4. la etapa electromecánica

Daniel Merchán López. 2013

46 Historia del software en computación aplicado a la informática educativa.

2.5. La etapa electromecánica.

En el siglo XX nacerán los computadores electrónicos tal y como los conocemos hoy en día. Hay dos factores que empujaron los acontecimientos en esa dirección:

El primero, fue la necesidad de contar con tablas astronómicas fiables, exactamente igual que en el siglo anterior. Particularmente, calcular la posición de la luna con una alta precisión era fundamental para que los navegantes conocieran donde se hallaban exactamente.

El segundo, y más importante, fueron la Primera y Segunda Guerras mundiales. Las ecuaciones que rigen el movimiento de los proyectiles balísticos son muy complejas y necesitan de numerosos cálculos que no se pueden realizar manualmente. Lógicamente, el bando que tuviera mejores herramientas de cálculo dispondría de una gran ventaja.

Este tipo de calculadores se configuran o dividen en dos grandes ramas (que después darán lugar a dos grandes ramas de ordenadores), los calculadores analógicos electrónicos y los calculadores digitales (también denominados primitivamente calculadores numéricos) electrónicos.

Los calculadores analógicos. [6][12][15][26]

Los empleados del comercio y de la industria no eran los únicos que utilizaban el cálculo y consecuentemente, las máquinas de calcular. En las ciencias exactas y sobre todo, la extensión sin precedentes del campo de la ingeniería , constituyeron un contexto que favoreció el nacimiento de máquinas de calcular más potentes. Un equipo de ingenieros se podían pasar varios meses calculando ecuaciones diferenciales, por ello y como las máquinas de oficina parecían estar lejos de satisfacer sus necesidades, numerosos inventores intentaron crear máquinas que, sin calcular, proporcionaran el resultado deseado. Todo el problema consistía en encontrar, en la naturaleza o en un dispositivo artificial, un fenómeno análogo del cálculo a realizar. Las máquinas que nacieron de esta idea se llamaron máquinas analógicas. Los computadores analógicos tienen una tasa de dimensión de la información o potencial



de dominio informático más grande que los computadores digitales. Esto, en teoría, permite a los computadores analógicos resolver problemas que son indescifrables con computadores digitales.

Los teóricos de la informática suelen usar el término ordenador real, llamado así porque opera dentro del conjunto de números reales.

El americano Vannevar Bush (1890-1974), profesor en el MIT (Massachussets Institute of Tecnology) construyó hacia 1930 un analizador diferencial (Fig. 27) con el fin de resolver ciertas ecuaciones utilizadas en problemas de circuitos eléctricos.

Hacia 1940, ese analizador era la máquina más potente para realizar ese tipo de calculos. A pesar de algunas tentativas que aspiraban a construir calculadoras analógicas universales, este tipo de máquinas se estanco y solo se emplearon en sectores específicos.

Fig. 27. Analizador diferencial de Vannevar Bush.

Evidentemente, los primitivos calculadores analógicos son mecánicos, como son el diferencial y el multiplicador mecánico. Posteriormente, aparecen los calculadores eléctricos, que son una realidad implantada hacia 1935, son la base del cálculo moderno, superada la etapa mecánica. Se basan en las leyes de Ohm o de Joule, para convertir en representación material las ecuaciones de álgebra o los problemas analíticos.

El calculador digital.[25][15]

Éste calculador también llamado numérico, opera sobre números discretos, según nuestra aritmética, o sea, son calculadores aritméticos, identificando cifra con digito, por eso se les ha denominado calculadores digitales. Estos calculadores funcionaban a base de relés. Al poseer el relé (Fig. 28) dos estados (abierto y cerrado), constituyen el elemento ideal para representar los dos dígitos de la numeración binaria (0 y 1), y también los dos valores lógicos (verdadero y falso) del álgebra de Boole. Por ello los relés pueden considerarse elementos de memoria capaces de albergar resultados parciales.



Fig. 28. Relé electromagnético.

El calculador numérico es un conjunto totalmente automático. Recibe un programa de trabajo, almacenado en una cinta perforada. El programa se perforaba desde una máquina de escribir dotada de un código, y provista de estiletes de perforar.

El sistema es alfanumérico en sus orígenes. Esto es así porque es necesario admitir símbolos o signos no numéricos que controlen los datos numéricos. Alimentado con instrucciones y datos, realiza en principio su tarea sin la intervención humana, y entrega sus resultados generalmente perforando otra cinta o accionando una máquina de escribir de centrada mediante sistemas eléctricos. En su camino hacia el ordenador como un ente diferenciado del calculador, el calculador numérico aporta históricamente la introducción del programa.

El calculador numérico se limita a ejecutar sobre los datos numéricos las instrucciones entregadas. El programa que se entrega a un calculador numérico es una secuencia extremadamente detallada de las acciones a realizar, necesitando cada acción de una instrucción concreta.

Stibitz y el complex calculator.[9][6][15]

Antes de llegar a los ordenadores actuales se construyen varias máquinas que introducen nuevas funcionalidades e innovaciones electromecánicas, una de ellas es el <<Complex calculator>>, también llamado <<calculadora de relés telefónicos de los laboratorios Bell modelo 1>> (BTL Model 1). Fué construido entre abril y octubre de 1939 por George R. Stibitz, matemático americano, que comenzó construyendo sumadoras de relés en su casa como un hobby. Antes de construir el Model 1, Stibitz construyó una sumadora de cocina con algunos relés de teléfono, Stibitz los ensambló en su cocina sobre un soporte de madera. En la sumadora de cocina había dos bombillas que se encendían si la suma era un 1 y no se encendían si la suma era 0.



Stibitz construyó después circuitos más sofisticados que podían restar, multiplicar y dividir.

Fueron esta especie de juegos los que ganaron el apoyo de la empresa en la que trabajaba, la <<Bell Telephone Laboratories>>, obteniendo la ayuda necesaria para que, a principios de 1949, el <<Complex calculator>> (Fig. 29) funcionase a pleno rendimiento. Trabajaba en binario y su arquitectura era simple. Contaba con un teletipo para la entrada/salida de los problemas y los resultados y una unidad formada por 400 relés que se encargaba de los cálculos.

Fig. 29. Complex calculator.

Esta máquina era capaz de sumar dos números decimales de 8 cifras en una décima de segundo y hacer una multiplicación en un minuto. Era un poco lenta pero de fácil manejo.

En septiembre de 1940, en el congreso anual de la American Mathematical Society hecho en Hanover(Nueva Hampshire, USA), la Bell instaló teletipos conectados con el Model 1 instalado en Manhattan. Esta demostración hecha por personajes como Norbert Wiener y John Mauchly abanderó al Complex Calculator en la comunicación informática de datos. La respuesta llegó en menos de un minuto. Sin ninguna duda es el primer ejemplo conocido de cálculos a distancia efectuados por una máquina.

Stibitz utilizó en 1942 la aritmética flotante anteriormente utilizada por Torres y Quevedo, permite a la máquina, si los números son demasiado grandes, dividirlos por un factor 10, 100 o 1.000 y al final recomponerlos. Stibitz consiguió mejorar su máquina y construir su modelo 3, que reflejaba en la práctica las aspiraciones de Babbage, ya que el nuevo invento de Stibitz calculaba los valores de polinomios y otras expresiones algebraicas, de acuerdo a las instrucciones que le diesen, bien por medio del teclado del teletipo o bien por cinta de papel perforada de cinco canales. Consiguió la búsqueda de una dirección en la cinta, es decir, la posibilidad de bifurcar.

El modelo V fue el último de esta serie de calculadores. Estaba pasado de moda debido a la invención del ordenador, aun así se utilizó durante varios años después.



Constaba de 9.000 relés, pesaba 10 toneladas y ocupaba una superficie de unos 105 metros cuadrados.

Serie Z de Konrad Zuse.[26][15][6][11]

Konrad Zuse, alemán, diseñó al mismo tiempo que Stibitz un calculador universal binario capaz de almacenar un programa. Zuse es considerado el padre de la informática en Europa.

Zuse siguió los diseños de Charles Babbage sin saberlo, pues desconocía sus trabajos anteriores. Igualmente, cuando John von Neumann describió más tarde la estructura que habia creado, tampoco conocía los trabajos de Zuse. Sin ninguna duda esta estructura era la más razonable, pues constaba de un sistema de control, una memoria y una unidad aritmética para realizar los cálculos.

Funcionaba como una serie de instrucciones que indicaban el código de la operación, las direcciones en memoria y la dirección del resultado (la dirección es un código que designa un emplazamiento específico en una parte de la memoria).

Su primera máquina, completamente mecánica, a la que llamo Z-1 (Fig. 30), trabajaba en sistema binario y fue desarrollada entre 1936 y 1938. Estaba constituida por un conjunto de bandejas móviles. Las posiciones adoptadas por un vástago en una hendidura de una bandeja con ranuras, constituían la memoria. La posición, a la izquierda o a la derecha, del vástago representaba un 0 o un 1. La memoria estaba formada por un millar de bandejas que representaban otras tantas cifras binarias. Funcionaba con algunas dificultades, pues al cabo de algunos minutos de uso siempre había que realizar ajustes.

En la siguiente, la Z-2, reemplazó las partes mecánicas de la unidad aritmética por relés de teléfono. Constaba de unos 200 relés. Estos relés eran conmutadores electromecánicos abierto/cerrado que incrementaban la velocidad de cálculo, pues operaban varios cientos de veces por minuto. La unidad aritmética seguía conectada a la memoria de la Z-1.

Fig. 30. Z-1.

En 1941, por encargo del Instituto Experimental Alemán de Aeronáutica creó su Z-3 (Fig. 31), considerada la primera calculadora universal controlada por un programa. Se trataba de una máquina con un lector de bandas, una consola para el operador y dos especies de armarios que contenían 2.600 relés en total. Los datos se introducían



desde un teclado y el programa de control se establecía mediante una cinta de celuloide. El Z-3 no era capaz de bifurcar y trabajaba en binario, pero disponía de una memoria de 64 números de 22 bits: un bit de signo, siete de exponente y catorce de mantisa. Estaban representados en binario y utilizaban la aritmética de coma flotante.

Zuse descubrió que con una representación en coma flotante, el primer bit podía hacerse siempre igual a uno; solo era necesario tener el exponente adecuado. Esta representación es la que se emplea en la actualidad. La máquina tenía una limitación importante, pues no incluía saltos condicionados. La Z-3 podía calcular raíces cuadradas, era capaz de realizar tres o cuatro sumas por segundo, y podía multiplicar dos números en cuatro o cinco segundos.

Fig. 31. Z-3.

La Z-4 posterior, fue sólo un proyecto de prototipo diseñado entre 1942 y 1945, que nunca llegó a construirse ni a comercializarse debido a la posguerra que asolaba Alemania. La máquina se presentó el 28 de abril de 1945. Tenía una memoria de 1.024 números de 32 bits cada uno e incorporaba saltos condicionales y las subrutinas. Aparte de esto, disponía de un mecanismo que leía dos instrucciones antes de ejecutarlas, de manera que podía invertir las operaciones si ello no modificaba el resultado, permitiendo un mayor rendimiento en lo que al tiempo se refiere. Este procedimiento se conoce en inglés como lookhead y fue muy utilizado en ordenadores posteriores. Durante las incursiones aéreas angloamericanas de 1944 las instalaciones de Zuse fueron dañadas en varias ocasiones por lo que se tuvo que marchar, junto con su equipo, a una granja de los Alpes. Su máquina Z-3 fue destruida en estos bombardeos. En los Alpes escribió su tesis doctoral: Teoría de computación general. En este texto define un lenguaje de programación, el Plankalkül, en el que escribió muchos programas sobre papel, pero ninguno de ellos llega a ponerse en funcionamiento.



El Plankalkül se realizó para intentar solucionar problemas numéricos y no numéricos. Tenía un alto nivel de abstracción. El primer lenguaje que pudo compararse con él fue el Algol, que se desarrolló años más tarde.

A partir de 1947, Zuse trabajó en otros proyectos desarrollando máquinas con tubos de vacío, como la Z-22, y de transistores, como la Z-23. Años más tarde construyó un plóter controlado por una máquina, la Z-64. La Z-4 se convirtió en la primera computadora comercializada, utilizada por multitud de instituciones hasta 1959.

Mark I de Howard Aiken. [6][9][7]

En 1937, Howard Hathaway Aiken (1900-1973), físico de la Universidad de Harward, desarrollo un calculador de uso general de relés. En 1944, la máquina estuvo terminada; en la Universidad de Harvard se le llamó Mark-I (Fig. 32) y el equipo de IBM la nombró como ASCC. El Mark I fue el primer ordenador electromecánico que se construyó y funcionó, aunque pronto se quedaron anticuadas por la aparición de las computadoras electrónicas.

Fig. 32. Operadores programando la Mark I de Aiken.

Aiken fue el primero que utilizó por primera vez la palabra registro y la idea que ello conlleva. El registro es un dispositivo que permite grabar la representación física de la información en la misma máquina. Forma lo que después se llamará memoria.

El Mark I recibía sus secuencias de instrucciones (programas) y sus datos a través de lectoras de cinta perforada de papel y los números se transferían de un registro a otro



por medio de señales eléctricas. Un reloj sincronizaba las operaciones que efectuaba la máquina.

Medía 16,6 metros de largo por 2,6 metro de alto, pesaba alrededor de 70 toneladas y estaba constituida por 800.000 piezas móviles (ruedas rotatorias para los registros, relevadores...), teniendo el cableado interno de la Mark I una longitud de más de 800 kilómetros, con más de tres millones de conexiones. Estaba compuesta de más de 1.400 interruptores rotatorios de diez posiciones en el frente de la máquina para visualizar los valores de los registros constantes que se le introducían. Pero además de los registros constantes la máquina contenía 72 registros mecánicos. Cada uno de los registros mecánicos era capaz de almacenar 23 dígitos, los dígitos que se usaban para el signo era un 0 para signo positivo y un 9 para el signo negativo.

Era capaz de realizar 5 operaciones aritméticas (suma, resta, multiplicación, división y referencia a resultados anteriores). Sumaba dos números en menos de un segundo y era capaz de multiplicar dos números decimales de 23 cifras en 3 segundos y dar la respuesta en tarjetas perforadas. Una división tardaba unos 10 segundos. Estaba preparada para el cálculo de tablas matemáticas y era cien veces más rápida que las calculadoras de oficina de la época. La posición de la coma decimal estaba fija durante la solución de un problema, pero podía ajustarse previamente de manera que estuviera entre dos dígitos cualquiera. La máquina contaba también con mecanismos que permitían efectuar cálculos de doble precisión (46 decimales), mediante la unión de dos registros.

En años posteriores Aiken construyó nuevas versiones de su Mark más complejas y mayores utilizando elementos electrónicos. Como ejemplo, el Mark 6 (1952) tendrá una de las primeras memorias de boceles de pirita.

El ABC de John V. Atanasoff.[27][26][6][7]

Atasanoff, físico norteamericano, desarrolló el prototipo del ABC (Fig. 33) a finales de 1930, aunque la construyó entre 1939 y 1942 con la ayuda de su ayudante, Clifford Berry, en la Universidad de Iowa. Ésta máquina operaba en binario derivado del álgebra de Boole, siguiendo la idea de Babbage, era totalmente electrónica y es considerada por un tribunal de los Estados Unidos como la primera máquina de calculador digital.

No era programable y era muy lenta, pues no utilizaba todo el potencial que se podía obtener de una máquina electrónica. Su reloj interno disponía de 60 pulsaciones por segundo, para lo cual no era necesario utilizar la electrónica. Tenía el tamaño aproximado de un escritorio y pesaba alrededor de 315 kilogramos. La estructura y las operaciones principales del ABC son muy sencillas. La máquina estaba compuesta por tres partes básicas: la unidad de almacenamiento, la unidad aritmética y un sistema de



entrada/salida. La unidad aritmética contenía 210 tubos de vacío; otros 30 tubos controlaban el lector y el editor de tarjetas. La memoria se componía de 2 tambores rotativos, estos tambores era de finales de los años 40 y principios de los 50.

La máquina estaba especializada en resolver ecuaciones lineales, ecuaciones diferenciales y para el cálculo de tablas de tiro. La idea de Atanasoff es la siguiente: intentaba resolver un conjunto de ecuaciones grande por medio de pares de ecuaciones eliminando la variable designada. Iba repitiendo el proceso hasta que solo quedaba una variable. Después calculaba el valor de la variable.

Fig. 33. Réplica del ABC.

2.6. EL ENIAC de Presper Eckert y John W.Mauchly.[7][28][19][29][12][15][6]

El ENIAC es considerado el último gran calculador o, también, la primera computadora electrónica. Fue desarrollado en 1940 por John W. Mauchly (1907-1980) y John Presper Eckert (1919-1995) junto con científicos de la Universidad de Pensylvania en la Escuela Moore de Ingeniería Eléctrica, a petición del Ministerio de Defensa de Estados Unidos. Esta computadora entró en funcionamiento en el año 1945 aunque la primera demostración se hizo el 15 de febrero de 1946 calculando una trayectoria balística, la máquina no defraudó y realizó los cálculos correctamente. El motivo de la construcción de esta computadora era la realización automática de tablas matemáticas. En este caso las tablas eran tablas balísticas para la armada de los Estados Unidos que era quien financiaba el proyecto.

El principal inconveniente del ENIAC era su programación (Fig. 34), pues se necesitaba girar a mano miles de computadores y empalmar cientos de cables de una manera específica. Sus diferentes unidades aritméticas y acumuladores no estaban interconectados de un modo fijo. Reprogramar la computadora para diferentes tareas suponía mucho esfuerzo y, a menudo, se cometía errores. El ENIAC contaba con 17.468



tubos de vacío y 1.500 relés, y si fallaba un tubo de vacío no se podía realizar el cálculo. Por poner un ejemplo, en el primer mes de uso se averiaron 50 tubos, y 15 en los cinco meses siguientes. Para cambiar el programa era necesario extraer el panel de control, cambiar a mano las interconexiones y volverlo a insertar. Posteriormente las entradas y salidas de los datos se realizaron mediante tarjetas perforadas.

El ENIAC estaba compuesto por cuarenta paneles colocados en forma de herradura, pesaba alrededor de 30 toneladas y ocupaba una superficie de 160 metros cuadrados. Aparte de los tubos de vacío y los relés, contaba con 70.000 resistencias, 10.000 capacidades y 6.000 conmutadores manuales. El reloj de la máquina funcionaba a 100.000 pulsos por segundo, lo que es lo mismo, las válvulas conmutaban cada 10 microsegundos. Su memoria estaba formada por 20 acumuladores de 10 cifras decimales cada uno. Cada cifra decimal se almacenaba en un contador de anillo formado por 10 biestables de tríodos; es decir, utilizaba aritmética decimal. Por poner un ejemplo, el número 7 se representaba poniendo a cero todos los biestables, menos el séptimo que se ponía a 1.

Fig. 34. Programadoras con el ENIAC.

Se accionaba mediante un motor equivalente a dos motores de coche de cuatro cilindros, mientras un ventilador enfriaba el calor producido por los tubos de vacío. Consumía 150.000 vatios. Comparándolo con las calefacciones domésticas, el ENIAC producía tanto calor como 50 de ellas.

El ENIAC era capaz de realizar una suma en 200 microsegundos y una multiplicación en milisegundos. Para transmitir un número de una parte a otra del ENIAC se necesitaban once cables, diez de ellos para cada dígito y el otro para el signo. Esta transmisión se realizaba mediante pulsos eléctricos.

4. la etapa electromecánica

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