación, el ingeniero alemán Konrad Zuse diseñó y construyó entre 1938 y 1941 la máquina de calcular Z3. Se considera uno de los primeros computadores programables. Era una máquina electromecánica, que utilizaba 2.300 relés para construir principalmente una unidad aritmética que operaba sobre dígitos binarios de 22 bits.
La máquina Z3 sólo podía ejecutar secuencias fijas de operaciones aritméticas en punto flotante (suma, resta, multiplicación, división y raíz cuadrada) codificadas en una cinta perforada. El programa se codificaba en una cinta externa y se leía paso a paso de forma mecánica. En sus instrucciones no existía el salto condicional, por lo que la máquina no puede considerarse un computador de propósito general, al no ser Turing-computable.
Debido a que los finales de la cinta perforada podían pegarse, la máquina Z3 era capaz de ejecutar de forma repetida un bucle sencillo de operaciones aritméticas que actuaban sobre números almacenados en memoria.
La arquitectura de la Z3 es el siguiente:
- Contiene registros de memoria denotados por letras (no se puede acceder de forma indirecta)
- La instrucción LOAD carga el contenido del registro (un número en punto flotante) como un operando de una operación matemática
- La instrucción STORE guarda el resultado de la operación en un registro
Un ejemplo de programa:
LOAD b
LOAD c
op
STORE a
El programa de cálculos a realizar se escribía de forma secuencial en una cinta perforada. La Z3 iba leyendo la cinta y realizando las operaciones indicadas.
Debido al estallido de la Segunda Guerra Mundial el trabajo de Zuse quedó olvidado y no tuvo repercusión fuera de sus fronteras.
- Tecnología: Electromecánica, relés.
- Programación: Cinta con instrucciones codificadas. El conjunto de instrucciones no tiene saltos condicionales ni direccionamiento indirecto, por lo que no es Turing-computable.
- Memoria: 64 palabras de 22 bits en almacenadas en relés.
- Velocidad: 1 instrucción por segundo.
En paralelo al desarrollo del Z3, de forma independiente, el profesor estadounidense John Vincent Atanasoff en la universidad de Iowa y su estudiante de doctorado Cliff Berry diseñan y desarrollan el primer computador totalmente electrónico, utilizando unas 300 válvulas de vacío (ABC, Atanasoff-Berry Computer).
Realmente no se trataba de un computador genérico, sino de una máquina de cálculo de propósito específico orientada a la resolución de sistemas lineales de ecuaciones algebráicas.
Aunque la parte electrónica se terminó con éxito, el computador no llegó nunca a funcionar totalmente. Las partes mecánicas, como el lector de tarjetas binarias, introdujeron continuamente errores irrecuperables.
- Tecnología: Electrónica, válvulas de vacío.
- Programación: No es de propósito general, la entrada de datos y ecuaciones se hace con tarjetas perforadas.
- Memoria: 60 números en representados en binario en palabras de 50 bits almacenadas en condensadores.
- Velocidad: 30 sumas/restas por segundo.
Colossus es el primer computador electrónico digital capaz de funcionar de forma continua. Se desarrolló en el centro de investigación británico de Bletchley Park en para automatizar la descodificación de los mensajes alemanes durante la Segunda Guerra Mundial.
En Bletchley Park también trabajó Turing desde 1938, diseñando y construyendo una máquina electromecánica (la Turing–Welchman bombe) que aceleró la descodificación de los mensajes producidos por las máquinas codificadoras alemanas llamadas Enigma.
Colossus fue diseñado y construido entre 1943 y 1944 por el matemático Max Newman y el ingeniero Tommy Flowers. Flowers convirtió un diseño inicial electromecánico de Newman en un computador totalmente digital electrónico utilizando válvulas de vacío. Colossus I tenía aproximadamente 1600 válvulas de vacío. Las siguientes versiones llegaron a tener 2400. En enero de 1943 se terminó Colossus I. Al final de la guerra, en 1945, había diez versiones más avanzadas funcionando diariamente en Bletchley Park.
Colossus tampoco fue un computador general. Aunque sus circuitos de válvulas podían realizar operaciones booleanas y contar, no estaba diseñado para realizar un programa (ni siquiera externo, como el Z3). Estaba diseñado para la tarea específica de descodificación de los mensajes usando un método predeterminado. Los operadores podían modificar parámetros del método genérico de descodificación alterando el cableado físico de la máquina, mediante enchufes e interruptores.
Todos estos trabajos fueron declarados secretos por el gobierno inglés hasta 1983, cuando se autorizó a Flowers a publicar detalles parciales del Colossus I. Durante muchos años no se supo que la computación electrónica fue clave para descodificar los mensajes alemanes y ayudó de forma decisiva al triunfo aliado en la Segunda Guerra Mundial.
- Tecnología: Electrónica, válvulas de vacío.
- Programación: No es de propósito general, la entrada/salida se realiza con una cinta de datos perforada e interruptores.
- Memoria*: No tiene elementos de memoria.
Mark-1 fue diseñada por el profesor Howard Aiken de Harvard y construida por IBM. Era una máquina enorme, del tamaño de una habitación, formada por miles de piezas conectadas a un árbol de levas de más de 15 metros. El objetivo del Mark-1 era el cálculo de tablas resultantes de funciones matemáticas. Por ejemplo, tablas balísticas para el lanzamiento de misiles.
- Tecnología: Electromecánica, relés.
- Programación: Programa codificado en una cinta, similar al Z3, sin operador de comparación, entrada de datos con 60 conjuntos de 24 interruptores.
- Memoria: 72 números en codificación decimal de 23 dígitos.
- Velocidad: 3 sumas/restas por segundo, una división tardaba 15 segundos y un logaritmo o función trigonométrica alrededor de 1 minuto.
ENIAC es el primer computador electrónico construido en los EEUU, en la Moore School de la universidad de Pensilvania, en un proyecto financiado por el departamento de defensa y dirigido por J. Presper Eckert y John Mauchly.
ENIAC tenía una tecnología similar a Colossus, pero era considerablemente más grande y más flexible (aunque aun estaba lejos de ser un computador de propósito general). La función principal de ENIAC fue el cálculo de tablas numéricas usadas para el cálculo de posición en los lanzamientos balísticos de misiles.
ENIAC no tenía tampoco un programa almacenado y para modificar su funcionamiento era necesario reconfigurar la máquina usando enchufes e interruptores. Durante muchos años se creyó que ENIAC fue el primer computador electrónico en funcionamiento, por el secreto que rodeó la fabricación de Colossus.
En 1944 John von Neumann se unió al grupo de desarrollo del ENIAC y aconsejó modificaciones en la arquitectura que llevaron, en 1948, a introducir un mecanismo primitivo de programa almacenado en memoria.
En los diseños iniciales del ENIAC se utilizaba una cinta de instrucciones similar a la del Z3. Eckert parece que también se dio cuenta de forma independiente, antes de la llegada de von Neumann, de que la lectura de instrucciones de forma mecánica era el cuello de botella de la máquina. La forma de sacar todo el partido a la velocidad a la que los datos se procesaban por los circuitos electrónicos era colocar las instrucciones codificadas en los mismos dispositivos de alta velocidad que almacenaban las instrucciones.
- Tecnología: Electrónica, 17.000 válvulas de vacío.
- Programa: podía realizar bucles, condicionales o subrutinas, pero el programa se introducía modificando sus interruptores y clavijas. La entrada y salida de datos se realizaba con tarjetas perforadas
- Memoria: 20 registros decimales.
- Velocidad: 5.000 sumas/restas por segundo.
En 1945, mientras que el ENIAC estaba todavía en construcción, von Neumann, trabajando en la Universidad de Princeton (EEUU) escribió su famoso informe First Draft of a Report on the EDVAC en el que propone la arquitectura básica de un computador digital de propósito general con programas almacenados en memoria (stored-program electronic computer) que denominó EDVAC.
Von Neumann se había interesado en el concepto de máquina universal de Turing en los años 36-38, cuando coincidió con Turing en la Universidad de Princeton. En la Moore School, von Neumann resaltó la importancia del concepto de programa almacenado para la computación electrónica, incluyendo la posibilidad de permitir que la máquina modificara su propio programa cuando estaba en ejecución (por ejemplo, para controlar los bucles y los condicionales).
Von Neumann trabajó desde 1945 hasta 1950 en la construcción de un computador con esa arquitectura en el Instituto for Advanced Study en Princeton.
El EDVAC se completó seis años después, pero no por sus diseñadores, que dejaron la Moore School para construir computadores en otras empresas.
En 1946 se celebraron en la Moore School conferencias y seminarios sobre el EDVAC y su arquitectura. Asistieron un gran número de investigadores americanos e ingleses. Las conferencias terminaron de impulsar en universidades y centros de investigación de empresas el concepto de arquitectura de computador basado en programas almacenados en memoria.
El concepto de programa almacenado en memoria es clave en la historia de los lenguajes de programación. Desde el momento en que un programa se puede almacenar en memoria, se puede tratar de la misma forma que se tratan otros datos. Aparecen los preprocesadores, lincadores, compiladores e intérpretes. Programas que procesan otros programas.
Una vez terminada la guerra, después de trabajar en el diseño de Colossus, Max Newmann crea el Computing Machine Laboratory en la universidad de Manchester.
El primer computador electrónico digital de propósito digital con programa almacenado se construyó en este laboratorio. Se conoció con el nombre de Manchester 'Baby'. Fue diseñado por Max Newmann usando la tecnología proporcionada por los ingenieros F.C. Williams y Tom Kilburn. Williams había inventado un dispositivo de memoria electrónico (la válvula de Williams) capaz de sustituir las lentas líneas de retardo de mercurio.
Max Newmann fue otra de las figuras claves en la divulgación de las ideas fundamentales de los computadores y de la arquitectura basada en un programa almacenado y un conjunto de instrucciones capaz de saltos, condicionales y direccionamientos indirectos.
En una charla en la Royal Society el 4 marzo de 1948 explicaba estos conceptos de la siguiente manera:
The machines now being made in America and in this country are in certain general respects all similar. There is provision for storing numbers, say in the scale of 2, so that each number appears as a row of, say, forty 0's and 1's in certain places or "houses" in the machine.
Certain of these numbers, or "words" are read, one after another, as orders. In one possible type of machine an order consists of four numbers, for example 11, 13, 27, 4. The number 4 signifies "add", and when control shifts to this word the "houses" H11 and H13 will be connected to the adder as inputs, and H27 as output. The numbers stored in H11 and H13 pass through the adder, are added, and the sum is passed on to H27. The control then shifts to the next order.
In most real machines the process just described would be done by three separate orders, the first bringing [H11] (=content of H11) to a central accumulator, the second adding [H13] into the accumulator, and the third sending the result to H27; thus only one address would be required in each order.
A machine with storage, with this automatic-telephone-exchange arrangement and with the necessary adders, subtractors and so on, is, in a sense, already a universal machine.
La máquina de Manchester fue el primer computador con un conjunto de instrucciones completo, capaz de realizar saltos, condicionales y direccionamiento indirecto. La primera ejecución de un programa fue el 21 de junio de 1948. En esa fecha Alan Turing se incorporó a la universidad de Manchester, como director del Laboratorio de Computación. Tres años después, con un diseño ampliado en el que también influyó Turing, una versión mucho mayor de la máquina se convirtió en el primer computador disponible comercialmente, el Ferranti Mark I. El primero se instaló en la universidad de Manchester en febrero de 1951, un mes antes que el UNIVAC I fuera entregado al Departamento de Censo de los EEUU. Se vendieron otras 10 máquinas a Gran Bretaña, Canadá, Holanda e Italia.
El primer programa complejo de Inteligencia Artificial, un jugador de damas escrito por Christopher Strachey, se ejecutó en el verano de 1952 en el Ferranti Mark I en el Laboratorio de Computación de Manchester. Strachey escribió el programa animado por Turing y usando el manual de programación del Ferranti que Turing acababa de escribir. Turing participó también en el desarrollo de otros programas de IA, como un jugador de ajedrez basado en heurísticas.
- Tecnología: Válvulas de vacío.
- Programa: almacenado en memoria, leído con tarjetas perforadas. Uno de los primeros ordenador de propósito general Turing-computable en funcionamiento con programas almacenados en memoria.
- Memoria: 32 palabras de 32 bits almacenadas en memorias de línea de retardo de mercurio.
- Velocidad: 10.000 operaciones por segundo
El EDSAC fue otro de los primeros computadores en funcionamiento que utilizó la arquitectura von Neumann con el programa almacenado en memoria. Fue desarrollado por un equipo dirigido por Maurice Wilkes. Wilkes había asistido tres años antes a los seminarios de la Moore School en donde conoció los fundamentos de la arquitectura.
Para la programación del EDSAC, Wilkes estableció una biblioteca de programas cortos llamados subrutinas almacenados en tarjetas perforadas.
El diseño del EDSAC fue mucho más robusto que el de la Máquina de Manchester y se convirtió de hecho el primer computador en el que se desarrollaron programas largos. Por ejemplo, en 1951 se habían desarrollado 87 subrutinas en las siguientes categorías: aritmética de punto flotante, operaciones aritméticas sobre número complejos, división, exponenciación, ecuaciones diferenciales, series de potencias, logaritmos, lectura y escritura, bucles repeat until, while y for, vectores y matrices.
- Tecnología: Válvulas de vacío.
- Programa: almacenado en memoria, leído con tarjetas perforadas. Uno de los primeros ordenador de propósito general Turing-computable en funcionamiento con programas almacenados en memoria.
- Memoria: 1024 palabras de 18 bits almacenadas en memorias de línea de retardo de mercurio.
- Velocidad: 1.5 milisegundos las operaciones ordinarias y 6 milisegundos las multiplicaciones
Puedes encontrar otros hitos de la historia del computador en la línea de tiempo de la historia del computador del Computer History Museum.
A pesar de haberse desarrollado múltiples variantes de máquinas, arquitecturas y modelos de computador, existen ciertos elementos esenciales comunes a todos ellos.
Un computador se dice que es universal cuando su conjunto de instrucciones permite realizar cualquier programa computable. De forma teórica un computador es universal cuando es posible simular con él una máquina de Turing.
Los primeros computadores tenían cierta flexibilidad, pero estaban muy lejos de ser universales.
Un computador universal debe tener suficiente memoria accesible por referencia, acceso indirecto, como mínimo un acumulador y ser capaz de ejecutar el conjunto de instrucciones CLR (clear), INC (increment), LOAD, STORE, and BZ (branch if zero) (Raul Rojas, Konrad Zuse's Legacy).
De forma práctica, los computadores empezaron a dejar de ser máquinas de calcular y empezaron a resolver otros tipos de problemas: problemas combinatorios de búsqueda eficiente en un espacio de soluciones (criptografía o problemas matemáticos) o primeras aplicaciones de inteligencia artificial (juegos como las damas).
Un concepto fundamental de los conjuntos de instrucciones de los procesadores es el de direccionamiento indirecto.
Un ejemplo de su funcionamiento es el siguiente programa escrito en un lenguaje ensamblador imaginario.
LOAD C #28AF
LOAD A [C]
INC C
LOAD B [C]
La primera instrucción carga en el registro B el número hexadecimal
#28AF que representa la dirección de memoria 10.415. La segunda
instrucción carga en el registro A el contenido de esa dirección de
memoria. La siguiente instrucción incrementa en 1 la dirección de
memoria que hemos guardado en C y después se carga en B el contenido
de esa nueva dirección. El resultado es que hemos guardado en los
registros A y B los contenidos de las direcciones de memoria 10.415 y
10.416.
El direccionamiento indirecto nos permite hacer cálculos sobre direcciones de memoria y guardar después los contenidos de las direcciones resultantes en registros. Esto es fundamental para que un lenguaje de programación pueda tener saltos, llamadas a subrutinas o estructuras de datos dinámicas.
De hecho, el matemático Raúl Rojas, experto en la historia de la computación, establece en su artículo (On Basic Concepts of Early Computers in Relation to Contemporary Computer Architectures que el direccionamiento indirecto es necesario para que un conjunto de instrucciones de un procesador sea Turing-completo.
Los primeros computadores electrónicos se programan directamente usando el conjunto de instrucciones del procesador, en código máquina, código hexadecimal
El primer lenguaje de un nivel algo más elevado que el código máquina es el ensamblador. Programas que empiezan a ayudar a los programadores: ensambladores. Hay una relación casi directa entre la notación en ensamblador y el código hexadecimal que produce el ensamblador.
A finales de la década de los 40 se empiezan a intentar resolver con los primeros computadores los primeros problemas matemáticos distintos de operaciones numéricas: codificación y descodificación, problemas combinatorios como el coloreado del mapa o problemas de ordenación.
Uno de los primeros algoritmos de von Neumann realiza una ordenación de un conjunto de números. Von Neumann lo describe en una carta fechada en 1945. Utiliza el conjunto de instrucciones del EDSAC cuando todavía no se había construido. El programa fue estudiado por Donald Knuth en el artículo Von Neumann's first Computer Program, en donde documenta que había un bug en las primeras instrucciones. Es el primer bug escrito del que se tiene historia. Si Von Neumann hubiera podido ejecutar el programa en el EDSAC se hubiera dado cuenta del error y hubiera sido la primera depuración de un programa.
Primer programa de Von Neumann
(Donald Knuth, "Von Neumann's first Computer Program", Journal of the ACM Computing Surveys (CSUR) Surveys, Volume 2 Issue 4, Dec. 1970, Pages 247-260)
El UNIVAC fue el primer computador comercial (1951). Con este computadora aparece por primera vez la figura del programador: manuales, cursos de formación, ofertas de empleo, etc.
UNIVAC
Instalaciones comerciales del UNIVAC
Los computadores son lentos y muy complicados de instalar y mantener.
Son más importantes las horas de funcionamiento del computador que las horas de trabajo del programador.
La complejidad de las tareas a programar es pequeña y es suficiente con los programas en ensamblador.
El manual de 1959 de programación del UNIVAC es una referencia histórica de gran interés de la que hemos extraído las siguientes imágenes:
Manual del UNIVAC
Se realizan los primeros anuncios y reportajes de televisión sobre computadores (YouTube)
Anuncio UNIVAC
El IBM 704 fue el otro gran ordenador comercial de la década de los 50.
Tuvo una difusión mucho mayor que el UNIVAC: centros gubernamentales, universidades.
Los primeros lenguajes de programación de alto nivel se desarrollan para este computador.
Foto IBM 704
The UNIVAC I was an interesting machine to program, with its mercury delay line storage and its short mean time to failure. Programs were entered into the computer by typing them onto steel magnetic tape, a major innovation at that time.
Working with the IBM 704 at NYU was an entirely different experience from the UNIVAC I. It was built for executing scientific applications, and had as its major innovation a magnetic core memory, replacing the Williams tube memory of the IBM 701 and the primary memory drum of the IBM 650. It also had a floating point arithmetic unit and index registers to form effective addresses, both of which were significant advances at that time. The machine had the equivalent of 128 KB primary memory, 32 KB of secondary drum memory and magnetic tapes that held 5 MB of data. It operated at 0.04 MIPS, and cost $3 million dollars in 1957, the equivalent of perhaps $20 million today.
George Sadowsky, My Second Computer was a UNIVAC I
Los primeros lenguajes de alto nivel se desarrollaron a finales de la década de los 50:
- FORTRAN en 1956
- Lisp en 1958
Ambos lenguajes planteaban dos enfoques muy distintos desde el principio:
- FORTRAN
- Primer lenguaje comercial, equipo de IBM dirigido por John W. Backus
- Lenguaje imperativo: estado, estructuras de control, contador de programa, celdas de memoria
- Lenguaje compilado
- Lisp
- Lenguaje diseñado en un departamento de investigación, un equipo del MIT dirigido por John McCarthy
- Lenguaje funcional: funciones, recursión, listas, símbolos
- Lenguaje interpretado
Desarrollado por IBM para programar el IBM 704. Algunos datos:
- Su nombre proviene de FORmula TRANslating system.
- El primer manual de FORTRAN se imprime en octubre de 1956 para el IBM 704.
- El primer compilador se comercializa en abril de 1956.
Cita de John Backus (Wikipedia sobre FORTRAN):
Much of my work has come from being lazy. I didn't like writing programs, and so, when I was working on the IBM 701, writing programs for computing missile trajectories, I started work on a programming system to make it easier to write programs.
John Backus
Ejemplo FORTRAN
Tomado del manual de FORTRAN del IBM 704
El otro lenguaje de alto nivel desarrollado en esa época es el Lisp. Desarrollado a finales de los 50 en el MIT por John McCarthy.
Aunque históricamente el nombre del lenguaje se solía escribir con letras mayúsculas (LISP), posteriormente se ha popularizado el uso de la mayúscula sólo para la primera letra (Lisp). Esta forma es más fiel al origen del nombre del lenguaje. Lisp no es un acrónimo, sino la contracción de la expresión List Processing. El procesamiento de listas es una de las características principales del Lisp.
McCarthy explica en un artículo de 1979 la historia inicial del Lisp:
[...] My desire for an algebraic list processing language for artificial intelligence work on the IBM 704 computer arose in the summer of 1956 during the Dartmouth Summer Research Project on Artificial Intelligence which was the first organized study of AI. [...]
[...] There were two motivations for developing a language for the IBM 704. First, IBM was generously establishing a New England Computation Center at M.I.T. which Dartmouth would use. Second, IBM was undertaking to develop a program for proving theorems in plane geometry (based on an idea of Marvin Minsky's), and I was to serve as a consultant to that project. At the time, IBM looked like a good bet to pursue artificial intelligence research vigorously, and further projects were expected. It was not then clear whether IBM's FORTRAN project would lead to a language within which list processing could conveniently be carried out or whether a new language would be required.[...]
[...] I invented conditional expressions in connection with a set of chess legal move routines I wrote in FORTRAN for the IBM 704 at M.I.T. during 1957-58. This program did not use list processing. The IF statement provided in FORTRAN 1 and FORTRAN 2 was very awkward to use, and it was natural to invent a function XIF(M,N1,N2) whose value was N1 or N2 according to whether the expression M was zero or not. The function shortened many programs and made them easier to understand, but it had to be used sparingly, because all three arguments had to be evaluated before XIF was entered, since XIF was called as an ordinary FORTRAN function though written in machine language. This led to the invention of the true conditional expression which evaluates only one of N1 and N2 according to whether M is true or false and to a desire for a programming language that would allow its use.[...]
John McCarthy, History of LISP
John McCarthy
Uno de los primeros manuales de Lisp publicados es el manual de LISP de 1960 para el IBM 704 escrito por Phyllis A. Fox. del grupo de investigación del MIT dirigido por McCarthy.
Un ejemplo de código Lisp:
Ejemplo LISP
Tomado de "The Programming Language LISP", MIT Press, 1964
- Raul Rojas, "Konrad Zuse's legacy the architecture of the Z1 and Z3", IEEE Annals of the History of Computing, Vol. 19, No. 2, 1997
- Charles Petzold, "Code", Microsoft Press, 2000 (Capítulo 18: "From Abaci to Chips")
- Jack Copeland, "The Modern History of Computing", The Stanford Encyclopedia of Philosophy (Fall 2008 Edition), URL = http://plato.stanford.edu/archives/fall2008/entries/computing-history/
- Georgi Dalakov, "History of Computers", URL = http://history-computer.com
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