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1 &$3Ì78/2 &21&(,726 (/(0(17$5(6 &$3Ë78/2 &21&(,726(/(0(17$5(6 1.1 INTRODUÇO À INFORMÁTICA...4 $LPSRUWkQFLDGD,QIRUPDomR 2&RPSXWDGRU 1.2 SISTEMA DE COMPUTAÇO...9 (VWUXWXUD%iVLFDH)XQFLRQDPHQWRGHXP&RPSXWDGRU 2)XQFLRQDPHQWR 5HSUHVHQWDomR,QWHUQDGD,QIRUPDomR 1.3 SOFTWARE PDFODVVLILFDomRGH6RIWZDUH 'HVHQYROYLPHQWRGH6RIWZDUH

2 ALGORITMIA E PROGRAMAÇO,1752'8d 2,1)250É7,&$ O neologismo,qirupiwlfd aparece no início na década de 60 construído a partir das palavras informação e automática.,qirupiwlfd,qirupdomr$xwrpiwlfd Este termo,qirupiwlfd visa identificar o ramo do saber que se ocupa do estudo de métodos e técnicas associados ao tratamento automático da informação. A matéria prima da informática é a informação ou melhor, os dados e a ferramenta básica é o computador. O computador está para a informática assim como o telescópio para astronomia. $LPSRUWkQFLDGD,QIRUPDomR Estamos na era da informação. O poderio de empresas e nações embora residindo durante longo tempo na posse de recursos naturais, humanos e financeiros e no domínio de tecnologias de produção assenta porém, cada vez mais, no domínio da informação e das tecnologias da informática e das comunicações com vista a gerar conhecimento Informação / Dados A informação é tudo aquilo ( palavra, frase, imagem,...) que vai permitir a tomada de decisão e a execução de acções. 'DGRV são informações elementares que por si só têm pouca utilidade, mas que depois de trabalhados (processados) convertem-se em informação que dão origem ao FRQKHFLPHQWR. Desde sempre, na sua actividade o homem processa LQIRUPDomR. Esse processamento começou por ser manual sendo hoje fortemente automatizado utilizando computadores. 2&RPSXWDGRU Como já referido o FRPSXWDGRU é a ferramenta fundamental da informática. Não há informática sem computadores. O que é um computador? Uma definição elementar poderá ser: Um computador é um conjunto de circuitos eléctricos e electrónicos capaz de realizar de modo autónomo uma determinada tarefa, por obediência a um programa armazenado internamente. &RQFHLWRV(OHPHQWDUHV

3 ALGORITMIA E PROGRAMAÇO Os computadores não surgiram de um instante para o outro por mero capricho de investigadores, mas sim para responder às necessidades cada vez mais exigentes do Homem Breve Perspectiva Histórica da Evolução do Computador O Homem desde sempre tem vindo a desenvolver ferramentas para facilitar e engrandecer as suas capacidades primeiro as manuais e posteriormente intelectuais. Essas ferramentas são cada vez mais sofisticadas. O computador surge nesse contexto. Vamos dar uma breve perspectiva histórica da evolução do computador organizada do seguinte modo: D3Up+LVWyULDPeríodo que decorre até ao aparecimento do primeiro computador o ENIAC em 1945 Desde sempre o homem tentou encontrar ferramentas que o ajudassem nas suas tarefas, assim as pedrinhas usadas pelos pastores para contabilizar o seu rebanho podem ser consideradas como a mais elementar ferramenta de cálculo. A necessidade de cálculos cada vez mais rápidos e precisos levaram ao aparecimento de ferramentas cada vez mais eficientes. Passamos a referir alguns marcos na evolução destas ferramentas de cálculo: $& Ábaco Chinês A régua de cálculo J. Napier A calculadora de Pascal máquina automática funcionando como um sistema de discos rotativos para a realização de adições, subtracções e multiplicações A multiplicadora de Leibniz Babbage desenvolve Máquinas Diferenciais e Analíticas, percursoras das actuais calculadoras programáveis O apuramento dos resultados do recenseamento americano de 1880 demorou 7 anos, o que levou a concluir que o apuramento dos resultados do recenseamento de 1890 não estaria pronto antes do de Para resolver este problema Hollerith desenvolve um sistema electro-mecânico controlado por cartões perfurados para permitir em tempo útil o apuramento dos resultados do recenseamento americano de Com este mecanismo o tempo do apuramento dos resultados reduziu-se para 3 anos. Hollerith foi um dos fundadores de uma companhia que viria a ser IBM. Na Universidade de Harvard foi construído o Mark I um sistema baseado em relés electromagnéticas. Embora haja quem o considere o primeiro computador esta &RQFHLWRV(OHPHQWDUHV

4 ALGORITMIA E PROGRAMAÇO classificação não é aceite por toda a comunidade por não ser constituído exclusivamente por componentes eléctricas e electrónicas. E+LVWyULD(Perspectiva Tecnológica) Sob o ponto de vista tecnológico é usual distinguir na história dos computadores cinco gerações caracterizadas pelo elemento básico da sua construção. *HUDomR±*HUDomRGDV9iOYXODVGH9D]LR±DSUR[DWpprimeiro sistema eléctrico e electrónico capaz de realizar tarefas, de modo automático, por obediência a um programa, foi o ENIAC que é considerado o primeiro computador. Como curiosidade é de referir que este computador pesava cerca de 30 toneladas e ocupava aproximadamente 1/3 de um campo de futebol. Esta dimensão resulta dos sistemas de arrefecimento exigidos pelas válvulas de vazio. *HUDomR±*HUDomRGRV7UDQVLVWRUHV±DSUR[DWptransístor aparece no final da 2ª guerra mundial em 1948 e substitui as válvulas, componentes básicas da geração anterior. A dimensão física e custo começam a reduzir grandemente. *HUDomR ± *HUDomR GRV &LUFXLWRV,QWHJUDGRV66,³6PDOO6FDOH,QWHJUDWLRQ ± DSUR[DWpNuma pequena placa de silício são integradas várias componentes electrónicas. Nesta geração ( SSI Integração em pequena escala ) são integradas menos do que 100 componentes por chip *HUDomR ± *HUDomR GRV &LUFXLWRV,QWHJUDGRV 06, H /6, ³0HGLP DQG /DUJH 6FDOH,QWHJUDWLRQ ± DSUR[ DWp Esta geração (MSI e LSI Média e grande escala de Integração) é caracterizada por uma maior capacidade de integração de componentes, mais do que 100 e menos do que componentes por chip *HUDomR±*HUDomRGRV&LUFXLWRV,QWHJUDGRV³9HU\/DUJH6FDOH,QWHJUDWLRQ ± DWpVLSI Elevada escala de Integração - mais do que componentes por chip As três últimas gerações baseiam-se em circuitos integrados mas com diferentes graus de integração. É difícil distinguir entre elas especialmente entre as duas últimas. Ao longo destas gerações assiste-se à miniaturização do computador, ao aumento de fiabilidade e de velocidade e à diminuição do preço. Cada geração vai envolvendo conceitos técnicos novos fazendo com que exista uma evolução no modo de operação. De referir também o aparecimento dos microcomputadores que tiveram um papel determinante na banalização do computador tornando-o acessível ao comum dos mortais para uso pessoal. Basicamente são caracterizados pelo microprocessador onde se integram todas as &RQFHLWRV(OHPHQWDUHV

5 ALGORITMIA E PROGRAMAÇO componentes que constituem o cérebro do computador CPU. O microprocessador reside numa única pastilha de silício, num único chip. F+LVWyULD(Evolução do Software na Perspectiva das Linguagens de Programação) O primeiro computador ENIAC era caracterizado por: a informação de entrada e saída ser codificada em cartões perfurados o programa ser realizado em hardware isto é através do estabelecimento de ligações adequadas. A programação era tarefa de ferro de soldar, que exigia um conhecimento completo dos detalhes operacionais da máquina. 3RU LVVR GL]HPRV TXH QRV SULPHLURVFRPSXWDGRUHVDSURJUDPDomRHUDIHLWDDQtYHOGHKDUGZDUH. Em 1946 John Von Newman, um consultor do projecto ENIAC, apresenta o conceito de programa armazenado. O programa e os dados são introduzidos codificados em cartões perfurados e armazenados na memória do computador. (VWH FRQFHLWR GH 9RQ 1HZPDQ p PXLWR LPSRUWDQWH H DXPHQWRX D IOH[LELOLGDGH H YHUVDWLOLGDGHGRFRPSXWDGRUPDQWpPVHSUHVHQWHQDVDUTXLWHFWXUDVGRVFRPSXWDGRUHV DFWXDLV Os programas eram escritos numa linguagem de programação composta por conjuntos de símbolos binários. (VWiYDPRVQDpSRFDGDSURJUDPDomRHPOLQJXDJHPPiTXLQD Desde este conceito de Van Newman até aos nossos dias houve grande evolução. Toda essa evolução foi no sentido de facilitar a tarefa do programador distanciando-o o mais possível do nível físico. O passo seguinte está associado à utilização de siglas, em vez de símbolos binários, para codificar cada operação da máquina. Chegou-se assim j SURJUDPDomR HP $VVHPEO\. Esta linguagem era traduzida para linguagem máquina por um programa o Assembler. Programar em Assembly exigia ainda um conhecimento profundo da máquina. Em 1957, John Backus verificando que um programador precisava de conhecer a linguagem máquina de cada um dos computadores para poder desenvolver programas para essas máquinas propõe o desenvolvimento de uma OLQJXDJHP LQGHSHQGHQWH GDV PiTXLQDV R )RUWUDQ )RUmula 7UDQslation - que é apresentada como a linguagem universal para programar computadores. Seria pois da responsabilidade dos diferentes construtores de computadores o desenvolvimento de tradutores, isto é um programa capaz de traduzir o programa da linguagem Fortran para a respectiva linguagem máquina. Surge assim o conceito &RQFHLWRV(OHPHQWDUHV

6 ALGORITMIA E PROGRAMAÇO de compilador, programa capaz de traduzir um programa em linguagem fonte, Fortran neste caso, para a linguagem máquina do respectivo computador. Desde então têm surgido centenas de linguagens de programação integradas em diferentes paradigmas. Exemplos: COBOL, RPG, BASIC, ALGOL, PASCAL, PL1, C,... Hoje existem largas centenas de linguagens baseados em diferentes paradigmas de programação. G+LVWyULD(Evolução do Software na Perspectiva das Aplicações) As primeiras aplicações eram automatização de processos bem formalizados. Até 1964 os programadores tinham em mãos a automatização de processos manuais bem definidos. Na década de 70 surgem sistemas operativos mais poderosos e a evolução verificada a nível de hardware levanta grandes expectativas quanto ao desenvolvimento de tarefas cada vez mais complexas. O computador aparece assim ligado praticamente a todos os ramos da actividade humana. Cada vez mais a sua utilização depende da imaginação humana. Os campos de aplicação alargam-se a um ritmo crescente, invadindo o quotidiano. Surge então a necessidade de abordar o desenvolvimento de software numa perspectiva de engenharia dando origem ao conceito Engenharia de Software. A partir da década de 70 começam a multiplicar-se as tentativas de integração de aplicações existentes. surgem as aplicações informáticas integradas. Esta preocupação conduz ao aparecimento do conceito de Sistema de Informação de uma organização. A década de 80 pode ser identificada como a das redes de computadores e das respectivas aplicações distribuídas. A década de 90 identificaremos de um modo geral como a época das aplicações na Internet. 0XVHX9LUWXDOGD,QIRUPiWLFD &RQFHLWRV(OHPHQWDUHV

7 ALGORITMIA E PROGRAMAÇO 6,67(0$'(&20387$d 2 Na definição de FRPSXWDGRU apresentada na secção está muito bem explícito o conceito de computador como um sistema de computação que incorpora uma componente física (conjunto de circuitos eléctricos e electrónicos) que designamos por hardware, e uma componente lógica ( programa armazenado internamente ) que designamos por software e que visa a realização de uma tarefa de modo autónomo. O hardware é o conjunto de circuitos eléctricos e electrónicos responsável por todas as potencialidades da máquina. Quando um computador é construído possui: - uma determinada capacidade para executar certo tipo de instruções a uma determinada velocidade; - capacidade de armazenamento de um número máximo de bytes; - capacidade de comunicação com um número específico de periféricos Este conjunto de componentes físicas têm que receber instruções específicas do que fazer, de como se articularem. Esta é a função do software que é o conjunto de programas que dirigem o funcionamento do computador. (VWUXWXUD%iVLFDH)XQFLRQDPHQWRGHXP&RPSXWDGRU Não sendo nosso objectivo o estudo das componentes físicas do computador, vamos abordar a arquitectura genérica e o funcionamento do computador de um modo muito breve baseandonos no seguinte diagrama de blocos onde se identificam as principais componentes: CPU- Unidade Central de Processamento, Memória e Periféricos. D$8QLGDGH&HQWUDOGH3URFHVVDPHQWR±&38 é responsável por: coordenação do fluxo de informação (acesso à memória e registos, encaminhamento de dados e instruções para certas unidades, etc) processamento (operações aritméticas e lógicas sobre dados) E $ 0HPyULD é responsável pelo armazenamento da informação (dados e programas). A memória é constituída por pequenas células, cada uma capaz de armazenar um conjunto de bits, e é endereçavel, isto é, tem um endereço associado e permite o seu acesso para leitura ou escrita de dados. A memória principal é uma memória to tipo RAM. Existem no computador outros tipos de memória com funções auxiliares, são elas as memórias ROM e os discos que funcionam como memórias auxiliares externas. &RQFHLWRV(OHPHQWDUHV

8 ALGORITMIA E PROGRAMAÇO 0HPyULD3ULQFLSDO PERIFÉRICOS Unidade Controlo de Barramentos: para o fluxo de sinais de controlo para o fluxo de endereços e de dados Reg. Unidade Aritmética e Lógica &38 ± 8QLGDGH &HQWUDO GH 3URFHVVDPHQWR PeriféricosVmRHTXLSDPHQWRVTXHSHUPLWHP - a comunicação entre o sistema e o exterior, isto é, que recebem ou enviam informação para o computador; - o armazenamento de dados necessários ao processamento e de programas Periféricos de Entrada: leitores de (Bandas Magnéticas, Caracteres Ópticos, Caracteres Magnéticos, Discos rígidos, Discos flexíveis,...), teclados, ratos, unidades especiais (light pen, touch screen, joy stick, unidades de controlo (Relógios de Ponto,...) Periféricos de Saída: gravadores de (Bandas Magnéticas, Discos rígidos, Discos flexíveis,...), terminais de video, impressoras, plotters, unidades de controlo,... 2)XQFLRQDPHQWR As partes constituintes do computador: Processador Central, Memória Principal e Periféricos (entrada, saída, armazenamento,...). Através dos Periféricos de Entrada são introduzidos os dados e programas necessários ao processamento desses dados. Através dos Periféricos de Saída são postos à disposição do utilizador os resultados do processamento. A Memória Principal armazena dados e programas para uso interno do computador. É a Unidade Central de Processamento - CPU que se encarrega do controlo e execução do programa, através da &RQFHLWRV(OHPHQWDUHV

9 ALGORITMIA E PROGRAMAÇO Unidade de Controlo e da Unidade Aritmética e Lógica que executa todas as operações aritméticas e lógicas. Sendo o computador uma máquina de execução sequencial a Unidade de Controlo acede sequencialmente às instruções, descodifica-as e activa as componentes necessárias à sua execução. Todas as operações são executadas a um ritmo imposto por um clock ( ex: 200 MHz). O tamanho de palavra de um processador refere-se ao número de bits que flui, de cada vez, através dos barramentos (Bus) entre as componentes desse processador. Os tamanhos de palavra são característicos de cada processador e há-os de 8bits, 16bits, 32bits, 64bits,... 5HSUHVHQWDomR,QWHUQDGD,QIRUPDomR O equipamento electrónico precisa de um código capaz de representar a informação: números, caracteres,... Sob o ponto de vista tecnológico um sistema baseado em dois estados tem vantagens em termos de simplicidade, rapidez e fiabilidade de implementação. Por isso a informação é representada internamente de forma discreta por sequências de bits (0,1), dizemos que é representada em forma binária. Os dígitos binários (bit - binary digit) são o 0 e o 1. O bit é a unidade elementar de representação de informação O byte é um conjunto de 8 bits, capaz de representar um caracter. Os multiplos são 1Kbyte=1024 bytes, 1Mbyte= 1024 Kbytes 1Gbyte=1024 Mbytes,1Tera...) Cada processador opera com um nº básico de bits: a palavra. Assim, como já referido, temos computadores com uma arquitectura baseada em tamanhos de palavras de 8, 16, 32, 64,128,... bits Toda a informação é representada no computador como combinações únicas de 0 e 1 s. Mas um conjunto de bits para ter significado exige um conjunto de regras, isto é exige um código binário. A representação de informação numérica baseia-se no sistema binário base 2. A representação de informação alfanumérica baseia-se num código binário. O código binário mais usado é o código de 8 bits ASCII- American Standard Code for information Interchange. Este código utiliza somente 7 bits para a representar a informação, sendo o oitavo bit utilizado para a detenção de erros. Com 7 bits pode-se representar 2^7 =128 combinações diferentes. &RQFHLWRV(OHPHQWDUHV

10 ALGORITMIA E PROGRAMAÇO 62)7:$5( Software- Parte lógica da máquina. Conjunto de programas que dirigem o hardware na realização das tarefas. O software reside em memórias: ROM - Read Only Memory, Memórias secundárias: discos, disquetes, CD-ROM, banda magnéticas que na altura da execução é carregado na memória RAM - Random Access Memory, memória principal do computador. &RPSDUDomRGH0HPyULDV5$0H520 RAM ROM Permite a leitura e escrita de nova Apenas permite a leitura da informação informação em qualquer célula de memorizada memória Armazena programas do utilizador Armazena programas do fabricante como fazendo parte do software do sistema Volátil Não Volátil Temporária Permanente 8PDFODVVLILFDomRGH6RIWZDUH Para uma melhor sistematização do software e as respectivas funções vamos organizá-lo nas seguintes categorias: 6RIWZDUHGH6LVWHPD Sistema Operativo Software de Linguagem: Compiladores e Interpretadores Utilitários: Editores,... )HUUDPHQWDVGH'HVHQYROYLPHQWR Ambientes de Programação Sistemas de Gestão de Bases de Dados Folhas de Cálculo Processadores de Texto $SOLFDo}HV Pacotes de Software Aplicações Específicas &RQFHLWRV(OHPHQWDUHV

11 ALGORITMIA E PROGRAMAÇO Software de Sistema é o conjunto de programas necessários para a utilização do sistema de computação, isto é, os programas que controlam o sistema e suportam o seu funcionamento. 6LVWHPD2SHUDWLYR O Sistema Operativo é um conjunto integrado de programas responsável por: gestão dos recursos de hardware; proporcionar ao utilizador uma máquina virtual mais fácil de usar, isolando-o do hardware, disponibilizando-lhe funções de: o entrada/saída (Input/Output I/O): A nível de entrada/ saída as capacidades de hardware são muito complexas e requerem, para a sua utilização programação muito sofisticada. O S.O. disponibiliza rotinas de I/O. o gestão de memória: O S.O. gere a memória oferecendo um único espaço de endereços. Ele partilha a memória principal entre os utiliuzadores (se fôr caso disso). Pode usar memória secundária para dar ideia de maior memória principal Memória Virtual. o sistema de ficheiros: O S.O. permite a memorização a longo prazo de programas e dados e o posterir acesso através de um nome simbólico. o protecção e manipulação de erros: O S.O. fornece uma uma máquina virtual ondecada utilizador está protegido dos erros e malícias dos outros. o interacção entre programas: O S:O. permite a interacção entre programas de tal modo que a saída de um pode ser a entrada de outro. o controlo de programas: O S:O. disponibiliza ao utilizador uma linguagem de comandos para interactuar com ele. As rotinas de um sistema operativo agrupam-se de acordo com as suas funções, geralmente nos seguintes módulos: núcleo, gestor de memória, gestor de entrada/saída gestor de ficheiros gestor de processos &RQFHLWRV(OHPHQWDUHV

12 ALGORITMIA E PROGRAMAÇO Sistema Operativo Hardware O Sistema Operativo serve de interface entre o utilizador e o hardware 6RIWZDUHGH/LQJXDJHP Integram-se neste grupo programas especiais que se encarregam da tradução de programas escritos numa linguagem de programação para linguagem máquina. Um computador pode utilizar programas escritos em várias linguagens de programação embora só entenda a sua linguagem máquina. Programa Fonte (Ling. Prog.) TRADUTOR Programa Executável (Ling. Máquina) 7UDGXWRUHV $VVHPEOHU (o primeiro tradutor) Linguagem de baixo nível (Assembly) (1 instrução da linguagem -> 1 instrução máquina) &RPSLODGRUHVH,QWHUSUHWDGRUHV Linguagens de alto nível (1 instrução da linguagem -> várias instruções máquina) A principal diferença entre um compilador e um interpretador é a seguinte: o compilador traduz o programa fonte no programa em linguagem máquina que depois é executado como um todo. O interpretador traduz e executa instrução a instrução até concluir o programa. )HUUDPHQWDVGH'HVHQYROYLPHQWR Inclui-se neste grupo o software, que proporciona ao utilizador facilidades para desenvolver programas de aplicação Com as ferramentas disponíveis, como sejam os ambientes de &RQFHLWRV(OHPHQWDUHV

13 ALGORITMIA E PROGRAMAÇO programação para várias linguagens, os sistemas de gestão de bases de dados, as plataformas de interfaces de janelas, as folhas de cálculo, etc, reduzem o tempo de desenvolvimento de aplicações. 'HVHQYROYLPHQWRGH6RIWZDUH Até à década de 70 pensava-se que o desenvolvimento do hardware seria responsável pela expansão dos computadores e a programação era vista como uma arte. Na década de 70 há um reconhecimento de um conjunto de situações que são identificadas como Crise de Softwarte. Entre elas estão o crescimento dos custos de software e a fiabilidade do software Hardware Software Era preciso transformar a tarefa de construir software numa actividade com rigor comparável ao utilizado nas diversas áreas de engenharia. Surge assim uma nova disciplina a (QJHQKDULD GH6RIWZDUH. A engenharia de software tem como objectivo a produção de software de modo eficiente em termos de custo e fiabilidade. É a aplicação prática do conhecimento científico na especificação, análise, projecto, desenvolvimento e manutenção de software. As principais fases do ciclo de vida de uma aplicação informática são: Especificação Análise Projecto/ Desenho 3URJUDPDomR,PSOHPHQWDomR H 7HVWH Manutenção As metodologias de análise e projecto, bem como as linguagens de programação têm evoluído de acordo com a complexidade das aplicações e da necessidade de rentabilização da produção de software. Vamo-nos referir essencialmente à fase de desenvolvimento de uma aplicação e analisarmos a evolução das linguagens de programação e dos paradigmas de programação que suportam: Até à década de 70 as linguagens utilizadas como por exemplo: o Fortran, o Cobol, o Basic; eram linguagens não estruturadas. Programar era uma arte, não existindo definidos paradigmas de programação. &RQFHLWRV(OHPHQWDUHV

14 ALGORITMIA E PROGRAMAÇO Na década de 70 o paradigma de programação era o procedimental. A tarefa a ser executada era decomposta no conjunto de acções elementares que conduziriam à realização da tarefa objectivo. Foi também nesta década que, motivado pela crise de software existente, Dijkstra desenvolve uma metodologia que visa o desenvolvimento de programas fiáveis e de fácil manutenção. Esta metodologia foi designada por programação estruturada e define um conjunto de regras para elaboração de programas. A linguagem Pascal é então desenvolvida para dar suporte a esta nova metodologia. As linguagens Pascal, C são linguagens procedimentais que permitem a programação estruturada. Na década de 80 surge o paradigma da programação modular. A linguagem Modula II surge a dar suporte a esse paradigma. Surge a linguagem ADA associada ao paradigma de programação baseado no conceito de Tipos de Dados Abstractos. Nos finais da década de 80 e início da década de 90 surge um novo paradigma de programação, a programação orientada por objectos. Linguagens que suportam este paradigma são o Smalltalk, C++, Java, VBasic,... Geralmente as linguagens que suportam um determinado paradigma suportam os anteriores. &RQFHLWRV(OHPHQWDUHV