Introdução à Programação

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1 Introdução à Programação João Miguel da Costa Sousa Instituto Superior Técnico, Dep. de Engenharia Mecânica Secção Sistemas, Grupo de Controlo Automação e Robótica Pav. Eng. Mecânica III, Lisboa, Portugal Tel.: , jmsousa@ist.utl.pt Informação geral Bibliografia Nyhoff, L.R. and Leestma, S.C. Fortran90 for Engineers and Scientists. Prentice-Hall International, Inc Stephen J. Chapman, Matlab Programming for Engineers, Thomson, Sousa, J.M.C. Acetatos das aulas teóricas, Avaliação de conhecimentos NF = 0.4 MP E NF nota final MP nota da média dos 6 mini-projectos E nota do exame final Onde: NF, E 9.5. Nota mínima da média dos 6 mini-projectos: 8.5 valores. Página Web: a do fenix João Miguel da Costa Sousa 2 1

2 Informação geral Corpo docente Prof. João Miguel Sousa Eng. José Luís Sequeira Eng. Susana Vieira Datas de avaliação Mini-projectos: serão efectuados nas aulas práticas das semanas que começam a 20 de Março, 3 de Abril, 2 de Maio, 15 de Maio, 29 de Maio e 12 de Junho. Os exames são marcados no GOP. João Miguel da Costa Sousa 3 Programa 1. Introdução à computação. Introdução ao Fortran 2. Estruturas de controlo: selecção e repetição 3. Operações de entrada/saída 4. Subprogramas: funções e subrotinas 5. Tipos de dados estruturados: tabelas e fichas 6. Introdução ao Matlab: vantagens, desvantagens e ambiente 7. Estruturas básicas de Matlab 8. Programação em Matlab 9. Funções definidas pelo utilizador 10. Instruções de entrada/saída. Tipos de dados estruturados 11. Introdução aos objectos. Exemplos em Matlab. João Miguel da Costa Sousa 4 2

3 Introdução à Computação Sistemas de computação mecanização de operações (procedimentos) armazenamento de programas e dados Primeiros computadores Máquina Analítica, Charles Babbage, Ada Augusta (primeiro programador), Máq. de cartões perfurados, censo nos EUA, Herman Holleritm, fundador IBM, João Miguel da Costa Sousa 5 Introdução à Computação Hardware: componentes físicos Computadores electrónicos 1ª geração - Válvulas, ENIAC ª geração - Transistores IBM 70990, ª geração - Circuitos integrados IBM system/ ª geração - VLSI, chips de silicone. PCs, workstations e supercomputadores 5ª geração - Processamento paralelo João Miguel da Costa Sousa 6 3

4 Máquinas de computação João Miguel da Costa Sousa 7 Programas Software - programas utilizados pelo computador Sistema operativo - interface entre a máquina e o utilizador UNIX, AT&T s Bell Laboratories, 1971 MS-DOS, Microsoft, 1981 GUI - Apple Macintosh, WindowsXP Linguagens de alto nível - Fortran, Pascal, BASIC, Lisp, C++, Java, Scheme, Matlab, etc. Programa fonte - programa escrito em linguagem de alto nível Programa objecto - tradução do programa de alto nível para linguagem máquina usando um compilador. FORTRAN - FORmula TRANslator João Miguel da Costa Sousa 8 4

5 Computador Sistema composto por componentes com funções diferentes a trabalhar para um objectivo comum. Componentes principais CPU Central Processing Unit Unidade de controlo ALU (Arithmetic and Logic Unit) Memórias registos, RAM, ROM, memória virtual Memória externa discos rígidos, disquettes Outros periféricos Input/Output: terminais, monitores, scanners, impressoras, rato, etc. João Miguel da Costa Sousa 9 Computador Input Devices CPU = Central Processing Unit Aplicações Control Unit Arithmetic- Logic Unit Output Devices Sistema Operativo Main Memory Drivers External Memory João Miguel da Costa Sousa 10 5

6 Organização da memória Sistema binário - 0,1 bits (binary digits) byte - conjunto de 8 bits. Medida da memória em bytes. 1K = 2 10 =1024 bytes. 1 megabyte = 1024 K = bytes. word - conjunto de bytes igual ao usado nos registos do CPU. 16, 32, 64 bits address - endereço associado a cada word. Memória guarda instruções dos programas a serem executadas Linguagem assembly Assembler - traduz assembly para código máquina. João Miguel da Costa Sousa 11 Programa de computador Conjunto de instruções a seguir para resolver um dado problema Desenvolvimento de programas Análise do problema Projecto do algoritmo Codificação do programa Execução e testes Exemplo: Um físico nuclear investiga o polónio. A radiactividade do polónio baixa para metade ao fim de 140 dias. Pretende-se saber a quantidade ao fim de 180 dias, sabendo que a inicial era de 10mg. João Miguel da Costa Sousa 12 6

7 Programa de computador 1. Análise do problema. Especificação precisa com entradas e saídas. Entradas (Input) Quantidade inicial: (10 mg) Meia-vida: (140dias) Período de tempo: (180 dias) Saídas (Output) Quantidade restante 2. Projecto do algoritmo. Algoritmo Sequência finita de instruções bem definidas e não ambíguas, onde cada uma pode ser executada mecanicamente, com uma quantidade de esforço finito e num intervalo de tempo finito. João Miguel da Costa Sousa 13 Algoritmo Tem duas partes: 1. Descrição dos objectos a manipular Exemplo Variáveis escolhidas; QuantidadeInicial, MeiaVida, Tempo e QuantidadeRestante 2. Descrição das acções a executar nesses objectos Exemplo 1. Recebe valores das variáveis 2. Calcula o valor da QuantidadeRestante para o Tempo dado. 3. Retorna e mostra a QuantidadeRestante. Refinamento do algoritmo ao detalhe necessário. João Miguel da Costa Sousa 14 7

8 Abstracção Abstracção - Descrição de uma dada entidade descrevendo apenas os aspectos relevantes para o objectivo, desprezando os pormenores. Abstracção procedimental - Agrupa uma sequência de instruções e dá-lhes um dado nome (procedimento). Para executar o procedimento basta evocar o seu nome, sem considerar as acções que o constituem. João Miguel da Costa Sousa 15 Abstracção e abordagem topo-base Abstracção de dados - Associada à utilização de objectos. Separa a forma de utilizar da constituição do próprio objecto. Um objecto pode ser decompos-to em objectos mais simples. Ex: matriz, fichas. Análise topo-base (top-down) - Consiste em dividir um problema complexo em sub-problemas mais simples. Estes sub-problemas têm um dado nome, e podem ser por sua vez divididos em sub-problemas mais simples até estes serem triviais e resolvidos facilmente. João Miguel da Costa Sousa 16 8

9 Programa: Radioactividade Algoritmo para problema de radioactividade Este algoritmo calcula a radioactividade de uma substância após um dado tempo, dada a quantidade inicial e o tempo de metade da vida. Entradas: Uma dada QuantidadeInicial da substância radioactiva, a sua MeiaVida, e o período de Tempo em dias. Saída: QuantidadeRestante. Recebe QuantidadeInicial, MeiaVida e Tempo. Calcula: QuantidadeRestante = QuantidadeInicial * (0.5) ** (Tempo / MeiaVida) Retorna a QuantidadeRestante. João Miguel da Costa Sousa 17 Codificação do programa em Fortran PROGRAM Decaimento_Radioactivo! ! Este programa calcula a radioactividade de uma substancia! apos um dado tempo, dada a quantidade inicial e o tempo de! metade da vida radioactiva. Variaveis usadas:!! QuantidadeInicial : quantidade inicial da substancia (mg)! MeiaVida : tempo meia-vida da substancia (dias)! Tempo : tempo para o qual a quantidade! restante e calculada (dias)! QuantidadeRestante : quantidade da substancia restante(mg)!! Entradas: QuantidadeInicial, MeiaVida, Tempo! Saida: QuantidadeRestante! IMPLICIT NONE REAL :: QuantidadeInicial, MeiaVida, Tempo, QuantidadeRestante! Recebe valores para QuantidadeInicial, MeiaVida e Tempo. PRINT *, Escreva o valor inicial da substancia (mg), a sua PRINT *, meia-vida (dias) PRINT *, e o tempo para o qual se quer determinar a quantidade restante:" READ *, QuantidadeInicial, MeiaVida, Tempo! Calcula a quantidade restante para o tempo especificado. QuantidadeRestante = QuantidadeInicial * 0.5 ** (Tempo / MeiaVida)! Mostra a QuantidadeRestante. PRINT *, " QuantidadeRestante =", QuantidadeRestante, "mg END PROGRAM Decaimento_Radioactivo João Miguel da Costa Sousa 18 9

10 Execução e testes Verificam se o algoritmo e o programa estão correctos. Fases de execução Inicializar o computador Editar o programa num editor de texto Compilar o programa produz objecto. Link - Ligar o programa; produz executável Correr o programa Exemplos: > Escreva o valor inicial da substancia (mg), a sua meia-vida (dias) > e o tempo para o qual se quer > determinar a quantidade restante: > 2, 140, 140 > QuantidadeRestante = mg > Escreva o valor inicial da substancia (mg), a sua meia-vida (dias) > e o tempo para o qual se quer > determinar a quantidade restante: > 10, 140, 180 > QuantidadeRestante = mg João Miguel da Costa Sousa 19 Programação 1. Análise do problema 2. Desenvolvimento da solução projecto do algoritmo 3. Codificação do programa 4. Execução e testes 5. Manutenção Análise do problema Descrição das entradas Descrição das saídas João Miguel da Costa Sousa 20 10

11 Programação Desenvolvimento da solução Elaboração do algortimo Selecção das estruturas de dados Descrição das acções a efectuar Sequenciação Selecção Repetição Análise topo-base divisão do problema em sub-problemas mais simples. Programa é dividido em módulos. João Miguel da Costa Sousa 21 Codificação do programa Desenvolvimento de código em Fortran 90 Variáveis devem começar por uma letra e seguidas por 30 letras, números ou underscores. Tipos tipo de valores que as variáveis podem ter. Ex: REAL, INTEGER, etc. Operações: *, /, **, etc. Atribuição: o sinal = atribui o valor da expressão à variável que está à esquerda. Input/Output READ, PRINT, WRITE, etc. Comentários símbolo! Estilo de programação programas devem ser correctos, legíveis e perceptíveis. João Miguel da Costa Sousa 22 11

12 Estilo de programação Programas devem ser bem estruturados Usar metodologia topo-base para desenvolver um progama para problemas complexos. Simples e claro evitar truques de programação que aumentam pouco a velocidade de execução. Documentação cuidada Documentação inicial Comentários para explicar partes importantes Identificadores com um significado claro Estilo de formatação legível Espaços entre itens Inserir linha entre secções de um programa Alinhamento e identação João Miguel da Costa Sousa 23 Execução e testes Programa deve ser correcto. Sintaxe define qual a linguagem correcta da linguagem. Erros de sintaxe são detectados pelo compilador sendo relativamente fáceis de corrigir. Exemplo: QuantidadeRestante = QuantidadeInicial * 0.5 ** (Tempo / MeiaVida) QuantidadeRestante = QuantidadeInicial * 0.5 * (Tempo / MeiaVida) Semântica define o significado do código implementado. Erros de semântica Programador não especificou correctamente a sequência de instruções. Difíceis de detectar. Depuração (debugging) técnicas que permitem minimizar os erros. João Miguel da Costa Sousa 24 12

13 Manutenção Modificações necessárias ao fim de um certo tempo tais como: Aumentar capacidade do programa com novas funções Melhorar o desempenho do programa Mudanças de sistema operativo, etc. Exemplo: Fortran PowerStation, versão 4.0 Para isto é necessário efectuar a documentação externa. João Miguel da Costa Sousa 25 Documentação externa Manual do utilizador descrição do que o programa faz descrição do processo de utilização do programa descrição da informação produzida descrição das limitações do programa Manual do programador (documentação técnica) descrição das estruturas de informação e das principais variáveis e constantes descrição do algoritmo descrição da estrutura do programa incluindo os principais sub-programas e sua interligação João Miguel da Costa Sousa 26 13

14 Introdução ao Fortran Tipos de dados básicos integer real complex character logical Programa em Fortran cabeçalho zona de especificações zona de instruções zona de sub-programas END PROGRAMnome_de_programa João Miguel da Costa Sousa 27 Tipos de dados INTEGER cadeia de dígitos que não contém vírgulas ou pontos. Exemplos: REAL cadeia de dígitos em forma decimal ou exponencial. Exemplos: E E4 3374E0 João Miguel da Costa Sousa 28 14

15 Tipos de dados e Identificadores CHARACTER cadeia de caracteres dentro dos seguintes: 0, 9 A, Z a,,z ( ) * + - / branco : =! & $ ; < > %?,. Exemplos: PDQ123-A Miguel C. Silva Miguel C. Silva Don t Don t Identificadores nomes dados aos programas, constantes, variáveis, etc. Devem começar por uma letra, e serem seguidos por quaisquer 30 digitos, letras ou _ (sublinhado, underscore). Exemplos: Massa, Velocidade, Velocidade_da_luz João Miguel da Costa Sousa 29 Variáveis Compilador associa cada variável a um endereço em memória. Nomes das variáveis são identificadores. Declaração de variáveis especificação_do_tipo :: lista especificação_do_tipo pode ser dada por: REAL :: lista INTEGER :: lista CHARACTER(LEN = n) :: lista CHARACTER(n) :: lista COMPLEX LOGICAL João Miguel da Costa Sousa 30 15

16 Variáveis (cont.) Exemplos: REAL :: Massa, Velocidade, Aceleracao INTEGER :: Soma, NumeroValores CHARACTER(LEN = 15) :: Nome, Apelido CHARACTER(15) :: Apelido*20, Inicial*1 Instrução IMPLICIT NONE Cancela a convenção implícita do Fortran e deve ser sempre incluída na zona de especificações. Inicialização de variáveis na declaração Quando são declaradas, as variáveis em Fortran não têm um valor inicial. João Miguel da Costa Sousa 31 Variáveis (concl.) Inicialização na declaração de variáveis especificação_do_tipo :: lista Onde lista é dada por uma série de atribuições separadas por vírgulas do tipo: Variavel = ExpressaoConstante Exemplo: REAL :: X = 1.0, Y = 2.5, Z = -2.9 João Miguel da Costa Sousa 32 16

17 Constantes Atributo PARAMETER Constantes que aparecem repetidas vezes num programa, tal como pi. Declaração de constantes especificação_do_tipo, PARAMETER :: lista Onde lista é dada por uma série de atribuições separadas por vírgulas do tipo: Identificador = ExpressaoConstante João Miguel da Costa Sousa 33 Constantes Exemplos: INTEGER,PARAMETER :: Limite = 50 REAL,PARAMETER :: Pi = CHARACTER(2),PARAMETER :: Units = cm CHARACTER(*),PARAMETER :: Units = cm CoordenadaX = Rate * COS(Pi * Time) João Miguel da Costa Sousa 34 17

18 Operadores aritméticos Exemplos: + Adição - Subtracção * Multiplicação / Divisão ** Exponenciação 9.0 / / 4 2 João Miguel da Costa Sousa 35 Operadores aritméticos (cont.) Combinação de reais e inteiros é possível, mas não deve ser utilizada! É um exemplo típico de mau estilo de programação! / / / João Miguel da Costa Sousa 36 18

19 Operadores aritméticos (concl.) Exponenciação 2.0 ** * 2.0 * (-4.0) ** 2 (-4.0) * (-4.0) ** 3.0 é avaliado como e 3.0 ln(2.0), logo: (-4.0) ** 2.0 é indefinido! Devem-se assim evitar-se os expoentes reais, quando desnecessário Regras de prioridade em operadores 1. As exponenciações são efectuadas em primeiro lugar da direita para a esquerda. 2. Multiplicações e divisões são efectuadas em seguida da esquerda para a direita. 3. Adições e subtracções são efectuadas por último também da esquerda para a direita. João Miguel da Costa Sousa 37 Funções intrínsecas O Fortran tem algumas funções pré-definidas, tal como a raíz quadrada: SQRT SQRT(argumento) A variável argumento deverá ser do tipo REAL. Se for INTEGER, dever-se-á calcular a raíz quadrada da seguinte forma: SQRT(REAL(NumeroInteiro)) Outras funções: ABS, SIN, COS, EXP, INT, FLOOR, LOG, REAL, MOD, etc. João Miguel da Costa Sousa 38 19

20 Instrução de atribuição variavel = expressao O sinal = indica que o valor da expressao é atribuído a variavel. Exemplo: REAL :: CoordenadaX, CoordenadaY INTEGER :: Numero, Termo CoordenadaX? CoordenadaY? Numero? Termo? João Miguel da Costa Sousa 39 Atribuição (cont.) CoordenadaX = 5.23 CoordenadaY = SQRT(25.0) Numero = 17 Termo = Numero / CoordenadaX 5.23 CoordenadaY 5.0 Numero 17 Termo 7 João Miguel da Costa Sousa 40 20

21 Atribuição (concl.) CoordenadaX = 2.0 * CoordenadaX CoordenadaX CoordenadaY 5.0 Numero 17 Termo 7 Como se pode verificar, a memória foi actualizada com o novo valor atribuído a CoordenadaX. O valor antes atribuído perdeu-se! Inteiro = Real / 2.0 Má programação! Inteiro = INT(Real / 2.0) João Miguel da Costa Sousa 41 Atribuição de cadeia de caracteres Exemplo: CHARACTER(5) :: String, Aumentada*10, Cortada String = alpha Aumentada = particula Cortada = temperatura Atribuição pelo Fortran: A = B é equivalente a B = A? String alpha Aumentada particula_ Cortada tempe João Miguel da Costa Sousa 42 21

22 Troca e somatório Troca de valor entre duas variáveis INTEGER :: Valor1, Valor2, Auxiliar Auxiliar = Valor1 Valor1 = Valor2 Valor2 = Auxiliar Somatório REAL :: Somatorio, Real Somatorio = Somatorio + Real João Miguel da Costa Sousa 43 Operações de Entrada e Saída Fortran tem duas formas de Input/Output Formato especificado pelo programador. Formatos normalizados pré-determinados; são formatos direccionados para listas. Instruções simples de Saída Formas: PRINT *, lista_de_saida WRITE (*, *) lista_de_saida João Miguel da Costa Sousa 44 22

23 Exemplo de escrita Exemplo: WRITE (*, *) No tempo, Tempo, segundos WRITE (*, *) a velocidade vertical e, & Velocidade, m/s WRITE (*, *) e a altitude e, Altitude, m Resultado obtido: > No tempo segundos > a velocidade vertical e m/s > e a altitude e E+02 m João Miguel da Costa Sousa 45 Operações de Entrada Instruções simples de Entrada Formas: READ *, lista_de_dados READ (*, *) lista_de_dados É processada uma linha de dados para cada instrução READ Variáveis são lidas até atingir o número de variáveis na lista_de_dados. Se existirem mais entradas do que na lista_de_dados, as restantes são ignoradas. As variáveis escritas devem ser constantes, e do tipo a ser atribuídas. Entradas consecutivas são separadas por uma vírgula ou um espaço em branco. João Miguel da Costa Sousa 46 23

24 Operações de Entrada (concl.) Exemplo numérico: READ (*, *) AltitudeInicial, Tempo > 100.0, 4.5 > As variáveis do tipo carácter devem estar entre aspas se: Ultrapassam uma linha O valor contém espaços em branco,, ou /. O carácter começa com um apóstrofo, aspas ou uma cadeia de dígitos seguidos de um *. Exemplo com caracteres: CHARACTER(8) :: Unidade_1, Unidade_2... READ (*, *) Unidade_1, Unidade_2 > metro, centimetro João Miguel da Costa Sousa 47 Programa Projectil PROGRAM Projectil! ! Este programa calcula a velocidade e a altitude de um! projectil, dados a altitude inicial, a velocidade inicial! e a aceleração da gravidade. Variaveis usadas:! AltitudeInicial : altitude inicial do projectil (m)! Altitude : altitude para um dado tempo (m)! VelocidadeInicial : velocidade inicial do projectil(m/s)! Velocidade : velocidade vertical (m/s)! Aceleracao : aceleracao vertical (m/s2)! Tempo : tempo desde o lancamento (s)!! Entradas: AltitudeInicial, VelocidadeInicial, Tempo! Saidas: Altitude, Velocidade! IMPLICIT NONE REAL :: AltitudeInicial, VelocidadeInicial, Tempo, & Altitude, Velocidade, Aceleracao = João Miguel da Costa Sousa 48 24

25 Programa Projectil (concl.)! Recebe valores AltitudeInicial, VelocidadeInicial, Tempo WRITE (*, *) Escreva a altitude inicial(m) e a & & velocidade(m/s): READ (*, *) AltitudeInicial, VelocidadeInicial WRITE (*, *) Escreva o valor do tempo(s) pretendido: READ (*, *) Tempo! Calcula a quantidade restante para o tempo especificado. Altitude = 0.5 * Aceleracao * Tempo ** 2 & + VelocidadeInicial * Tempo + AltitudeInicial Velocidade = Aceleracao * Tempo + VelocidadeInicial! Mostra Velocidade e Altitude WRITE (*, *) No tempo ", Tempo, segundos WRITE (*, *) a velocidade vertical e de, Velocidade, "m/s WRITE (*, *) e a altitude e de", Altitude, "metros END PROGRAM Projectil João Miguel da Costa Sousa 49 Resultados obtidos > Escreva a altitude inicial(m) e a velocidade(m/s): > > Escreva o valor do tempo(s) pretendido: > 4.5 > No tempo segundos > a velocidade vertical e de m/s > e a altitude e de E+2 metros > Escreva a altitude inicial(m) e a velocidade(m/s): > > Escreva o valor do tempo(s) pretendido: > 5.0 > No tempo segundos > a velocidade vertical e de m/s > e a altitude e de E+2 metros > Escreva a altitude inicial(m) e a velocidade(m/s): > > Escreva o valor do tempo(s) pretendido: > 0 > No tempo E+00 segundos > a velocidade vertical e de E+2 m/s > e a altitude e de E+2 metros João Miguel da Costa Sousa 50 25

26 Entrada/Saída com ficheiros Entradas e saídas podem ser efectuadas para um ficheiro no disco Exemplo de um ficheiro dados.dat: Exemplo de um ficheiro result.dat: No tempo segundos a velocidade vertical e de m/s e a altitude e de E+2 metros João Miguel da Costa Sousa 51 Abrir ficheiros OPEN (UNIT = numero_unidade, FILE = & nome_ficheiro, STATUS = estado) Exemplos anteriores: OPEN (UNIT = 12, FILE = dados.dat, STATUS = OLD ) OPEN (UNIT = 13, FILE = result.dat, STATUS = NEW ) READ (num_unidade, *) lista_dados WRITE (num_unidade, *) lista_resultados João Miguel da Costa Sousa 52 26

27 Erros Aritméticos Números reais são guardados em memória com mantissa e expoente: mantissa: 24 bits m expoente: 8 bits Quantidade de números finita Nem todos os números são representados Erros de overflow e underflow Para 8 bits no expoente os números representados estão entre e Para números pequenos este intervalo varia de a e João Miguel da Costa Sousa 53 Erros de arredondamento Representação de números é aproximada Reais não são representados exactamente Exemplo: equação que retorna sempre 1: PROGRAM Demo_1 IMPLICIT NONE REAL :: A, B, C a f 2 2 A + B 2 A B B A 2 2 A = = 2 A 1 READ (*, *) A, B, C C = ((A + B)**2-2.0*A*B - B**2) / A**2 WRITE (*,*) C END PROGRAM Demo_1 João Miguel da Costa Sousa 54 27

28 Erros de arredondamento Resultados obtidos: A B C E+02 João Miguel da Costa Sousa 55 28