Informática para Ciências e Engenharias (B) 2016/17. Teórica 1

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1 Informática para Ciências e Engenharias (B) 2016/17 Teórica 1

2 Informação Regência / Teóricas Pedro Barahona (pb@fct.un.pt) Auas Práticas Pedro Barahona (pb@fct.un.pt) Jorge Cruz (jcrc@fct.un.pt) Ludwig Krippah (udi@fct.un.pt) Raque Macedo (r.macedo@campus.fct.un.pt) Fiipe Luís (f.uis@campus.fct.un.pt) 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 2

3 Informação Livro aconsehado: Aen B. Downey. Physica Modeing in MATLAB PDF: Página de ICE-b Programa, Objectivos Teóricas: sumários, sides Práticas: sumários, fichas Avaiação: caendário, provas, notas Software: inks para o Octave Edições anteriores 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 3

4 Na aua de hoje... Objectivos, trabahos e avaiação Auas teóricas e práticas Sistema computaciona Componentes e execução de programas MATLAB Modeo de execução (interpretador). Expressões aritméticas, atribuição e strings 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 4

5 Objectivos Visão abrangente das metodoogias e ferramentas da Informática para a resoução de probemas em Ciência e nas Engenharias. 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 5

6 Objectivos Introdução a metodoogias e ferramentas da Informática para resover probemas em Ciência e Engenharias. fundamentos de programação; (breve) introdução a bases de dados; redes e protocoos de comunicação; apicações: simuação, anáise,... 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 6

7 Trabaho do auno 6 créditos ECTS Presencia Auas teóricas: 2h por semana Auas práticas: 3h por semana Autónomo Estudo: 55h Trabahos: 35h (~ 6 horas por semana) 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 7

8 Auas Teóricas Perceber, não decorar. Preparação para o estudo ~70% exposição, ~30% discussão Aproveitem para ir tirando dúvidas 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 8

9 Auas Práticas Começam segunda feira (dia 13 Março) 3 horas: Praticar e fazer os trabahos. (agumas auas têm exercícios extra) mais autonomia devem ir preparados Sem perceber a teórica é muito mais difíci 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 9

10 Auas Práticas Login, password: os do CLIP Trabahem na vossa área em c:\users Não no pendisk nem no Z: No fina, copiar os ficheiros pendisk drive Z: (área do auno na FCT) enviar por emai. 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 10

11 Avaiação Duas componentes: CompL - Laboratoria (trabahos práticos) CompTP - Teórico-prática (testes ou exame) Fraude actos que viciem o processo de avaiação copiar, ceder trabaho para cópia, assinar trabahos que não se fez, etc... reprovação imediata 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 11

12 Avaiação Contínua Dois testes (datas provisórias) T1: 29 de Abri, sábado, às 9:30 T2: 5 de Junho, 2ª feira, às 18:00 Exame Ex: 7 de Juho, sábado, às 9:30 Componente Teórico-Prática CompTP = 0.5 T T2 (avaiação contínua) ou CompTP = max (Ex, 0.5 T T2) (recurso / mehoria) 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 12

13 Avaiação Contínua Um trabaho prático (TP) Grupos de 2 aunos no período de 15 de Maio (pubicação) a 31 de Maio (entrega) Discussão / defesa da nota de 5 a 9 de Junho 2 Exercícios de programação (EP1 e EP2): Individuais nos períodos de 3 de Abri (pubicação) a 7 de Abri (entrega) 18 de Abri (pubicação) a 21 de Abri (entrega) Discussão / defesa da nota de 2 a 5 de Maio Componente Laboratoria CompL = 0.6 TP EP EP2 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 13

14 Avaiação Contínua Condições necessárias para se obter Frequência CompL 8.0 Aprovação Frequência CompTP 8.0 NF 9.5 Nota Fina (NF) NF = 0.6 CompTP CompL se CompTP 8.0 NF = CompTP, (reprovação) se CompTP < Março 2017 ICE-b: Introdução 14

15 Avaiação Notas de anos anteriores (a partir de 2013/14) Aunos com Frequência Dispensados de reaizar os trabahos Se os reaizarem, ficam com a mehor CompL Aunos com CompTP 8.0 Estão dispensados dos testes e exame Se reaizarem testes ou exame, ficam com a mehor CompTP 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 15

16 Informática (Introdução) 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 16

17 Informática: Ciência e Engenharia Processamento de informação sistemas computacionais, ambientes de programação, concepção e impementação de programas,... Contribui para a resoução de probemas de todas as áreas. Usando o computador podemos desenvover programas executar programas 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 17

18 Sistema computaciona Hardware dispositivos eectrónicos que compõem o computador Software Programas executados peo hardware Sistema: controa a execução de apicações Apicações: executam várias funções Dados Informação ida ou escrita peo software 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 18

19 Hardware O hardware opera sobre sequências de eementos em dois estados Zero e um, desigado e igado, bit (binary digit) Um conjunto de 8 bits é um byte Tudo é codificado em sequências de bytes: Programas, dados (texto, imagens, músicas, vídeos). Tudo depende de como a informação é interpretada. 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 19

20 Programas Programa: conjunto de instruções Para executar programas é preciso: Hardware interpreta conjuntos de bits que especificam acções muito simpes (instruções). A funcionaidade dos programas vem do encadeamento de muitas acções simpes 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 20

21 Programas Software (os programas) sistema operativo conjunto de programas que medeiam interacção com hardware e outros interpretador de comandos permite especificar acções e invocar programas compiadores e interpretadores traduzem instruções de ato níve para o hardware outras apicações processador de texto, foha de cácuo, imagem,... 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 21

22 Hardware Unidade Centra de Processamento (CPU) Microprocessador: Circuito integrado que opera, sequenciamente, em vaores binários (votagem, 0 e 1). Pentium pro, mihões de transistores (Core) imagens: 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 22

23 Hardware CPU imagens: 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 23

24 Hardware CPU imagens: 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 24

25 Hardware Random Access Memory (RAM) Memória centra, rápida Armazena dados e programas Voáti: conteúdo perde-se quando o computador é desigado imagens: 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 25

26 Hardware Motherboard Eectrónica de comunicação dentro e para fora do PC CPU imagens: 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 26

27 Hardware HDD Disco rígido Não voáti, mais ento RAM CPU imagens: 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 27

28 Hardware imagens: 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 28

29 Hardware Na memória, os bits estão organizados em paavras (8, 16, 32 ou 64 bits, por exempo) 1 byte = 8 bits Cada paavra tem um endereço endereço é fixo conteúdo varia Março 2017 ICE-b: Introdução 29

30 Hardware Leitura CPU apresenta endereço à memória CPU Março 2017 ICE-b: Introdução 30

31 Hardware Leitura Memória devove cópia do conteúdo CPU Março 2017 ICE-b: Introdução 31

32 Hardware Escrita CPU apresenta endereço e novo conteúdo CPU Março 2017 ICE-b: Introdução 32

33 Hardware Escrita Memória actuaiza o conteúdo no endereço indicado. CPU Março 2017 ICE-b: Introdução 33

34 Hardware CPU Obtém instruções guardadas na memória (RAM) Em cada momento guarda o endereço da instrução a executar Execução sequencia Componentes principais Unidade de controo: determina que operações efectuar para cada instrução Unidade aritmética e ógica: operações agébricas 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 34

35 Hardware CPU Exempo (simpificado): SOMA Soma vaores em 106 e 107, guarda em 110 Unidade de Controo Unidade de aritmética e ógica Março 2017 ICE-b: Introdução 35

36 Sistema operativo (SO) Funções de acesso a periféricos e ficheiros Sistema de ficheiros, drivers, etc. Invocadas peos programas em execução Carregador Usando funções anteriores, carrega programas em memória e cooca-os em execução Interpretador de comandos Usando as funções anteriores, ê comandos do tecado e invoca o carregador para executar programas. 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 36

37 Ficheiros Quaquer ficheiro é uma sequência de bits (1,0) Organizado em bytes (8 bits) pode representar um texto, números, imagem, sons,... depende de como é interpretado O ficheiro é guardado no disco não se perde ao desigar o computador tem um identificador único (caminho/nome). Um ficheiro com código fonte código escrito peo programador 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 37

38 Sistema operativo Gere a memória Memória ocupada peo SO Acesso a periféricos e ficheiros Carregador Interpretador de comandos Memória ivre para as apicações Memória para onde são carregados os programas 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 38

39 Sistema operativo simpes Um utiizador de cada vez Supervisiona a utiização dos recursos do sistema Controa os periféricos Gere a memória centra (RAM) Gere o acesso aos ficheiros (HDD, SSD, MC, PD...) Gere a interacção com o utiizador 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 39

40 Arranque Quando a energia é igada O CPU começa a executar código, que carrega o SO do sistema de ficheiros para a RAM. Depois, o CPU executa instruções que fazem a iniciaização do SO Terminada a iniciaização, passa a ser executado o código do interpretador de comandos. 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 40

41 Interpretador de comandos Linha de comando apresenta prompt ê comando executa o comando mostra resutados vota ao prompt cmd, konsoe 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 41

42 Interpretador de comandos Linha de comando prompt> comando argumento1 argumento2 o comando pode ser interno do SO dir, cd, print, type ou pode ser um programa para executar o SO verifica se existe o programa, invoca o carregador e o CPU executa o programa os argumentos são passados para esse programa e.g. format G: /FS:FAT32 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 42

43 Interpretador de comandos Interface Gráfica ícones janeas botões menus imagem: 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 43

44 Interpretador de comandos Interface Gráfica (GUI: Graphica User Interface) janeas, icons, menus,... cick (ou dupo cick) se no ícone que representa um programa, o programa é carregado e executado se no ícone que representa um ficheiro de dados é executado o programa associado, passando o nome do ficheiro como argumento 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 44

45 Programar 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 45

46 Programar Para quê? Versatiidade Não estamos imitados aos programas que já estão feitos que temos e que sabemos como usar Se soubermos programar podemos resover muito mais probemas aproveitar mehor o potencia do computador 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 46

47 Programar Para quê? Versatiidade Reprodutibiidade fazer coisas à mão não é reprodutíve é muito importante processar dados de forma reprodutíve 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 47

48 Programar Para quê? Versatiidade Reprodutibiidade Fiabiidade Uma vez testado, se funciona, funciona 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 48

49 Programar Para quê? Versatiidade Reprodutibiidade Fiabiidade Conveniência O investimento inicia pode compensar muito 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 49

50 Programar Exempo: cacuar massa moecuar Aanina: CH3CH(NH2)COOH Objectivo corremos o programa: massamo('ch3ch(nh2)cooh') e recebemos a resposta Março 2017 ICE-b: Introdução 50

51 Programar Exempo: cacuar massa moecuar Precisamos de aprender umas coisas antes Hoje: Como dar instruções ao CPU? ou seja, traduzir uma inguagem de programação prática para nós (ato níve) para as instruções correspondentes no CPU (baixo níve). 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 51

52 Programar Baixo níve Mais próximo do hardware Instruções simpes, mais eementares Operações ógicas, eitura e escrita, operações agébricas... mov ax,'00' mov di,counter mov cx,digits+cntdigits/2 cd rep stosw inc ax... 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 52

53 Programar Ato níve Mais próximo de nós Instruções compexas (convertidas em muitas simpes para o CPU) d = b^2-4*a*c; if s < 0 raizes = []; eseif d == 0 raizes =[-b/(2*a)]; ese raizes = [(-b+sqrt(d))/(2*a),(-b-sqrt(d))/(2*a)]; 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 53

54 Programar Precisamos de: inguagem de programação C++, Java, Python, MATLAB um compiador... Traduz o programa escrito na inguagem de programação num formato que o SO pode carregar em memória e o CPU executar ou um interpretador Interpreta cada instrução da inguagem de programação em instruções para o CPU 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 54

55 Programar Vamos usar: Linguagem de programação MATLAB Um interpretador MATLAB ou Octave Gratuito. Disponíve em Detahes na página de ICE-b 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 55

56 O interpretador é um programa Funcionamento da consoa do interpretador: utiizador escreve a inha com a instrução (enter no fina) o interpretador anaisa a inha o interpretador executa a instrução mostra o resutado vota ao prompt 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 56

57 O interpretador é um programa Consoa do interpretador Memória Código e dados do interpretador Utiizador dá ao interpretador o comando na inguagem de ato níve (MATLAB) O interpretador interpreta o comando e dá ao CPU as instruções correspondentes. (o CPU também executa o interpretador e coordena as entradas e saídas) 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 57

58 Linguagem MATLAB Constantes numéricas Nota: o ponto é o separador decima Constantes numéricas vaem o que representam. 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 58

59 Linguagem MATLAB Expressões aritméticas Operadores aritméticos básicos: + - * / ^ octave:4> 5+12 ans = 17 octave:5> -1.7*(5-3) ans = octave:6> 5^2+3*2 ans = 31 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 59

60 Linguagem MATLAB Constantes Operadores aritméticos Funções pré-definidas Chamar funções: nome nome(argumento) nome(arg1,arg2,arg3...) octave:7> cos(1) ans = octave:8> sqrt(15) ans = octave:9> sin(sqrt(2)) ans = octave:10> exp(2) ans = octave:11> e^2 ans = octave:12> pi ans = Março 2017 ICE-b: Introdução 60

61 Linguagem MATLAB Variáveis uma variáve é um nome para uma posição na memória o vaor da variáve é o conteúdo dessa posição nome da variáve etras (sem acentos, cedihas, etc), agarismos e _ (underscore) começando por uma etra ou _ e.g. var var1 _spec Y y maiúscuas e minúscuas são diferentes 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 61

62 Linguagem MATLAB Variáveis o CPU executa instruções que especificam endereços de memória; a unidade de aritmética e ógica opera sobre os conteúdos desses endereços. mas as inguagens de ato níve permitem associar nomes a endereços de memória para o programador não precisar de saber os endereços 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 62

63 Linguagem MATLAB Variáveis os interpretadores mantêm uma tabea que associa nomes de variáveis a endereços. quando um vaor é atribuído a um nome pea primeira vez é criada a variáve acrescentando uma inha à tabea. a partir daí, sempre que o nome aparecer, a tabea é consutada para se saber qua é o endereço de memória correspondente a esse nome. 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 63

64 Linguagem MATLAB Atribuição x = 6 interpretador ê a inha anaisa o conteúdo definir uma variáve com nome x atribuir-he o vaor 6 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 64

65 Linguagem MATLAB Atribuição x = 6 interpretador ê a inha anaisa o conteúdo definir uma variáve com nome x atribuir-he o vaor 6 Executa associa o nome x um endereço RAM Nome Endereço x Março 2017 ICE-b: Introdução 65

66 Linguagem MATLAB Atribuição x = 6 interpretador ê a inha anaisa o conteúdo definir uma variáve com nome x atribuir-he o vaor 6 Executa associa o nome x um endereço guarda o vaor no endereço RAM (em binário, mas vamos simpificar...) RAM Nome Endereço x Março 2017 ICE-b: Introdução 66

67 Linguagem MATLAB Atribuição y = 12 interpretador ê a inha anaisa o conteúdo executa associa o nome y um endereço guarda o vaor no endereço RAM RAM Nome Endereço x 1000 y Março 2017 ICE-b: Introdução 67

68 Linguagem MATLAB Cácuo e atribuição z = x + y interpretador ê a inha anaisa o conteúdo somar x e y guardar em z RAM Nome Endereço x y Março 2017 ICE-b: Introdução 68

69 Linguagem MATLAB Cácuo e atribuição z = x + y interpretador ê a inha anaisa o conteúdo executa y e x estão em memória RAM Nome Endereço x y Março 2017 ICE-b: Introdução 69

70 Linguagem MATLAB Cácuo e atribuição z = x + y interpretador ê a inha anaisa o conteúdo executa y e x estão em memória é criada a variáve z CPU: SOMA 1000, 1001, 1002 RAM Nome Endereço x 1000 y 1001 z Março 2017 ICE-b: Introdução 70

71 Linguagem MATLAB Variáveis e vaores variáve = expressão = é o sina de atribuição à esquerda do = tem de ficar uma variáve Só se pode atribuir vaores à variáve x = 2 2 = x 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 71

72 Linguagem MATLAB Tipos de dados (aguns) inteiros x = 1 reais (aproximadamente... na verdade aguns racionais) y = 23.8 string (texto itera) t = 'abc' 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 72

73 Linguagem MATLAB strings entre picas indicar que é vaor e não um nome x = abc o interpretador interpreta abc como um nome de uma variáve ou função x = 'abc' assim atribui o texto, iteramente, à variáve x (como sempre, codificado numericamente, e em binário) 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 73

74 Linguagem MATLAB strings (texto) sequências de símboos (caracteres): etras maiúscuas e minúscuas, agarismos, sinais de pontuação. cada carácter é armazenado no computador usando uma dada codificação numérica sequência de bits A codificação mais utiizada está definida na norma ASCII American Standard Code for Information Interchange. 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 74

75 Codificação ASCII Codificação ASCII 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 75

76 Codificação ASCII Caracteres de controo, como o LF - mudança de inha, em MATLAB \n, iniciam-se no código 01 e vão até ao código 31 Codificação ASCII 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 76

77 Codificação ASCII Dígitos, 48 a 57 Codificação ASCII 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 77

78 Codificação ASCII Letras Maiúscuas 65 a 90 Minúscuas 97 a 122 Codificação ASCII 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 78

79 Linguagem MATLAB Resumindo, strings uma sequência de caracteres. Em MATLAB escreve-se entre picas são vaores que se pode atribuir a variáveis octave:1> string='estudante na FCT/UNL' string = Estudante na FCT/UNL 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 79

80 Linguagem MATLAB Funções para strings octave:1> string='estudante na FCT/UNL' string = Estudante na FCT/UNL octave:2> stringres=ower(string) stringres = estudante na fct/un octave:3> stringres=upper(string) stringres = ESTUDANTE NA FCT/UNL octave:4> numemtexto='3.14' numemtexto = 3.14 octave:5> num=str2num(numemtexto) num = octave:6> outrotexto=num2str(num) outrotexto = 3.14 octave:7> 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 80

81 Linguagem MATLAB Funções e variáveis podemos usar variáveis como argumentos sin(a) (se a estiver definida) ATT: se definirmos uma variáve com o mesmo nome que uma função escondemos a função e.g. sin=2 (já não podemos usar função sin) 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 81

82 Linguagem MATLAB Funções e variáveis todas as funções são chamadas peo seu nome seguido dos argumentos entre parênteses: sin(2) cacua o seno de 2 hep('sin') mostra a documentação da função sin cd('c:\users\a.meirees') muda a pasta de trabaho para a pasta indicada pwd sem argumentos, indica a pasta corrente pi sem argumentos, devove o vaor de π 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 82

83 Linguagem MATLAB Funções e variáveis Excepção: se uma função recebe apenas uma string sem espaços como argumento, pode ser chamada sem parênteses nem picas na string. hep sin equivae a hep('sin') format bit equivae a format('bit) cd c:\users\a.meirees cd('c:\users\a.meirees') só usem esta síntaxe nestes casos sin 0 equivae a sin('0'), que cacua o seno do código numérico do carácter '0' (48) ou erro. 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 83

84 Linguagem MATLAB Funções e variáveis Excepção: se uma função recebe apenas uma string sem espaços como argumento, pode ser chamada sem parênteses nem picas na string. Dá jeito em casos como hep, cd e format, mas evitem usar esta síntaxe noutros casos para não fazer confusão. Em gera, invocar a função com nome(argumentos) 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 84

85 Linguagem MATLAB Funções e variáveis Expressões Quando uma expressão é avaiada o interpretador ecoa o resutado excepto se terminarmos inha com ; Se o vaor de uma expressão não é atribuído a uma variáve o interpretador guarda na variáve ans 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 85

86 Exempo Sequências simpes de comandos: Carregar o IDE do Octave (Interactive Deveopment Environment) Utiizar a janea de comandos Inserir os comandos interactivamente Exempo: Cácuo de concentração. NaC: massa moar 58.4 g/mo Concentração de 2g em 125m? 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 86

87 Exempo Cácuo de concentração. NaC: massa moar 58.4 g/mo Concentração de 2g em 125m? >> mmnac = 58.4 mmnac=58.4 >> v = 0.125; >> q = 2/mmNaC q = >> c = q/v c = Março 2017 ICE-b: Introdução 87

88 Gestão de Variáveis who ista as variáveis definidas whos para mais informação cear esquece-se deas ou de uma em particuar: cear x 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 88

89 Resumo Comandos básicos do sistema Operadores * / + - ^ Atribuição de vaor a variáve = números e strings Funções nome(argumentos) 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 89

90 Estudar esta aua Recomendado Physica Modeing in MATLAB Capítuo 1 todo Opciona (er por ato) Manua do Octave Capítuos 1 e 2, introdução do capítuo 4 tem mais matéria do que é dada nesta discipina, mas é úti saberem o que á está principamente para consuta 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 90

91 Dúvidas? 8 Março 2017 ICE-b: Introdução 91