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Fundamentos de programaciónPrograma Desarrollado     VI. Materiales de apoyo     Bibliografía básica:     Böhm, C., & Jaco...
Fundamentos de programaciónPrograma Desarrollado     VII. Desarrollo de contenidos por unidad                          Uni...
Fundamentos de programaciónPrograma Desarrollado     encargada de descifrar los mensajes alemanes escritos en código Enigm...
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Fundamentos de programaciónPrograma Desarrollado     Todas estas representaciones, excepto el lenguaje natural, se conside...
Fundamentos de programaciónPrograma Desarrollado     Análisis: Haciendo un rápido análisis del problema, nos podemos dar c...
Fundamentos de programaciónPrograma Desarrollado                                           Entrada y Salida (E/S). Represe...
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Fundamentos de programaciónPrograma Desarrollado     los saltos se hicieran a las líneas de código correctas. Además de lo...
Fundamentos de programaciónPrograma Desarrollado     regrese por la segunda bellota y también la lleve a la primera casill...
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  1. 1. Fundamentos de programaciónPrograma Desarrollado Cuatrimestre dos Programa de la asignatura: Fundamentos de Programación Clave: 150910206 ESAD Agosto, 2010Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingeniería y Tecnología 1
  2. 2. Fundamentos de programaciónPrograma Desarrollado Índice I. Información general de la asignatura 3 a. Ficha de identificación...................................................................................................................................... 3 b. Descripción ........................................................................................................................................................ 3 c. Propósito ............................................................................................................................................................ 4 II. Competencia(s) a desarrollar 5 Competencia general:........................................................................................................................................... 5 Competencias específicas: .............................................................................................................................. 5 III. Temario 6 IV. Metodología de trabajo 8 V. Evaluación 10 VI. Materiales de apoyo 12 VII. Desarrollo de contenidos por unidad 13 Unidad 1: Introducción a la computadora y desarrollo de software ........................................................... 13 Unidad 2: Diseño de algoritmos ........................................................................................................................ 31 Unidad 3: Introducción al lenguaje C ............................................................................................................... 49 Unidad 4: Estructuras de control....................................................................................................................... 78 Unidad 5: Estructuras de datos ....................................................................................................................... 118 Unidad 6: Funciones ......................................................................................................................................... 148Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingeniería y Tecnología 2
  3. 3. Fundamentos de programaciónPrograma Desarrollado I. Información general de la asignatura a. Ficha de identificación Ingeniería en logística y transporte, Ingeniería en Nombre de la Licenciatura o Ingeniería: telemática Nombre del curso o asignatura Fundamentos de Programación Clave de asignatura: 150910206 Bases de Datos, Análisis Orientado a Objetos, Seriación: Programación Orientada a Objeto Cuatrimestre: Dos Horas contempladas: 72 b. Descripción La asignatura de Fundamentos de Programación tiene como meta principal que desarrolles las competencias necesarias para construir programas que resuelvan problemas reales. Constituye un pilar primordial para aquellos alumnos que, como tú, están estudiando una carrera relacionada con computación -como Desarrollo de Software y Telemática- pues los conocimientos y habilidades que desarrollen en este curso serán indispensables para la varias de las asignaturas subsecuentes del plan de estudios de ambas ingenierías, tal es el caso de bases de datos, programación orientada a objetos, programación web, estructura de datos, entre otras. El lenguaje de alto nivel que se ha elegido para implementar los programas es C, ya que es uno de los lenguajes, estructurados y modulares, utilizados actualmente; además cuenta con entornos de trabajo de software libre, como el que utilizaremos llamado Dev-C. Para facilitar que desarrolles las competencias establecidas, los contenidos del curso se han dividido de forma estratégica en seis unidades. En la primera se delinea el concepto de computadora y su funcionamiento, para ello se describen los elementos que la integran; posteriormente, se hace una aproximación a los lenguajes de programación y los paradigmas que existen en la actualidad, resaltando la programación modular y estructurada. En la siguiente unidad se expone la metodología de la programación y se introduce el concepto de algoritmo, que es la solución sistemática de problemas,Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingeniería y Tecnología 3
  4. 4. Fundamentos de programaciónPrograma Desarrollado así que también se presentan dos formas de representación: el pseudocódigo y los diagramas de flujo. Asimismo, se ilustran las estructuras secuenciales, selectivas y repetitivas. A continuación, en la unidad tres, se presentan los elementos básicos para construir un programa simple en lenguaje C: datos, contantes, variables y las operaciones básicas de entradas/salidas para describir el uso de los operadores aritméticos, relacionales y lógicos para la manipulación de operaciones y expresiones en C. En la unidad cuatro se distinguen y utilizan las distintas estructuras de control, tanto selectivas (if, if- else, switch) como repetitivas (while, do-while, for), que ofrece el lenguaje C; se introduce su representación en diagrama de flujo y algoritmo, además de su sintaxis en C. En la unidad cinco se introducen las estructuras de datos: arreglos y registros, se explica qué son, cómo funcionan y para qué sirven, además, se plantean problemas en donde su uso es indispensable para su resolución. Por último, en la unidad seis se reconoce la importancia de la programación modular, construyendo soluciones modulares utilizando funciones en lenguaje C. c. Propósito El curso tiene como finalidad proporcionarte las bases para que comiences a desarrollar programas estructurados que solucionen problemas simples, a través del desarrollo de algoritmos en pseudocódigo y diagrama de flujo y su codificación en lenguaje C, además se te describe el proceso de compilación de un programa y su ejecución identificando los elementos de la computadora que intervienen en cada paso.Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingeniería y Tecnología 4
  5. 5. Fundamentos de programaciónPrograma Desarrollado II. Competencia(s) a desarrollar Competencia general: Desarrollar programas estructurados y modulares que resuelvan problemas simples, mediante el análisis del problema, el diseño de un algoritmo y su codificación en lenguaje C. Competencias específicas: • Describir los elementos de la computadora y el ciclo de vida de software mediante el análisis un programa simple, con el fin de identificar los pasos que se realizan para construirlo y determinar qué elementos de la computadora intervienen en su ejecución. • Diseñar algoritmos para resolver problemas mediante su representación en un diagrama de flujo y la elaboración del pseudocódigo. • Utilizar el lenguaje de programación C para resolver problemas a través de la implementación de algoritmos secuenciales. • Utilizar estructuras de control selectivas y repetitivas para resolver problemas simples a través del desarrollo de programas en lenguaje C. • Utilizar estructuras de datos para almacenar y manipular los datos de un programa por medio del desarrollo de programas en lenguaje C. • Implementar funciones para resolver problemas a través del desarrollo de programas modulares escritos en lenguaje C.Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingeniería y Tecnología 5
  6. 6. Fundamentos de programaciónPrograma Desarrollado III. Temario 1. Introducción a la computadora y desarrollo de software 1.1. ¿Qué es una computadora? 1.2. Estructura y funcionamiento de una computadora 1.2.1. Modelo de Von Neumann 1.2.2. Ejecución de programas en la computadora 1.2.3. Almacenamientos de programas y datos 1.3. Lenguajes de programación 1.3.1. Evolución de los lenguajes de programación 1.3.2. Paradigmas de los lenguajes de programación 1.4. Ciclo de vida del software 2. Diseño de algoritmos 2.1. Concepto de algoritmo y características 2.2. Representaciones de algoritmos 2.2.1. Pseudocódigo 2.2.2. Diagrama de flujo 2.3. Estructuras de control 2.3.1. Secuenciales 2.3.2. Selectivas 2.3.3. Repetitivas 3. Introducción al lenguaje C 3.1. Componentes de un programa 3.1.1. Instrucciones 3.1.2. Comentarios 3.1.3. Palabras reservadas 3.1.4. Estructura general de un programa 3.2. Tipos de datos 3.3. Variables y constantes 3.3.1. Identificadores 3.3.2. Declaración e inicialización de variables 3.3.3. Tipos de constantes 3.3.4. Declaración de constantes 3.4. Expresiones matemáticas 3.4.1. Tipos de operadores 3.4.2. Evaluación de expresiones 3.5. Bibliotecas y funciones 3.5.1. Funciones matemáticas 3.5.2. Funciones de entrada y salida 3.6. Codificación de algoritmosEducación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingeniería y Tecnología 6
  7. 7. Fundamentos de programaciónPrograma Desarrollado 4. Estructuras de control 4.1. Estructuras selectivas 4.1.1. Estructura selectivasimple (if) 4.1.2. Estructura selectiva doble (if-else) 4.1.3. Estructura selectiva múltiple (switch-case) 4.2. Estructuras repetitivas 4.2.1. Estructura Mientras (while) 4.2.2. Estructura Desde-mientras (for) 4.2.3. Estructura Hacer-mientras (do-while) 4.3. Estructuras anidadas 5. Estructuras de datos 5.1. Arreglos 5.1.1. Definición y tipos 5.1.2. Declaración e inicialización 5.1.3. Acceso a los elementos de un arreglo 5.1.4. Ciclos y arreglos 5.1.5. Cadenas 5.2. Estructuras 5.2.1. Definición, declaración e inicialización 5.2.2. Acceso a los elementos 6. Funciones 6.1. Diseño descendente 6.2. Definición, declaración e invocación de funciones en C 6.3. Alcance de las variables 6.4. Paso de parámetros 6.4.1. Por valor 6.4.2. Por referenciaEducación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingeniería y Tecnología 7
  8. 8. Fundamentos de programaciónPrograma Desarrollado IV. Metodología de trabajo Para trabajar en esta asignatura, se ha propuesto la metodología del Aprendizaje Basado en Problemas, pues debido a la naturaleza de los contenidos, tendrás que resolver problemas de manera constante para poner en práctica lo aprendido. Como el propósito de este curso es que desarrolles programas de software que resuelvan problemas simples, por cada unidad se ha propuesto uno o más problemas a partir de los cuales sete presentan los contenidos correspondientes, la intención de esto es que primero se te planteen los problemas para que los analices y posteriormente se te presente la solución de los mismos mediante algoritmos o programas; lo que se busca es que alcances las competencias específicas de cada unidad a través de, primero la observación y el análisis de los problemas ejemplo que te ayudarán a identificar patrones comunes, y posteriormente la resolución de problemas un poco más complejos a través del desarrollo de estrategias de solución similares. Ahora bien, para que puedas resolver un problema mediante un programa de computadora, primero tienes que tener claro el funcionamiento principal de la misma, tanto para almacenar la información como para llevar a cabo el conjunto de instrucciones que integran la solución de un problema, es decir, el programa. Por tal motivo, en la primera unidad se expone la arquitectura tradicional de las computadoras conocida como el Modelo de Von Neumann a través de la cual se te explica cómo se almacenan los programas y los datos de un problema en una computadora y qué elementos intervienen en la ejecución de las instrucciones. Lo anterior se expone utilizando un programa que se encarga de calcular el área de un rectángulo, de esta manera podrás aprender los contenidos mediante un ejemplo simple. Posteriormente, se describen los pasos que llevan a la construcción de un programa, nuevamente, utilizando un ejemplo simple. La evaluación de esta unidad se realizará mediante una prueba de opción múltiple en la que se incluyen los temas expuestos. Para exponer los temas relacionados con la elaboración de los algoritmos, se recurre al mundo de la ardilla, un ejemplo en el cual se supone que una ardilla ha sido entrenada para realizar un conjunto limitado de instrucciones precisas, de tal manera que para solucionar un problema únicamente se puede recurrir a este conjunto. De esta forma se pretende que reconozcas intuitivamente que la computadora –al igual que la ardilla– sólo es capaz de realizar un conjunto limitado de instrucciones precisas, por lo que la solución de un problema sólo puede incluir instrucciones reconocidas por ésta. Así mismo, mediante este ejemplo, se te muestra qué es un algoritmo, cuáles son sus características y sus formas de representación; posteriormente se te presentan las estructuras de control básicas de la programación estructurada ejemplificando su uso a través de la construcción de algoritmos que dirigen a la ardilla en la realización de una tarea específica. Así se te introduce en el diseño de soluciones estructuradas de problemas simples representadas de manera formal, ya sea con un diagrama de flujo o con un pseudocódigo. Es importante mencionar que la ventaja de presentar el tema desde un ejemplo tan simple y limitado como el mundo de la ardilla, facilita que puedas proponer soluciones estructuradas en un lenguaje específico, que es justo de lo que se trata la programación.Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingeniería y Tecnología 8
  9. 9. Fundamentos de programaciónPrograma Desarrollado En las siguientes unidades la estrategia de aprendizaje es similar, se te presentan los contenidos al mismo tiempo que se utilizan para solucionar problemas, sólo que en este caso se proponen situaciones reales que te son familiares, de tal manera que cuentes con los conocimientos necesarios para solucionarlos y solo te tengas que enfocar en representar la solución utilizando las estructuras de control definidas, es decir, las instrucciones permitidas. En general, en las actividades formativas deberás realizar algunas modificaciones a los algoritmos o programas presentados en los contenidos, o bien, los escribirás en lenguaje C para que puedas ver su ejecución, además debes ingresar al foro de cada unidad para realizar los comentarios que tengas al respecto. Es importante que realices cada una de las actividades propuestas por que a través de ellas se complementan los temas expuestos. De igual manera, para poner en práctica los conocimientos adquiridos y evaluar que se haya alcanzado la competencia específica a lo largo del curso desarrollarás un proyecto integrador que consiste en el planteamiento, análisis, diseño de la solución e implementación de un programa que involucre el uso de todas las estructuras de control y de datos que se estudiarán. En este caso, tú serás el responsable de plantear el problema que deseas solucionar y junto con tu facilitador delimitarás las fases y/o versiones que realizarás en cada unidad. El papel que juega tu facilitador (a) en el proceso de aprendizaje es fundamental, pues su tarea es guiarte en la solución de problemas a partir del análisis que tú realices y las ideas o dudas que te surjan con el mismo. El facilitador por ningún motivo debe darte la solución completa de un problema, en lugar de ello debe propiciar el intercambio de ideas y experiencias de los estudiantes mediante foros de discusión, favoreciendo el aprendizaje colaborativo; si después de esto siguen existiendo dudas se recomienda que resuelva problemas similares para que tanto tú como tus compañeros refuercen los conocimientos y habilidades de una manera inductiva y así logren dar solución al problema en cuestión. Por lo anterior, existe un foro de discusión general en el cual cualquiera puede exponer sus dudas respecto a un tema o problema para que sean retroalimentados por tu facilitador y los compañeros de grupo. Es importante que el facilitador promueva un clima de respeto mutuo y libertad de expresión para que tanto tú como tus compañeros se sientan cómodos al externar sus dudas y propuestas, permitiendo la disensión de manera fundamentada y deferente. En lo referente a la evaluación de las actividades y evidencias, tu facilitador debe revisar cuidadosamente los entregables que hagas y retroalimentarlos de manera positiva, clara y concisa; haciendo evidente el avance que hayas alcance y sin perder de vista que los errores que comentas debe ser utilizados a favor de tu aprendizaje, por lo que debe prestar principal atención a éstos indicándote en qué consiste el error y cómo se corrige, fundamentando su anotación en los contenidos del curso.Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingeniería y Tecnología 9
  10. 10. Fundamentos de programaciónPrograma Desarrollado V. Evaluación La evaluación del curso corresponderá en su totalidad al trabajo en el aula virtual, que se divide en: las actividades formativas, equivalentes al 20% de toda la calificación y, el portafolio de evidencias que representa el 80% restante. De tal manera que, mediante las actividades formativas propuestas para cada unidad se refuerzan los conocimientos abortados y se desarrollan las habilidades que el requieres para solucionar por ti mismo problemas similares a los que se presentan y resuelven. En cambio, el propósito de las evidencias de aprendizaje propuestas para cada unidad (portafolio de evidencias) es comprobar que hayas alcanzado la competencia específica, de tal manera que el conjunto de todas las evidencias sean la prueba de que has logrado la competencia general. Es requisito indispensable que realices y/o entregues todas las actividades formativas y las evidencias de aprendizaje en el tiempo establecido, de esta manera se garantiza la retroalimentación en tiempo y forma que tu facilitador realizará para que tengas claro el avance de tu aprendizaje, lo cual te servirá para que desarrolles las actividades o evidencias subsecuentes. En el caso de las evidencias de aprendizaje la calificación se obtendrá a partir de las escalas establecidas para cada una, las cuales conocerás de antemano. En el caso de las actividades formativas, serán revisadas por el facilitador(a), quién te hará llegar una retroalimentación que te ayude a ver tu avance y los puntos que puedes mejorar. Únicamente se considerará aprobado el curso si tu promedio total es mayor o igual a la calificación mínima establecida por el ESAD. Los trabajos que se tomarán como evidencias de aprendizaje son: Unidad 2: Planteamiento del problema Especificación clara y precisa del problema que se resolverá mediante un programa en C Unidad 3: Análisis del problema Datos de entrada, salida y bosquejo de la solución. Unidad 4: Programa en C. Estructuras de control. Primera versión de la solución del problema (algoritmo y codificación) que incluya estructuras secuenciales, selectivas y repetitivas. Unidad 5: Programa en C. Estructuras de datos Segunda versión de la solución del problema (algoritmo y codificación) que incluya estructuras de datos. Unidad 6: Programa en C. Modular (versión final) Entrega final del programa que soluciona el problema de forma modularEducación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingeniería y Tecnología 10
  11. 11. Fundamentos de programaciónPrograma Desarrollado A continuación se te presenta la ponderación de las evidencias de aprendizaje, las cuales tendrás que enviar a tu facilitador (a) por medio del Portafolio de Evidencias. Recuerda que el 100% de éstas, equivale al 80% de la calificación final del curso en la que se promedian actividades formativas y sumativas: ACTIVIDAD PORCENTAJE Evidencia de la unidad 2 13% Evidencia de la unidad 3 17% Evidencia de la unidad 4 36% Evidencia de la unidad 5 17% Evidencia de la unidad 6 17% Total 100%Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingeniería y Tecnología 11
  12. 12. Fundamentos de programaciónPrograma Desarrollado VI. Materiales de apoyo Bibliografía básica: Böhm, C., & Jacopini, G. (1966). Flow diagrams, Turing machines, and languages only with two formation rules". Communications of the ACM, 9 (5), 366-371. Cairó, O. (2005). Metodología de la programación: Algoritmos, diagramas de flujo y programas. México, D.F.: Alfaomega. Guerrero, F. (s.f.). mailxmail.com. Recuperado el 15 de 8 de 2010, de http://www.mailxmail.com/curso- introduccion-lenguaje-c Joyanes, L., & Zohanero, I. (2005). Programación en C. Metodología, algoritmos y estructuras de datos. España: Mc Graw Hill. Kernighan, B., & Ritchie, D. (1991). El lenguaje de programción C. México: Prentice-Hall Hispanoamericana. López, L. (2005). Programación estructurada en lenguaje C. México: Alfaomega. Reyes, A., & Cruz, D. (2009). Notas de clase: Introducción a la programación. México, D.F.: UACM. Villela, H. T. (20 de agosto de 2010). Manual de C. Obtenido de http://www.fismat.umich.mx/mn1/manual/ Viso, E., & Pelaez, C. (2007). Introducción a las ciencias de la computación con Java. México, D.F.: La prensas de ciencias, Facultad de Ciencias, UNAM.Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingeniería y Tecnología 12
  13. 13. Fundamentos de programaciónPrograma Desarrollado VII. Desarrollo de contenidos por unidad Unidad 1: Introducción a la computadora y desarrollo de software Propósitos de la unidad En esta unidad: • Identificarás los conceptos básicos relacionados con la computadora y los lenguajes de programación. • Distinguirás los elementos de una computadora que intervienen en la ejecución de un programa a través del modelo de Von Neumann. • Distinguirás los paradigmas de programación y los lenguajes asociados a éstos. • Reconocerás las fases que se siguen para solucionar un problema mediante la computadora. Competencia específica Describir los elementos de la computadora y el ciclo de vida de software mediante el análisis un programa simple, con el fin de identificar los pasos que se realizan para construirlo y determinar qué elementos de la computadora intervienen en su ejecución. Introducción Bienvenido a la primera unidad del curso fundamentos de programación, en esta unidad estudiaremos qué son las computadoras y cómo pueden ayudarnos para resolver problemas. Lo primero que tienes que tener claro es que las computadoras no poseen inteligencia alguna, ya que por sí solas no son capaces de resolver ningún problema, su importancia está en la capacidad de datos que pueden almacenar y manipular; de tal manera que para lograr nuestro fin– resolver problemas mediante la computadora – es necesario desarrollar programas escritos en un lenguaje de programación para que puedan ser ejecutados por una computadora. Los orígenes de las computadoras se remontan a dispositivos mecánicos como el ábaco que sirve para contar y ya se utilizaba en el año 2000 a.C, seguido de la Pascalina que fue la primera calculadora mecánica del mundo inventada por el francés Blaise Pascal en el año de 1642, y que después fue perfeccionada por Gottfried Leibniz. Dos siglos después, en el año de 1834, Charles Babbage anticipó la estructura de la computadora electrónica moderna, sin lograr su objetivo dadas las limitaciones de ingeniería del siglo XIX. Fue hasta la segunda guerra mundial (1936) que se cumplieron sus expectativas, cuando Alan Turing desarrolló la primera computadora electromecánica: el Colossus,Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingeniería y Tecnología 13
  14. 14. Fundamentos de programaciónPrograma Desarrollado encargada de descifrar los mensajes alemanes escritos en código Enigma. 1 Una década después Wallace J Eckert y Jonh W. Mauchly construyeron la primera computadora digital totalmente electrónica, llamada ENIAC (por sus siglas en inglés Electronic Numerical Intregrator And Computer). La característica principal de este invento es que se trataba de un componente de propósito general, ya que se podía programar para que resolviera diferentes problemas, pero la programación se realizaba modificando o reconstruyendo algunas partes del hardware. Con el fin de remediar esto, en 1945 el matemático Jonh Von Neumann propuso una arquitectura de computadoras cuya programación no era por medio de cables sino por medio de la creación de programas, a la que se le conoce como Modelo de Von Neumann, y que es, hasta hoy en día, la arquitectura base de las computadoras. Por lo anterior, en esta unidad se estudiarán los siguientes temas: el Modelo de Von Neumann, los pasos para realizar un programa y los principales paradigmas y lenguajes de programación utilizados actualmente. Actividad 1. Foro Fundamentos de programación Para facilitar el estudio de la asignatura, hemos creado un foro de discusión general, a través del cual podrás comentar cualquier asunto relacionado con Fundamentos de programación. Accede al foro desde el aula virtual. 1.1 ¿Qué es una computadora? Para fines de este curso entenderemos que una computadora es una máquina electrónica que recibe datos de entrada y los procesa de acuerdo al conjunto de instrucciones, llamado programa, para obtener nuevos datos que son el resultado del proceso, tal como se ilustra en la siguiente figura. 1 Se conoce como código Enigma al lenguaje de codificación de la máquina con el mismo nombre, utilizada en Europa a inicios de 1920, para cifrar y descifrar mensaje.Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingeniería y Tecnología 14
  15. 15. Fundamentos de programaciónPrograma Desarrollado Figura 1.1:Computadora Lo anterior nos lleva a clasificar los componentes de una computadora en dos clases: hardware y software. Los recursos de hardware son todos aquellos elementos de la computadora que se pueden palpar, como por ejemplo: el monitor, el teclado, el disco duro, la memoria, entre otros. En cambio, los recursos de software son aquellos elementos intangibles sin los cuales la computadora no funcionaría, esto es, el soporte lógico: programas y datos, entre los cuales se encuentran los sistemas operativos, editores de texto, compiladores, bases de datos, videojuegos, entre otros. 1.2 Estructura y funcionamiento de una computadora Si nos cuestionamos ¿cómo funciona y se estructura internamente la computadora?, ¿cómo se obtienen los resultados? y ¿cómo se guardan los programas y datos en la memoria?, cuando tenemos un primer acercamiento con estos equipos, a pesar de manejarlos a diario, estas preguntas no son tan fáciles de contestar. Es por eso que en esta sección explicaremos y responderemos a estos cuestionamientos mediante el Modelo de Von Neumann. 1.2.1 Modelo de Von Neumann El Modelo de Von Neumann propone que tanto el programa como los datos sean almacenados en la memoria, de esta forma la computadora no tendría que reconstruirse, pues para programarla únicamente debe introducirse el programa por el dispositivo indicado, y posteriormente alimentar con los datos de entrada para que calcule la salida correspondiente. Los elementos que componen esta arquitectura son: la unidad central de procesamiento integrada por la unidad aritmética-lógica y la unidad de control, la memoria y los dispositivos de entrada/salida. A continuación se describe brevemente la función de cada uno de los elementos que integran el Modelo de Von Neumann:Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingeniería y Tecnología 15
  16. 16. Fundamentos de programaciónPrograma Desarrollado • Unidad Central de Procesamiento(CPU, Central Process Unit), controla y coordina la ejecución de las instrucciones, para ello utiliza la Unidad Aritmético-Lógica encargada del procesamiento de los datos y la Unidad de Control para el procesamiento de las instrucciones. o Unidad Aritmético-Lógica(ALU, Arithmetic Logic Unit), realiza todas las operaciones aritméticas (suma y resta) y lógicas (operaciones del Algebra de Boole). Además de los circuitos que le permiten realizar dichas operaciones, la ALU incluye un elemento auxiliar donde se almacenan temporalmente los datos que manipula conocido como acumulador o registro temporal (TR, Temporal Register). o Unidad de Control(CU, Control Unit), se encarga de leer las instrucciones almacenadas en memoria, decodificarlas y después enviar las señales a los componentes que están involucrados en su ejecución, para lo cual tiene dos elementos auxiliares el Contador del Programa(PC, Program Counter) y el Registro de Instrucción(IR, Instruction Register). En el IR se guarda temporalmente la instrucción que debe ser ejecutada, mientras que en el PC se almacena la dirección de memoria que contiene la siguiente instrucción que se ejecutará. • Memoria principal, es la parte de la computadora donde se almacenan los datos y las instrucciones durante la ejecución de un programa. Físicamente está compuesta por circuitos integrados. Las computadoras actuales cuentan con un área de memoria de sólo lectura – a la que se le conoce como memoria de tipo ROM (Read Only Memory) –y otra en la cual es posible escribir y leer datos – denominada de tipo RAM (Random Access Memory). La memoria RAM tiene el inconveniente de ser volátil pues al apagarse la computadora los datos almacenados se pierden. Para resolver este inconveniente, se cuenta con otro tipo de memoria, denominada memoria secundaria, en ella se pueden almacenar una gran cantidad de información permanentemente, mientras el usuario no la borre. La desventaja de este tipo de dispositivos es que no son tan rápidos como la memoria RAM. Los discos duros, los discos ópticos (CD o DVD), la memoria flash (USB) y las cintas magnéticas, entre otras, son ejemplos de dispositivos de almacenamiento secundario. • Dispositivos de entrada y salida (Input/Output), son responsables de la comunicación con el usuario del sistema. Los dispositivos de entrada permiten introducir en la computadora datos e instrucciones, mismas que son transformadas en señales binarias de naturaleza eléctrica para almacenarlas en la memoria. Por otro lado, los dispositivos de salida permiten enviar los resultados a los usuarios de las computadoras, transformando las señales eléctricas binarias en información que éstos puedan comprender. El teclado está considerado como el dispositivo de entrada estándar pero existen otros del mismo tipo, por ejemplo: el ratón, el escáner, la lectora óptica, el micrófono o la tabla digital. A su vez el monitor es el dispositivo de salida estándar; otros ejemplos de dispositivos de salida son: impresora, bocinas, plotter, etc.Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingeniería y Tecnología 16
  17. 17. Fundamentos de programaciónPrograma Desarrollado Es así que todas las unidades de la computadora se comunican a través del sistema de buses que son cables mediante los cuales se envían señales y dependiendo de la información que transmiten se clasifican en: a) El bus de direcciones transmite la dirección de memoria de la que se quiere leer o en la que se quiere escribir. b) El bus de control selecciona la operación a realizar en una celda de memoria (lectura o escritura). c) El bus de datos transmite el contenido desde o hacia una celda de memoria seleccionada en el bus de direcciones según la operación elegida en el bus de control sea lectura o escritura. Ahora ya sabemos cómo está estructurada internamente la computadoras, qué elementos la integran y cuál es la función de cada uno de ellos, el siguiente paso es descubrir cómo colaboran para llevar a cabo la ejecución de un programa, en seguida lo explicamos: los datos de entrada que requiere un programa se introducen a la computadora, a través de los dispositivos de entrada; posteriormente se almacenan en la memoria RAM, para que la CPU pueda procesarlos, conforme a las instrucciones del programa, hasta obtener el resultado deseado, mismo que envía al usuario por medio de los dispositivos de salida. Todas estas acciones son coordinadas por la unidad de control que envía las señales y datos a cada uno de los dispositivos de la computadora involucrados en la ejecución de las instrucciones del programa a través del sistema de buses. En la siguiente sección se describe con mayor detalle este proceso. 1.2.2Ejecución de programas en la computadora Para que entender mejor lo que sucede en el interior de la CPU al ejecutar cualquier programa, a continuación se describen de manera general los pasos que se realizan, una vez que el programa y los datos fueron almacenados en la memoria principal: a) Primero, la unidad de control consulta en la memoria la instrucción indicada en el contador del programa y la almacena en el registro de instrucciones, actualizando el contador del programa con la dirección de memoria de la siguiente instrucción. b) Después de que se almacenó la instrucción en el registro del programa, la unidad de control se encarga de decodificarla, detectando qué dispositivos están implicados en su ejecución, estos pueden ser: la ALU, cuando se tiene que hacer una operación; los dispositivos de entrada y/o salida, cuando se tiene que enviar o recibir un dato; o la memoria, si se quiere guardar o consultar un dato; posteriormente envía las señales de control a los mismos indicándoles la acción y, si es el caso, los datos y/o la dirección de memoria correspondiente. c) Cuando los dispositivos realicen su tarea enviarán una señal a la unidad de control, para que esta repita el mismo procedimiento con la siguiente instrucción, así hasta ejecutar todo el programa. Al período en el que se ejecuta una instrucción se le conoce como ciclo de instrucción o ciclo fetch.Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingeniería y Tecnología 17
  18. 18. Fundamentos de programaciónPrograma Desarrollado Con el fin de ilustrar este procedimiento, analizaremos la ejecución del siguiente programa escrito en un lenguaje de programación ficticio. Ejemplo 1.1: El siguiente conjunto de instrucciones calcula el área de un rectángulo. Imprimir “Ingresa la base:” Leer b Imprimir “Ingresa la altura:” Leer h area← b*h Imprimir área Programa 1.1:Calcula área de un rectángulo Antes de definir paso a paso la ejecución de este programa describiremos la función de cada una de las instrucciones que lo integran. Instrucción Descripción Imprime en el dispositivo de salida estándar los <Datos> Imprimir <Dato> indicados en la instrucción, que pueden ser un mensaje de texto o el valor de una variable. Lee por medio del teclado un dato, lo almacena en la variable Leer <X> <X> indicado y lo almacena en la memoria RAM. La flecha representa una asignación, esta acción actualiza la <X> ← <Dato> dirección de memoria asignada a <X> con el valor <Dato>. Tabla 1.1: Lista de instrucciones en lenguaje de programación ficticio Cabe señalar que en los lenguajes de programación, las direcciones de memoria se representan por medio de variables, para hacerlos más legibles. De tal manera que <X> representa una variable y <Dato> puede ser un mensaje o cualquier valor. Ahora sí, de acuerdo con la información anterior, en la siguiente tabla se describen paso a paso las acciones que realiza la unidad de control junto con las otras unidades de la computadora involucradas en la ejecución de cada una de las instrucciones del programa. Instrucción Descripción de la instrucción Imprimir “Ingresa base: ”  La unidad de control envía señales al monitor para que imprima elEducación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingeniería y Tecnología 18
  19. 19. Fundamentos de programaciónPrograma Desarrollado mensaje “Ingresa base:”.  La unidad de control coordina las acciones necesarias para que, por Leer b medio del teclado ,el usuario introduzca un número y lo almacene en la memoria principal, en el espacio correspondiente a la variable b.  La unidad de control, nuevamente, envía una señal al monitor para que Imprimir “Ingresa altura:” imprima el mensaje “Ingresa altura:”.  La unidad de control coordina las acciones necesarias para que el Leer h usuario introduzca un número, por medio del teclado, y lo almacene en el espacio de memoria correspondiente a la variable h.  La unidad de control envía la señal indicada a la ALU para que realice la multiplicación posteriormente envía la señal a la memoria junto con el area← b *h resultado de la multiplicación, para que se almacene en el espacio de memoria a.  La unidad de control trae de la memoria el dato almacenado en el Imprimir area espacio asignado a la variable area y coordina las acciones para que el monitor imprima este valor. Tabla 1.2: Ejecución paso a paso de un programa 1.2.2 Almacenamiento de programas y datos La computadora sólo entiende señales binarias: ceros y unos, encendido y apagado, ya que todos los dispositivos de una computadora trabajan con dos únicos estados: hay corriente eléctrica y no hay corriente, respectivamente. Por tal motivo, los datos y programas almacenados en la memoria están codificados como cadenas de 1´s y 0´s para que la unidad de control pueda interpretarlos. A esta codificación se le llama lenguaje de máquina. Cabe mencionar que la memoria está dividida en varias celdas, en cada una de ellas se puede almacenar únicamente 0s ó 1s, a estos valores se les denomina valores binarios o BIT´s (BInary DigiT). Las celdas se agrupan para formar registros (también llamados palabras), a cada uno le corresponde una dirección de memoria, así cuando se desea escribir o leer de la memoria un dato o una instrucción se debe especificar la dirección dónde se encuentra. Como podrás imaginar, para un ser humano resultaría sumamente complicado escribir los programas en lenguaje de máquina, es por eso que los programas se escriben en lenguaje de programación entendibles para los seres humanos y después se traducen mediante un software especial –que pueden ser un compilador o un traductor– a cadenas de 0´s y 1´s. De tal manera que a cada instrucción le corresponde un código binario específico y para cada dato también existe una codificación única. PorEducación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingeniería y Tecnología 19
  20. 20. Fundamentos de programaciónPrograma Desarrollado ejemplo, la palabra “Hola” se representa como “0100 1000 0110 1111 0110 1100 0110 0000”, ya que a cada letra le corresponde una codificación: H O L A 0100 1000 0110 1111 0110 1100 0110 0000 El número 80 se puede representar como “0101 0000” y la instrucción “MOV R2, R7” se codifica de la siguiente manera “0010 0000 1000 0100.” Conforme fueron evolucionando las computadoras se inventaron diversas maneras de representar la información en código binario, hoy en día existen codificaciones estándar para los símbolos y los números, al igual que para las instrucciones; sin embargo, para nuestros objetivos es suficiente tener claro que cualquier dato o instrucción puede ser representado mediante cadenas de 0s y 1s. Por otro lado, escribir programas en lenguaje binario es sumamente complicado para los seres humanos, por lo que en las últimas décadas se han desarrollado diversos lenguajes de programación que son más cercanos al lenguaje natural (humano), de los cuales hablaremos en la siguiente sección. 1.3 Lenguajes de Programación Los lenguajes de programación sirven para escribir programas de computadora orientados a resolver algún problema o necesidad. Cada lenguaje de programación se define a partir de un conjunto de símbolos básicos, llamado alfabeto; un conjunto de reglas, llamado sintaxis, que definen la forma de manipularlos o combinarlos para representar instrucciones; y las reglas que especifican los efectos de dichas instrucciones cuando son ejecutadas por la computadora, conocidas como semántica. De esta manera tenemos que: ó = + + á Por otro lado, dependiendo de su legibilidad para el ser humano los lenguajes de programación se clasifican en lenguajes de bajo nivel y lenguajes de alto nivel. Los primeros se caracterizan porque sus instrucciones se parecen más a las acciones elementales que ejecuta una computadora, como son: sumar, restar, guardar en memoria, etc. En cambio, las instrucciones de los lenguajes de alto nivel son más parecidas a un lenguaje humano, por lo regular inglés. Por otro lado, los programas escritos en bajo nivel describen a detalle lo que sucede a nivel de hardware, mientras que los programas escritos en un lenguaje de alto nivel lo ocultan, teniendo como ventaja que son más fáciles de entender para las personas. 1.3.1. Evolución de los lenguajes de programación Con las primeras computadoras surgió el primer lenguaje de programación que –como es de imaginarse– fue el lenguaje de máquina, el cual es considerado el lenguaje de primera generación. Las instrucciones en lenguaje de máquina dependían de las características de cada equipo, por lo que dadaEducación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingeniería y Tecnología 20
  21. 21. Fundamentos de programaciónPrograma Desarrollado la dificultad de desarrollar programas en unos y ceros, los investigadores de la época desarrollaron el lenguaje ensamblador, cuyo conjunto de instrucciones consta de palabras nemotécnicas que corresponden a las operaciones básicas que una computadora puede ejecutar. Para ilustrar esto revisemos la siguiente instrucción: 2 Mueve el contenido del registro 8 al contenido del registro 10 En lenguaje de máquina esta se podría representar como: 0010 0000 1000 0100 Lo cual es ilegible para el ser humano, en cambio en lenguaje ensamblador esta instrucción se puede representar de la siguiente forma: MOV R2, R7 Aunque sigue estando en clave, es más amigable que las cadenas de ceros y unos. Otra característica del lenguaje ensamblador es que las instrucciones dependían de las características físicas (arquitectura) de la computadora. Para traducir de lenguaje ensamblador a lenguaje de máquina, se desarrollaron programas llamados ensambladores (en inglés, assemblers). Este lenguaje fue considerado de segunda generación. Posteriormente, en la década de los 50´s aparecieron los primeros lenguajes de alto nivel, cuyas instrucciones son más parecidas al idioma inglés y, por lo tanto, más fácil de utilizar para los programadores, además de que son independientes de la arquitectura de las computadoras. Algunos ejemplos son: FORTRAN y COBOL (que son los primeros lenguajes que aparecieron y en sus inicios se utilizaron para aplicaciones científicas), C, Pascal, Ada, Lisp y Prolog (utilizados principalmente en inteligencia artificial), Java, C++, C#, entre otros. Al igual que el lenguaje ensamblador, los programas escritos en un lenguaje de alto nivel deben ser codificados a lenguaje de máquina, así que junto con ellos se desarrollaron programas traductores, que de acuerdo con la forma en que trabajan se dividen en dos tipos: compiladores e intérpretes. • Los compiladores traducen todo el programa escrito en un lenguaje de alto nivel, llamado programa fuente, generando un nuevo programa objeto que está escrito en lenguaje de máquina y a partir de este se genera un programa ejecutado, el cual puede ejecutarse cada vez que se desee sin tener que compilar el programa fuente de nueva cuenta. Además, como parte del proceso de traducción el compilador detecta los errores que hay en el código fuente, 2 Este ejemplo es una adaptación de la versión original que aparece en (Joyanes Zohanero, 2005, pág. 32) (Joyanes Zohanero, 2005, pág. 32)Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingeniería y Tecnología 21
  22. 22. Fundamentos de programaciónPrograma Desarrollado informándole al programador para que los corrija, pues un programa sólo se compila si no tiene errores. • En cambio, un intérprete revisa una a una cada línea de código, la analiza y enseguida la ejecuta, sin revisar todo el código y sin generar un programa objeto, así que cada vez que se quiere ejecutar el programa se vuelve a traducir el programa fuente línea por línea. Por lo anterior, los compiladores requieren una fase extra antes de poder generar un programa ejecutable, y aunque esto pareciera menos eficiente en cuanto a tiempo, los programas creados con compiladores se ejecutan mucho más rápido que un mismo programa ejecutado con un intérprete. Además, cuando un programa ya ha sido compilado puede ejecutarse nuevamente sin tener que compilarse, mientras que los programas que son interpretados, cada vez que se ejecutan se deben volver a traducir. Conforme han ido evolucionando las computadoras también lo han hecho las estrategias para solucionar problemas, generando nuevos programas programación con diferentes filosofías, llamadas paradigmas de programación, de esto hablaremos a continuación. 1.3.2 Paradigmas de los lenguajes de programación Un paradigma de programación representa un enfoque particular o filosofía para diseñar soluciones. Los paradigmas difieren unos de otros en los conceptos y la forma de abstraer los elementos involucrados en un problema, así como en los pasos que integran su solución del problema, en otras palabras, el cómputo. Un lenguaje de programación siempre sigue un paradigma de programación, aunque también podemos encontrar lenguajes con la influencia de dos paradigmas, tal es el caso del lenguaje C++, que surgió bajo el paradigma procedimental y se transformó al paradigma orientado a objetos, de tal manera que puede soportar ambos paradigmas. Los paradigmas más importantes son: • Paradigma imperativo o procedural. Es el método de programación tradicional, donde los programas describen la forma de solucionar un problema a partir de una lista de instrucciones que se ejecuta de forma secuencial, a menos que se trate de estructuras de controlEducación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingeniería y Tecnología 22
  23. 23. Fundamentos de programaciónPrograma Desarrollado condicionales o repetitivas, o bien, saltos de secuencia representados por la instrucción GOTO. 3 La programación imperativa se define a partir del cambio de estado de las variables que se produce por la ejecución de las instrucciones, por ejemplo, el programa 1.1, que calcula el área de un rectángulo, es un ejemplo de un programa imperativo, ya que describe paso a paso como solucionar el problema y el resultado corresponde al estado final de la variable area. Sin embargo, el lenguaje en el que está escrito no corresponde a ningún lenguaje de programación real, pero el lenguaje de máquina es un ejemplo de este paradigma. Otros lenguajes imperativos son: Fortran, Cobol, Pascal, Basic, Ada y C. • Paradigma declarativo. En contraste con el paradigma imperativo, el objetivo de este paradigma no es describir cómo solucionar un problema, sino describir un problema mediante predicados lógicos o funciones matemáticas. Dentro de este paradigma se encuentran los lenguajes de programación funcionales y los lenguajes de programación lógicos. Los primeros representan el problema utilizando funciones matemáticas, por ejemplo, un programa que calcule el área de un rectángulo utilizando un lenguaje funcional se vería así: (, ℎ) = ∗ ℎ De tal manera que para calcular el área de un rectángulo de base igual a 5 unidades y altura igual a 10 unidades, se ejecuta la función con los parámetros 5,10, es decir, areaRectángulo (5,10), la cual devuelve como resultado 50. Los lenguajes de programación más representativos del paradigma funcional son: Lisp, ML y Haskell. En el caso de los lenguajes lógicos la solución se representa a través de un conjunto de reglas, á(, ℎ, ) ∶ −ó(, ℎ, ) por ejemplo: Esta regla dice que el valor de la variable area corresponde al área del rectángulo con base b y altura h sólo si area es el resultado de multiplicar b por h. Estamos suponiendo que se ha definido el predicado multiplicación(a, b, c). En este caso para calcular el resultado se utiliza el principio de razonamiento lógico para responder a las preguntas planteadas, por ejemplo si se desea calcular el área del mismo rectángulo, la pregunta sería la siguiente: ? (5,10, ) 3 De esto hablaremos en unidades posteriores.Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingeniería y Tecnología 23
  24. 24. Fundamentos de programaciónPrograma Desarrollado Y después de que se realicen los cálculos (en este caso llamadas inferencias) el resultado que arrojaría sería: = 50 El lenguaje más representativo del paradigma lógico es Prolog. • Paradigma orientado a objetos. En este caso la solución de un problema se plantea en términos de objetos y relaciones entre ellos. Está basado en varias técnicas, incluyendo, herencia, polimorfismo, modularidad y encapsulamiento. En este caso se definen clases que son las plantillas para crear objetos, por ejemplo, un si se quiere un programa orientado a objetos que calcule el área de un rectángulo, se debe definir una clase rectángulo que contenga un método encargado de calcular el área. El lenguaje Java y C#, que actualmente son los más utilizados, son ejemplos de este paradigma. 1.4 Ciclo de vida del software Independientemente del paradigma que se siga y del lenguaje que se utilice para programar, existe un conjunto de fases que deben seguirse para realizar un programa de computadora, al cual se le conoce como ciclo de vida del software, en la siguiente figura se lista cada una de ellas.Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingeniería y Tecnología 24
  25. 25. Fundamentos de programaciónPrograma Desarrollado Planteamiento Análisis del del problema problema Diseño del algoritmo Ciclo de vida del software Mantenimiento Implementación o codificación Documentación Pruebas y delprograma validación En las siguientes secciones aprenderemos en qué consiste cada una de las fases, para lo cual nos apoyaremos en la resolución del siguiente problema con la intención de que se entienda mejor: Problema 1.1: Se requiere construir un programa que calcule el área de un rectángulo, con base b y altura h. 1.4.1 Análisis del problema En esta fase se determina ¿qué hace el programa? Por lo cual debe definirse de manera clara y concisa el problema en cuestión, se debe establecer el ámbito del problema, las características, limitaciones y modelos de lo que se desea resolver. Este paso debe conducir a una especificación completa del problema en donde se describa cuáles son los datos requeridos para resolverlo (datos de entrada) y cuál es el resultado deseado (salida). El análisis de nuestro ejemplo es muy simple y se resume en la siguiente tabla: ¿Cuál es la salida deseada? El área de un cuadrado, la cual identificaremos como ¿Qué método(s) se pueden El área de un rectángulo se puede utilizar para llegar a la calcular con la siguiente fórmula:Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingeniería y Tecnología 25
  26. 26. Fundamentos de programaciónPrograma Desarrollado solución? Á = ∗ ¿Qué datos de entrada se Por el planteamiento del problema y requieren? dado el método anterior, los únicos datos que se requieren son: la medida de la base que se representa por b y la medida de la altura indicada por h ¿Qué datos o información En este caso no se requiere más adicional es necesaria para información. solucionar el problema? ¿Existe algún problema o Las únicas restricciones son que las condiciones que deban medidas de la base y altura sean cumplirse? mayores a cero. Tabla 1.3: Análisis del problema 1 1.4.2Diseño de la solución Es en esta fase se define ¿cómo el programa resuelve el problema? Para ello, se describe paso a paso la solución del mismo, lo cual se conoce como algoritmo. Cuando el problema es grande se recomienda dividirlo en subproblemas más pequeños y resolver por separado cada uno de ellos. A esta metodología se le conoce como diseño descendente (top-down) o modular. Existen diferentes formas de representar un algoritmo algunas formales, como una fórmula matemática, o informales, como es el caso del lenguaje natural. En la siguiente unidad estudiaremos a mayor profundidad los algoritmos y su representación, pero para seguir con el desarrollo de nuestro programa ejemplo, plantearemos la solución como una secuencia de pasos en español. 2. Calcular: á = ∗ 1. Obtener la medida de la base () y la altura () 3. Imprimir el resultado (á) Algoritmo 1.1: Calcula el área de un rectángulo El programa 1.1es otra forma de representar la solución de este problema, se conoce como pseudocódigo. 1.4.3 Implementación (codificación) El algoritmo no puede ser ejecutado por una computadora por ello debe traducirse a un lenguaje de programación (como por ejemplo C) para obtener un programa fuente que se traduzca a lenguaje de máquina para que sea ejecutado por la computadora.Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingeniería y Tecnología 26
  27. 27. Fundamentos de programaciónPrograma Desarrollado En el siguiente cuadro se muestra la codificación en lenguaje C del algoritmo, por ahora no es necesario que lo comprendas puesto que esto lo podrás hacer conforme vayas aprendiendo a programar, por lo pronto solamente se muestra con fines ilustrativos. #includestdio.h #includestdlib.h main() { int b,h, area; printf(Ingresa la base y altura:); scanf(%d %d, b,h); area = b * h; printf(Area = %d, area); } Programa 1.2: Programa en C que calcula área de un rectángulo 1.4.4 Validación y pruebas Esta fase debe hacerse una vez que se ha diseñado el algoritmo y después de que se codifica, sirve para verificar que son correctos. Existen diferentes formas de probar que la solución es correcta, algunas de ellas formales y otras informales: las primera se utilizan para garantizar que el programa o algoritmo siempre calcula el resultado deseado para cualquier conjunto de datos de entrada; en cambio, en las segundas sólo se prueba que funciona correctamente para algunos datos de entrada, tratando de encontrar posibles errores, en este caso no se puede garantizar el programa o algoritmo calcule la salida correcta para cualquier conjunto de datos. En cualquiera de los dos casos, si se encuentra alguna falla se debe corregir y volver a realizar pruebas. En este curso utilizaremos las pruebas de escritorio, las cuales se explicarán en la unidad 2. El ejemplo es muy sencillo y si ejecutamos manualmente el programa o algoritmo mostrado en la fase anterior, con un caso específico de rectángulo veremos que ambos son correctos. En la siguiente figura se ilustra la ejecución del programa:Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingeniería y Tecnología 27
  28. 28. Fundamentos de programaciónPrograma Desarrollado Figura 1.2: Ejecución del programa 1.2 1.4.5 Documentación Cualquier proyecto de software por la complejidad que tiene requiere tanto las ideas principales como el desarrollo de principio a fin sea documentado, con el fin de que cualquiera puedan entender la lógica del programa y de ser necesario pueda modificarlos sin tantas complicaciones. Es común que si se desea modificar un programa y no se tiene información acerca de cómo fue construido sea más fácil volverlo a hacer que intentar entenderlo. Uno de los mejores ejemplos de la importancia de la documentación es el software libre, en el cual colaboran diversos desarrolladores para su elaboración, los cuales se encuentran en diferentes puntos geográficos de globo terráqueo, así que la forma de entender que está haciendo cada uno y bajo que método es la documentación. Además de que se debe tomar en cuenta que se llama software libre porque está disponible el código fuente para que cualquier persona pueda modificarlo a su conveniencia. Como parte de la documentación también deben incluirse manuales de usuario y las normas de mantenimiento para que se haga un buen uso del software. 1.4.6 Mantenimiento Esta fase tiene sentido una vez que fue terminada una primera versión del programa y ya está siendo utilizado. Ya que en ésta se actualiza y modifica para corregir errores no detectados o para cambiar y/o agregar una nueva función. Por ejemplo, se puede extender el programa 1.1, que calcula el área de un rectángulo para que también calcule su perímetro. Ejemplo 1.2: El siguiente conjunto de instrucciones calcula el área y perímetro de un rectángulo. #includestdio.h #includestdlib.h main() { int b,h, area, perimetro; printf(Ingresa la base y altura:); scanf(%d %d, b,h);Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingeniería y Tecnología 28
  29. 29. Fundamentos de programaciónPrograma Desarrollado perimetro = 2*b + 2*h; area = b * h; printf(Perimetro = %d, perimetro); printf(Area = %d, area); } Programa 1.3: Calcula el área y perímetro de un rectángulo En el programa se resaltan las instrucciones que se añadieron al programa para calcular el perímetro. Actividad de Autoevaluación Ingresa al aula virtual para realizar las dos actividades de autoevaluación, la primera trata de un pequeño juego tipo maratón en el que pondrás a prueba tus conocimientos, la segunda consiste en un cuestionario de opción múltiple. Consideraciones específicas de la unidad Para alcanzar los objetivos de esta unidad se ha propuesto una actividad formativa en la cual revises la ejecución de un problema apoyándote en una animación que muestra paso a paso la ejecución del programa 1.1 que se presentó en esta unidad, en dicha animación se especifica cada uno de los elementos que están involucrados en la ejecución de las instrucciones. Referencias: • Guerrero, F. (s.f.). mailxmail.com. Recuperado el 15 de agosto de 2010, de http://www.mailxmail.com/curso-introduccion-lenguaje-c • Joyanes, L., Zohanero, I. (2005). Programación en C. Metodología, algoritmos y estructuras de datos. España: Mc Graw Hill. • Reyes, A., Cruz, D. (2009). Notas de clase: Introducción a la programación. México, D.F.: UACM. • Viso, E., Pelaez, C. (2007). Introducción a las ciencias de la computación con Java. México, D.F.: La prensas de ciencias, Facultad de Ciencias, UNAM.Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingeniería y Tecnología 29
  30. 30. Fundamentos de programaciónPrograma DesarrolladoEducación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingeniería y Tecnología 30
  31. 31. Fundamentos de programaciónPrograma Desarrollado Unidad 2: Diseño de algoritmos Propósitos En esta unidad: • Identificar los datos de entrada y la salida de un algoritmo • Diseñar un algoritmo que solucione un problema. • Representar el algoritmo en diagrama de flujo y pseudocódigo • Verificar que el algoritmo calcule el resultado correcto Competencia específica Diseñar algoritmos para resolver problemas mediante su representación en un diagrama de flujo y la elaboración del pseudocódigo. Introducción En la unidad anterior se describieron los pasos que se requieren para construir un software, sin lugar a dudas, la fase más importante es el diseño de la solución, ya que es aquí donde se debe crear un modelo que corresponde a los pasos que llevan a la solución del problema en cuestión, y se conoce como algoritmo. Para construir esta solución se requiere no sólo de inteligencia, sino también de creatividad, ya que el programador sólo cuenta con la especificación del problema y su experiencia en resolver problemas de una forma estructurada. En este apartado se introduce formalmente el concepto de algoritmo, hablaremos de sus características y estudiaremos dos formas de representarlos: una gráfica, conocida como diagramas de flujo; y la otra similar a un lenguaje humano, en este caso español, la cual se llama pseudocódigo. También se describen los tres tipos de estructuras de control: secuenciales, selectivas y repetitivas, que son las instrucciones con que se cuenta en la programación estructurada para diseñar soluciones. Para logar nuestro objetivo se introduce “el mundo de la ardilla”, en el cual se deben solucionar problemas mediante un conjunto de instrucciones específicas que puede ejecutar una ardilla sobre un tablero. 2.1 Concepto de algoritmo y características La palabra algoritmo proviene del nombre de un matemático persa conocido como Mohammad Al- KhoWârizmi, nacido alrededor del 780 d.c. en KhoWârizm, de ahí el su seudónimo. Se considera como el padre de la algoritmia porque definió las reglas paso a paso para sumar, restar, multiplicar y dividir números decimales. La traducción al latín de Al-Khwārizmī es algoritmi, que da origen a la palabra algoritmo (Joyanes Zohanero, 2005).Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingeniería y Tecnología 31
  32. 32. Fundamentos de programaciónPrograma Desarrollado Formalmente, un algoritmo se define como una secuencia finita de instrucciones precisas y eficaces para resolver un problema, que trabaja a partir de cero o más datos (entrada) y devuelve un resultado (salida). 4 Para ilustrar este concepto se presenta el siguiente escenario ficticio, que hemos llamado: El mundo de la ardilla Supongamos que una ardilla ha sido entrenada para realizar las instrucciones que se muestran en la tabla 2.1, sobre un tablero. INSTRUCCIÓN DESCRIPCIÓN DE LOS MOVIMIENTOS DE LA ARDILLA avanza() Se mueve una ubicación en la dirección actual giraIzquierda() Voltea a la izquierda dejaBellota() Coloca una bellota en la ubicación actual hayBellota() Responde si hay o no bellotas en la posición actual hayPared() Responde si hay o no pared en la ubicación siguiente La ardilla coloca en su boca una bellota que está en la recogeBellota() ubicación actual 5 bellotasRecogidas() Dice el número de bellotas que tiene en la boca Tabla 2.1: Lista de instrucciones que puede ejecutar la ardilla Los paréntesis al final de cada instrucción sirven para identificar que se trata de una orden que puede ejecutar la ardilla. Si observas la lista de instrucciones podrás darte cuenta que, la ardilla no es capaz de voltear a la derecha y mucho menos de responder a órdenes más complejas como “mueve una bellota que se encuentra en la primera casilla del tablero al final del mismo”. Sin embargo, podría realizar ambas tareas si se le dan las instrucciones precisas en términos de las acciones que sabe hacer. Por ejemplo, para que la ardilla gire a la derecha tendríamos que ordenarle tres veces que girará a la izquierda, es decir, la secuencia de instrucciones que debe ejecutar es: giraIzquierda() giraIzquierda() giraIzquierda() 4 Esta definición es una adaptación de la que aparecen en (Viso Pelaez, 2007, pág. 3) 5La ardilla poseen una bolsa donde almacena cualquier cantidad de bellotas.Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingeniería y Tecnología 32
  33. 33. Fundamentos de programaciónPrograma Desarrollado Estos pasos constituyen un algoritmo, el cual soluciona el problema de hacer que la ardilla gire a la derecha. Una de las características principales de los algoritmos es que cada paso debe estar definido de forma clara y precisa, sin ambigüedades, de tal manera que pueda ejecutarse de manera inequívoca, por ejemplo, en el mundo de la ardilla, la instrucción gira() sería una instrucción ambigua, ya que la ardilla no sabría si debe girar a la derecha o a la izquierda. Otra característica de los algoritmos es que siempre terminan, por lo que no puede ser una lista infinita de pasos. Y tampoco puede contener pasos que sean irrealizables o cuya ejecución sea infinita, pues en este caso no sería posible calcular el resultado deseado, si una instrucción está bien definida y es eficaz se puede asegurar que su ejecución termina con éxito, sin embargo, esto no garantiza, de ninguna manera, que el algoritmo también termine. Por lo anterior, al diseñar un algoritmo se debe garantizar que dada cualquier entrada siempre termine y calcule la respuesta correcta. De tal manera que todo algoritmo debe tener las siguientes características: 1.Entrada. 2. Salida. 3. Definido. 4. Eficaz. 5. Terminación. Una vez que se ha diseñado un algoritmo, se recomienda realizar una prueba de escritorio para verificar si funciona correctamente, ésta consiste en ejecutar el algoritmo utilizando papel y lápiz, se propone datos de entrada específicos y se realiza cada una de las instrucciones en el orden establecido, registrando los cambios que se producen después de la ejecución de cada instrucción. De esta manera, se valida que el resultado obtenido en la prueba de escritorio corresponda al resultado deseado (el correcto). 2.2. Representación de algoritmos Existen diversas formas de representar un algoritmo, en la unidad anterior expusimos diversas formas de representar la solución del problema de calcular el área de un rectángulo, por ejemplo, en el programa 1.1 se expresa la solución en pseudocódigo, después en el algoritmo 1.1 se representa en lenguaje natural (español) y en el programa 1.2 se utiliza el lenguaje de programación C, o se puede expresar mediante la fórmula matemática: á = × Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingeniería y Tecnología 33
  34. 34. Fundamentos de programaciónPrograma Desarrollado Todas estas representaciones, excepto el lenguaje natural, se consideran formales, y cabe mencionar que existen más, sin embargo, las representaciones más comunes son el pseudocódigo y los diagramas de flujo. La primera, generalmente se utilizar por su parecido con el lenguaje natural (español, inglés, francés o cualquier otro) y porque su codificación en un lenguaje de programación estructurado y modular, como C, es directa. En cambio, los diagramas de flujo son totalmente gráficos, lo que hace más fácil seguir el orden en que se ejecutan las instrucciones. Es importante mencionar que se puede utilizar cualquiera de las dos representaciones para diseñar un algoritmo, pues en cualquiera de los dos se puede expresar cualquier algoritmo estructurado, de tal manera que la más conveniente depende de cada programador. En las siguientes secciones se presenta cada uno de ellos y así podrás decidir cuál prefieres. 2.2.1. Pseudocódigo El pseudocódigo es un lenguaje de especificación formal de algoritmos. La solución de un problema se representa de manera narrativa utilizando palabras claves, generalmente verbos, escritos en un lenguaje natural, que en nuestro caso será español. Para ilustrarlo construyamos un algoritmo que resuelva el siguiente problema. Problema 2.1: En la figura 2.1.a. se muestra el estado inicial de un tablero, el cual contiene en la primer casilla (de izquierda a derecha) una bellota, representada por un asterisco (*), y a la ardilla, representada por una flecha que apunta hacia la dirección que está mirando. El problema consiste en diseñar un algoritmo que la ardilla pueda ejecutar para llegar al estado meta representado en la figura 2.1.b., que implica que la ardilla lleve la bellota a la última casilla. Para resolverlo se tiene la siguiente información: a) El mundo es conocido, es decir, se sabe de antemano que el tablero está cercado por paredes y sólo tiene seis casillas colocadas en línea. b) Al inicio la ardilla está en la primera casilla volteando hacia arriba y no tiene ninguna bellota en la boca. c) En la primera casilla hay una bellota. * * Estado inicial (a) Estado final (b) Figura 2.1: Primer mundo linealEducación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingeniería y Tecnología 34
  35. 35. Fundamentos de programaciónPrograma Desarrollado Análisis: Haciendo un rápido análisis del problema, nos podemos dar cuenta que la ardilla debe recoger la bellota, avanzar cinco casillas y soltar la bellota, esto traducido en un algoritmo queda de la siguiente forma: Inicio recogeBellota() giraIzquierda() giraIzquierda() giraIzquierda() avanza() avanza() avanza() avanza() avanza() dejaBellota() Fin Algoritmo 2.1. Primer mundo de la ardilla En este caso las instrucciones son parecidas al lenguaje natural. 2.2.2. Diagrama de flujo Los diagramas de flujo son una representación gráfica de un algoritmo que utiliza símbolos para representar las instrucciones y flechas para unirlas e indicar el orden en que deben ejecutarse -llamadas líneas de flujo. Estos símbolos fueron normalizados por el Instituto Norteamericano de Normalización ANSI (American National Standars Institute, por sus siglas en inglés). Los símbolos más utilizados se muestran en la siguiente tabla. Símbolo Descripción Terminal. Representa el inicio y el final de un algoritmo. TerminalEducación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingeniería y Tecnología 35
  36. 36. Fundamentos de programaciónPrograma Desarrollado Entrada y Salida (E/S). Representa la lectura de datos desde el E/S dispositivo de entrada estándar, así como la impresión de datos en el dispositivo de salida estándar. Proceso. Representa cualquier tipo de operación que pueda Proceso originar un cambio de la información almacenada en memoria, asignaciones u operaciones aritméticas. Decisión. Nos permite analizar una situación, con base en los valores verdadero y falso. Toma una decisión de las instrucciones Decisión que a continuación ejecuta el algoritmo. Conector. Sirve para enlazar dos partes cualesquiera del diagrama que están en la misma página. Línea de flujo. Indica el orden de la ejecución de las operaciones. La flecha indica cuál es la siguiente instrucción que se debe realizar. Conector. Conecta a dos puntos del diagrama cuando éstos se encuentran en páginas diferentes. Representa el inicio y el final de un programa. Llamada a subrutina. Llama a un proceso determinado o Subrutina subrutina. Una subrutina es un módulo independiente del módulo principal, que realiza una tarea determinada y al finalizar regresa el control de flujo al módulo principal. Tabla 2.2 Símbolos de los diagramas de flujo Problema 2.2: Ahora la tarea de la ardilla es que cambie las bellotas que están en la primera fila (ver figura 2.2.a) a la segunda y viceversa, dejándolas en la misma columna (ver figura 2.2.b). Las condiciones de inicio son: a) El mundo es conocido y sabemos exactamente dónde hay bellotas. b) La ardilla no tiene ninguna bellota en la boca al inicio. c) El mundo está encerrado por paredes y si la ardilla choca contra una se considerará un error garrafal. d) En este punto los científicos ya entrenaron a la ardilla para ejecutar la orden giraDerecha(), por lo tanto, ya puede ser usada en el algoritmo.Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingeniería y Tecnología 36
  37. 37. Fundamentos de programaciónPrograma Desarrollado * * * * * * * * * * * * Estado inicial (a) Estado final (b) Figura 2.2:Segundo mundo de la ardilla Análisis: De acuerdo con la figura 2.2, inciso a, para que la ardilla cumpla con su tarea debe realizar los siguientes pasos: recoger la bellota, girar a la derecha, avanzar, dejar la bellota, girar a la izquierda, avanzar, recoger la bellota, girar a la izquierda, avanzar, dejar la bellota, voltear a la derecha y avanzar. Hasta este punto las coordenadas de la ardilla son: primera fila y tercera casilla (volteando a la derecha, como al inicio). * * * * * * Si la ardilla repite otra vez este bloque de instrucciones, logrará cambiar las siguientes dos bellotas; al repetirlo nuevamente cambiaría las últimas dos, salvo que cuando la ardilla avance después de haber dejado la bellota chocará contra la pared, por lo tanto, antes de que avance –última instrucción del bloque – tenemos que verificar que no haya pared. La condición para que la ardilla repita el bloque de instrucciones es que no haya pared. De lo anterior tenemos el siguiente algoritmo representado en diagrama de flujo.Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingeniería y Tecnología 37
  38. 38. Fundamentos de programaciónPrograma Desarrollado Algoritmo 2.2. Solución problema 2.2 Actividad 1. Representación de algoritmos En esta actividad, reflexionarás sobre el uso de los diagramas de flujo y pseudocódigos a partir de varias preguntas. Posteriormente, ingresarás un comentario al respecto en el Foro Representación de algoritmos. Evidencia de aprendizaje. Planteamiento del problema Como primera evidencia de aprendizaje para esta unidad deberás elegir un problema que se pueda solucionar mediante un programa de computadora y realizarás la descripción precisa del mismo. 2.3. Estructuras de control Los primeros lenguajes de programación de alto nivel permitían realizar “saltos” a diferentes líneas del código mediante la instrucción GOTO, esto tiene el gran inconveniente que cuando se hacía una modificación en el programa, era necesario modificar todas las instrucciones GOTO para asegurar queEducación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingeniería y Tecnología 38
  39. 39. Fundamentos de programaciónPrograma Desarrollado los saltos se hicieran a las líneas de código correctas. Además de lo tedioso que podía ser estar corrigiendo el programa, las instrucciones GOTO lo hacían difícil de leer. En 1966 Corrado Böhm y Giuseppe Jacopini demostraron que “cualquier algoritmo puede diseñarse e implementar utilizando únicamente tres tipos de estructuras de control: secuenciales, condicionales y repetitivas; esto es, sin utilizar GOTO”(Böhm Jacopini, 1966), basándose en este resultado, a principios de los años 70´s Edsger Dijkstra se dio cuenta que la forma en la que los lenguajes de programación de alto nivel podían modificarse sin problemas era eliminando las instrucciones GOTO (o similares), así que propuso un nuevo estilo de programación al que llamó programación estructurada, ésta incluye estructuras secuenciales, selectivas y repetitivas, conocidas como estructuras de control. 2.3.1. Estructuras secuenciales Las estructuras secuenciales son un bloque de instrucciones que se ejecutan una tras otra, en el mismo orden en el que están escritas. Un ejemplo de este tipo de instrucciones son todas las que se utilizaron en el algoritmo 2.1. Veamos otro ejemplo. Problema 2.3: Ahora la ardilla se enfrenta a un nuevo mundo (ver figura 2.3) en el que su tarea consiste en recoger las dos bellotas colocadas en la posiciones indicadas por la figura 2.3.a y llevarlas a la última casilla de la primera fila, como se muestra en la figura 2.3.b. Considerando que tenemos un mapa del nuevo mundo y sabemos en qué casillas están colocadas las bellotas diseñemos un algoritmo para que la ardilla realice su cometido. * ** * Estado inicial (a) Estado final (b) Figura 2.3.Tercer mundo de la ardilla Análisis: Nuevamente el problema planteado es muy sencillo de analizar, la ardilla debe hacer los movimientos que le permitan recoger la primera bellota, después ir por la segunda y llegar a la última casilla de la prime fila. Otra posible opción es que recoja la primera bellota, la lleve a la primera casilla,Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingeniería y Tecnología 39
  40. 40. Fundamentos de programaciónPrograma Desarrollado regrese por la segunda bellota y también la lleve a la primera casilla. Esta última opción requiere más esfuerzo por parte de la ardilla, dado que la ardilla no tiene limitado el número de bellotas que puede llevar en la boca, entonces la primera opción es más eficiente. El algoritmo quedaría como: Inicio avanza() giraIzquierda() avanza() avanza() recogeBellota() giraIzquierda() avanza() giraDerecha() avanza() avanza() recogeBellota() avanza() dejaBellota() dejaBellota() Fin Algoritmo 2.3. Solución problema 2.3. Las instrucciones selectivas, más usuales, que una computadora es capaz de realizar son: Imprimir, Leer y Asignar. La representación en diagrama de flujo de estas instrucciones se ilustra en la siguiente tabla, en cuanto que la representación en diagrama de flujo se utilizan los mismos verbos y símbolos pero encerrados entre un símbolo de proceso.Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias Exactas, Ingeniería y Tecnología 40

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