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Introducción a la Programación Tema 1: Conceptos básicos de programación Profesor Federico Peinado Elaboración del material Mercedes Gómez Pablo Moreno Manuel Ortega Federico Peinado Ingeniería Técnica en Informática de Gestión Departamento de Ingeniería del Software e Inteligencia Artificial Curso 2009-2010 Qué es la Informática Tema 1 Introducción: El Hardware Lenguajes y Programas Informática (Del fr. informatique). 1. f. Conjunto de conocimientos científicos y técnicas que hacen posible el tratamiento automático de la información por medio de ordenadores. (Extraído del Diccionario de la RAE, 2001) Ingeniería del Software Descripción de lenguajes de programación Un poco de historia... Ábaco – 2000 a.c. El sumador de Pascal – mediados s. XVII La calculadora de G.W. von Leibniz – finales s. XVII La máquina de diferencias de Babbage – s. XIX Concepto de programa externo 1945: Comienzo de la era de la Informática Modelo J. von Neumann: estructura de la computadora tal y como la conocemos hoy; concepto de programa interno Coincide con el desarrollo de la electrónica Introducción a la Programación Ingeniería Técnica en Informática de Gestión 1.1 Qué es la Informática Tema 1 Introducción: El Hardware Lenguajes y Programas Ingeniería del Software Descripción de lenguajes de programación Más sobre la Historia de la Informática en el MIGS http://www.fdi.ucm.es/migs Introducción a la Programación Ingeniería Técnica en Informática de Gestión 1.2 Qué es una computadora Tema 1 Introducción: El Hardware Lenguajes y Programas Ingeniería del Software Descripción de lenguajes de programación Computadora electrónica 1. f. Máquina electrónica digital, dotada de una memoria de gran capacidad y de métodos de tratamiento de la información, capaz de resolver problemas matemáticos y lógicos mediante la utilización automática de programas informáticos. Hardware (Voz ingl.).1. m. Inform. Conjunto de los componentes que integran la parte material de una computadora. Software (Voz ingl.).1. m. Conjunto de programas, instrucciones y reglas informáticas para ejecutar ciertas tareas en una computadora. (Extraído del Diccionario de la RAE, 2001) Fundamentos de computadores Introducción a la Programación Ingeniería Técnica en Informática de Gestión Introducción a la programación 1.3 Un poco de hardware Dispositivo de salida Tema 1 Introducción: El Hardware Lenguajes y Programas Ingeniería del Software Carcasa (tipo torre) Monitor Descripción de lenguajes de programación Unidad de CD-ROM Unidad Central de Procesamiento Unidad de disquetes Memoria principal (ambos dentro) y Unidad de Disco Duro Memori a Teclado Ratón Dispositivos de entrada Introducción a la Programación Ingeniería Técnica en Informática de Gestión Memoria secundaria 1.4 Un poco de hardware: el Modelo Von Neumann Tema 1 Unidad Central de Procesamiento (CPU) Introducción: El Hardware Lenguajes y Programas Unidad de Control Unidad Aritmético-Lógica Ingeniería del Software Unidad de Memoria Descripción de lenguajes de programación Ideas importantes: Un programa es una cadena secuencial de instrucciones Las instrucciones ordenan al ordenador realizar una operación sobre unos datos Las instrucciones se ejecutan una tras otra, aunque puede haber bifurcaciones condicionales (usar un dato para decidir entre dos instrucciones diferentes por donde continuar) El computador procesa tanto instrucciones como sus datos Las instrucciones y los datos se almacenan juntos en memoria Introducción a la Programación Ingeniería Técnica en Informática de Gestión 1.5 Un poco de hardware: la Unidad de Memoria (UM) Tema 1 Almacena las instrucciones y los datos del programas Introducción: El Hardware Selector Lenguajes y Programas Registro de Dirección (RD) Ingeniería del Software Descripción de lenguajes de programación Registro de Intercambio de Datos (RID) UM ... Celdas El almacén está formado por celdas Identificadas unívocamente por su dirección Siempre contienen información Se puede leer o escribir información en ellas Introducción a la Programación Ingeniería Técnica en Informática de Gestión 1.6 Un poco de hardware: la Unidad Aritmético-Lógica (UAL) Tema 1 Introducción: El Hardware Realiza las operaciones elementales aritméticas (suma, resta, multiplicación, división, etc.) y lógicas (comparaciones de igualdad, mayor, menor, etc.) Lenguajes y Programas Ingeniería del Software Descripción de lenguajes de programación Banco de Registros Temporales (BRT) Operador Acumulador Introducción a la Programación Ingeniería Técnica en Informática de Gestión UAL 1.7 Un poco de hardware: la Unidad de Control (UC) Tema 1 Introducción: El Hardware Obtiene y almacena los datos en la UM, obtiene e identifica las instrucciones del programa de la UM y manda ejecutar las operaciones a la UAL Lenguajes y Programas Ingeniería del Software Secuenciador Descripción de lenguajes de programación Decodificador Contador de Programa (CP) Registro de Instrucción (RI) Operación Direcciones de 3 operandos UC Introducción a la Programación Ingeniería Técnica en Informática de Gestión 1.8 Ejecución de una instrucción Los pasos del ciclo de instrucción según Von Neumann Tema 1 Introducción: El Hardware Lenguajes y Programas El CP indica la dirección de la celda donde está la instrucción que se debe copiar al RI Ingeniería del Software LEER INSTRUCCIÓN Descripción de lenguajes de programación El operando del RI (que puede ser un dato o la dirección de la celda de un dato) se copia en el BRT (Esto se repite para todos los operandos de entrada) DECODIFICAR INSTRUCCIÓN CAPTURAR DATOS REALIZAR OPERACIÓN CALCULAR INSTRUCCIÓN SIGUIENTE ALMACENAR RESULTADOS La dirección de celda de la siguiente instrucción se copia al CP El resultado del Acumulador se copia en la dirección de la celda del resultado, generalmente indicada en el último operando de la instrucción (Esto se repite para todos los resultados) Introducción a la Programación Ingeniería Técnica en Informática de Gestión Ejecución de una instrucción (cont.) Operación: SUMA-CELDAS Operando 1: X Operando 2: Y Operando 3: Z SUMA-CELDAS suma el dato de la primera dirección al de la segunda y lo guarda en la tercera 1.10 ¿Qué entiende la computadora? Tema 1 Introducción: El Hardware La computadora manipula únicamente información digital: Lenguajes y Programas Datos e instrucciones se codifican como dígitos binarios (0’s y 1’s) Ingeniería del Software Descripción de lenguajes de programación ¿Por qué no se usa una representación de otro tipo? Problema tecnológico (es más fácil representar ceros y unos) ¿A qué nos conduce la solución adoptada para evitar el problema tecnológico? La máquina sólo puede trabajar con cadenas de ceros y unos Introducción a la Programación Ingeniería Técnica en Informática de Gestión 1.11 Lenguaje máquina Tema 1 Introducción: El Hardware Lenguajes y Programas Ingeniería del Software Descripción de lenguajes de programación Pasos a = (b + c)/(d + e) y x sumar b y c, y guardar el resultado en una dirección de memoria temporal X sumar d y e, y guardar el resultado en una dirección de memoria temporal Y dividir el contenido de X por el de Y y guardar el resultado en la dirección de memoria de a Ejemplo de código máquina codigoOp direccOp1 direccOp2 direccRes Código de la suma Direcc. Temporal X 0000 00001000 00001100 00001110 0000 00011000 00011100 00011110 0101 00011110 00001110 00000100 Direcc. Temporal Y Código de la división Introducción a la Programación Ingeniería Técnica en Informática de Gestión 1.12 Lenguaje máquina (cont.) Tema 1 Introducción: El Hardware Lenguajes y Programas Ingeniería del Software Descripción de lenguajes de programación Inconvenientes Grandes posibilidades de error Portabilidad: máquina-dependiente No se puede llevar el programa a otra máquina porque, entre otras cosas, el repertorio de instrucciones es distinto Tedioso Nula capacidad de abstracción Es muy complicado formular una solución a problemas del mundo real con ese lenguaje tan específico Introducción a la Programación Ingeniería Técnica en Informática de Gestión 1.13 Lenguaje ensamblador Tema 1 Introducción: El Hardware Lenguajes y Programas Ingeniería del Software Descripción de lenguajes de programación Lenguaje simbólico con una mínima capacidad de abstracción Nombres nemotécnicos para los códigos de operación Nombres simbólicos para las direcciones de memoria Ejemplo de instrucción de código ensamblador codigoSimbOp direccSimbOp1, direccSimbOp2, direccSimbRes Códigos simbólicos de las operaciones SUM = La suma DIV = La división a = (b + c)/(d + e) SUM B, C, X SUM D, E, Y DIV Introducción a la Programación Ingeniería Técnica en Informática de Gestión X, Y, A 1.14 Lenguaje ensamblador (cont.) Tema 1 Introducción: El Hardware Lenguajes y Programas Cuestiones ¿Cómo entiende la máquina el lenguaje ensamblador? Si las direcciones de memoria son simbólicas ¿en qué direcciones de memoria se colocan los datos? Ingeniería del Software Descripción de lenguajes de programación Código fuente (lenguaje ensamblador) Programa ensamblador Código objeto (lenguaje máquina) Programa ensamblador Traducción a código binario de códigos simbólicos de operación Traducción de las direcciones simbólicas a direcciones reales de memoria Inconveniente: sigue siendo dependiente de la máquina Introducción a la Programación Ingeniería Técnica en Informática de Gestión 1.15 Lenguajes de alto nivel Tema 1 Introducción: El Hardware Lenguajes y Programas Ingeniería del Software Descripción de lenguajes de programación Lenguaje que permite representar el mecanismo de resolución de los problemas usando instrucciones independientemente de la computadora Cercanía conceptual al programador Pascal, C, Java, etc. son lenguajes de alto nivel Capacidad de abstracción Abstracción procedimental (poder representar operaciones más complejas como calcular las raíces de un polinomio) Abstracción de datos (poder representar información más compleja como el estado de una cuenta bancaria) ¿Cómo conseguir que la computadora “entienda” los programas escritos en lenguajes de alto nivel? Intérprete Analiza el programa fuente y lo ejecuta directamente en la máquina Compilador Analiza el programa fuente y lo traduce a lenguaje máquina Ej. Turbo Pascal es un compilador de Pascal Introducción a la Programación Ingeniería Técnica en Informática de Gestión 1.16 El sistema operativo Tema 1 Introducción: El Hardware Lenguajes y Programas Ingeniería del Software Descripción de lenguajes de programación Programa básico encargado de manejar el hardware y facilitar el trabajo a los demás programas (aplicaciones) proporcionándoles un conjunto de servicios genéricos Asignación de tiempos de CPU Control y asignación racional de los recursos de la computadora Ejecución de programas Controlar la E/S (ej., almacenar/recuperar en/de memoria permanente) Control de errores y protección (ej., monitorizar la ejecución de un programa) Interfaz con el usuario ... ¡Sin sistema operativo todo sería mucho más complicado! Introducción a la Programación Ingeniería Técnica en Informática de Gestión 1.17 El sistema operativo (cont.) Tema 1 Introducción: El Hardware Lenguajes y Programas Ingeniería del Software Descripción de lenguajes de programación ¿Quién ejecuta el sistema operativo? Las computadoras suelen estar preparadas para, al arrancar, ejecutar un pequeño programa que, a su vez, se encarga de ejecutar el sistema operativo En el caso de los PCs normales, se almacena en memoria un programa denominado BIOS (Basic Input/Output System), capaz de localizar en memoria secundaria el programa “cargador” del sistema operativo Introducción a la Programación Ingeniería Técnica en Informática de Gestión 1.18 Aplicaciones de propósito específico Tema 1 Introducción: El Hardware Lenguajes y Programas Ingeniería del Software Descripción de lenguajes de programación Programas que permite en uso de la computadora para la realización de trabajos específicos y que se implantan sobre el sistema operativo Procesadores de texto Hojas de cálculo Sistemas de gestión de bases de datos Herramientas de diseño e ingeniería Juegos ... Introducción a la Programación Ingeniería Técnica en Informática de Gestión 1.19 La programación: resolución de problemas Tema 1 Introducción: El Hardware Lenguajes y Programas Ingeniería del Software Descripción de lenguajes de programación Un programa es una secuencia de instrucciones con un propósito concreto que un ordenador puede interpretar y ejecutar Programar es resolver problemas Conjunto de actividades implicadas en la descripción, el desarrollo y la implementación eficaz de soluciones algorítmicas a problemas bien especificados Algoritmo 1. m. Conjunto ordenado y finito de operaciones que permite hallar la solución de un problema. (Extraído del Diccionario de la RAE, 22ª edición) Un algoritmo es, por tanto, una sistemática que transforma un estado inicial en un estado final La entrada del programa: Precondiciones Descripción del estado inicial (datos y situación de partida) La salida del programa: Postcondiciones Descripción del estado final (datos y situación deseada al acabar) Introducción a la Programación Ingeniería Técnica en Informática de Gestión 1.20 La programación: resolución de problemas (cont.) Tema 1 Introducción: El Hardware Lenguajes y Programas Ingeniería del Software Descripción de lenguajes de programación Utilizamos los lenguajes de programación para expresar los algoritmos de forma que el ordenador los entienda De igual forma, que utilizamos la lengua castellana para expresar nuestras ideas a otras personas Recuerda: Programar BIEN no es sólo conocer la sintaxis de uno o varios lenguajes de programación Introducción a la Programación Ingeniería Técnica en Informática de Gestión 1.21 La programación: resolución de problemas (cont.) Tema 1 Introducción: El Hardware Lenguajes y Programas Ingeniería del Software Descripción de lenguajes de programación El problema del montón de fichas Supongamos que tenemos un montón de fichas, cada una de las cuales tiene escrito el nombre de una persona junto con otros datos personales (fecha de nacimiento, dirección, número de teléfono). Las fichas están ordenadas alfabéticamente por el nombre. Creamos una nueva ficha y deseamos incorporarla al montón existente. ¿Cómo dividimos el montón original en dos montones, tales que todas las fichas del primer montón precedan a la nueva en la ordenación y todas las del segundo no le precedan, pudiendo estar alguno de los montones finales vacío? ¿Cuáles son las precondiciones? ¿Cuáles son las postcondiciones? ¿Qué algoritmos se te ocurren? ¿Qué lenguaje utilizamos para describir todo lo anterior? Introducción a la Programación Ingeniería Técnica en Informática de Gestión 1.22 El Ciclo de Vida del Software Tema 1 Introducción: El Hardware Lenguajes y Programas Ingeniería del Software Todas las tareas a realizar desde que se concibe un programa hasta que se deja de utilizar (no sólo “hasta que se codifica” ni “hasta que se instala”) Existen distintos modelos del ciclo de vida software, aunque nosotros estudiaremos el más simple: Modelo en Cascada Descripción de lenguajes de programación Análisis Diseño Implementación Pruebas Mantenimiento Introducción a la Programación Ingeniería Técnica en Informática de Gestión 1.23 ¿Qué significa todo esto? Casa Software “Quiero 3 habitaciones, 2 baños, garaje...” Análisis Planos, diseño circuito eléctrico y de agua... Diseño Se construye la casa Se comprueba la solidez de la estructura, el funcionamiento de las instalaciones, el acabado... Algunas reparaciones, se cierra la terraza, se instala aire acondicionado... ¿Qué tiene que hacer exactamente nuestro programa? ¿Cómo vamos a organizar el programa? ¿Qué partes tendrá y cómo funcionará? Implementación Se construye el software Pruebas Ponemos a prueba nuestro programa, incluso en situaciones límite Mantenimiento Pequeñas modificaciones o correcciones (parches), actualizaciones, etc... 1.24 Fases en el desarrollo de una aplicación (cont.) Tema 1 Introducción: El Hardware Lenguajes y Programas Ingeniería del Software Descripción de lenguajes de programación Análisis Actividad en la que se analizan y clarifican los diferentes aspectos del problema que debe ser resuelto por la aplicación, con el fin de establecer claramente qué debe ser construido El resultado es, normalmente, un documento de requisitos software que especifica claramente las funcionalidades de la aplicación Funcionalidad = lo que tiene que hacerse (sin saber todavía cómo) Introducción a la Programación Ingeniería Técnica en Informática de Gestión 1.25 Fases en el desarrollo de una aplicación (cont.) Tema 1 Introducción: El Hardware Lenguajes y Programas Ingeniería del Software Descripción de lenguajes de programación Diseño Actividad en la que se decide la organización y la estructura de una aplicación que satisfaga los diferentes requisitos establecidos en la fase de análisis El resultado es uno (o varios) documentos de diseño que especifican claramente cómo construir la aplicación Mientras que el análisis se ocupa de qué hay que hacer, el diseño se ocupa de cómo hacerlo Hay varias técnicas de diseño, nosotros estudiaremos una de las más básicas: el diseño funcional Introducción a la Programación Ingeniería Técnica en Informática de Gestión 1.26 Fases en el desarrollo de una aplicación (cont.) Tema 1 Introducción: El Hardware Lenguajes y Programas Ingeniería del Software Descripción de lenguajes de programación Implementación Actividad en la que se construye (codifica) la aplicación utilizando un lenguaje de programación concreto, y siguiendo, las directrices marcadas por los documentos de diseño Si las actividades anteriores han sido realizadas correctamente, la fase de implementación debería ser bastante trivial La implementación se encarga de concretar el diseño teniendo en cuenta un lenguaje y herramienta de desarrollo concreta Introducción a la Programación Ingeniería Técnica en Informática de Gestión 1.27 Fases en el desarrollo de una aplicación (cont.) Tema 1 Introducción: El Hardware Lenguajes y Programas Ingeniería del Software Descripción de lenguajes de programación Pruebas Actividad en la que se asegura que la aplicación construida satisface los requisitos del usuario Se debe invertir mucho tiempo en hacer pruebas (¡mucho más que en su implementación!) Dos pasos diferenciados Verificación: ¿Se ajusta la aplicación construida a los requisitos establecidos? Validación: ¿Resuelve la aplicación el problema que realmente tenía el usuario? Introducción a la Programación Ingeniería Técnica en Informática de Gestión 1.28 Fases en el desarrollo de una aplicación (cont.) Tema 1 Introducción: El Hardware Lenguajes y Programas Ingeniería del Software Descripción de lenguajes de programación Mantenimiento Actividad en la que la aplicación se modifica para satisfacer cambios o ampliaciones en los requisitos del usuario, corregir errores, etc. ¡Es la actividad más costosa en el desarrollo de software! (Tened en cuenta que hay programas que están muchos años en funcionamiento y lo usan miles de personas) Estos costes pueden aliviarse si se hacen bien todo lo anterior *Otras actividades Confección de los manuales de usuario Planificación y control del proyecto Gestión de versiones ... Introducción a la Programación Ingeniería Técnica en Informática de Gestión 1.29 Fases en el desarrollo de una aplicación (cont.) Tema 1 Introducción: El Hardware Lenguajes y Programas Ingeniería del Software Descripción de lenguajes de programación Este Modelo en Cascada, tan lineal, no suele aplicarse “tal cual” en la vida real Conviene hacer pruebas desde las primeras fases de desarrollo, por ejemplo para detectar y corregir errores prematuros, etc. Los programas suelen construirse en varias iteraciones (sacando primero una versión básica, luego otra con más funcionalidad añadida, etc.) Cada iteración es un ciclo completo (análisis, diseño, pruebas, etc.), siendo el diseño más importante en las primeras y la implementación más importante en las últimas Introducción a la Programación Ingeniería Técnica en Informática de Gestión 1.30 Lenguajes de programación Tema 1 Introducción: El Hardware Lenguajes y Programas Ingeniería del Software Descripción de lenguajes de programación Un lenguaje de programación puede describirse a tres niveles distintos: Nivel sintáctico Descripción de la forma (= sintaxis) de las instrucciones Suelen utilizarse lenguajes artificiales con mucho “formalismo” (= rigor matemático y lógico) Nivel semántico Descripción del significado (= semántica) de las instrucciones Puede utilizarse lenguaje natural (español, inglés, etc.) o intentar expresarse de manera más formal Nivel pragmático Descripción de cómo se utilizan las instrucciones Suelen utilizarse tutoriales y ejemplos de programas… Introducción a la Programación Ingeniería Técnica en Informática de Gestión 1.31 Sintaxis de los lenguajes de programación Tema 1 Introducción: El Hardware Conjunto de reglas que especifican y permiten verificar la corrección formal de las sentencias de un lenguaje Lenguajes y Programas Ingeniería del Software Descripción de lenguajes de programación Formalismos utilizados: Notación BNF (Backus-Naur Form) Notación EBNF (Extended Backus-Naur Form) Diagramas sintácticos Todos ellos pueden expresar la forma de cualquier lenguaje de programación, sólo hay que elegir el que nos sea cómodo Estos formalismos se usan para escribir documentación técnica que leen quienes quieren conocer con exactitud un lenguaje Introducción a la Programación Ingeniería Técnica en Informática de Gestión 1.32 Notación BNF Tema 1 TERMINAL Símbolo (ej. una palabra) del lenguaje a definir <no terminal> Símbolo que se define en términos de otros símbolos (tanto terminales como no terminales) Introducción: El Hardware Lenguajes y Programas (se escribe en letras minúsculas y entre <>) Ingeniería del Software Descripción de lenguajes de programación (se escribe en letras mayúsculas) Regla de producción Descripción de un símbolo no terminal como equivalente a 1) una combinación de terminales y no terminales, o 2) al vacío (Ø) (Un mismo no terminal puede tener varias reglas de producción) Metasímbolo Introducción a la Programación Ingeniería Técnica en Informática de Gestión Símbolo propio de la notación BNF, está reservado y no puede utilizarse en ningún otro símbolo ::= Equivalencia (lo de la izquierda equivale a lo de la derecha; es una regla de producción) | Alternativa (lo de la izquierda o lo de la derecha) 1.33 Notación BNF (cont.) Tema 1 Introducción: El Hardware Lenguajes y Programas Ingeniería del Software Descripción de lenguajes de programación Sintaxis de los números enteros positivos en notación BNF <numero entero> ::= <signo opcional> <secuencia dígitos> <signo opcional> ::= + | <nada> <secuencia dígitos> ::= <dígito> | <dígito> <secuencia dígitos> <dígito> ::= 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 <nada> ::= Recursividad Que un símbolo aparezca dentro de su propia definición ¡OJO! Pero evitando las definiciones circulares ¿Sintaxis de los números reales en notación BNF? Introducción a la Programación Ingeniería Técnica en Informática de Gestión 1.34 Notación EBNF Tema 1 Introducción: El Hardware Lenguajes y Programas Ingeniería del Software Descripción de lenguajes de programación Añade metasímbolos nuevos y cambia la forma de presentar las cosas BNF EBNF TERMINAL “terminal” <no terminal> No-terminal Metasímbolo ::= Equivalencia | Alternativa Metasímbolo ::= | (...) [...] {...} Recursividad permitida Equivalencia Alternativa Agrupación Aparición opcional Aparición 0, 1 o más veces Recursividad NO permitida (se suple con {…}) Si algún símbolo del lenguaje coincide con un metasímbolo, el símbolo del lenguaje se pone entre ‘comillas simples’ Introducción a la Programación Ingeniería Técnica en Informática de Gestión 1.35 Notación EBNF (cont.) Tema 1 Introducción: El Hardware Lenguajes y Programas Ingeniería del Software Descripción de lenguajes de programación Sintaxis de los números enteros positivos en notación EBNF Numero-entero ::= [Signo] Secuencia-dígitos Signo ::= “+” Secuencia-dígitos ::= Dígito {Dígito} Dígito ::= “0” | “1” | “2” | “3” | “4” | “5” | “6” | “7” | “8” | “9” ¿Sintaxis de los números reales en notación EBNF? Introducción a la Programación Ingeniería Técnica en Informática de Gestión 1.36 Diagramas sintácticos Tema 1 Introducción: El Hardware TERMINAL Lenguajes y Programas No Terminal *En las reglas de producción el no terminal de la izquierda se deja sin recuadro Ingeniería del Software Descripción de lenguajes de programación Alternativa Aparición 0, 1 o más veces Introducción a la Programación Ingeniería Técnica en Informática de Gestión Aparición opcional 1.37 Diagramas sintácticos (cont.) Tema 1 Introducción: El Hardware Lenguajes y Programas Sintaxis de los números enteros positivos en notación de diagramas sintácticos Nº entero positivo Dígito Ingeniería del Software Dígito + Descripción de lenguajes de programación Dígito 0 1 … 9 ¿Sintaxis de los números reales en notación de diagramas sintácticos? Introducción a la Programación Ingeniería Técnica en Informática de Gestión 1.38 Críticas, dudas, sugerencias… Federico Peinado www.federicopeinado.es 1.39