Quéeslacomputación

El ENIAC, construido entre 1943 y 1945 en la Universidad de Pensilvania para calcular tablas de trayectoria de artillería en tiempo de guerra, fue el primer ordenador a gran escala capaz de funcionar a velocidad electrónica, sin partes mecánicas que lo ralentizaran. Según los estándares de todo lo anterior, era extraordinario. Según el estándar que está a punto de presentar este capítulo, todavía le faltaba algo fundamental.

El ENIAC no tenía forma de almacenar un programa en memoria. Para hacer que resolviera un problema distinto, los técnicos lo reconfiguraban físicamente, conectando cables de conexión entre componentes y ajustando a mano cientos de interruptores, una disposición física concreta por cada cálculo. El propio relato del Computer History Museum sobre la máquina es directo respecto al coste de esto: «Diseñar la configuración correcta para cada problema nuevo, y luego conectar los cables y ajustar los interruptores, llevaba muchos días».

Lee esa frase con atención, porque es todo el capítulo en una línea. Cambiar lo que calculaba el ENIAC no era una decisión de software que se tomaba en minutos: era un proyecto físico de recableado que se medía en días, realizado por personas que tenían que pensar todo el cálculo como un diagrama de cableado literal antes de tocar siquiera un cable.

Computer History Museum, ENIAC, https://www.computerhistory.org/revolution/birth-of-the-computer/4/78.

La solución que hizo obsoleta la reprogramación al estilo ENIAC se llama concepto de programa almacenado: en lugar de representar un programa como una disposición física de cables, representarlo como datos (el mismo tipo de datos binarios que la máquina ya almacena y manipula) y guardar esos datos en la propia memoria del ordenador, junto a cualesquiera números o textos con los que el programa deba trabajar.

En cuanto las instrucciones son simplemente datos en memoria, «cambiar el programa» deja de ser una tarea de hardware y pasa a ser una tarea de carga de datos: se cargan valores binarios distintos en memoria, y el ordenador ejecuta un programa distinto, en el tiempo que se tarda en leer esa memoria y no en el tiempo que se tarda en recablear una sala llena de equipos. Esta única idea es la razón por la que un ordenador moderno puede ejecutar un procesador de textos por la mañana y un videojuego por la tarde sin que nadie toque en absoluto su cableado interno.

Merece la pena detenerse en lo extraña que es realmente esta idea, porque la familiaridad ha limado esa extrañeza. Un programa almacenado como datos puede, en principio, examinarse, copiarse, modificarse (incluso modificarse a sí mismo) usando exactamente las mismas operaciones que el ordenador ya usa para examinar, copiar y modificar cualquier otro dato. Las instrucciones y los datos no son dos tipos de cosa distintos para un ordenador de programa almacenado; son el mismo tipo de cosa, distinguidos solo por cómo los esté interpretando el procesador en ese momento.

La arquitectura construida en torno al concepto de programa almacenado (hoy llamada arquitectura de von Neumann, por el matemático John von Neumann, que la describió en un influyente informe de 1945) organiza un ordenador en un pequeño número de partes que cooperan entre sí: una unidad central de procesamiento que contiene una unidad de control y una unidad aritmético-lógica, una memoria compartida entre instrucciones y datos, y mecanismos de entrada/salida que conectan la máquina con el mundo exterior.

Lo que realmente hacen esas partes, una y otra vez, se llama el ciclo de búsqueda-decodificación-ejecución. Búsqueda: la unidad de control lee la siguiente instrucción de la memoria, en la dirección que contiene un registro llamado contador de programa. Decodificación: la unidad de control interpreta el patrón binario de esa instrucción para determinar qué operación especifica. Ejecución: la unidad aritmético-lógica realiza esa operación, y el resultado se almacena de nuevo en memoria o se envía a la salida.

Después el ciclo se repite, sin cesar, mientras el ordenador funcione, lo cual es una descripción realmente completa de lo que ocurre, al nivel más bajo, dentro de literalmente todo ordenador de propósito general construido sobre esta arquitectura, desde un mainframe de los años cincuenta hasta el dispositivo en el que se está leyendo este curso. Todo lo demás, más complicado, que hace un ordenador es este ciclo, ejecutado un número enorme de veces, sobre instrucciones y datos que a su vez se produjeron con ejecuciones anteriores de ese mismo ciclo.

Von Neumann architecture and the fetch-decode-execute cycle, https://diveintosystems.org/book/C5-Arch/von.html.

El binario (un sistema numérico que usa solo 0 y 1) no es una elección arbitraria hecha por comodidad. Se corresponde directamente con los dos estados eléctricos estables que un circuito digital puede distinguir de forma fiable: una tensión que se lee como «encendido» o «apagado», «alto» o «bajo». Un ordenador construido para distinguir de forma fiable diez niveles de tensión distintos para un sistema decimal sería mucho más sensible al ruido eléctrico que uno construido para distinguir solo dos, que es la razón práctica y física por la que el binario acabó imponiéndose como la representación que usa internamente casi todo ordenador digital.

Como tanto las instrucciones como los datos se almacenan en último término como patrones binarios en la misma memoria, el concepto de programa almacenado con el que abrió este capítulo se vuelve concreto: una secuencia de 0 y 1 en memoria podría representar el número 12, la letra «A» o una instrucción que le dice al procesador que sume dos registros, y qué interpretación se aplica depende por completo de cómo trate el programa en ejecución esa posición concreta de memoria, no de nada intrínseco a los propios bits.