1.1. Organização de um Sistema Computacional

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1 1. INTRODUÇÃO 1.1. Organização de um Sistema Computacional Desde a antiguidade, o homem vem desenvolvendo dispositivos elétricoeletrônicos (hardware) que funciona com base em instruções e que são capazes de tratar automaticamente informações e processar dados de acordo com um programa (software). Atualmente esses dispositivos são chamados de sistemas computacionais (desktop, notebook, Smartphone, Smart TV, etc.) e são compostos basicamente por três elementos básicos como: aplicativos/usuário, sistema operacional e hardware, conforme é apresentado na Figura 1. Cada elemento de um sistema computacional trabalha em conjunto para gerar as informações que são essenciais para qualquer ambiente do setor produtivos (indústria, comércio, serviços e agricultura) e doméstico. Figura 1: Elementos Básicos de um Sistema Computacional Nos sistemas computacionais modernos os aplicativos/usuários tem uma função muito bem definida, onde o objetivo é dar instruções que serão executadas pelo sistema operacional. E sem esse elemento os sistemas computacionais seriam apenas um conjunto de componentes eletrônicos. Já o sistema operacional (SO) é um software específico que trabalha como intermediário entre os aplicativos/usuários e o hardware, fornecendo um ambiente com um conjunto de ferramentas necessárias para que um sistema computacional possa ser utilizado de forma adequada. O SO é responsável pelo gerenciamento de todos os dispositivos encontrados como: processador, memória, discos, dispositivos de entrada e saída, entre outros dispositivos. O hardware é toda parte física do sistema computacional. Ou seja, todos os componentes como: monitor, teclado, mouse, CPU, HD e outros são chamados de hardware.

2 Desta forma, podemos dizer que a finalidade principal de um sistema computacional é realizar a tarefa de processamento de dados. Ou seja, receber, manipular e armazenar informações (resultados). A Figura 2 apresenta de uma forma simplificada, os fluxos de um sistema de processamento de dados. Figura 2: Fluxo de um sistema de processamento de dados Segundo Alan Turing um sistema de processamento de dados precisa de um programa (software) para poder processar os dados de entrada (operações sobre os dados iniciais) para gerar as informações na saída (resultado da manipulação). Uma visão simplificada deste modelo de sistema computacional proposto por pode Alan Turing, em 1936, pode ser vista na Figura 3. Figura 3: Modelo de processamento de dados de Alan Turing Atualmente os sistemas computacionais modernos são capazes de executar tarefas, resolver problemas e tomar decisões lógicas em velocidade milhões e até bilhões de vezes mais rápidas do que qualquer ser humano. Podendo executar centenas de milhões de adições por segundos. Para pensar Como você saberia se o sistema computacional somou os números corretamente?

3 Um sistema computacional é constituído basicamente por seis unidades lógicas: unidade de entrada, unidade de saída, unidade central de processamento, unidade lógica aritmética, memória principal e memória secundária, como mostra a Figura 4. Figura 4: Organização básica de um sistema computacional A unidade de entrada é utilizada pelo sistema computacional para receber instruções ou dados externos que serão processados, ou seja, permite que o usuário interaja com o sistema através de dispositivos de entrada como: teclado, mouse, etc. Já a unidade de saída é usada para exibir os resultados do processamento em dispositivos de saída como: monitor, impressora, etc. A unidade central de processamento (CPU) é responsável por todo o processamento e também por gerenciar o sistema como um todo, incluindo as memórias e as unidades de entrada e saída. E a unidade lógica aritmética (ULA) é responsável pelos cálculos matemáticos. Nos sistemas computacionais modernos a ULA fica localizada dentro da CPU, mais existem alguns sistemas computacionais que tem a ULA separada da CPU e é chamada de coprocessador matemático. Já a memória principal é usada pela CPU para armazenar instruções e informações enquanto o sistema está ligado. Essa memória também é conhecida como memória RAM (Random Access Memory). E a memória secundária é utilizada pelo sistema para armazenar instruções e informações por prazo indeterminado. Em geral esse tipo de memória tem capacidade de armazenamento bem maior do que a memória RAM, mas apresenta um acesso lento (HD, disquetes, fitas magnéticas, etc) Introdução à Programação Como já foi apresentado neste capítulo, um sistema computacional necessita de um ou vários programas para funcionar corretamente. Nesses programas

4 são escritas as instruções necessárias para que o sistema computacional possa gerar corretamente os resultados (informação de saída). Essas instruções, que também podem ser chamadas de tarefa especifica, precisam ser escritas em uma linguagem que o sistema possa entender. Para pensar Os humanos se comunicam basicamente através de duas linguagens: a linguagem falada e escrita. Qual a linguagem compreendida pelos sistemas computacionais? Essas linguagens são chamadas de linguagens de programação, e existem várias linguagens de programação. Algumas são diretamente compreensíveis pelos sistemas computacionais e outras que precisam ser traduzidas durante um passo intermediário. E as linguagens de programação podem ser divididas em três tipos: linguagem de máquina, linguagem simbólica e linguagem de alto nível. A linguagem de máquina consiste em sequências de bits (binary digit), ou seja, sequências de dígitos 0 (zero) e 1 (um) que instruem o sistema a executar suas operações mais elementares. Essas linguagens são dependentes do sistema, ou seja, a linguagem só pode ser utilizada em sistemas computacionais idênticos. Por isso a linguagem de máquina é conhecida como a linguagem natural de um sistema computacional. Como se pode ver no Exemplo 1, a linguagem de máquina é uma linguagem incômoda para os humanos. Exemplo 1: Exemplo de um programa em linguagem de máquina 1 4C C F E C0 2E E5 83 E4 F0 A medida que os sistemas computacionais foram evoluindo e se tornando populares, percebeu-se que a linguagem de máquina era lenta, tediosa e sujeita a erros. Então os programadores sugeriram utilizar abreviações (do inglês) para representar as operações elementares dos sistemas computacionais. Surgindo assim as linguagens simbólicas. No Exemplo 2 se pode ver que os códigos da linguagem simbólica são mais claros para os humanos, onde o programador facilmente verifica que o programa soma dois números e armazena o valor em soma. Exemplo 2: Exemplo de um programa em linguagem simbólica 1 load numero1 2 Add numero2 3 store soma

5 Curiosidade Um programa escrito em linguagem simbólica necessita de um montador (assemblers) de linguagem de máquina para ser entendido por um sistema computacional. Por isso a linguagem simbólica é chamada de linguagem assembly. Com o advento da linguagem assembly o uso dos sistemas computacionais aumentou, mas mesmo assim os programadores precisavam conhecer muitas das instruções do sistema para realizar até mesmo a tarefa mais simples. Então para acelerar o processo de programação os cientistas da computação desenvolveram as linguagens de alto nível. Com a linguagem de alto nível os programadores podem escrever instruções que parecem com a linguagem cotidiana (inglês). O Exemplo 3 mostra um programa, escrito em linguagem de alto nível, que somar dois números e armazena o resultado em soma. Exemplo 3: Exemplo de um programa em linguagem de alto nível 1 Soma = numero1 + numero2 Curiosidade O programa que convertem programas de linguagem de alto nível em linguagem de máquina é chamado de compilador. Por isso que todo programa escrito em linguagem de alto nível precisa ser compilado e toda linguagem tem um compilador Desenvolvimento de um Programa Para se desenvolver um programa que resolva um determinado problema é necessário encontrar uma sequência lógica das instruções que resultam na solução do problema. Por isso o desenvolvimento de um programa precisa das seguintes etapas: análise, algoritmo e codificação. Durante a etapa de análise estuda-se o enunciado do problema para definir os dados de entrada, o processamento e os dados de saída. O algoritmo é a ferramenta utilizada para descrever a solução do problema. O algoritmo pode ser dos seguintes tipos: descrição narrativa, fluxograma ou pseudocódigo. A codificação é a etapa onde o algoritmo é transcrito para uma linguagem de programação. Então um programa nada, mas é que a codificação de um algoritmo em uma determinada linguagem de programação.

6 Algoritmo Um algoritmo é uma sequência de passo-a-passo que descreve como uma tarefa deve ser realizada. Na ciência da computação todos os procedimentos computacionais são chamados de algoritmo. Definição Algoritmo é uma sequência bem definida de procedimentos computacionais (passos) que levam uma entrada a se transformar em uma saída. (CORMEN et al., 1991) Definição Algoritmo é uma sequência de passos que visa atingir um objetivo bem definido. (FORBELLONE, 1999) Definição Algoritmo é uma sequência finita de instruções ou operações cuja execução, em tempo finito, resolve um problema computacional, qualquer que seja sua instância. (SALVETTI, 1999) O papel fundamental do algoritmo é fazer o elo entre o mundo real (humano) e o computacional. A Figura 5 apresenta o fluxo básico do desenvolvimento de um programa, onde se ver que a atividade de programação tem início com a construção do algoritmo. Figura 5: Fluxo básico do desenvolvimento de um programa

7 Curiosidade Algoritmo é a resposta para a seguinte pergunta: Qual o método que será utilizado para resolver este problema computacional? Descrição narrativa O algoritmo do tipo descrição narrativa consiste em escrever em linguagem natural (português), o passo-a-passo para resolver um problema. Vantagem Não é necessário aprender nenhum conceito ou linguagem nova, visto que a linguagem natural já é conhecida. Desvantagem Dificulta a transcrição para uma linguagem de programação. Porque a linguagem natural abre espaço para várias interpretações. O Exemplo 4 mostra um algoritmo em descrição narrativa que multiplica dois números. Exemplo 4: Algoritmo em descrição narrativa que multiplica dois números 1 Recebe dois números, que serão multiplicados. 2 Multiplicam os dois números 3 Mostra o resultado obtido na multiplicação Fluxograma O algoritmo em fluxograma utiliza símbolos gráficos predefinidos para escrever o passo-a-passo a ser seguido para resolver um problema computacional. Esse tipo de algoritmo é um dos mais utilizados, pois o fluxograma se trata de um padrão mundial. A Tabela 1 apresenta alguns dos símbolos utilizados em algoritmos do tipo fluxograma.

8 Tabela 1: Conjunto de símbolos utilizados no fluxograma Símbolo Descrição Símbolo utilizado para indicar o início e o fim do algoritmo. Permite indicar o sentido do fluxo de dados. Serve exclusivamente para conectar os símbolos ou blocos. Símbolo utilizado para indicar cálculos e atribuições de valores. Símbolo utilizado para representar a entrada de dados. Símbolo utilizado para representar a saída de dados. Símbolo que indica que deve ser tomada uma decisão, indicando a possibilidade de desvios. Vantagem É muito mais fácil entender os elementos gráficos (símbolos) do que entender as palavras. Desvantagem É necessário aprender a simbologia dos fluxogramas. O algoritmo não apresenta muitos detalhes, e, além disso, a transcrição para uma linguagem de programação se complica à medida que o algoritmo cresce. O Exemplo 5 mostra um algoritmo em fluxograma que calcula a média aritmética entre quatro notas (P1, P2, P3 e P4) de um aluno e mostra a situação desse aluno, que pode ser aprovado ou reprovado.

9 Exemplo 5: Algoritmo em fluxograma que calcula a média e mostra a situação Pseudocódigo No algoritmo do tipo pseudocódigo o passo-a-passo para resolver um problema é escrito de uma forma estruturada e obedecendo algumas regras predefinidas. Curiosidade O Portugol é pseudocódigo escrito em português estruturado, e é bastante utilizado no ensino de lógica de programação e algoritmo. Vantagem A tradução do algoritmo para qualquer linguagem de programação é quase imediata, bastando conhecer a estrutura e as regras da linguagem de programação que será utilizada. Desvantagem Precisa aprender as regras e a estrutura do pseudocódigo. O Exemplo 6 apresenta um algoritmo em portugol que calcula a média de quatro notas e mostra a situação do aluno.

10 Exemplo 6: Portugol que calcula a média e mostra a situação 1 algoritmo calculo_media 2 Variáveis 3 P1, P2, P3, P4, média: real 4 Inicio 5 escreva( Digite as quatro notas 6 leia(p1,p2,p3,p4) 7 Média (P1+P2+P3+P4)/4 8 escreva( Média =, média) 9 se (média 7) então 10 Inicio 11 escreva( Aprovado ) 12 Fim 13 Senão 14 Inicio 15 escreva( Reprovado ) 16 Fim 17 Fim Portugol A estrutura do portugol pode variar um pouco de acordo com as preferências pessoais ou da linguagem de programação utilizada, mas essas variações ocorrem apenas na sintaxe, pois a semântica deve ser exatamente a mesma. Curiosidade A sintaxe de uma linguagem de programação é um conjunto de regras que define como o programa deve ser escrito. Curiosidade A semântica de uma linguagem de programação corresponde à descrição do significado das instruções sintáticas válidas de uma linguagem. As regras do português estruturado utilizadas no portugol têm como objetivo torna-lo compatível com a maioria das linguagens de programação, facilitando assim a sua implementação