Cmo interacta el hardware con el software? Este artculo profundiza en el funcionamiento de las mquinas computadoras e intenta elucidar la cuestin de cmo o en que sentido puede interactuar el software con el hardware. Para efectos de facilitar la exposicin, se concibe una mquina sumadora ad-hoc sobre la cual se realiza el anlisis detallado de tal interaccin, llegando finalmente a mostrar como se traduce dicha interaccin en el formalismo de las mquinas de Turing y los computadores digitales.

Por Jorge Maturana Palma, 25 de Abril de 2009.

Introduccin: la metfora del computador El vertiginoso desarrollo experimentado en las ltimas dcadas por las tecnologas de la informacin y su exitosa radicalizacin en casi todas las reas o actividades del quehacer social, organizacional, econmico, y en la interaccin del hombre con su medio y recursos, ha puesto muy de moda, no slo entre los cientficos sino que tambin en la mayora de las personas, una popular analoga entre la actividad mental-cerebral humana y los computadores electrnicos.

Por ejemplo, a la luz de este smil, un dualista cartesiano no dudara en afirmar que el hardware, es decir, los componentes mecnicos, elctricos y electrnicos son el cuerpo o sustancia material del sistema, y que el software o conjunto de programas computacionales, sera el sustrato no material o la mente inmaterial que habita en la mquina. El hardware patente a la percepcin sensorial, no explicara por s slo el comportamiento exhibido por el sistema, ya que por ms que se escarbe entre los circuitos elctricos, componentes mecnicos y flujos electromagnticos de la mquina, nada habra que se asemejara ni siquiera medianamente a un razonamiento, pensamiento o inferencia. Debe haber en la mquina algn otro tipo de sustancia que sea portadora de tales propiedades y que sea causante directa de los estados mentales constatados en la mquina. Consecuentemente, el software inmaterial depositado en el hardware sera el espritu que anima la mquina y articula sus componentes mecnicos inyectndole de esta forma vida y movimiento. De aqu que el sistema propiamente tal, no sera otra cosa que el software circunstancialmente residente en un hardware particular. Finalmente, para el dualista, el funcionamiento del sistema completo slo podra explicarse en trminos de algn tipo de interaccin entre el hardware o sustancia material y el software o la sustancia inmaterial que determina su comportamiento, y el problema radicara en hallar los trminos precisos en que se produce la interaccin entre tales componentes.

Por otro lado, desde una perspectiva de la psicologa computacional, la metfora se traducira de la siguiente manera:

i. La arquitectura bsica de los computadores se ajusta a un modelo que, en sus aspectos estructurales, se compone de los siguientes elementos:

Un cerebro compuesto bsicamente de una unidad de control y una unidad de pensamiento Una memoria de corto plazo Una memoria de largo plazo Organos aferentes de entrada Organos eferentes de salida

ii. La comunicacin entre estas partes se efecta a travs de una red nerviosa de buses o canales, que permiten transportar las seales elctricas de un lugar a otro. El control y la coordinacin de todos estos componentes es realizada por una unidad de control, que forma parte del cerebro del conjunto. Dentro de la mquina circulan las corrientes elctricas rigurosamente sincronizadas gracias a un reloj interno que enva impulsos con una frecuencia determinada estableciendo el ciclo base de la unidad de control. Por otra parte, la Unidad de Pensamiento, es la zona del cerebro encargada de efectuar las operaciones

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aritmticas y lgicas, tales como el manejo de los operadores and, or, not e inferencias del tipo if (condicin) then... lo que permite canalizar una determinada secuencia de pasos y bifurcarla hacia otras secuencias dependiendo si se verific o no la condicin.

iii. La memoria de corto plazo, ubicada en una zona del cerebro, est dividida en compartimientos o celdas cada una de las cuales posee una direccin y puede contener distintos tipos de informacin. Esta memoria es de muy rpido acceso pero de poca capacidad, por lo cual, la escritura de nueva informacin se realiza con el consiguiente borrado de parte de la que exista anteriormente. La memoria de corto plazo es esencialmente voltil ya que su contenido se pierde cuando se produce una desconexin temporal o se escriben nuevos contenidos muy extensos. No obstante, en esta memoria siempre se encuentra presente la informacin necesaria para realizar la actividad actual o ms reciente.

iv. El propsito de la memoria de largo plazo es conservar grandes cantidades de informacin y por una cantidad de tiempo indefinida. A diferencia de la memoria a corto plazo, su acceso es ms lento pero su capacidad es sustancialmente mayor, y su contenido posee una mayor persistencia en el tiempo.

v. A travs de los rganos de entrada, la mquina recoge la informacin del mundo exterior y mediante los rganos de salida, entrega las respuestas al mundo exterior. Asociados a estos rganos existe un mecanismo altamente especializado en codificacin y decodificacin de datos que permite convertir las seales del mundo externo en las seales de naturaleza electromagnticas reconocidas por la mquina y viceversa. En este mecanismo puede localizarse la memoria sensorial, puesto que aqu se encuentran presentes los estmulos provocados por las percepciones sensoriales ms recientes.

La arquitectura descrita corresponde a la que clsicamente se conoce como el modelo de Von Neumann, del cual ofrecemos una adaptacin en la siguiente figura:

DISPOSITIVOS DE

ENTRADA

DISPOSITIVOSDE

SALIDA

Procesadorde entrada

saliday

Memoria Sensorial

Unidad de Pensamiento

(aritmtica y lgica)

Memoria de Largo Plazo

(Almacenamiento Masivo)

UNIDAD DE CONTROL

Memoria de Corto Plazo

MAQUINA DE VON NEUMANN

Figura 1.- Modelo clsico de un Computador Digital de propsito general

Flujo de informacin

Flujo de control

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La interaccin del hardware con el software En relacin a esta atrayente y poderosa metfora, desde una perspectiva tcnica sabemos efectivamente que un sistema de computacin se compone de programas computacionales que operan en el hardware, y tambin sabemos que el programa es independiente del hardware en el sentido que puede ejecutarse en cualquier computador digital de similares caractersticas.

Sin embargo, para apreciar claramente bajo qu trminos se verifica algn tipo de interaccin entre el hardware y el software, dejando de lado las complicaciones de los circuitos electrnicos que podran inducir a confusin, recurriremos al diseo de una mquina sumadora que no obstante su simpleza, nos proporciona una conveniente analoga para estos propsitos.

La mquina en cuestin obedece a una instruccin simple del tipo SUME a y b, donde la palabra SUME representa la accin a realizar y las variables a, b corresponden a nmeros enteros no negativos sobre los cuales se realizar la operacin, en este caso, de suma de enteros. La arquitectura bsica de la mquina sumadora consta de dos casillas de entrada donde se almacenan las variables a sumar, y una casilla de salida donde se registra el resultado despus de la accin de suma.

Las casillas de entrada estn conectadas mediante ductos tubulares al vaco que convergen simultneamente a la casilla de salida; en la interseccin de los tubos se ubica una bomba de succin que al operar succiona las bolillas puestas en las casillas de entrada en direccin a la casilla de salida. Los nmeros se representan mediante bolillas puestas en los respectivos casilleros, de tal forma que la cardinalidad del conjunto de bolillas en cada casillero corresponde a los valores de los nmeros de entrada y salida, respectivamente. Cada vez que la mquina recibe una instruccin, por ejemplo SUME 2 y 5, primero realiza la representacin fsica de los literales numricos mediante el poblamiento de bolillas en las casillas de entrada, y despus ejecuta el verbo de accin, que en nuestro caso, consiste en la activacin del mecanismo de succin que transporta las bolillas de los dos casilleros de entrada al casillero de salida; posteriormente se realiza la traduccin de la cantidad de bolillas en la casilla de salida al respectivo literal numrico que las representa. La siguiente figura muestra el modelo de esta mquina y la operatoria de suma recin descrita.

Mecanismode Succin

SUME 2 y 5

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Ahora, si sobre la base de esta mquina alguien nos preguntara cmo es que interacta el hardware (mquina compuesta de casilleros, bolillas, ductos, bomba de succin, etc.) con el software (conjunto de sentencias o instrucciones de la forma SUME a y b), la respuesta sera de la siguiente forma:

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a) Existe una funcin de representacin que traduce los literales numricos asociados al verbo de accin de la sentencia imperativa, en determinadas cantidades de bolillas fsicas que son puestas en las casillas de entrada.

b) Para el verbo de accin de dicha sentencia existe una funcin de transformacin que lo traduce en el accionamiento de una bomba de succin que transporta las bolillas desde ambos casilleros de entrada al casillero de salida.

c) Finalmente se ejecuta la inversa de la funcin de representacin que traduce las bolillas en el casillero de salida al respectivo literal numrico.

En otras palabras, lo esencial de la interaccin entre software y hardware, es un par de funciones que traducen sucesos lingsticos en sucesos fsicos, en el caso de los literales numricos se trata de una funcin de representacin, y en el caso del verbo de accin, se trata de una funcin de proyeccin que relaciona el verbo con la activacin fsica de un mecanismo de succin (que por lo dems, nada tendra que ver con el contenido semntico de dicho verbo). Por otro lado, ntese que si reemplazamos bolillas por ncleos magnticos, ductos por buses de comunicacin y bomba de succin por circuitos electrnicos, tenemos una ajustada analoga con un computador digital sin perder en absoluto sustancialidad conceptual. El secreto de la interaccin estara dado entonces por la adecuada construccin de funciones que conecten dominios lingsticos (inmateriales), con dominios fsicos (materiales).

Esta misma caracterstica se encuentra presente en el formalismo de las mquinas de Turing, donde estas funciones se encuentran representadas por la funcin de transicin directa , definida como la proyeccin:

: Q x T Q x T x {I, N, D} donde,

Q es un conjunto de estados finito y no vaco de la unidad de control

T es un alfabeto de cinta

d {I, N, D} representa la direccin en que se mueve el cabezal de la cinta, segn: si d = L, la cabeza se mueve un cuadrado a la izquierda

si d = N, el cabezal no se mueve

si d = D, el cabezal se mueve un cuadrado a la derecha

De esta forma, el funcionamiento de una mquina de Turing queda espontneamente determinado por la definicin que se establezca para la funcin de transicin directa:

(q1, A1) (q2, A2, d) = (q1, A1)

lo que significa que (1) la unidad de control se encuentra actualmente en el estado q1 y el smbolo A1 se lee del cuadrado actual mediante el cabezal, y (2) al realizar un movimiento atmico, la unidad de control de la mquina cambia al estado q2, el smbolo A1 se reemplaza por A2, y la cabeza de la cinta se mueve un cuadrado en direccin d. Lo destacado de esta funcin, es que relaciona smbolos de estado y alfabticos, con movimientos fsicos.

Volviendo al ejercicio de nuestra mquina sumadora, si ahora se insistiera en la pregunta de si el software es independiente del hardware, entonces deberemos diferenciar entre dos acepciones diferentes de la sentencia SUME a y b. Por un lado, esta

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sentencia posee un contenido semntico que denota la abstraccin matemtica de sumar dos nmeros (SUME* a y b), y por el otro, tambin significa la activacin y realizacin del mecanismo de succin (SUME** a y b).

Evidentemente, la connotacin matemtica de SUME* a y b constituye una abstraccin que es independiente de cualquier implementacin operativa. Sin embargo, la sentencia SUME** a y b slo tiene sentido como parte de una funcin especfica que refiere correlacionalmente a un dominio material. Si el software es lo segundo, entonces no es independiente de la implementacin fsica o material donde se proyecta, aunque si posiblemente, en algn sentido, del tipo de material con que se construya (las bolillas podran ser de madera o metal, o en vez de bolillas podramos utilizar moscas, pero la accin de succionamiento no la podemos soslayar). No obstante, en la prctica, no nos presta mucha utilidad hablar de succiones de bolillas, preferimos hablar de sumas de enteros, pero este modo de denotar constituye una interpretacin ajena al sistema.

Por otro lado, si se tuviera un mapa acabado de los circuitos e interrelaciones electromagnticas de un computador, manipulando directamente las magnetizaciones binarias de los circuitos del hardware estaramos indirectamente modificando el programa y produciendo un cambio de comportamiento en el sistema. Anlogamente si se dispusiera de un mapa completo del programa, mediante su manipulacin produciramos modificaciones en la estados magnticos de la mquina y alterando la respuesta del sistema. La razn de tal coincidencia es simple: ambos aspectos obedecen a una misma funcin de transicin que correlaciona dominios conceptuales y fsicos. La metfora del computador no sabemos si es un buen ejemplo de algn aspecto del funcionamiento del cerebro, pero si es un claro paradigma de cmo puede lograrse coincidencia estructural, en este caso sintctica, de una configuracin material y un algoritmo lgico (no-material).

Conclusiones Finalmente, nos queda pendiente un aspecto que nos interesa destacar: afirmamos que el software mantiene dependencia directa con la funcionalidad material especfica del hardware (SUM** es sinnimo de succin y no otra cosa), y que en cierto sentido sera independiente del tipo de materiales que compongan el hardware pero, hasta qu punto?: una especfica estructura material si tiene que ver con el tipo de material con que esta se construya, puesto que no toda sustancia posee la plasticidad y propiedades necesarias para configurar eficazmente una determinada estructura y funcionalidad material.

Jorge Maturana Palma es Socio Principal de la consultora en psicometra Orgnica Ltda., Ejecutivo de Tecnologas de Informacin de un importante Retail, Socio fundador de la Asociacin de Informticos UTE-USACH, Director para Chile de la

Asociacin Latinoamericana de Testing de Software (ALATS). De profesin Ingeniero Informtico, postitulado en Gestin Informtica, es Magister en Filosofa de las Ciencias, Diplomado en Neuropsicologa y Magister(c) en Psicologa Social Aplicada

Cmo citar este documento:

Maturana, J. (2009):Cmo interacta el hardware con el software?. Extrado el dd-mmm-aaa de http://www.jorgematurana.cl/dv/P09/pct/PCT0906a_Como_interactuan_HW_y_SW.pdf