Algoritmos (introdução) André Tavares da Silva atavares@joinville.udesc.br
Roteiro Evolução do computador (breve histórico) Tipos de computadores Arquitetura de um computador Programação conceito iniciais Algoritmos Linguagens de programação Representação de dados (introdução)
Evolução do computador Ábaco / Soroban Atribui-se a Blaise Pascal (1623-1662) a construção da primeira calculadora mecânica capaz de fazer somas e subtrações.
Evolução do computador TEAR PROGRAMÁVEL Em 1801, Joseph Marie Jacquard inventou um tear mecânico dotado de uma leitora de cartões perfurados, os quais representavam os desenhos do tecido - portanto um processador das informações relativas à padronagem do tecido (e desemprego).
Evolução do computador CALCULADOR ANALÍTICO Charles Babbage (1792-1871) concebeu um Computador Analítico dotado de um dispositivo a que chamou de MOINHO. HOLLERITH Herman Hollerith (1860-1929) também se inspirou nos cartões de Jacquard para criar uma máquina para acumular e classificar informações - a Tabuladora de Censo. Aplicação: processamento dos dados do censo.
Evolução do computador COLOSSUS 1943 - Alan Turing (Bletchley Park, Inglaterra) Primeiro computador eletrônico programável; aplicação: criptografia; e quebra de códigos.
Evolução do computador HARVARD MARK I 1944 - Howard Aiken (Universidade de Harvard - EUA) Primeiro computador eletromecânico automático de grande porte ENIAC - Eletronic Numerical Integrator and Calculator 1946 - John Mauchly e J. Presper Eckert (Ballistic Research Lab, University of Pennsylvania, EUA) Primeiro computador eletrônico digital de grande porte Características: decimal (operava na base dez, não binário) Aplicação: cálculo balístico.
Evolução do computador TRANSISTOR 1947 - Universidade de Stanford (EUA) Inventado o primeiro dispositivo eletrônico de estado sólido. UNIVAC I 1949 - Mauchly and Eckert Computer Corporation, depois UNIVAC, depois Unisys Primeiro computador eletrônico disponível comercialmente. Aplicação: Processamento das eleições.
Evolução do computador IBM 701 1953 - IBM Corporation Primeiro computador eletrônico digital IBM. CIRCUITO INTEGRADO 1961 - Fairchild Corporation Primeiro circuito integrado disponível comercialmente. INTEL 4004 1971 - Intel Corporation Primeiro microprocessador disponível comercialmente.
Evolução do computador APPLE II 1976 - Steve Jobs e Steve Wozniak (Apple Corp.) Primeiro microcomputador pessoal a ter sucesso comercial. IBM PC 1981 - IBM Corp (Boca Raton, FL, EUA) Primeiro microcomputador pessoal IBM; arquitetura aberta; um imenso sucesso comercial.
Tipos de Computadores Mainframes Conhecidos nos anos setenta. Eram computadores de grandes empresas, realizando grandes tarefas e ocupando espaços formidáveis, como salas inteiras. Servidores São computadores capazes de servir diversas máquinas ao mesmo tempo. Possibilitaram empresas difundirem a utilização do computador entre seus funcionários e setores.
Tipos de Computadores Workstation / Estação de Trabalho São muito utilizados por pessoas ou empresas que necessitam de um computador veloz e capaz de realizar muito trabalho ao mesmo tempo. PC O Computador Pessoal é o responsável pelo sucesso da informática entre as pessoas e empresas atualmente. Realiza as principais tarefas rotineiras e as mais avançadas.
Tipos de Computadores Notebook / Laptop São computadores portáteis, cabem em uma pasta e são importantes para o trabalho de campo de um serviço ou a movimentação dos seus dados, pois podemos levá-lo a qualquer lugar. Tablet Extremamente portáteis, geralmente sem teclado (diferente dos touchpads) e usado para tarefas simples, como navegação na Internet.
Tipos de Computadores Palmtops Assim com os tablets, começaram a ganhar força ultimamente principalmente por causa dos smatphones. Cabem na palma da mão e realizam muitas tarefas.
Hardware e Software O termo Computador é utilizado hoje em dia para nos referirmos a um conjunto de componentes que, juntos, formam a máquina que conhecemos. Hardware: é a parte mecânica e física da máquina, com seus componentes eletrônicos e peças. Software: são conjuntos de procedimentos básicos que fazem que o computador seja útil executando alguma função. A essas ordens preestabelecidas chamamos também de programas.
Arquitetura de um Computador A arquitetura básica de um computador moderno segue ainda de forma geral os conceitos estabelecidos pelo Professor da Universidade de Princeton, John Von Neumann (1903-1957). Ele propôs construir computadores que: 1.Codificassem instruções que pudessem ser armazenadas na memória e sugeriu que usassem cadeias de uns e zeros (binário) para codificá-los ; 2.Armazenassem na memória as instruções e todas as informações que fossem necessárias para a execução da tarefa desejada; 3.Ao processarem o programa, as instruções fossem buscadas diretamente na memória.
Arquitetura de um Computador
Arquitetura de um Computador Memória Principal: tem por finalidade armazenar toda a informação que é manipulada pelo computador - programas e dados. Para que um programa possa ser manipulado pela máquina, ele primeiro precisa estar armazenado na memória principal.
Arquitetura de um Computador Unidade Central de Processamento (UCP / CPU): é a responsável pelo processamento e execução de programas armazenados na Memória Principal. Possui: a) Unidade Lógica e Aritmética (ULA) - responsável pela realização das operações lógicas (E, OU, etc) e aritméticas (somar, etc). b) Unidade de Controle (UC) - envia sinais de controle para toda a máquina, de forma que todos os circuitos e dispositivos funcionem adequadamente e sincronizados.
Arquitetura de um Computador Memória Secundária: memórias chamadas de memórias de armazenamento em massa, para armazenamento permanente de dados. Não podem ser endereçadas diretamente, a informação precisa ser carregada em memória principal antes de poder ser tratada pelo processador. Não são estritamente necessárias para a operação do computador. Exemplos? Tipos?
Arquitetura de um Computador Periféricos: são dispositivos de entrada e saída de dados do computador. Exemplos?
Programação - Conceitos Algoritmo é uma sequência finita de instruções bem definidas e não ambíguas, cada uma das quais pode ser executada mecanicamente num período de tempo finito e com uma quantidade de esforço finita. Linguagem é o conjunto de regras e símbolos, contendo um vocabulário com o objetivo de produzir comunicação entre duas partes (normalmente pessoas).
Programação - Conceitos Linguagem de programação é destinada a permitir a comunicação entre o homem e o computador. É uma linguagem formal, utilizando termos que se aproximam da Linguagem humana, que pode ser traduzida por programas especiais em linguagem de máquina. Linguagem de máquina é a que o computador entende, cujo "alfabeto" é composto apenas de 1's e 0's (linguagem binária).
Conceito de Algoritmo Um algoritmo pode ser definido como uma sequência finita de passos (instruções) para resolver um determinado problema. Sempre que desenvolvemos um algoritmo estamos estabelecendo um padrão de comportamento que deverá ser seguido (uma norma de execução de ações) para alcançar o resultado de um problema.
Origem da palavra Algoritmo A palavra algoritmo tem origem no sobrenome, Al- Khwarizmi, do matemático persa do século IX Mohamed ben Musa (Abū Abd Allāh Muhammad ibn Mūsā al-khwārizmī), cujas obras foram traduzidas no ocidente cristão no século XII, tendo uma delas recebido o nome Algorithmi de numero indorum, sobre os algoritmos usando o sistema de numeração decimal (indiano). Outros autores, entretanto, defendem a origem da palavra em Algoreten (raiz - conceito que se pode aplicar aos cálculos).
Requisitos para criação de algoritmos Para o desenvolvimento de um algoritmo eficiente é necessário obedecermos algumas premissas básicas no momento de sua construção: Definir ações simples e sem ambiguidade; Organizar as ações de forma ordenada Estabelecer as ações dentro de uma sequência finita de passos.
O que é possível fazer? Os algoritmos são capazes de realizar tarefas como: 1. Ler e escrever dados; 2. Avaliar expressões algébricas, relacionais e lógicas; 3. Tomar decisões com base nos resultados das expressões avaliadas; 4. Repetir um conjunto de ações de acordo com uma condição;
Exemplo: Trocar o pneu de um carro 1. Desligar o carro 2. Pegar as ferramentas (chave e macaco) 3. Pegar o estepe 4. Suspender o carro com o macaco 5. Desenroscar os 4 parafusos do pneu furado 6. Colocar o estepe 7. Enroscar os 4 parafusos 8. Baixar o carro com o macaco 9. Guardar as ferramentas
Exercícios Descreva como descobrir a moeda falsa em um grupo de cinco moedas, fazendo uso de uma balança mecânica, sabendo que a moeda falsa é mais leve que as outras. Descubra qual o menor número de pesagens possível. Idem à anterior, porém a moeda falsa é mais pesada. Muda alguma coisa? Idem ao primeiro exercício, porém com nove moedas.
Exercícios Têm-se três garrafas, com formatos diferentes, uma cheia até a boca com capacidade de 8 litros e as outras duas vazias com capacidades de cinco e três litros, respectivamente. Deseja-se separar o conteúdo da primeira garrafa em duas quantidades iguais. Elabore uma rotina que consiga realizar a tarefa, sem que se possa fazer medidas. Um tijolo pesa um quilo mais meio tijolo. Quantos quilos pesam um tijolo e meio?
Partes de um Algoritmo Um algortimo quando programado num computador é constituído pelo menos das 3 partes, sendo elas: 1. Entrada de dados; 2. Processamento de dados; 3. Saída de dados; Na parte de entrada, são fornecidas as informações necessárias para que o algoritmo possa ser executado. Estas informações podem ser fornecidas no momento em que o programa está sendo executado ou podem estar embutidas dentro do mesmo.
Partes básicas de um Algoritmo
Representações Fluxograma Pseudocódigo Outros diagramas (ER, UML,...)
Fluxograma Os fluxogramas são uma apresentação do algoritmo em formato gráfico. Cada ação ou situação é representada por uma caixa. Tomadas de decisões são indicadas por caixas especiais, possibilitando ao fluxo de ações tomar caminhos distintos.
Exemplo
Fluxograma O início e o fim do algoritmo são marcados com uma figura elíptica; as ações a serem executadas estão em retângulos; sendo que as estruturas de controle condicionais estão em losangos e indicam duas possibilidades de prosseguimento do algoritmo, uma para o caso da expressão avaliada (condição) ser verdadeira e outra para o caso de ser falsa.
Pseudocódigo O pseudocódigo é uma maneira intermediária entre a linguagem natural e uma linguagem de programação de representar um algoritmo. Ela utiliza um conjunto restrito de palavras-chave, em geral na língua nativa do programador, que tem equivalentes nas linguagens de programação.
Pseudocódigo Além disso, o pseudocódigo não requer toda a rigidez sintática necessária numa linguagem de programação, permitindo que o aprendiz se detenha na lógica do algoritmos e não no formalismo da sua representação. Na medida em que se obtém mais familiaridade com os algoritmos, então o pseudocódigo pode ser traduzido para uma linguagem de programação.
Linguagem Natural A linguagem natural é a maneira como expressamos nosso raciocínio e trocamos informação. Como é a expressão da cultura de uma sociedade, desenvolvida através das gerações e em diferentes situações, raramente constitui um sistema de regras rígidas que possa ser implementada numa máquina ou que possa ser transcrita logicamente.
Linguagem de Máquina Ao contrário dos seres humanos, as máquinas (dentre elas os computadores) são projetados para executar tarefas bem determinadas a partir de determinadas instruções. O computador é somente capaz de realizar estritamente as tarefas que lhe forem delegadas e que façam parte do conjunto daquelas ações que ele pode executar.
Linguagem de Máquina Além do fato de o computador necessitar que lhe instruam com ações bem específicas, estas ações devem ser passadas para o computador numa linguagem que ele possa entendê-las, chamada linguagem de máquina. Esta linguagem é composta somente por números, representados de forma binária, que, sob o ponto de vista do computador, representam as operações e os operandos que serão usados no processamento do programa. Para um ser humano, a linguagem de máquina é dificílima de se compreender.
Linguagem de Máquina 000000 00001 00010 00110 00000 100000 100011 00011 01000 00000 00001 000100 000010 00000 00000 00000 10000 000000
Linguagem de Programação Para facilitar a tarefa de programar um computador, foram criadas várias linguagens de programação. Estas linguagens são um maneira de tentar escrever as tarefas que o computador vai realizar de maneira mais parecida com a linguagem natural. Um programa escrito em uma linguagem de programação é mais fácil de ser implementado, compreendido e modificado, se comparado à linguagem de máquina.
Linguagens de Programação As linguagens de programação são um meio termo entre a linguagem de máquina e a linguagem natural. Por isso são classificadas de acordo com o nível entre a linguagem natural ou de máquina. As linguagens muito parecidas com linguagem de máquina são chamadas de linguagens de baixo nível e suas instruções parecemse muito com aquelas que serão executadas pelo processador (Ex.: Assembly). As linguagens de alto nível são as que guardam mais semelhanças com a linguagem natural (Ex.: Pascal, Java, Perl, Python).
Linguagem de Programação Como o processador não pode executar o código numa linguagem de programação, esta deve ser traduzida em código de máquina antes de ser executada. Para isso precisamos de ferramentas como montadores, interpretadores e compiladores.
Linguagem de Programação Montadores (assemblers): é um tradutor para a linguagem de montagem (Assembly) de um computador em particular. Geralmente uma instrução de linguagem simbólica (de montagem) para uma instrução de máquina. Compiladores: são tradutores que mapeiam programas escritos em linguagem de alto nível para programas equivalentes em linguagem simbólica ou de máquina.
Linguagem de Programação Por vezes um compilador irá gerar uma linguagem de montagem como sua linguagem alvo e, em seguida, contar com um montador para concluir a tradução para o código executável (instrução de máquina). Interpretadores: é um tradutor de linguagens, assim como um compilador. A diferença é que o interpretador executa o programa fonte de imediato, em vez de gerar um código executável que seja executado após o término da tradução (Ex. VisuAlg).
Representação de Dados Para que seja possível armazenar e manipular dados no computador é necessário representá-los internamente de alguma forma. Nós seres humanos, representamos nossos números usando um sistema que chamamos de sistema decimal (ou sistema na base 10).
Representação de Dados Nos caso dos computadores digitais, a notação que é utilizada possui apenas 2 algarismos ou dígitos para representar uma quantidade desejada, 0 e 1. Esse sistema de representação é chamado de sistema binário (ou sistema na base 2) e utiliza a noção de ligado/desligado, ou verdadeiro/falso, ou 0/1.
Representação de Dados Pelo fato de um número precisar de muitos algarismos para ser expresso no sistema binário, outras formas de representação auxiliares também são utilizadas nos computadores, como por exemplo a representação pelo sistema hexadecimal (ou sistema na base 16) que utiliza 16 dígitos (0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F), e a representação no sistema octal (ou sistema na base 8) que utiliza 8 dígitos (0 1 2 3 4 6 7).
Tipos Primitivos Os dados em um computador devem ser armazenados de acordo com o tipo de informação que se deseja representar e com o tipo de operação que será realizada com eles. A representação correta e adequada de uma informação permite otimizar os recursos computacionais disponíveis, além de acelerar o processamento.
Tipos Primitivos Os tipos de dados mais comuns encontrados na maioria das linguagens de programação são: Inteiro: são os números pertencentes ao conjunto dos inteiros, isto é, que não possuem parte fracionária. Ex.: 2, 27, -32, 0. Real: são os números pertencentes ao conjunto dos Reais, isto é, que podem possuir parte fracionária. Também são chamados de ponto flutuante devido à maneira como o computador os armazena. Ex.: 5.0, 2.12, 3.5, 3.1515692.
Tipos Primitivos Caractere: são os valores pertencentes ao conjunto de todos os caracteres numéricos (0...9), alfabéticos (a...z,a...z) e especiais (! @ # $ % * ~ = ç...). Esse conjunto também é conhecido como conjunto de caracteres alfanuméricos. Os caracteres alfanuméricos são armazenados internamente no computador na forma numérica (binária) utilizando o padrão ASCII.
Tipos Primitivos Cadeia de caractere (string): um conjunto de caracteres para formar palavras e outros tipos de informações textuais. Ex.: "João da Silva", "Rua Porto Alegre", "Cidade de Joinville". Nestes exemplos, as aspas duplas (") são usadas para indicar o início e o fim das cadeias de caracteres, porém não fazem parte da informação contida nas mesmas. É importante ressaltar que o espaço em branco entre as palavras também é um caractere.
Tipos Primitivos Lógico: é utilizado para representar informações que só podem assumir dois valores, o valor verdadeiro (V) ou o valor falso (F). Estes valores também podem ser entendidos como: ligado/desligado, 1/0, alto/baixo, fechado/aberto, etc.
Constantes e Variáveis Dentro de um algoritmo podemos encontrar basicamente duas classes diferentes de dados, os dados constantes e os variáveis. Um dado é uma constante quando seu valor não se altera ao longo do tempo em que o algoritmo é executado, ou seja, permanece o mesmo desde o início até o final da execução. Já um dado que pode ter seu valor alterado durante a execução do programa é tido como uma variável.
Manipulação de Dados Para que os dados sejam manipulados no computador, é necessário que estes estejam associados a um nome - um identificador. Sendo assim, toda vez que se deseja acessar uma determinada informação utilizamos o seu identificador para recuperamos o conteúdo que está localizado dentro da memória.
Identificador A nomeação dos identificadores deve obedecer a algumas regras, sendo elas: 1. Sempre começar com um caractere alfabético ou sublinhado (_); 2. Pode ser seguido por um ou mais caracteres alfanuméricos; 3. Não conter caracteres especiais nem espaços com exceção do sublinhado. 4. Não é permitido utilizar palavras reservadas (palavras próprias da linguagem de programação, como os comandos, tipos de variáveis, etc).
Identificador - exemplos Exemplos de identificadores válidos: telefone, _nome, num_clientes, ftqqfis. Exemplos de identificadores inválidos: (ee), nome@udesc.br, 123abc, :p
Identificadores Ao nomearmos os identificadores dos nossos dados é conveniente usarmos palavras mnemônicas, ou seja, palavras que nos façam lembrar o caráter do conteúdo armazenado. Isso facilita a leitura do código programado e possibilita uma melhor documentação do mesmo. Por exemplo, ao armazenarmos o nome completo, a idade e a quantidade de filhos de uma pessoa, é mais prático e coerente usarmos os identificadores nome_sobrenome, idade e NumFilhos do que usarmos nomes aleatórios como X, Y, Z.