Descubriendo el funcionamiento interno de las computadoras

Un vistazo al nivel más básico de las computadoras

¿Alguna vez te has preguntado cómo funcionan las computadoras en su nivel más fundamental? ¿Cómo se procesa la información que ingresamos al tocar una pantalla o escribir en un teclado, y cómo se convierte en acciones como abrir un sitio web, reproducir música o realizar simples sumas? En el mundo de la informática, todo se reduce a números. Todo es tratado como números y se simplifica a la comparación de operaciones con ceros y unos. Pero, ¿necesitas conocer todos estos procesos de bajo nivel todo el tiempo? Afortunadamente, la respuesta es no. Puedes abstraerte de ellos, pero tener una idea de cómo funcionan te evitará muchas molestias. Aquí te presentamos una idea.

Interruptores: los cimientos de la informática

Un interruptor de luz puede estar encendido o apagado. A un nivel muy básico, las computadoras están compuestas por una gran cantidad de interruptores. Las operaciones que involucran el estado de estos interruptores, ya sea encendidos o apagados, son las que hacen posible la magia de la informática. A continuación, te mostraremos cuántos interruptores hay en diferentes tipos de computadoras. Por ejemplo, una computadora portátil tiene mil millones de interruptores. Utilizamos una escala larga para nombrar números con una gran cantidad de ceros. Un teléfono inteligente contiene 1,000 millones de interruptores, mientras que una calculadora científica tiene dos millones de ellos. Por cierto, necesitarás una calculadora científica para este curso.

Descubriendo el nivel de hardware y los interruptores

El poder de los interruptores binarios

Básicamente, en el mundo de los interruptores, encendido es igual a 1 y apagado es igual a 0. Te mostraremos un ejemplo de cómo funcionan estos interruptores en acción.

Con este conocimiento, puedes estudiar las puertas lógicas y crear una computadora. Si te apetece, incluso puedes comprar kits de puertas lógicas y construir tus propios dispositivos. Desde una computadora simple hecha con varillas y husillos en piezas de Lego hasta una calculadora usando fichas de dominó. Las posibilidades son infinitas.

 Cada combinación de interruptores encendidos y apagados representa un número específico. Al final, se obtiene el resultado deseado, que se representa con los interruptores adecuados.

Relación con la informática y el mundo de las matemáticas

El elemento clave en una computadora es la capacidad de tener dispositivos que tomen decisiones bajo reglas lógicas. Ada Lovelace fue la primera persona en idear un dispositivo de este tipo, dando un salto desde los dispositivos de cálculo mecánico hasta la computación digital. Entonces, ¿cómo se relaciona esto con los interruptores de luz y el funcionamiento real de las computadoras? 

Segun el código binario, como habrás notado, se llama binario porque 0 en binario es 0, 1 en binario es 1, 10 en binario es 2, 11 en binario es 3, y así sucesivamente. Pero ¿cómo representamos números más grandes? Exploraremos esto más a fondo en esta sección. La banca en línea y otros sitios web seguros utilizan el cifrado para proteger información confidencial. A lo largo de este tema, ten en cuenta estos dos problemas: ocultar un mensaje en una imagen y cifrar mensajes secretos. Piensa en ellos desde una perspectiva de ciencias de la computación y cómo se pueden implementar computacionalmente para enviar mensajes a través de Internet.

Si eres nuevo en ciencias de la computación, no te preocupes. Te proporcionaremos las herramientas necesarias. Permíteme contarte más sobre estos dos problemas. Todo es un número, y lo mismo ocurre con las imágenes. La calidad de una imagen a menudo se clasifica según su resolución, que es el número de píxeles, el número de cuadraditos hechos de un solo tono de color que componen la imagen completa. Incluso una imagen pequeña como está ya requiere 16 píxeles, lo que significa al menos 48 números para transmitir la información de los píxeles. Veamos los números que describen el color de un píxel.

Cuando construimos una página web, escribimos instrucciones HTML para proporcionar información de color a partes de la página. Tomemos el sitio web de W3Schools como ejemplo. Una de las herramientas que proporcionan es la calculadora RGB, que nos permite asignar valores de color. Por ejemplo, si quiero que la página sea de color negro, establezco todos los valores de color en 0. Si quiero que sea de color amarillo, aumento gradualmente los valores de rojo y verde. Jugando con estos valores, podemos obtener diferentes tonos y matices. Estos números se utilizarán para ocultar mensajes dentro de las imágenes.

El sitio web W3School muestra cómo se pueden lograr diferentes combinaciones de colores manipulando los valores de rojo, verde y azul. Utilizando estos números, podemos ocultar el color de otra imagen dentro de los valores de color. Utilizaremos estos números y algunas de sus propiedades para ocultar mensajes. A medida que avancemos en las lecciones, quiero que empieces a pensar en cómo podemos utilizar estos códigos de color para la esteganografía, el arte de ocultar información secreta dentro de imágenes o texto aparentemente normales. Te animo a jugar con imágenes y valores de color de los píxeles. Puedes utilizar el sitio web de W3Schools como punto de partida. Discute en el foro cómo crees que se pueden utilizar los códigos de color para la esteganografía.

Un paso más: Cifrado y Mensajería Segura

Un avance significativo a partir de la ocultación es el cifrado, donde el mensaje secreto se codifica y no se puede leer sin la clave para descifrarlo. 

El cifrado es diferente de la esteganografía. En la esteganografía, las personas ven una imagen o texto que parece normal, sin motivo para sospechar que contiene un mensaje secreto. En el cifrado, un mensaje puede parecer ilegible, como caracteres aleatorios, o puede transformarse en un código. El sistema de cifrado más seguro en la informática clásica se basa en las propiedades de los números primos, específicamente en lo difícil que es encontrar números primos que dividan a un número dado cuando ese número es muy grande. Esto significa que encontrar la clave correcta para descifrar el sistema de cifrado de manera oportuna es extremadamente improbable. Hacerlo de manera sistemática es imposible con computadoras clásicas.  Si deseas ir más allá, considera implementar estos algoritmos en un lenguaje de programación que estés aprendiendo o tómalo como una oportunidad para aprender uno nuevo. La programación está fuera del alcance de este módulo, pero el propósito de este tema es prepararte para cuando utilices el sistema numérico y la aritmética modular en la computación. 

Conclusión

A medida que te adentres en el fascinante mundo de las ciencias de la computación, comprender los principios subyacentes de cómo funcionan las computadoras a un nivel bajo puede mejorar enormemente tu experiencia de aprendizaje. Desde el concepto básico de los interruptores binarios hasta la aplicación de los números en el cifrado y la esteganografía, obtendrás conocimientos valiosos sobre el funcionamiento interno de las computadoras. Así que únete a nosotros en este emocionante viaje mientras exploramos el fascinante mundo de las ciencias de la computación y su conexión con las matemáticas.

Referencias

Augarten, S. (1984). Bit by Bit. An Illustrated History of Computers. Nueva York: Ticknor & Fields 

Ceruzi, P. E. (1998). A History of Modern Computing. Massachussets: The MIT Press. 

Williams, M. R. (1997). History of Computing Technology. Los Alamitos, CA: IEEE Computer Society Press