Unesp. Introdução à Ciência da Computação. Introdução à Programação em C. Prof. Dr. G. J. de Sena CAMPUS DE GUARATINGUETÁ FACULDADE DE ENGENHARIA

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1 Unesp UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA CAMPUS DE GUARATINGUETÁ FACULDADE DE ENGENHARIA Introdução à Programação em C Introdução à Ciência da Computação Prof. Dr. G. J. de Sena Edição:

2 Capítulo 1 Introdução à Ciência da Computação 1.1. COMPUTADORES DIGITAIS HISTÓRICO DAS GERAÇÕES DE COMPUTADORES ELETRÔNICOS PRIMEIRA GERAÇÃO: - os primeiros computadores utilizavam circuitos eletromecânicos e válvulas; - primeiro computador digital eletrônico (1946): ENIAC ("Eletronic Numerical Integrator and Calculator") : válvulas, 1500 reles, resistores, capacitores e indutores (potência de 200 KW); - memória: 20 números de 10 dígitos cada um; - programação: conexão de tomadas através de fios e pinos; - apenas os dados eram armazenados na memória; - foi introduzido o conceito de programa armazenado (Von Neumann, 1946): proposta de uma máquina que armazenava na memória (temporariamente) tanto os dados como o programa: - conceito influenciou a arquitetura dos computadores construído nos anos seguintes (até os dias atuais): arquitetura de Von Neumann; - EDVAC ("Eletronic Discrete Variable Automatic Computer"): primeira máquina baseada nesta proposta (1948); - surgimento dos primeiros computadores em escala comercial (como o UNIVAC). SEGUNDA GERAÇÃO: (a partir de 1958) - utilização de transistores em substituição as válvulas: - redução do tamanho e da potência consumida; - maior robustez e confiabilidade. TERCEIRA GERAÇÃO: (a partir de 1964) - utilização de circuitos integrados: o domínio da tecnologia da Física do estado sólido permitiu a integração de vários transistores em uma única embalagem com as mesmas dimensões de um único transistor: - potência de cálculo, rapidez e confiabilidade maiores do que nos computadores de segunda geração; - menor tamanho. 2

3 QUARTA GERAÇÃO: (a partir de 1972) - utilização de integração em altíssima escala (VLSI: "very large scale integration"): o desenvolvimento da indústria eletrônica tornou possível a integração de milhares de transistores em uma única pastilha. Um abordagem mais detalhada sobre as gerações de computadores pode ser encontrada na referência [5] ESQUEMA DE UM COMPUTADOR DIGITAL Computador digital: é uma máquina que pode resolver problemas para pessoas executando instruções dadas a ela. Programa: é uma seqüência de instruções descrevendo como executar uma certa tarefa. Esquema de um computador digital: Unidade Central de Processamento (Processador, Central Processing Unit (CPU)): é o cérebro do computador, cuja função é executar os programas armazenados na memória principal. A UCP busca as instruções de um programa, examina-as determinando o seu tipo e as executa uma após a outra. Comporta as unidades a seguir: - unidade de controle: responsável pela busca de instruções da memória principal e determinação de seu tipo; - unidade de aritmética e lógica: responsável pela execução das operações aritméticas (como a ADIÇÃO) e lógicas (como o AND lógico); - registradores: constituem uma pequena memória de alta velocidade usada para armazenamento de resultados temporários e de certas informações de controle. Dois exemplos de registradores seguem: Program Counter (PC): contém o endereço da próxima instrução a ser executada; Instruction Register (IR): armazena a instrução que está sendo executada. 3

4 Memórias As memórias são constituídas de blocos de pastilhas de material semicondutor. Programas e dados são gravados (armazenados) nas memórias do computador. O processador, ao acessar um dispositivo de memória, pode fazê-lo com o objetivo de gravar ou de ler ítens de informação. Há dois tipos, a saber: - memória principal: utilizada no armazenamento temporário de programas e dados que estão sendo processados; características: - custo elevado; - acesso rápido às informações; - capacidade de armazenamento limitada; - memória auxiliar (ou secundária): armazenamento de programas e dados para utilização futura; exemplos: - fita magnética; - disco magnético; características: - lentas em relação à memória principal; - são muito mais baratas; - exibem uma capacidade muito grande de armazenamento. Com a disseminação dos microcomputadores, a seguinte classificação 1 de memórias (quanto a sua função) passou a ser utilizada com muita freqüência no contexto dos sistemas de computação: a) memória RAM (Random Access Memory): - memória de leitura e gravação: utilizada para armazenamento temporário de programas e dados do usuário (memória volátil); - memória propriamente dita do microcomputador; - UCP pode ler e escrever em memórias do tipo RAM; b) memória ROM (Read-Only Memory): - memória de leitura apenas: já vem gravada de fábrica por exemplo com instruções elementares para que o computador compreenda comandos básicos de controle geral do sistema; um BIOS de PC gravado em uma memória do tipo ROM constitui um exemplo de firmware 2. - no caso de alguns modelos de microcomputadores mais antigos, com linguagem BASIC embutida: o interpretador da linguagem vinha gravado em uma memória do tipo ROM; 1 Esta discussão se aplica essencialmente a memórias principais e não a dispositivos de memória secundária. 2 Ver discussão na seção

5 - instruções gravadas em ROM em geral executam testes internos de verificação do funcionamento adequado do computador (como ocorre na inicialização do microcomputador para operação); - variações: PROM, EPROM, EEPROM EAROM; - a UCP não consegue escrever em memórias do tipo ROM. Sobre os periféricos de entrada e saída (E/S) (Input/Output devices ou I/O devices): - periféricos de entrada: responsáveis pela transferência de informações do meio externo para a UCP; alguns exemplos seguem: - leitora de cartões perfurados; - unidade de disco magnético; - unidade de fita magnética; - acionador ("drive") de disquete; - teclado. - periféricos de saída: responsáveis pela transferência de informações da UCP para o meio externo; alguns exemplos são dados a seguir: - impressora; - unidade de disco magnético; - unidade de fita magnética; - monitor de vídeo. - interface de periférico: dispositivo eletrônico colocado entre o periférico e o processador, capaz de entender a "estrutura" da comunicação com a CPU e de traduzi-la para o modo de operação particular do periférico. Com o conceito de interface, a CPU envia (e recebe) ítens de informação sempre num mesmo padrão, ficando a cargo de cada interface converter este padrão para uma forma compatível com o periférico a que está associada. O cartão perfurado, o disquete, o disco magnético, a fita magnética são exemplos de veículos de informação ou portadores de dados; os periféricos correspondentes são respectivamente a leitora de cartões perfurados, o "drive", a unidade de disco e a unidade de fita magnética HARDWARE, SOFTWARE e FIRMWARE: - Hardware: componente físico de um sistema de computação, consiste dos objetos tangíveis como circuitos eletrônicos, memória, periféricos de E/S, cabos, etc. - Software: componente lógico de um sistema de computação, consiste de algoritmos (instruções detalhadas dizendo como fazer alguma coisa) e de suas representações computacionais (os programas). - Firmware: forma intermediária entre hardware e software, consiste de software (componente lógico) gravado de uma maneira "permanente" em dispositovo de hardware (componente físico). Veremos mais adiante que certas rotinas de controle de microcomputadores (como o BIOS) são fornecidas em memórias especiais que constituem exemplos de firmware. 5

6 - Peopleware: se refere a tudo que tenha a ver com o papel de pessoas no desenvolvimento ou uso de sistemas computacioinais de software ou hardware, incluindo questões tais como produtividade de desenvolvimento, gerenciamento de projetos, fatores organizacionais e interface homem-máquina, dentre outros [6] UNIDADES DE MEDIDA PARA INFORMAÇÃO DIGITAL Estamos acostumados com unidades, por exemplo, para medidas de comprimento (como o metro), de massa (como o quilograma), etc. Para a utilização de computadores digitais é preciso ganhar familiarização com unidades específicas, a fim de que informações típicas como "tamanho" de um programa ou arquivo tenham significado. Computadores utilizam o sistema binário (base 2, dígitos 0 e 1): maior facilidade na montagem de circuitos capazes de reconhecer a diferença entre 1 (representado pela presença de corrente) e o 0 (representado pela ausência de corrente). O bit: abreviatura de Binary digit (dígito binário), é a unidade básica de informação no sistema binário; um bit, num dado instante, pode assumir apenas um dentre dois estados possíveis, usualmente denotados por estados 0 e 1. Bits e informações: 1 bit: 0 1 dois ítens de informação ( ) 2 bits: quatro ítens de informação ( ) 3 bits: oito ítens de informação ( 2 3 8) 16 bits: ítens de informação O BYTE: - formado por um grupo de 8 bits; - cada caracter do conjunto de caracteres do computador ocupa 1 byte quando armazenado na memória; 6

7 - código ASCII: padrão americano para representação de 256 símbolos (2 8 = 256), que podem ser letras, dígitos ou caracteres especiais. - múltiplos do byte: quilobyte (KByte, Kb): 1Kb = 2 10 = 1024 bytes; megabyte (MByte, Mb): 1Mb = 2 10 x 2 10 = 2 20 = bytes; outros múltiplos: gigabyte (Gb): correspondente ao "bilhão"; terabyte (Tb): correspondente ao "trilhão". Há também múltiplos do bit como o quilobit, megabit, etc., que aparecem com frequência na área de comunicação de dados. PALAVRA de um computador (word): conjunto de bits cujo tamanho depende da máquina utilizada; por exemplo, no B-1700, a palavra é de 36 bits (ou, equivalentemente, de 4,5 bytes). Para que o processador tenha condições de saber onde estão armazenados os ítens de informação numa memória, cada posição de memória tem um endereço através do qual se faz referência a ela LINGUAGENS DE PROGRAMAÇÃO Computadores somente podem manipular informações codificadas no sistema binário. Os seres humanos estão mais acostumados a se expressar através de palavras de um idioma específico e de números no sistema decimal. Diferentes tipos de formalismos podem ser utilizados para a programação de computadores. Designamos estes formalismos por linguagens de programação. As linguagens de programação são úteis na comunicação entre seres humanos e computadores, ou seja, na construção de programas. Quanto à estrutura, as linguagens são classificadas do seguinte modo: a) Linguagem de máquina (LM): - formada por códigos diretamente legíveis pelo computador (códigos binários); - um processador somente pode executar instruções expressas em sua linguagem de máquina. b) Linguagem simbólica (LS): características: - instruções escritas usando os mesmos símbolos ou palavras existentes nas linguagens humanas; - um programa em LS deve ser traduzido para um outro programa (equivalente) em LM para que possa ser executado; classificação de uma LS: b.1) linguagem de baixo nível (ou ASSEMBLY) (linguagem de montagem): representação simbólica para a LM: cada instrução ASSEMBLY produz exatamente uma instrução de máquina. b.2) linguagem de alto nível (problem-oriented language): linguagem especialmente desenvolvida para ser utilizada com facilidade na solução de problemas; alguns exemplos são dados a seguir: 7

8 FORTRAN (FORmula TRANslation): 1954, cientifica; FORTRAN IV: 1962; FORTRAN 77: 1977 (implementação em 1978); FORTRAN 90: anos 90; ALGOL (ALGOrithmic Language): 1958, científica; COBOL (COmmon Business Oriented Language): 1959, comercial; BASIC (Beginner's All-purpose Symbolic Instruction Code), 1965, científica; PL/1 (Programming Language), 1965, científica e comercial; Pascal, 1968, científica; C, programação de sistemas; ADA, do nome de Ada Lovelace, que se tornou a primeira programadora da história ao fazer programas para uma máquina conhecida como máquina de Babbage; Prolog (Programming in Logic), paradigma de programação em Lógica; Lisp, programação funcional; APL, processamento de matrizes, etc MECANISMOS PARA O PROCESSAMENTO DE PROGRAMAS Os circuitos eletrônicos de cada computador podem reconhecer e executar diretamente um conjunto limitado de instruções simples, para o qual todos os programas devem ser convertidos antes que possam ser executados. Estas instruções são expressas internamente em termos de zeros e uns, ou seja, no sistema binário, constituindo a linguagem de máquina do computador. Exemplos de instruções básicas são: - adicionar dois números; - verificar se um número é zero; - mover um item de dado de uma parte da memória do computador para outra. A linguagem de máquina de um computador é portanto constituída pelo conjunto das instruções primitivas do computador. Programa fonte: é um programa escrito em uma linguagem de alto nível; assim podemos ter um fonte em FORTRAN, Pascal, Basic, etc.. Uma vez que o computador somente consegue executar programas expressos em sua LM, um programa fonte, para sua execução, precisa ser "traduzido" (por um compilador) em um programa equivalente em LM, ou ter suas instruções interpretadas em tempo de execução (por um interpretador). Programa objeto: é o programa resultante da tradução do fonte para uma linguagem alvo, em geral para a LM do computador. Mecanismo de COMPILAÇÃO: (FORTRAN, Pascal, etc.) Este mecanismo comporta as fases a seguir: i) um COMPILADOR efetua a tradução do fonte para uma forma intermediária em linguagem de montagem ("assembly"); ii) um MONTADOR (também chamado de "assembler") obtém, a partir da forma em linguagem de montagem, uma forma equivalente em LM; iii) um EDITOR DE LIGAÇÃO, entre outras coisas, anexa ao programa em LM rotinas necessárias para a sua execução e, possivelmente, módulos de programa compilados anteriormente (caso se tenha efetuado compilação em separado); o resultado deste passo é o MÓDULO DE CARGA ABSOLUTO: este módulo deve ser então carregado (loaded) na memória principal do computador para a execução do programa. Esquema: 8

9 Note-se que não necessariamente as fases anteriores são executadas como passos distintos. Por exemplo, é comum encontrarmos sistemas em que as fases (i) e (ii) são realizadas num único passo. Mecanismo de INTERPRETAÇÃO: (BASIC, Prolog, etc.) um programa INTERPRETADOR recebe como dados de entrada programas escritos na linguagem fonte e os executa segundo o esquema: o interpretador examina cada instrução de um programa fonte por vez e executa uma seqüência de instruções equivalente à instrução original, seqüência esta expressa na linguagem objeto CLASSIFICAÇÃO DOS SISTEMAS DE PROGRAMAS ("SOFTWARES") Embora não exaustiva, a classificação apresentada nesta secção permite se tenha uma visão geral dos sistemas de software comumente utilizados em sistemas de computação. a)sistema operacional: "programa ou coleção de programas responsável pela supervisão geral dos processos computacionais em progresso num computador digital de propósito geral". Exs.: MS-DOS, PC-DOS, CP/M, Unix, Xenix, OS/2, etc. (DOS: "disk operating system"). Linguagem de controle: linguagem de comunicação do usuário com o sistema operacional. 9

10 b)processadores de linguagens de programação: úteis no desenvolvimento de programas de aplicação. Exs.: compilador FORTRAN, interpretador BASIC, etc. c)aplicativos: programas desenvolvidos para a execução de tarefas de diversas tais como edição de textos, cálculos de contabilidade, controle de estoques, confecção de folhas de pagamento, análise de investimentos, confecção de gráficos, etc. d)utilitários de um sistema: executam tarefas de preparação relativas a um sistema específico tais como (para o caso de um sistema operacional) preparação de disquetes para uso, alteração no modo de saída no monitor, etc. BIBLIOGRAFIA 1. Tanembaum, A. S. Structered Computer Organization. segunda edição, Prentice-Hall, Guimarães, C. C. Princípios de Sistemas Operacionais. Rio de Janeiro: Campus, Senne, E. L. F. & Pereira, S.A. FORTRAN Fundamentos de Programação. Apostila FEG, Norton, P. Introdução à Informática. São Paulo: Makron Books, As Diversas Gerações de Computadores I. Em acessado em 07/03/ Peopleware. Em acessado em 07/03/2010). 10