1 Introdução à Computação 1.1 Motivação 1.1.1 Por que Computação? A Computação trata do emprego do computador em suas diversas formas como ferramenta capaz de armazenar e processar informações bem como estender nossas capacidades de comunicação. Sendo assim, podemos relacionar a importância da Computação à importância que a informação assume hoje em nossa sociedade, permitindo-nos inovar e aperfeiçoar. Além disso, a computação facilita a comunicação, vencendo barreiras geográficas. Outro ponto em que a Computação apresenta papel fundamental é na automação de tarefas, sendo algumas dessas tarefas arriscadas demais para a vida de um ser humano. É difícil hoje identificar um campo profissional ou científico em que a Computação não tenha seu papel. É possível imaginar os meios avanços nas seguintes áreas sem o emprego do computador? Educação; Pesquisas científicas; Gestão de empresas. E estas são somente algumas das inúmeras áreas beneficiadas pelo uso da computação. 1.2 A história da Computação A necessidade de realizar cálculos permeia nossa sociedade há muitos milhares de anos. Desta forma, sempre se buscou aperfeiçoar o ato de calcular por meio do emprego de ferramentas que tornassem o processo mais rápido, fácil e confiável. A ferramenta mais antiga que se tem conhecimento trata-se de uma espécie de ábaco, inventado na antiga Babilônia, em torno do ano 2.400 a.c. Era bastante rudimentar e consistia em desenhar linhas na areia e utilizar-se de rochas para realizar os cálculos. Mais tarde, os romanos também desenvolveram sua própria versão de ábaco, empregando bolinhas de mármore, chamadas de Calculos e batizaram o processo de realizar operações aritméticas por meio do ábaco de Calculare, nascendo assim a expressão calcular.
1.2.1 Séc. XII O ábaco chinês Por volta de 1.200 d.c. nascia o ábaco como o conhecemos hoje, o ábaco chinês, formado por várias hastes que sustentam contas deslizantes, utilizadas no cálculo de operações básicas como adição, subtração, multiplicação e divisão. Abaixo, uma foto de um ábaco construído nos mesmos moldes do ábaco chinês: 1.2.2 1823 A máquina de diferenças Uma máquina de diferenças trata-se de uma calculadora mecânica projetada para o cálculo de funções polinomiais, algo bastante útil para navegadores e cientistas, que poderiam utilizar-se dela para computar diversas informações, como logaritmos e funções trigonométricas, por meio de aproximações por funções polinomiais. Em 1786, J. H. Müller, um engenheiro alemão, foi o primeiro a propor o desenvolvimento de uma máquina de diferenças, entretanto não obteve êxito em conseguir o financiamento necessário. Em 1822, Charles Babbage (considerado hoje o pai da Computação) propôs o uso de uma máquina de diferenças para a computação de tabelas matemáticas e astronômicas, conseguindo em 1823 cerca de 1700 do governo britânico para o desenvolvimento desse projeto. Entretanto tal tipo de máquina mostrou-se mais difícil de desenvolver do que o previa Babbage, sendo o projeto encerrado em 1842, tendo custado cerca de 17.000 até então. Abaixo, uma imagem da máquina de diferenças de Babbage:
1.2.3 1837 A máquina analítica Em 1837, Charles Babbage propôs um computador projetado para propósito geral, uma espécie de sucessor para a máquina de diferenças. Esse computador poderia ser programado pelo operador, por meio da introdução de cartões perfurados. Trata-se de um projeto ainda mais complexo e sofisticado que incorporava unidade para processamento aritmético e fluxo de controle na forma de desvios condicionais e loops, além de integrar alguma forma de memória, sendo este considerado o primeiro projeto de uma máquina de Turing completa para um computador. Devido a inúmeros fatores, seu computador não foi completado. Algumas razões indicadas são conflitos com um dos engenheiros envolvidos e financiamento insuficiente. Abaixo, uma imagem da máquina analítica de Babbage:
1.2.4 1943 O Colossus Durante muito tempo o ENIAC foi considerado o primeiro computador digital, uma vez que os computadores Colossus foram mantidos no mais absoluto sigilo até a década de 70 não somente os projetos, mas os próprios computadores foram destruídos após a Segunda Guerra Mundial, como uma forma de ocultar tudo. Hoje, Colossus é considerado o primeiro computador digital eletrônico. O computador Colossus Mark 1 e seu sucessor, o Colossus Mark 2, foram projetados com o objetivo de ajudar os codebreakers britânicos a decifrarem mensagens alemãs encriptadas durante a Segunda Guerra Mundial. Válvulas termoiônicas eram responsáveis pelos cálculos. O primeiro Colossus Mark 1 foi concluído em 1943 e começou a operar em fevereiro de 1944. Já o Colossus Mark 2 foi concluído e passou a operar em junho de 1944. Até o fim da guerra, já haviam 10 computadores Colossus em funcionamento. 1.2.5 1946 O ENIAC O ENIAC (abreviatura de Electronic Numerical Integrator and Computer) foi o primeiro computador digital eletrônico de grande escala. Esse computador foi proposto e desenvolvido pelos cientistas norte-americanos John Eckert e John Mauchly. Começou a ser desenvolvido em 1943, durante a Segunda Guerra Mundial, com a proposta de auxiliar nos cálculos balísticos e trajetórias táticas, mas se tornou operacional somente em 1946, após a guerra. Algumas de suas características: Ausência de sistema operacional (funcionamento similar ao de uma calculadora); Operava sobre a base decimal, em vez de usar a base binária; Peso: 30 toneladas; Utilizava-se de 18.000 válvulas; Potência consumida: 200 K Watts; Área ocupada: 270 m 2 ; Capacidade de processamento: 5.000 operações por segundo ( 5KHz ). O ENIAC representou um grande avanço, sendo capaz de realizar em 30 segundos operações que antes, por meio de calculadoras manuais, levavam até 12 horas para serem realizadas. Entretanto, além de seu excessivo tamanho, peso e número de componentes, outra coisa inviabilizava sua produção e comercialização em grande escala: era muito caro. Abaixo, uma imagem do ENIAC:
A partir do ENIAC nasceram vários outros computadores, como o EDVAC, ORDVAC, SEAC e UNIVAC. Em 1955, seu peso já havia sido reduzido para 3 toneladas e o consumo para 50 K Watts, entretanto seu custo ainda era muito alto: USD 200.000,00. Uma curiosidade: o primeiro erro computacional ocorrera devido a um inseto que, atraído pelo calor, provocou um curto-circuito em uma das lâmpadas, nascendo aí um termo bastante popular para indicar a ocorrência de erros computacionais: bug. 1.2.6 1947 Invenção do transistor O primeiro transistor nasceu em 1947, criado por William Shockley, Joh Bardeen e Walter Brattain, na tentativa de desenvolver um substituto às válvulas a vácuo substituto menor e mais confiável. Transistores passaram a ser utilizados em aparelhos de rádio e televisão como substitutos das válvulas, mas somente em 1958, quanto Jack Kilby desenvolveu o primeiro circuito integrado envolvendo um transistor, três resistores e um capacitor, percebeu-se a possibilidade de desenvolvimento de circuitos mais complexos por meio de seu uso. Em 1960, nasceu o IBM 7000, o primeiro computador a utilizar transistores. 1.2.7 1954 Definição de FORTRAN
Apesar de todos os avanços, programar um computador ainda era uma tarefa muito difícil: o computador somente reconhecia código de máquina, isto é, uma linguagem própria para a sua arquitetura que exigia do programador não somente conhecer as instruções utilizadas pelo computador, mas também conhecimentos acerca de seus registradores e outras partes de sua arquitetura. Tais linguagens eram conhecidas como linguagens de baixo nível. Em 1954 nascia FORTRAN (de Formula Translator), a primeira linguagem de programação de alto nível, isto é, uma abstração que permitia a programação por meio de uma linguagem muito mais próxima da linguagem humana do que da linguagem de uma máquina. Tal linguagem representou um grande avanço e permitiu o desenvolvimento de inúmeros programas para fins comerciais. Mais tarde nasceriam outras linguagens como Pascal e Basic, que tornaram a arte da programação muito mais popular. 1.2.8 1958 invenção do circuito integrado O circuito integrado foi inventado por Jack Kilby e Robert Noyce. Apesar de o primeiro ter lançado o primeiro circuito integrado, o segundo apresentou um chip que apresentava menos problemas do que o primeiro. O próximo grande passo em se tratando de circuitos integrados seria dado na década de 70 com o surgimento dos VLSI (Very-large-scale integration), isto é, integração de circuitos em grande escala, reduzindo ainda mais o tamanho dos componentes de computadores e outros dispositivos eletrônicos. 1.2.9 1969 A ARPANET Apesar de todo o desenvolvimento tecnológico, até então havia uma habilidade da computação latente, não desenvolvida: sua capacidade de comunicação com outros computadores ou dispositivos eletrônicos. Em 1969, a agência americana ARPA iniciou um projeto com o objetivo de interligar os computadores das diversas bases militares e departamentos de pesquisa. Nascia assim a ARPANET, a mãe da Internet como conhecemos hoje. Inicialmente para fins exclusivamente militares, mais tarde passou a ser empregada também para fins acadêmicos e não tardou muito para que a mesma fosse adotada comercial e residencialmente como uma forma de comunicação entre pessoas no mundo todo. 1.3 A arquitetura de Von Neumann Os computadores como conhecemos hoje se utilizam todos de uma mesma arquitetura: a arquitetura de Von Neumann. Tal arquitetura de computador parte do
pressuposto de que qualquer máquina digital precisa de algum dispositivo com espaço suficiente para armazenamento de programas e dados a serem manipulados. A arquitetura proposta por Von Neumann apresenta quatro componentes fundamentais: Memória usada para armazenar dados e programas; Unidade de processamento (UPC) parte responsável pelo controle do fluxo de informações e realização dos cálculos. A unidade de processamento, por sua vez, pode ser decomposta nos seguintes elementos: o Unidade de controle (UC) circuito lógico responsável pelo funcionamento da máquina, controlando o fluxo de instruções; o Unidade lógico-aritmética (ULA) unidade responsável por executar as operações aritméticas; o Registradores endereços de memória onde são armazenadas informações necessárias para acesso rápido. Os principais registradores são: Instruction counter contém o endereço na memória com a próxima instrução a ser executada; Instruction register contém a próxima instrução a ser executada; Memory address register contém o endereço da posição da memória a ser lida ou escrita; Memory buffer register contém o dado a ser lido ou escrito na memória; Registradores de propósito geral usados para armazenar resultados intermediários; Dispositivos de entrada dispositivos utilizados pelo usuário para a entrada de dados; Dispositivos de saída dispositivos utilizados pelo usuário para a leitura dos dados gerados pelo computador. Abaixo, uma representação gráfica simplificada da arquitetura de Von Neumann:
1.4 Componentes de um computador Podemos definir o computador moderno como sendo formado pelos seguintes cinco componentes: CPU unidade de processamento central, responsável por todo o controle e processamento; Memória principal memória utilizada diretamente pela CPU, onde são armazenados os programas e dados enquanto são executados. O acesso à informação na mesma é muito mais rápido que na memória auxiliar, entretanto sua produção é também muito mais cara que esta. Geralmente do tipo RAM (Random Access Memory); Memória auxiliar memória utilizada para armazenar os programas e dados enquanto não são utilizados, não sendo sua finalidade o acesso direto pela CPU É representada pelos discos rígidos e demais formas de armazenamento secundário (pen drives, cartões de memória, CDs, DVDs, etc.); BIOS Basic I/O System, em português Sistema Básico de Entrada/Saída. É responsável por oferecer o suporte necessário para o acesso ao hardware bem como iniciar a carga do sistema operacional. Geralmente armazenado em memória ROM (Read Only Memory), PROM (em computadores produzidos até o início da década de 90) e Flash ROM (em computadores mais recentes); Dispositivos de entrada e saída responsáveis pela entrada e saída de dados. Também conhecidos como periféricos. Abaixo, uma imagem para melhor ilustrar os componentes de um computador: