How Computers Really Work

1. Las computadoras son máquinas digitales basadas en el sistema binario

Vale la pena repetirlo: todo en tu computadora se almacena como ceros y unos.

Digital vs. Analógico. Las computadoras modernas son dispositivos fundamentalmente digitales, en marcado contraste con los sistemas analógicos. Mientras que los datos analógicos, como la aguja de una balanza o el mercurio en un termómetro, representan información mediante valores continuos e infinitamente variables, los sistemas digitales simplifican esto al representar toda la información como secuencias de símbolos discretos. En casi todas las computadoras actuales, estos símbolos se limitan a solo dos: 0 y 1. Este enfoque binario, aunque aparentemente restrictivo, permite un procesamiento, almacenamiento y copia de datos altamente confiables, ya que evita los problemas de precisión y deterioro inherentes a las representaciones analógicas.

Bits y Bytes. Estos ceros y unos se conocen como bits, abreviatura de "dígitos binarios". Un solo bit solo puede transmitir dos estados: encendido o apagado, verdadero o falso, voltaje alto o bajo. Para representar información más compleja, los bits se agrupan. La agrupación más común es de ocho bits, que forman un byte. Un byte puede representar 256 combinaciones únicas (2^8), suficiente para codificar un solo carácter de texto (como en ASCII) o un tono de gris. Tipos de datos más grandes, como imágenes, audio o video, requieren millones o incluso miles de millones de bits, que a menudo se expresan usando prefijos estándar como kilobyte (KB), megabyte (MB) o gigabyte (GB).

El contexto es clave. El significado de una secuencia de ceros y unos depende completamente de cómo un programa de computadora la interprete. La misma secuencia binaria podría representar un número, un carácter de texto, un color o incluso una instrucción de máquina. Por ejemplo, 01100001 podría ser el número 97, la letra minúscula 'a' en ASCII, o un componente de un valor de color. Esta flexibilidad significa que, una vez que un dispositivo está diseñado para trabajar con datos binarios, puede adaptarse mediante software para manejar prácticamente cualquier tipo de información, convirtiendo al binario en el lenguaje universal de la computación.

2. La electricidad es la base física de la computación

En particular, las computadoras modernas son dispositivos electrónicos, por lo que las leyes de la electricidad son la base natural sobre la que se construyen.

Conceptos fundamentales. En esencia, una computadora es un dispositivo electrónico, lo que significa que su funcionamiento está regido por los principios de la electricidad. Algunos términos eléctricos clave incluyen:

• Carga eléctrica: Propiedad fundamental de la materia que hace que experimente una fuerza en un campo electromagnético.
• Corriente eléctrica (amperios): Flujo de carga eléctrica, análogo al agua que fluye por una tubería.
• Voltaje (voltios): Diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos, similar a la presión del agua, que impulsa el flujo de corriente.
• Resistencia (ohmios): Oposición de un material al flujo de corriente eléctrica, como una tubería estrecha que dificulta el paso del agua.

Leyes de Ohm y Kirchhoff. Estos conceptos se cuantifican mediante leyes fundamentales. La Ley de Ohm (I = V/R) establece que la corriente (I) que fluye a través de un conductor entre dos puntos es directamente proporcional al voltaje (V) entre esos puntos e inversamente proporcional a la resistencia (R) entre ellos. La Ley de Voltajes de Kirchhoff dicta que la suma de todos los voltajes alrededor de cualquier circuito cerrado debe ser cero, lo que significa que el voltaje suministrado por una fuente se "consume" en los componentes del circuito.

Componentes básicos. Componentes eléctricos simples como resistencias y diodos emisores de luz (LEDs) demuestran estos principios. Las resistencias se usan para controlar el flujo de corriente, mientras que los LEDs se iluminan cuando la corriente pasa a través de ellos en una dirección específica. Estos componentes básicos, cuando se disponen en una placa de pruebas, forman circuitos simples que ilustran cómo se maneja y transforma la energía eléctrica, sentando las bases para entender circuitos digitales más complejos.

3. Los transistores y las puertas lógicas forman circuitos digitales

El transistor es la base de la electrónica moderna, incluyendo los dispositivos de computación.

Definición de circuitos digitales. Los circuitos digitales operan con señales que representan un número limitado de estados, típicamente dos: 0 (voltaje bajo) y 1 (voltaje alto). A diferencia de los circuitos analógicos, donde los voltajes pueden variar de forma continua, los circuitos digitales interpretan voltajes dentro de rangos específicos como un 0 o un 1 definidos. Esta distinción clara es crucial para un procesamiento de datos confiable. Los primeros circuitos digitales conceptuales podían construirse con interruptores mecánicos, donde un interruptor abierto representaba 0 y uno cerrado representaba 1, demostrando operaciones lógicas básicas como AND y OR.

El asombroso transistor. Sin embargo, el interruptor mecánico es poco práctico para computadoras complejas. La solución está en el transistor, un componente electrónico que actúa como un interruptor controlado eléctricamente. Al aplicar una pequeña corriente a un terminal (la base), se puede encender o apagar una corriente mayor entre otros dos terminales (colector y emisor). Esta capacidad de conmutar corriente electrónicamente, sin partes móviles, convierte a los transistores en los bloques fundamentales de toda la electrónica digital moderna.

Puertas lógicas y encapsulamiento. Los transistores se combinan con resistencias para formar puertas lógicas, que son circuitos que implementan funciones lógicas binarias (AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR). Estas puertas reciben entradas de voltaje alto/bajo y producen salidas de voltaje alto/bajo según sus tablas de verdad. Las puertas lógicas suelen fabricarse como circuitos integrados (CI), encapsulando complejas disposiciones de transistores en componentes únicos y fáciles de usar. Este encapsulamiento oculta los detalles internos intrincados, permitiendo a los ingenieros diseñar sistemas complejos combinando puertas sin necesidad de entender cada transistor, un principio vital para construir sumadores de múltiples bits y dispositivos de memoria como biestables y flip-flops.

4. La CPU: El cerebro programable de la computadora

Es el procesador el que permite que una computadora tenga la flexibilidad de ejecutar programas que ni siquiera se habían concebido cuando se diseñó el procesador.

La programabilidad es clave. Lo que distingue a una computadora de otros dispositivos electrónicos es su programabilidad: la capacidad de realizar nuevas tareas sin cambiar el hardware. Esto se logra mediante la Unidad Central de Procesamiento (CPU), o procesador, que ejecuta un conjunto de instrucciones simples definidas por su Arquitectura de Conjunto de Instrucciones (ISA). Estas instrucciones cubren operaciones fundamentales como:

• Acceso a memoria (lectura/escritura)
• Aritmética (sumar, restar, multiplicar)
• Lógica (AND, OR, NOT)
• Control de flujo (salto, llamada)

Componentes internos de la CPU. Una CPU está compuesta por varios elementos clave:

• Registros del procesador: Pequeñas ubicaciones de almacenamiento de alta velocidad dentro de la CPU para datos temporales durante el procesamiento.
• Unidad Aritmético-Lógica (ALU): Realiza todas las operaciones matemáticas y lógicas.
• Unidad de Control: El coordinador, que obtiene instrucciones de la memoria, las decodifica y dirige a la ALU y a los registros para ejecutarlas. Usa un contador de programa para rastrear la dirección de la siguiente instrucción.

Reloj, núcleos y caché. Las CPUs operan sincronizadas con una señal de reloj, donde cada pulso señala una transición de estado. Aunque las velocidades de reloj (medidas en GHz) han alcanzado un límite físico, las mejoras en rendimiento ahora provienen de CPUs multinúcleo, donde múltiples unidades de procesamiento independientes (núcleos) ejecutan instrucciones en paralelo. Para salvar la brecha de velocidad entre las CPUs rápidas y la memoria principal más lenta, las CPUs usan memoria caché: almacenamiento interno pequeño y rápido que guarda datos frecuentemente usados, organizado en niveles jerárquicos (L1, L2, L3) para un acceso más ágil.

5. El software: instrucciones para la máquina

No importa cómo se haya escrito originalmente un programa, ni qué lenguaje de programación se haya usado, ni qué tecnologías se hayan involucrado; al final, ese programa se convierte en una serie de ceros y unos que representan instrucciones que una CPU puede ejecutar.

Código máquina y lenguaje ensamblador. En su nivel más bajo, el software es código máquina: instrucciones binarias entendidas directamente por una CPU. Cada arquitectura de CPU (como x86 o ARM) tiene su propio lenguaje máquina único. Los programadores rara vez escriben en código máquina puro debido a su complejidad. En su lugar, usan lenguaje ensamblador, una representación legible para humanos donde cada instrucción máquina tiene un mnemónico (por ejemplo, mov para "mover datos"). Un ensamblador traduce el lenguaje ensamblador a código máquina, y un enlazador combina estos archivos de código máquina en un programa ejecutable.

Lenguajes de programación de alto nivel. Para superar la naturaleza tediosa, propensa a errores y específica de la arquitectura del lenguaje ensamblador, se desarrollaron lenguajes de programación de alto nivel (como C o Python). Estos lenguajes están más cerca del lenguaje humano, abstraen los detalles específicos de la CPU. Un compilador traduce el código fuente de alto nivel a código máquina para un procesador objetivo, permitiendo que un solo programa se compile y ejecute en diferentes arquitecturas de CPU. Los lenguajes interpretados, como Python, usan un intérprete para ejecutar el código fuente directamente en tiempo de ejecución, ofreciendo independencia de plataforma sin un paso de compilación.

Construcciones comunes en programación. Los lenguajes de alto nivel proporcionan formas intuitivas de expresar operaciones fundamentales de computación:

• Variables: Ubicaciones de memoria nombradas para almacenar datos, a menudo con un tipo específico (por ejemplo, entero, cadena de texto).
• Matemáticas y lógica: Operadores como +, -, *, / para aritmética, y &, |, ^ para lógica a nivel de bits, o and, or, not para lógica booleana.
• Flujo de programa: Sentencias if/else para ejecución condicional y bucles while/for para tareas repetitivas.
• Funciones: Bloques reutilizables de código que realizan tareas específicas, aceptando entradas y devolviendo salidas, promoviendo la organización y reutilización del código (encapsulamiento).

6. Los sistemas operativos gestionan los recursos de la computadora

Un sistema operativo (SO) es un software que se comunica con el hardware de la computadora y proporciona un entorno para la ejecución de programas.

El SO como intermediario. A diferencia de las primeras consolas de juegos donde el software controlaba directamente el hardware, las computadoras modernas dependen de un sistema operativo como capa crucial entre las aplicaciones y el hardware. El SO administra los recursos del sistema, maneja la inicialización del hardware y ofrece un entorno controlado para que los programas se ejecuten. Esta abstracción permite a los desarrolladores centrarse en la lógica de la aplicación en lugar de en los detalles del hardware, haciendo que los programas sean más portables entre dispositivos diversos.

Modo núcleo vs. modo usuario. Para garantizar estabilidad y seguridad, los sistemas operativos aprovechan los niveles de privilegio de la CPU. El núcleo del SO y los controladores de dispositivos se ejecutan en un "modo núcleo" altamente privilegiado, que les otorga acceso completo a toda la memoria, dispositivos de entrada/salida e instrucciones especiales de la CPU. Las aplicaciones y otros programas no pertenecientes al SO se ejecutan en un "modo usuario" restringido, impidiéndoles interferir directamente con otros programas o con el núcleo. Esta "burbuja de modo usuario" asegura que el código no confiable no pueda realizar operaciones de E/S ni acceder a recursos sensibles del sistema directamente.

Procesos e hilos. Cuando un programa se inicia, el SO crea un "proceso", una instancia en ejecución de ese programa con su propio espacio privado de memoria virtual. Dentro de un proceso, los "hilos" son unidades de ejecución que permiten que un programa realice múltiples tareas en paralelo. El planificador del SO administra estos hilos, asignándoles tiempo en los núcleos de la CPU, creando la ilusión de ejecución simultánea. Las aplicaciones en modo usuario dependen de "llamadas al sistema" para solicitar operaciones privilegiadas al núcleo, como leer archivos o comunicarse por red, actuando como una puerta controlada para la interacción con el hardware.

7. Internet conecta computadoras a nivel global

Internet es una red de redes, conectando redes de diversas organizaciones en todo el mundo.

Una red de redes. Internet es un vasto sistema global interconectado de redes de computadoras, que permite la comunicación entre miles de millones de dispositivos. Funciona con un conjunto estandarizado de reglas llamado Conjunto de Protocolos de Internet, comúnmente conocido como TCP/IP (Protocolo de Control de Transmisión/Protocolo de Internet). Este conjunto se organiza en un modelo de cuatro capas, cada una con responsabilidades específicas, permitiendo un diseño modular y comunicación:

• Capa de enlace: Maneja la comunicación en una red local (por ejemplo, Wi-Fi, Ethernet) usando direcciones MAC.
• Capa de internet: Permite el enrutamiento de datos entre diferentes redes usando direcciones IP (IPv4, IPv6).
• Capa de transporte: Proporciona canales de comunicación para aplicaciones (por ejemplo, TCP para conexiones confiables, UDP para velocidad).
• Capa de aplicación: Define protocolos para tareas específicas (por ejemplo, HTTP para la web, SMTP para correo electrónico).

Direcciones IP y subredes. Cada dispositivo en internet tiene una dirección IP única (por ejemplo, 192.168.1.23). Estas direcciones se dividen en un prefijo de red y un identificador de host, definiendo subredes. Los dispositivos en la misma subred pueden comunicarse directamente, mientras que los de diferentes subredes deben pasar el tráfico a través de un enrutador. Las direcciones IP pueden asignarse dinámicamente mediante DHCP (Protocolo de Configuración Dinámica de Host) o ser estáticas. Las direcciones IP privadas (por ejemplo, 192.168.x.x) se usan en redes locales y no son enrutable en internet público, gestionándose a menudo mediante routers con Traducción de Direcciones de Red (NAT) que permiten que varios dispositivos compartan una única IP pública.

Sistema de Nombres de Dominio (DNS). Dado que las direcciones IP son difíciles de recordar para los humanos, el Sistema de Nombres de Dominio (DNS) ofrece un servicio crucial: mapear nombres amigables (como www.ejemplo.com) a sus direcciones IP correspondientes. DNS es un sistema jerárquico y distribuido de servidores que resuelven estos nombres, actuando como la "guía telefónica de internet". Cuando un cliente quiere conectarse a un servidor por nombre, consulta a un servidor DNS, que proporciona la dirección IP necesaria para la comunicación.

8. La World Wide Web: una capa de información sobre internet

La World Wide Web, comúnmente llamada la web, es un conjunto de recursos entregados mediante el Protocolo de Transferencia de Hipertexto (HTTP) sobre internet.

Distribuida, direccionable, enlazada. La web es un sistema construido sobre internet, caracterizado por tres atributos fundamentales:

• Distribuida: No existe una autoridad central que controle el contenido; cualquiera puede publicar.
• Direccionable: Cada recurso tiene un Localizador Uniforme de Recursos (URL) único, que especifica su ubicación y método de acceso (esquema, host, ruta, consulta).
• Enlazada: Los hipervínculos conectan recursos, formando una vasta "red" de información.

HTTP y HTTPS. El protocolo principal de comunicación de la web es el Protocolo de Transferencia de Hipertexto (HTTP), un modelo de solicitud-respuesta donde los clientes (navegadores) envían peticiones (por ejemplo, GET, POST) y los servidores responden con códigos de estado (por ejemplo, 200 OK, 404 No encontrado). Para comunicación segura, HTTPS (HTTP Seguro) cifra los datos usando Seguridad de la Capa de Transporte (TLS), protegiendo la privacidad e integridad. Esto implica claves criptográficas (pública y privada) para establecer un canal seguro y cifrado entre cliente y servidor.

Los lenguajes de la web. Las páginas web se construyen usando un trío de lenguajes interpretados por los navegadores:

• HTML (Lenguaje de Marcado de Hipertexto): Lenguaje de marcado que define la estructura y contenido de una página (títulos, párrafos, imágenes).
• CSS (Hojas de Estilo en Cascada): Lenguaje de estilos que dicta la apariencia de los elementos HTML (tipografías, colores, diseño).
• JavaScript: Lenguaje de programación que permite interactividad y comportamiento dinámico en las páginas web, manipulando a menudo el Modelo de Objetos del Documento (DOM) para responder a acciones del usuario.

Navegadores y servidores web. Los navegadores web son aplicaciones cliente que recuperan recursos web, renderizan HTML y CSS, y ejecutan JavaScript. Contienen motores de renderizado (como WebKit, Blink, Gecko) y motores de JavaScript. Los servidores web alojan estos recursos, sirviendo archivos estáticos o generando contenido dinámico usando cualquier lenguaje de programación, respondiendo a solicitudes HTTP. La evolución de la web ha visto un cambio de páginas puramente estáticas a aplicaciones dinámicas complejas, y más recientemente, una tendencia hacia sitios estáticos mejorados con JavaScript del lado del cliente.

9. La computación moderna: horizontes en expansión

Este concepto de conectar todo tipo de dispositivos a internet se conoce como el Internet de las Cosas (IoT).

**Aplicaciones:

Última actualización: August 10, 2025