Almacenamiento y procesamiento de datos

Introducción 

Dentro de las computadoras actuales, la información se codifica mediante patrones de 0s y 1s. Estos dígitos se denominan bits (abreviatura de binary digits, dígitos binarios). Aunque uno podría sentirse inclinado a asociar los bits con valores numéricos, se trata realmente de símbolos cuyo significado depende de cada aplicación concreta. En ocasiones, los patrones de bits se usan para representar valores numéricos; en otros casos, representan caracteres de un alfabeto y signos de puntuación, a veces representan imágenes y otras sonidos.

Las operaciones booleanas 

Para entender cómo se almacenan y manipulan los bits individuales dentro de una computadora, es conveniente imaginar que el bit 0 representa el valor falso y que el bit 1 representa el valor verdadero, porque eso nos permite pensar en la manipulación de bits como si se tratara de la manipulación de valores verdadero/falso. 

Las puertas 

Un dispositivo que genera la salida de una operación booleana cuando se le proporcionan los valores de entrada de dicha operación se denomina puerta lógica. Las puertas lógicas pueden construirse mediante diversas tecnologías, como engranajes, relés y dispositivos ópticos. Dentro de las computadoras actuales, las puertas suelen implementarse con pequeños circuitos electrónicos en los que los dígitos 0 y 1 representan niveles de tensión. Sin embargo, no necesitamos preocuparnos por tales detalles. Para lo que a nosotros nos interesa, basta con representar las puertas en su forma simbólica. 

Representación de las puertas AND, OR, XOR, y NOT

• En AND: solamente cuando las 2 líneas tienen energía entonces la salida también tendrá energía
• En OR: la salida tendrá energía cuando las 2 líneas tengan energía o solamente una de ellas la tenga
• En XOR: la salida tendrá energía solamente cuando una de las líneas tenga energía 
• En NOT: la salida tendrá energía cuando en la entrada no se tenga energía y al revés

Biestables 

Las puertas proporcionan los componentes a partir de los cuales se construyen las computadoras. Este es un ejemplo concreto de una colección de circuitos que se conocen con el nombre de biestables. Un biestable es un circuito que genera un valor de salida igual a 0 o a 1, que permanece constante hasta que un pulso (un cambio temporal a un 1 que luego vuelve a 0) generado por otro circuito hace que el biestable conmute al otro valor. En otras palabras, la salida conmutará entre los dos valores bajo el control de algún estímulo externo.

La notación hexadecimal

A la hora de considerar las actividades internas de una computadora, tenemos que tratar con patrones de bits, a los que nos referiremos con el nombre de cadenas de bits. Algunas de estas cadenas pueden tener una gran longitud. En ocasiones, a una cadena larga de bits se le denomina flujo de bits.  La simple transcripción del patrón de bits 101101010011 resulta tediosa y puede provocar errores de transcripción. Para simplificar la representación de dichos patrones de bits, solemos utilizar por tanto una notación abreviada denominada notación hexadecimal, que aprovecha el hecho de que los patrones de bits dentro de una máquina tienden a tener longitudes que son múltiplos de cuatro. En particular, la notación hexadecimal utiliza un único símbolo para representar un patrón de cuatro bits. Por ejemplo, una cadena de doce bits puede representarse mediante tres símbolos hexadecimales. 

La notación binaria 

Se usan bits para representar a un número en base 2

• Con 16 bits y utilizando notación binaria podemos almacenar 
• Cualquier entero comprendido dentro del rango que va de 0 a 65535

Algunas limitaciones de una representación numérica en una computadora: 

• Overflow: ocurre cuando un valor es muy grande para ser representado
• Truncado: ocurre cuando un valor no puede ser representado de manera precisa

Memoria Principal

Con el objetivo de almacenar datos, una computadora contiene un enorme conjunto de circuitos (tales como los biestables), cada uno de los cuales es capaz de almacenar un único bit. Este conjunto de bits se conoce como memoria principal de la máquina.

Almacenamiento masivo 

Debido a la volatilidad y al tamaño limitado de la memoria principal de una computadora, la mayoría de las computadoras disponen de dispositivos de almacenamiento adicionales conocidos como sistemas de almacenamiento masivo (o de almacenamiento secundario), entre los que se incluyen los discos magnéticos, los discos CD y DVD, las cintas magnéticas y las unidades flash, de los que hablaremos más adelante. Entre las ventajas de los sistemas de almacenamiento masivo, con respecto a la memoria principal, podemos citar una menor volatilidad, mayores capacidades de almacenamiento, su bajo coste y, en muchos casos, la capacidad de extraer el medio de almacenamiento de la máquina, con el propósito de archivarlo.

Una de las principales desventajas de los sistemas de almacenamiento masivo es que normalmente requieren algún tipo de movimiento mecánico, por lo que hace falta un tiempo considerablemente mayor para almacenar y extraer los datos del que se necesita en la memoria principal de la computadora, en la que todas las actividades se llevan a cabo de forma electrónica.

Algunos sistemas de almacenamiento masivo son:

• Sistemas magnéticos
• Discos
• Cintas
• Sistemas ópticos 
• DVD
• Unidades flash 
• Secure Digital (SD) Memory Card
• SSD (Solid State Disk)
• Sistema de almacenamiento en disco

Representación de textos  

La información a modo de escrito se frecuenta representar mediante un código en el cual se asigna un jefe definido de bits a todos los diversos símbolos que aparecen en el escrito. 

Este código usa patrones de 7 bits para representar las letras mayúsculas y minúsculas del abecé inglés, además de los signos de puntuación, los dígitos 0 a 9 y cierta información de control, tales como las normas de desarrollo de línea, retorno de automóvil y tabulación. Esta técnica no solo posibilita obtener un código en el cual cada jefe encaja convenientemente en las celdas típicas de memoria, con un tamaño igual a un byte, sino que además otorga 128 patrones de bits extras (los que se obtienen asignando al bit extra el costo 1), estos patrones extras tienen la posibilidad de utilizarse para representar símbolos no contenidos en el abecedario inglés y en su grupo de signos de puntuación asociado. 

Entre sus 128 patrones extras se hallan los símbolos que corresponden a la libra inglesa, a las vocales alemanas ä, ö y ü y a las vocales acentuadas del español. 

En primera instancia, el número de patrones de bits extras accesibles en el código ASCII ampliado es sencillamente insuficiente para representar el abecedario de varios lenguajes asiáticos y de ciertos del este del continente Europeo. 

Representación de valores numéricos

Almacenar la información en términos de caracteres codificados es poco eficiente cuando la información que se quiere almacenar es puramente numérica. Para ver por qué, considere el problema de almacenar el valor 25. Si insistimos en almacenarlo mediante símbolos codificados en ASCII utilizando un byte por símbolo, necesitaremos un total de 16 bits. Además, el número mayor que podemos almacenar utilizando 16 bits es 99. Sin embargo, como pronto veremos, utilizando notación binaria podemos almacenar cualquier entero comprendido dentro del rango que va de 0 a 65535 en esos 16 bits. Por tanto, la notación binaria (o las variaciones de la misma) se emplea ampliamente para codificar datos numéricos de cara a almacenarlos en una computadora.

La notación binaria es una forma de representar valores numéricos utilizando solo los dígitos 0 y 1, en lugar de los dígitos 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 y 9, como en el sistema tradicional decimal o en base diez. 

Representación de imágenes

Un método para representar una imagen consiste en interpretar dicha imagen como una colección de puntos, cada uno de los cuales se denomina píxel, abreviatura de la expresión inglesa “picture element”. A continuación se codifica la apariencia de cada píxel y la imagen completa se representa como una colección de píxeles codificados. A este tipo de colección se le conoce como mapa de bits. Esta técnica es muy popular porque muchos dispositivos de visualización, como las impresoras y las pantallas de computadora operan basándose en el concepto de píxel. A su vez, las imágenes en formato de mapa de bits pueden formatearse fácilmente para su visualización. 

Representación de sonidos

El método más genérico de codificar información de audio para su almacenamiento y manipulación en una computadora consiste en mostrar la amplitud de la onda de sonido a intervalos regulares y grabar la serie de valores obtenidos. Por ejemplo, la serie 0, 1,5, 2,0, 1,5, 2,0, 3,0, 4,0, 3,0, 0 representaría una onda sonora cuya amplitud aumenta, disminuye brevemente, aumenta a un nivel superior y luego vuelve a caer a 0. Esta técnica, empleando una tasa de muestreo de 8000 muestras por segundo, se ha estado utilizando durante años en las comunicaciones telefónicas de voz a larga distancia. La voz en un extremo del canal de comunicación se codifica como una serie de valores numéricos que representan la amplitud de la voz en cada intervalo de 125 microsegundos. Estos valores numéricos se transmiten luego a través de la línea de comunicación hasta el extremo receptor, donde se utilizan para reproducir el sonido de la voz.

Conclusión 

A veces, los patrones de bits se utilizan para representar valores numéricos; en otras ocasiones, representan letras y números de un abecé y signos de puntuación, también representan imágenes y otras sonidos. Por eso, es importante conocer las raíces del almacenamiento de datos, ya que aunque existan otras unidades de almacenamiento, siempre es necesario saber cómo es que funciona el cerebro de las computadoras.