Adriano Mauro Cansian 2

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1 Números binários i e Linguagens g de Programação André Proto Adriano Mauro Cansian UNESP - São José do Rio Preto (Linguagem Computacional)

2 Neste tópico veremos: A representação da informação. Lógica binária e informação digital. Codificação de informações. As linguagens de programação Propósitos Tipos de linguagens e suas características. Adriano Mauro Cansian 2

3 Representação da informação (1) A forma como a arquitetura de um computador foi elaborada faz com que ele opere apenas através de chaves positivas e negativas, assumindo valores 0s (zero) e 1s (um). Isso significa que para cada comando ou informação que representamos no computador,, ele realiza milhares de operações apenas usando conjuntos de chaves 0s e 1s. Veremos como isso é possível Adriano Mauro Cansian 3

4 Representação da informação (2) A menor unidade de informação que um computador pode armazenar é o binômio 0 (zero) ou 1 (um). A este tipo de informação chamamos Código Binário ou Bit (do inglês Binary Digit), que é a Linguagem de Máquina usada pelos computadores. Para cada informação, o computador utiliza diversos 0s e 1s seguidos: Adriano Mauro Cansian 4

5 Bits e Bytes (1) Unidade mínima Bit ou dígito binário: tem dois estados possíveis: : 1 = on ou 0 = off off Entretanto, na maioria das vezes, a informação é manipulada em seqüências de 8 bits. O nome dado a um conjunto de 8 bits é Byte ou octeto. 1 byte = 8 bits 1 Kb (Kilobyte) = 1024 bytes 1 MB (Megabyte) = 1024 KB 1 GB (Gigabyte) = 1024 MB 1 TB (Terabyte) = 1024 GB Adriano Mauro Cansian 5

6 Bits e Bytes (2) MEDIDA: REPRESENTA O MESMO QUE: Bit 0 ou 1 - menor unidade de dado Byte conjunto de 8 bits ou 1 caractere Kilobyte (Kb) 2 10 ou 1024 bytes Megabyte (Mb) 2 10 ou 1024 Kilobyte Gigabyte (Gb) 2 10 ou 1024 Megabyte Terabyte (Tb) 2 10 ou 1024 Gigabyte Adriano Mauro Cansian 6

7 Sistemas de numeração (1) Um sistema de numeração permite representar uma informação usando um conjunto de símbolos. Os símbolos fazem referência a um valor numérico padronizado, chamada de base. A quantidade de diferentes símbolos existentes num dado sistema de numeração representa a sua base. Por exemplo: o sistema de numeração decimal é composto por dez símbolos diferentes: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 e 9 = 10 símbolos = base 10 Adriano Mauro Cansian 7

8 Sistemas de numeração (2) Por exemplo: na base 10: 5x x x x x x x10 0 = Alguns tipos de representações possíveis: Decimal: base 10 Binário: base 2 = 2 símbolos = 0 e 1 Hexadecimal: base 16 Octal: base 8 É possível converter um número representado num sistema de numeração para outro sistema de numeração. Adriano Mauro Cansian 8

9 Sistema binário Um exemplo de representação de um número na base 2: Os números devem ser representados com 2 símbolos: 0 ou 1 Binário: = decimal: 72 0x2 7 +1x2 6 +0x2 5 +0x2 4 +1x2 3 +0x2 2 +0x2 1 +0x2 0 = 72 Adriano Mauro Cansian 9

10 Convertendo símbolos É possível converter um número representado num sistema de numeração para outro sistema de numeração. Sistema Decimal = = = Sistema Binário = = = = = = = = Adriano Mauro Cansian 10

11 Convertendo símbolos Adriano Mauro Cansian 11

12 Codificando a informação (1) Como o computador processa toda a informação usando representações de 0s e 1s. Informação em formato digital, É necessário haver conversão dos diversos símbolos, para o sistema it binário. Adriano Mauro Cansian 12

13 Codificando a informação (2) Os computadores essencialmente são máquinas que permitem manipulação de símbolos: números, texto, imagem, som,... Ou seja: DADOS. No entanto, todos estes símbolos só podem ser obtidos a partir de símbolos binários 0/1 ou bits Fáceis de armazenar, representar e manipular electronicamente, com chaves ligadas e desligadas. Assim toda a informação pode ser considerada como um conjunto ordenado (sequência) de bits cujo valor simbólico depende do contexto. Adriano Mauro Cansian 13

14 Codificando a informação (3) A informação é um conjunto ordenado de bits cujo valor simbólico depende do contexto. O contexto pode ser, por exemplo, o tipo do arquivo que contém os dados. Este tipo de arquivo vai indicar: Qual o tipo de informação representada Qual o código utilizado para codificar esta informação. Adriano Mauro Cansian 14

15 Representação de texto (1) Exemplo: representação de texto. Cada símbolo pode ser representado por 1 byte, de acordo com o código ASCII. American Standard dc Code for Information Interchange), Símbolos mais complexos podem ser representados por outros códigos mais sofisticados, com dois ou mais bytes, para permitir de outros alfabetos não latinos. ã š α И א ف ι Adriano Mauro Cansian 15

16 Representação de texto (2) Cada símbolo é normalmente representado por 1 byte de acordo com o código ASCII (American i Standard d Cd Code for Information Interchange). memória principal p B o m d i a B o m d i a Adriano Mauro Cansian 16

17 Representação de Texto (3) ! " # $ % & ' ( ) * +, -. / : ; < = >? A B C D E F G H I J K L M N O 0011 P Q R S T U V W X Y Z [ \ ] ^ _ 0100 ` a b c d e f g h i j k l m n o 0101 p q r s t u v w x y z { } ~ 0110 ƒ ˆ Š Œ Ž 0111 š œ ž Ÿ Adriano Mauro Cansian 17

18 Vários padrões de codificação de Informações ANSI American National Standard Institute ASCII American Standard Code for Information Interchange Letras, dígitos numéricos Caracteres especiais: CR, LF, TAB, etc. Outros: EBCDIC Unicode ISO p 1ae.htm Adriano Mauro Cansian 18

19 Adriano Mauro Cansian 19

20 Representação de imagens (1) Representação por mapa de bits (bitmap) Uma imagem é uma sequência muito longa de bits representando pontos (pixel = picture element): Em Preto e branco: Pixel representado por 1 bit: 1 preto / 0 branco Em cores: Pixel representado por 3 bytes: Vermelho / verde / azul (Red Green Blue) Adriano Mauro Cansian 20

21 Representação de imagens (2) Os mapas de bits ocupam muito espaço. Freqüentemente entemente são usadas técnicas de compressão Padões GIF e JPEG. Uma desvantagem adicional das imagens tipo bitmap éadificuldade de aumentar ou diminuir as imagens (re-escalonar). escalonar). Imagens vetoriais: Para resolver este problema, a imagem é representada como um conjunto de linhas e curvas, deixando os detalhes do seu desenho para o dispositivo que produz a imagem (monitor, impressora), permitindo obter mais facilmente ampliações e reduções. Adriano Mauro Cansian 21

22 Armazenamento de Informação (1) A memória (RAM) é organizada numa sequência de células. l Cada conjunto de células de memória é chamada de palavra. Cada palavra possui um tamanho de 1 ou mais bytes. As palavras de memória podem ser acessadas individualmente, especificando o seu endereço. Adriano Mauro Cansian 22

23 Armazenamento de Informação (2) O número de células da memória principal é muito grande (por exemplo 500 MB). Expressa-seamem seamemória em potências de 2: bytes = 1024 bytes = 1 Kilobyte = 1 KB 20 bytes = 1024 K bytes = 1 Megabyte = 1 MB 30 bytes = 1024 M bytes = 1 Gigabyte = 1 GB 40 bytes = 1024 G bytes = 1 Terabyte = 1 TB Adriano Mauro Cansian 23

24 Armazenamento de Informação (3) As células de memória têm um endereço que é especificado por um número de bits igual ao expoente da potência de 2 utilizada. Por exemplo, para endereçar 1024 células são necessários 10 bits: 1024 = 2 10 : desde d a posição 0 10 = até a posição = endereço 0: 1: 2: 3: 4:... células A memória pode ser considerada uma longa seqüência de bits, permitindo representações com um tamanho arbitrário i de bits. Por exemplo, uma sequência de 32 bits pode ser representada por 4 células consecutivas. Adriano Mauro Cansian 24

25 Armazenamento de Informação (4) endereço 0: 1: 2: 3: células : bit mais significativo??: bit menos significativo ifi Em cada célula os bits são ordenados. A memória principal pode ser considerada uma longa sequência de bits, permitindo representações com um tamanho arbitrário de bits. Por exemplo, uma sequência de 32 bits pode ser representada por 4 células consecutivas. Adriano Mauro Cansian 25

26 Linguagens de Programação

27 Linguagens de Programação (1) São usadas para descrever algoritmos. Ou seja: seqüências de passos que levam à solução de um problema. Algoritmos serão discutidos de forma mais aprofundada nesta disciplina, mais adiante. As linguagens permitem que os usuários especifiquem como os passos devem ser seqüenciados para resolver um problema. Adriano Mauro Cansian 27

28 Linguagens de Programação (2) Uma linguagem de programação: pode ser considerada como sendo uma notação especial, a qual pode ser usada para especificar algoritmos com precisão. As linguagens dão origem aos programas de computador. Adriano Mauro Cansian 28

29 Linguagens de Programação (3) Estes programas podem ser escritos em linguagens com vários graus de abstração: Desde a linguagem ASSEMBLY (linguagem máquina com algumas mnemônicas ônicas) diretamente relacionada com o funcionamento de um determinado processador. Até às linguagens de alto nível (Pascal, C, Java,...), independentes do processador. Para entender o que são as linguagens, é preciso entender um pouco melhor como o computador processa informações Adriano Mauro Cansian 29

30 Arquitetura Básica do Computador (1) CPU (Central Processing Unit) Lê instruções Executa instruções Memória Guarda ardadados Guarda Instruções Dispositivos de Entrada/Saída Teclado, mouse, placa gráfica, placa de som, discos rígido, impressoras, placa de rede,... Permite a comunicação com o exterior. Adriano Mauro Cansian 30

31 Primeiras Linguagens Programadores usavam linguagem de máquina. Seqüências de dígitos binários (0s e 1s). Por exemplo, a instrução some deveria ser representada como: Muitas desvantagens: Grande probabilidade de erro em todos os estágios do processo de programação. O cálculo de endereços de memória devem ser feitos manualmente, com um árduo trabalho e uma grande probabilidade de erros. Mesmo sendo com algoritmos simples, resulta em longos programas,, o que dificulta o processo de validação e detecção de erros. Adriano Mauro Cansian 31

32 Tipos de Linguagem 2001: As linguagens de baixo nível LDA 2002: : LDB 2004: : ADD 2006: STO 2007: 5003 Restritas a linguagem de máquina. Forte relação entre as operações implementadas pela linguagem e as operações implementadas pelo hardware. Z X+Y As linguagens g de alto nível Aproximam-se das linguagens utilizadas por humanos para expressar problemas e algoritmos Cada declaração numa linguagem de alto nível equivale a várias declarações numa linguagem de baixo nível. Adriano Mauro Cansian 32

33 Programa-fonte Programa-fonte ou código-fonte : Programa-fonte é o programa escrito na linguagem g de alto-nível. É legível. Escrito no formato de um arquivo um programa de edição de textos. Por exemplo: Pascal, C, Fortran Adriano Mauro Cansian 33

34 Alto Nível X Baixo Nível (1) Alto nível Problemas podem ser solucionados muito mais rapidamente e com muito mais facilidade A solução do problema não necessita ser obscurecida pelo nível de detalhes necessários em um programa em linguagem de baixo nível. O programa em linguagem de alto nível é normalmente fácil ild de seguir e entender cada passo da execução. Adriano Mauro Cansian 34

35 Alto Nível X Baixo Nível (2) Baixo nível Indicada para funções que precisam implementar instruções de máquina específicas que não são suportadas por linguagens de alto nível. A grande eficiência e o reduzido tamanho dos programas. Impossibilidade de uso de linguagens de alto nível (quando o hardware é muito simples, por exemplo, um sistema de um veículo, um brinquedo, ou um videogame) Adriano Mauro Cansian 35

36 Abstração Uma característica ti importante t das linguagens de alto nível lé a abstração: abstrair um conjunto de instruções numa única instrução. Esta é naturalmente uma propriedade já conhecida da matemática, através da utilização de funções. Por exemplo, é conhecido que a soma da série truncada : x -x 3 /3! + x 5 /5! -x 7 /7! + x 9 /9! +... converge para o valor do seno de x. Assim, para denotar o valor do dobro do seno de x,, em vez de escrevermos 2* (x -x 3 /3! + x 5 /5! -x 7 /7! + x 9 /9! +... ) escrevemos naturalmente duas vezes o seno de x como: 2*sen(x) abstraindo todo o cálculo do valor do seno de x na notação sen(x). Adriano Mauro Cansian 36

37 Programas e Funções De uma forma geral, podemos considerar que uma função tem um valor determinado pelo valor dos seus argumentos. Função F: x f(x) De uma forma operacional, pode considerar-se se uma função como um mecanismo que calcula o valor da função a partir do valor dos seu(s) parâmetro(s) de entrada. Esta noção matemática de função pode ser adaptada para o domínio da computação Programa P: input output Assim, a execução de um programa pode ser considerada como o mecanismo que determina um output qualquer a partir de um dado input. Adriano Mauro Cansian 37

38 Histórico das Linguagens de Programação Existem centenas de linguagens de programação. Agrupadas em 4 gerações: Primeira geração: linguagem de máquina Segunda geração: grande quantidade d de bibliotecas de software, sistemas de execução em tempo real e desenvolvimento de gerenciadores de base de dados. Terceira geração: capacidade estrutural Quarta geração: sistemas especialistas, desenvolvimento de inteligência artificial execução dos programas em paralelo. Adriano Mauro Cansian 38

39 Processamento de Linguagens Embora seja teoricamente possível a construção de computadores especiais, i capazes de executar programas escritos em uma linguagem de programação qualquer, os computadores atuais são capazes de executar somente programas em uma linguagem de nível baixo, a linguagem de máquina. Linguagens de máquina: rapidez de execução de programas, do custo de sua implementação Adriano Mauro Cansian 39

40 Compiladores A consideração de diferentes níveis de abstração é naturalmente útil para se entender os programas executados pelos computadores. Por exemplo, se inicialmente (anos 50) os programas eram escritos em linguagem máquina, essa situação alterou-se rapidamente por razões óbvias de eficiência de programação e manutenção de programas. Em particular, são muito importantes os programas que Recebem como entrada um texto correspondente a um programa escrito numa linguagem de alto nível (por exemplo Pascal); e Produzem como saída um programa escrito em linguagem máquina. Adriano Mauro Cansian 40

41 Compiladores Estes programas são os chamados compiladores, naturalmente dependentes da linguagem de alto nível eda linguagem máquina pretendidas. E que são conceitualmente semelhantes a funções. Programa Pascal Compilador (de Pascal) Programa Máquina 25 5 Adriano Mauro Cansian 41

42 Processamento de um Programa If (a>b) { printf f( Aé maior ) } else { printf ( B é maior ) } } Tradutor: Compilador + Linkeditor programa.exe A é maior programa.c Adriano Mauro Cansian 42

43 Processamento de Linguagens Linguagens de programação: facilidade na construção e da confiabilidade de programas Um problema básico: Como uma linguagem de nível mais alto pode ser implementada em um computador cuja linguagem de máquina é bastante diferente, e de nível bem mais baixo? Como executar em arquiteturas diferentes? Existem duas alternativas para esta implementação: Interpretação t e Tradução. Adriano Mauro Cansian 43

44 Interpretação Nesta solução, as ações indicadas pelos comandos da linguagem são executadas diretamente. 1. Obter o próximo comando do programa 2. Determinar que ações devem ser executadas 3. Executar essas ações Esta seqüência é bastante semelhante àquela executada por computadores tradicionais: i i 1. Obter a próxima instrução (PC) 2. Incrementar o PC 3. Decodificar a instrução 4. Executar a instrução Adriano Mauro Cansian 44

45 Tradução (1) Também chamada genericamente de compilação. Programas escritos em linguagem de alto nível são traduzidos para versões equivalentes em linguagem de máquina antes de serem executados Essa tradução é feita em três passos: Compilação Link-edição Loader Adriano Mauro Cansian 45

46 Programa If (a>b) { printf ( A é maior ) } else { printf ( B é maior ) pgm1.c pgm1.o } pgm2.o A é maior If (a>b) { printf ( A é maior ) } else { printf ( B é maior ) } pgm2.c If (a>b) { printf ( A é maior ) } else { printf ( B é maior ) } Compilador pgm3.o Linkeditor programa.exe pgm3.c Adriano Mauro Cansian 46

47 Processamento de Dados E P S Adriano Mauro Cansian 47

48 Software Programa café + = Adriano Mauro Cansian 48

49 Até aqui vimos A representação da informação. Lógica binária i e informação digital. it Codificação de informações. As linguagens de programação Linguagem de máquina. Linguagem de alto nível. Tipos de linguagens e suas características. Compilação. Nosso próximo passo: aprender a programar. Adriano Mauro Cansian 49