Programação de. Programa. Bibliografia. Páginas electrónicas de PM. Regras das aulas de laboratório. Métodos de Ensino - Aulas

Transcrição

1 Programa Programação de Microprocessadores 1º Ano 2º Semestre A arquitectura dos computadores A linguagem C 1 aula 7 aulas Talvez haja mais algum assunto a abordar nas aulas seguintes Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e Computadores Bibliografia Páginas electrónicas de PM Linguagem C Autor: Luis Damas Editora: FCA Editora de Informática Colecção: Tecnologias de Informação Métodos de Ensino - Aulas 1 Aula teórica (2 horas) São apresentados alguns casos da linguagem. Necessita de uma leitura mais completa da parte respectiva do livro (SEMANALMENTE) 8 aulas teóricas 1 Aula de laboratório (3 horas) Programas exemplificativos seguidos de exercícios para serem feitos na aula Trabalho final mais elaborado (que foi planeado para ser feito nas aulas) aulas de laboratório + 1 discussão Regras das aulas de laboratório 1ª falta: tolerada 2ª falta: máximo de 14 ao laboratório 3ª falta: máximo de 12 à disciplina 4ª falta: Exclusão Necessário ter Memory Stick para guardar os programas 1

2 Métodos de Avaliação Parte teórica: 2 testes e/ou exame Parte laboratorial: Avaliação contínua + discussão do trabalho final 1 Jun (???) 18 Abr; 06 Jun Parte teórica: 50% Parte laboratorial: 50% Necessário ter um mínimo de 9,5 valores em cada parte. O Computador Arquitectura Geral Software O Computador Arquitectura Geral O Computador Arquitectura Geral Software Firmware Programas que controlam o hardware em muito baixo nível e são muito raramente mudados (correcções de erros, novas versões com mais funções, etc.) Guardado em ROM (ou EPROM) Software Sistema Operativo Programas que criam um ambiente de alto nível de acesso à maquina que se usa para simplificar a criação de aplicações. Em PM vai ser usado o LINUX 2

3 O Computador Arquitectura Geral O Computador Arquitectura Geral Software Aplicações Programas que são criados para executar uma dada tarefa. Software Ex: Processador de texto; bases de dados; tratamento estatístico de dados; cálculo de uma estrutura numa ponte; etc. etc. Parte física do computador. É formada por circuitos digitais. Hardware Circuitos Digitais Sistemas electrónicos que executam a álgebra booleana (a estudar em Sistemas Lógicos I). São formados por grandes conjuntos de gates lógicas. Certas funções são tão importantes e muito usadas que justificam a construção de circuitos integrados para facilitar o seu uso. Ex: Processador, controladores, memória, etc. Hardware O Computador Pessoal Hardware O Computador Pessoal Na década de 1980 a IBM construiu uma arquitectura de computador simples que foi imitada (legalmente) e se tornou o que hoje é conhecido como computador pessoal. Basicamente o que se assistiu foi a uma uniformização de componentes que foram tornando o preço do computador mais barato. 3

4 A Motherboard A Motherboard A motherboard é uma placa de circuito impresso que contém: O microprocessador A memória central A memória que contém o firmware Alguns controladores Buses internos Controladores de buses externos O Microprocessador Componente capaz de executar um programa. Tem um portfolio de instruções que compreende: incrementar, adicionar, comparar, etc. Interpreta as instruções de um programa de computador e processa dados. É ele que fornece a capacidade de programação de um computador digital. O programa está gravado em memória central e as instruções vão sendo carregadas e executadas. O Microprocessador A execução do programa pode implicar o uso de um periférico. Nos primeiros tempos o processador dava a ordem ao periférico e ficava à espera da sua completa execução. Era uma perda de tempo, pois o processador é muito mais rápido e podia estar a fazer outra coisa durante esse tempo. Foram, assim, aparecendo controladores de periféricos que tomavam conta da acção e depois indicavam ao processador o fim da execução por meio de uma interrupção. Para ligar os vários componentes a motherboard tem um conjunto de ligações chamadas de bus (bidirectional universal switch). transmitem três tipos de sinais: Dados Endereços Controlo Podem ainda transportar energia ou a terra Pode considerar-se que existem três gerações de buses 1ª geração Dois conjuntos de fios eléctricos a ligar o processador à memória e aos periféricos. Cada um destes buses tinha instruções e protocolos próprios. Depois unificaram-se os buses e ficou só o bus de memória. Os periféricos apareciam ao processador como endereços de memória Por exemplo, um disco interrompia o processador a dizer que tinha dados para serem lidos. O processador lia então os dados da posição de memória correspondente ao driver do disco. 4

5 Esta simplificação trouxe alguns problemas: Todos os componentes têm de falar à mesma velocidade e partilhar o mesmo relógio. Aumentar a velocidade do processador seria difícil pois tinha-se de aumentar a velocidade de todos os componentes (senão o processador tem de reduzir a velocidade para comunicar com um componente). O processador é preciso para todas as tarefas. Ora se ficar ocupado com outras tarefas, o débito do bus ressente-se. Estes buses são difíceis de configurar: jumpers para definir endereços de memória; endereços de E/S, prioridades de interrupção e números de interrupção. 2ª geração O mundo foi dividido em dois: o processador e a memória de um lado e os periféricos no outro com um controlador de bus no meio. Trouxe algumas vantagens: A velocidade da memória e do processador podiam crescer livremente. Os dados são colocados no controlador à velocidade do processador Os periféricos podem comunicar entre eles sem a intervenção do processador As motherboards ficaram mais complexas. Para aumentar a velocidade os buses começaram a transportar 16 e 32 bits em paralelo em vez de 8. A configuração começou a ser feita em software (plug- and-play) em vez de jumpers. Buses podem ser: backplane cabo A velocidade dos processadores e da memória cresceu tanto que os buses começaram a ser lentos (o PCI). O problema maior era a placa gráfica que não conseguia ser alimentada como devia ser. Foi inventado então um bus mais rápido só para a placa gráfica o AGP. O AGP começou a ser também limitado e a partir de 2004 o PCIE (Express) começou a ser usado. Certos periféricos começaram a ter buses só para eles (deixando de usar as fichas (slots) do bus PCI). Por exemplo, os discos começaram a usar buses como o SCSI e o IDE. Hoje em dia podem existir facilmente cinco buses num PC. É relevante fazer a diferenciação entre Bus local Bus externo Desenhados para serem usados com componentes internos (placas gráficas) Ex: PCI componentes externos (scanners) Ex: IDE 5

6 3ª geração (O futuro) Exemplos são HyperTransport and InfiniBand. A ideia é que podem trabalhar a muito altas velocidades (quando comunicam com memória) mas também a velocidades d mais baixas (quando comunicam com discos). Podem ser usados como internos, ou externos (mesmo a ligar máquinas diferentes). Permitem que muitos periféricos usem o bus ao mesmo tempo. Tanta versatilidade faz com que o software de controlo seja complexo e os buses pareçam mais como redes. FIRMWARE BIOS (Basic Input/Output System) Código que corre logo a seguir ao computador ser ligado. A sua função é identificar e iniciar os vários componentes de hardware (discos, CDs, etc.). Deste modo, outros programas (e o sistema operativo) podem ser carregados, executarem e assumirem o controlo da máquina. FIRMWARE A EFI é uma especificação de interface para libertar o mundo das características específicas da BIOS. Está a ser substituída por EFI (Extensible Firmware Interface) Sistema Operativo É o software que gere a partilha dos recursos de um computador. Processa dados do sistema e as entradas e respostas dos utilizadores alocando e gerindo tarefas e recursos internos do computador. Faz isto numa perspectiva de serviço aos utilizadores e às aplicações. 6

7 Sistema Operativo Exemplos de gestão: Gestão de processos Gestão de memória Gestão de ficheiros e discos Redes Segurança Interfaces gráficas Device drivers (tipo específico de software desenvolvido para fazer a interacção com equipamentos de hardware) Sistema Operativo Os sistemas operativos vêm com uma aplicação que fornece a interface com o utilizador para permitir a gestão do sistema operativo (interpretador de linha de comando ou interface gráfica). O sistema operativo forma uma plataforma para que outros programas e aplicações possam correr. Exemplos populares: Windows Unix (Linux, Mac OS) Aplicações As aplicações são programas de computador. São uma colecção de instruções que descrevem uma tarefa, ou um conjunto de tarefas para serem executadas pelo computador. Estas instruções são escritas numa linguagem de programação. Ao conjunto das instruções escritas numa linguagem chama-se código fonte. Ele depois tem de ser traduzido para zeros e uns que é o código executável (binário). Aplicações Exemplos de aplicações: Processador de texto Jogos de computador Tratamento estatístico de dados Banca electrónica Etc. Etc. 7

8 Uma linguagem de programação é uma linguagem artificial que é usada para controlar o comportamento do computador. Tal como as linguagens naturais, é definida pelo uso de uma sintaxe eumasemântica que determina a sua estrutura e o seu significado, respectivamente. São usadas para facilitar a comunicação sobre a tarefa de organizar e manipular informação e expressar algoritmos com precisão. Existem milhares de linguagens de programação diferentes. 1ª geração É uma linguagem ao nível máquina consiste em zeros e uns. Não é necessário nenhum tradutor para a compilar. As instruções eram introduzidas no computador através de um painel frontal. A maior vantagem era a extrema rapidez e eficiência pois era executada directamente. Porém é extremamente difícil de aprender e de corrigir os erros. Se fosse preciso corrigir alguma coisa introduzia-se a instrução numa posição de memória e todas as outras tinham de ser transladadas. Fazer isto através de um painel frontal com botões é muito difícil Não tem portabilidade alguma. Transferir o código para outro computador exige a re-escrita do código. 2ª geração São normalmente conhecidas como linguagens assembler. O código já pode ser lido e escrito facilmente, e tem de ser convertido para ser executado. A conversão é do tipo um-para-um para gerar o que se chama de opcode. É, portanto, muito eficiente mas começa a ser muito difícil para programas grandes. O assembler é específico de um dado processador. 2ª geração (cont.) Hoje em dia é usado para programar as partes mais próximas do hardware e device drivers (muito embora se comece a usar o C cada vez mais). É também usado em partes de processamento muito intensivo (jogos, edição de vídeo, manipulação gráfica, simulação, algoritmos de segurança, etc.). O esqueleto do programa é feito em linguagens de alto nível e algumas funções são feitas em assembler. Às vezes programa-se em linguagens de alto nível, compilase para assembler e depois faz-se manipulações manuais para optimizar o código. 3ª geração Linguagens desenhadas para serem simples para a compreensão humana. Por exemplo, conterem variáveis com nomes. Exemplos: Pascal, C, ALGOL, COBOL, BASIC, C++, DELPHI, JAVA Suportam programação estruturada. 4ª geração Linguagem de programação, ou ambiente de programação desenhado especificamente para um certo objectivo (desenvolvimento de um programa de negócios comercial). As linguagens 3G são muito genéricas e para certos assuntos seria melhor ter uma linguagem própria com instruções de mais alto nível para certos propósitos e uma metodologia (assim evitam-se muito mais os erros). Exemplos: MARK-IV e MAPPER 8

9 5ª geração É uma linguagem de programação baseada no conceito de resolver problemas usando restrições dadas ao programa em vez de se escrever um algoritmo para resolver o problema. São linguagens em que são escritas restrições e frases lógicas, e não tanto expressões de realização de acções (chamadas de declarativas). Enquanto as linguagens até à 4ª geração são desenhadas para escrever um determinado programa, as de 5ª geração são desenhadas para fazer o computador resolver o problema para nós. 5ª geração (cont.) São usadas principalmente na investigação de inteligência artificial Exemplos: Prolog, OPS5 e Mercury Na década de 1990 foram consideradas o futuro, e havia quem predissesse que substituiriam todas as outras (O Japão, por exemplo, investiu fortíssimo nelas). Mas ao se construir grandes programas começou-se a ver que havia muitas falhas (muita dificuldade em se obter um algoritmo eficiente para problemas muito difíceis). Um programador humano é essencial para este passo. Hoje em dia estas linguagens perderam grande parte da sua áurea e são apenas usadas em ambientes académicos. FIM 9