Introdução à Computação

(1)

Introdução à Computação

Prof. Msc. Antonio Carlos Souza

Aula 2

(2)

Entendendo o computador

l

Trilha:

¡

Informação

¡

Analógico x digital

¡

Representação digital de grandezas

analógicas

¡

Sistemas de numeração

(3)

¨

Os computadores manipulam

dados (sinais brutos e sem

dados

significado individual) para produzir

informa

ç

ões.

ões

¨

A conversão de dados em informações, e estas

novamente em dados, é uma parte tão fundamental em

relação ao que os computadores fazem que é preciso

saber como a conversão ocorre para compreender como o

computador funciona.

¨

Infelizmente os computadores não utilizam o nosso

sistema de numeração: o sistema DECIMAL. Por que

utilizamos esse sistema?

(4)

Dados

l

São os sinais brutos e sem significado

individual que os computadores

(5)

A informação

Letras

l

São os dados

l

Se tomadas

individualmente, eles

não nos dizem nada.

Texto

l

São as informações

l

Num arranjo em

particular, transmitem

um significado

específico às

pessoas que falam

português.

(6)

Informação

l

Exemplo

¡

Palavras

¡

Sinais visuais

(7)

O ciclo

l

Um conjunto de dados gravados, ao ser

lido torna-se uma informação, que, será

apresentada ao usuário. A informação,

para ser gravada, é “quebrada” em

pedaços menores que são os dados.

Dados

(8)

Processamento de

Informação

l

Refere-se

ao

armazenamento,

transmissão, combinação e comparação

da informação.

Processamento

Entrada

Saída

(9)

Tudo no computador

é número!

Letras

Símbolos

Sinais de

pontuação

Números

Instruções do

computador

Números

(10)

Mas e as frases que o computador

nos mostra?

(11)

As mensagens

e textos...

l

Quando você vê as letras do alfabeto na

tela de um computador, está vendo

apenas uma maneira de representar

números.

(12)

Entendendo

l

Vejamos a seguinte frase:

Eis algumas palavras

l

Observe a representação da frase no

sistema decimal:

69 105 115 32 97 123 117 105 32 97 108

103 117 109 97 115 32 102 97 108 97

(13)

l

O computador entende assim:

0100 0101 0110 1001 0111 0011

0010 0000 0110 0001 0111 0001

0111 0101 0110 1001 0010 0000

0110 0001 0111 0011 0010 0000

0111 0000 0110 1101 0110 1100

0110 1101 0111 0110 0111 0010

0110 0111 0011 0010 1110

(14)

Transformando informação

em dados

l

Nesta versão binária da frase: Eis

algumas palavras

, cada par de quatro

dígitos representa o código numérico de

um caractere. Por exemplo, 0100 0101 é

a representação de 69 na base 2, um E

em ASCII.

(15)

Entendendo o computador

l

Produzem informações que nós

entendemos. Porém eles não entendem

nada.

l

Somente reconhecem dois estados físicos

distintos, produzidos pela eletricidade,

pela polaridade magnética ou pela luz

(16)

•O computador, sendo um equipamento eletrônico, armazena e

movimenta as informações internamente sob forma eletrônica; tudo

o que faz é ser capaz de reconhecer dois estados físicos distintos,

produzidos pela eletricidade, pela polaridade magnética ou pela luz

refletida.

•O computador, por ser uma máquina eletrônica, só consegue

processar duas informações: a

presen

ç

a ou

a

ausência de energia.

ausência

•Para que a máquina pudesse representar eletricamente todos os

símbolos utilizados na linguagem humana, seriam necessários mais

de 100 diferentes valores de tensão (ou de corrente).

(17)

Tipos de grandezas

Anal

ó

gica

º contínua

Digital

º discreta

Computadores anal

ó

gicos – Trabalham com sinais

gicos

elétricos de infinitos valores de tensão e corrente.

Computadores digitais

Computadores digitais – Trabalham com dois níveis

de sinais elétricos: alto e baixo. Representam dados

por meio de um símbolo facilmente identificado (

d

í

gito).

gito

(18)

(19)

Analógico x digital

l

A generalidade das grandezas com que

nos confrontamos são de natureza

analógica (e.g. temperatura, humidade,

etc.)

l

As grandezas analógicas variam de forma

contínua, ao passo que as digitais variam

de forma discreta (como varia a altura a

que se encontra uma pessoa que sobe

uma rampa ou uma escada?)

(20)

Vantagens e desvantagens

do analógico e digital

l

Existem vantagens e desvantagens em

converter uma grandeza de analógico

para digital:

¡

Uma vantagem: simplifica o tratamento da

grandeza considerada (porquê?)

¡

Uma desvantagem: perde-se informação ao

realizar a conversão (porquê?)

(21)

Representação digital

de grandezas analógicas

l

A qualidade da representação digital

prende-se com dois factores principais:

número de níveis da representação

discreta e número de amostras

por unidade de tempo

(22)

Representação de Sons

l

Definição da Física: O som é composto por ondas

sonoras. Essas ondas são ondas mecânicas,

longitudinais e tridimensionais. Por serem longitudinais,

são ondas de pressão, e caminham no meio de

propagação através de sucessivas compressões e

rarefações das partículas do meio.

l

As ondas ao se propagarem através de um meio

elástico alcançam o ouvido causando a sensação

sonora. O aparelho auditivo humano é sensível a sons

cujas freqüências estão compreendidas na região de 20

Hz à 20 kHz .

l

Se o som é uma onda, como representar essa

informação?

(23)

Representação de Sons

A uma “velocidade” fixa a cada segundo (freqüência) vamos

amostrando esse sinal (medindo), e transformamos esses níveis em

informação numérica que é convertida em grupos de bits.

A amostragem de um sinal nada mais é que um “jogo de ligar pontos”

para representar a forma da onda do sinal.

(24)

Representação de Multimídia

• Vídeo + Áudio

Ÿ

Diversas imagens são dispostas uma após

outra em uma seqüência uniforme de tempo.

Ou seja, o mesmo princípio de um filme em

película. A estas imagens denominamos

frames. Quanto maior a disposição de frames

por segundo (FPS) mais próximo da realidade

este vídeo será.

Ÿ

Por sua vez, o áudio é incorporado e

sincronizado sua execução com os frames.

Ÿ

A codificação em bits é a mesma utilizada em

imagens e áudio. A qualidade do som e

imagem é diretamente proporcional a

quantidade de bits utilizados por frame.

(25)

REPRESENTA

Ç

ÃO DOS

DADOS NO COMPUTADOR

Imagem Analógica

Imagem Digital

(Matricial)

(Vetorial)

A

_C

B

D

A

B

D

C

227

185

152

204

245

222

148

242

227

205

178

164

117

155

187

217

235

179

151

132

115

158

198

214

219

212

199

164

214

228

164

189

228

234

205

251

241

154

134

132

138

215

246

227

155

108

71

37

(26)

ANAL

Ó

_Ó

GICO E

_{GICO E}

DIGITAL

Imagem Anal

ó

gica

(Fotografia)

Imagem Digital

(Picture

Element

)

Estabilidade do Filme

&

Exatidão Geom

é

trica do Pixel

Granula

ç

ão do Filme

&

Resolu

(27)

REPRESENTA

Ç

ÃO

DO PIXEL

EM MEM

Ó

RIA DIGITAL

8 bits = 1 byte

1 bit pode ser

“0

“

0”

”

ou “

ou

“1

1”

”

Numeração

Decimal Binária

0 0

1

2

10

3

11

4

100

5

101

6

110

7

111

8 1000

Valores dos tons de cinza:

0 = preto

255 = branco

Números entre 0 e 255 = tons de cinza

Com 8 bits na numeração binária é possível

representar 256 números: 0 a 255

(28)

Códigos

l

Dispositivos analógicos:

¡

Os dispositivos analógicos, para sinais que são

variáveis contínuas, tem como saída variáveis

contínuas.

l

Dispositivos Digitais:

¡

Para sinais de entrada que são variáveis contínuas, os

dispositivos digitais têm como saída variáveis discretas.

¡

No caso dos sistemas digitais binários, a variável de

saída assume apenas dois valores possíveis.

¡

Uma variável que assume apenas dois valores, é

designada por BIT (

unidade binária de informação

).

(29)

Códigos

l

Para representar M símbolos são

necessários N bites tal que:

¡

2 N

_{>= M.}

l

No exemplo, para representar seis

cores, são necessários pelo menos 3

bites.

l

Definir uma relação biunívoca entre

uma combinação de variáveis e uma

cor, é codificar.

l

Qualquer outra relação biunívoca que

se estabelecesse constituiria também

ela um código válido.

110 Não usado

Não usado

111 Laranja

101 Branco

100 Verde

011 Azul

010 Vermelho

001 Amarelo

000

(30)

Representação digital

de imagens

(número de pixels)

350 x 500

175 x 250

(metade)

70 x 100

(5 vezes

menos)

35 x 50

(10 vezes

menos)

(31)

Imagens

(número de bits por pixel)

2 bits

1 bits

(32)

Representação de Imagens

l

“Uma imagem vale mil palavras”?

l

Uma imagem digital é composta por diversos

(ou em alguns casos) milhares de pontos

denominados pixels.

• + Pontos estamos+ Perto da Realidade

(Resolução)

• Cada pixel possui uma determinada cor e essa

cor pode ser representada por um conjunto de

bits.

• Atualmente a resolução de uma imagem é

medida em megapixels (ou seja milhões de

pixels)

(33)

Representação de Imagens

-

Esta imagem (320x230) é composta por

cerca de 73600 pixels (0,07mega pixels)

-

Cada pixel é definido por 16 bits, ou

(34)

Representação de Imagens

1

2

3

4

5 1 – 1 bit (2 cores)

2 – 4 bits (16 cores)

3 – 6 bits (64 cores)

4 – 8 bits (256 cores)

5 – 16 bits (65536 cores)

(35)

MENOR UNIDADE DE UMA IMAGEM.

BASEADO NO MODELO

RGB

, CADA

PIXEL É COMPOSTO POR TRÊS

PONTOS.

CADA PONTO REPRESENTA UMA

TONALIDADE DAS CORES: VERMELHA

VERDE E AZUL.

(36)

PIXEL= ( PONTO R, PONTO G, PONTO B)

CADA PONTO É FORMADO POR 8 BITS,

OU SEJA, PODE REPRESENTAR 256

TONALIDADES DIFERENTES DA SUA

COR.

A COMBINAÇÃO DAS TONALIDADES

DESSAS 3 CORES PODE GERAR:

(37)

QUANTO MAIOR É O NUMERO DE

PIXELS EM UMA IMAGEM, MELHOR É

A SUA RESOLUÇÃO:

640 x 480 : 307 MIL PIXELS

800 x 600 : 480 MIL

(38)

Ø

Discretização

Vantagens dos sinais digitais

Insensibilidade ao ruído

Processamento computadorizado

De uma função contínua

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

X= g(nT)

x = f(t)

t

nT

k

(39)

Ø

Codificação Binária

BIT

- Unidade básica da representação em base bináriaa

Î

[0,1];

BYTE

– conjunto binário de 8 bits;

(40)

Ø

Codificação Binária

(cont.)

Codificação

HEXADECIMAL

- Normalmente em vez de se

representarem tobos os bits da palavra binária, faz-se uma

representação em base 16 (4 bits)

Î [0,F];

BYTE

= XX

₁₆

;

WORD

- XXXX

₁₆

;

DOUBLE WORD

- XXXX XXXX

₁₆

;

ASCII (American Standard Code for Information

Interchange)

Utilizado nos computadores para codificar os

caracteres de impressão

(é um código de 7 bits, com extensão gráfica

de 8 bits).

ASCII 30 31 41 42 61 62 3E 3F

0 1 A B a b > ?

(41)

Ø

Conversão

Designa-se assim o processo de transformação duma

grandeza de um tipo/natureza para outro.

Razões para efectuar conversões ou interfaces:

à

Grandezas de natureza diferentes;

à

Grandezas com referenciais diferentes

(4-20 mA; 0-5V, etc…)

;

à

Impedâncias de aparelhos diferentes;

Conversor

Grandeza

tipo A

Grandeza

tipo B

(42)

Ø

Conversão

(cont.)

Interface que modifica a característica dum sinal analógico,

adaptando-o a saída do emissor à entrada do receptor.

Analógica/Analógica

Normalmente, tal adaptação utiliza AmpOp’s para executar o

condicionamento de sinal necessário

(filtragem, amplificação, offset,

etc..)

VOLTÍMETRO

Sensor

analógico

4 - 20mA

Conversão

I/V

(43)

Ø

Conversão

(cont.)

A saída dum conversor D/A de N bits é dada pela equação:

V

₀

= (a

_n-1

.2

-1

+ a

_n-2

.2

-2

+ … + a

₀

.2

-n

) V

_R

Onde a

_n

Î [0,1] é uma palavra binária, sendo V

_R

a tensão de

referência.

Pode ser implementado utilizando a montagem seguinte:

Digital/Analógica [D/A]

V

_R

2R

v

_o

-+

3R

R

2R

0 _N-3

N-2

N-1

LSB

MSB

Malha R/2R

(44)

Ø

Conversão

(cont.)

Quando se pretende processar os sinais atraves de

computadores digitais, há a necessidade de os converter

em grandezas digitais com a finalidade de os poder tratar. É

pois necessária uma conversão A/D.

O processo inverso da conversão D/A pode ser utilizado

para este fim.

Analógica/Digital[A/D]

v

Comparação

-+

Contador

BINÁRIO

Conversor

N bits

binary word

v

_in

Clk

Clear

E

(45)

Ø

Conversão

(cont.)

Mesmo neste domínio é necessário converter as palavras

digitais por forma a dotá-las de características diferentes

A conversão série/paralelo e paralelo/série são exemplos a

considerar.

Digital/Digital

0

1

1 D

₀

D

₃

D

₁

D

₂

Palavra

paralela

Palavra série

0 ₁

Clk

Enable

Transições válidas

(46)

Ø

Conversão

(cont.)

Porém a utilização mais vulgar é a geração de caracteres

(normalmente denominados encoders) para utilização em

impressoras

(por exemplo)

.

R

₀

R

₁

R

₂

R

₃

R

₄

R

₅

R

₆

C

₀

C

₁

C

₂

C

₃

C

₄

BUS

selecção de linha

d

₀

d

₁

d

₂

d

₃

d

₄

d

₅

d

₆

d

7

E

n

d

e

re

ç

o

d

e

c

a

ra

c

te

re

s

(e

x

:AS

CI

I)

BUS

selecção de coluna

Gnd

+V

-V

Clk

São necessários 5

impulsos para a

impressão da letra

(47)

(48)

Como os principais códigos de representação de caracteres

utilizam grupos de 8 bits por caracter, os conceitos byte e

caractere tornam-se semelhantes, e as, palavras, quase

sinônimas. O termo caracter é mais usado para fins comerciais e

o termo byte é mais empregado na linguagem técnica de

profissionais da área. Em JAVA isso já não mais ocorre: ela

trabalha com os dois conceitos: BYTE(8bits) e

Muitas vezes é necessário utilizar outros sistemas

de numeração para facilitar a leitura. Os mais utilizados

são o decimal o octal e o hexadecimal.

Por exemplo para ler os valores dos caracteres

“A”e “a” seria muito mais fácil em decimal do que nas suas

representações internas em binário:

A >>

0100 0001 >>> 65

(49)

1024

10

512

9

256

8

128

7

64

6

32

5

16

4

8

3

4

2 S

S

í

mbolos

Bits

CAPACIDADE DE REPRESENTÇÃO

(50)

O BYTE (

BInary

TErm

)

Grupo ordenado de 8 bits, para efeito de manipulação

interna mais eficiente.

Tratado de forma individual, como unidade de

armazenamento e transferência.

Unidade de memória usada para representar um

caractere. Todas as letras, números e outros caracteres

são codificados e decodificados pelos equipamentos

através dos bytes que os representam, permitindo,

dessa forma, a comunicação entre o usuário e a

máquina.

WORD:

Podemos definir a

palavra como um conjunto de bits que representa

palavra

(51)

(Gray, BCD, ASCII, UPC)

l

Existem diversos códigos binários, criados para

responder a necessidades em diversos domínios:

¡

Gray: varia apenas um bit de cada vez

¡

BCD: facilita a entrada / saída de informação,

por representar em binário apenas os valores

decimais

¡

ASCII (American Standard Code for Information

Interchange): para representar texto

¡

UPC (Universal Product Code): para facilitar a

(52)

Principais Sistemas desenvolvidos para representar

símbolos com números binários:

EBCDIC

EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Interchange

Code – Código Ampliado de Caracteres Decimais

Codificados em Binário para o Intercâmbio de Dados).

ASCII

ASCII (American Standard Code for Information

Interchange – Código Padrão Americano para o

Intercâmbio de Informações).

UNICODE

(53)

EBCDIC

Código de 8 bits (256 símbolos).

Usado em mainframe IBM e em sistemas de médio porte,

raramente encontrado em microcomputadores.

ASCII

Padrão definido pela organização ANSI.

Código de 7 bits (128 combinações de caracteres).

No PC existe o ASCII Estendido (utiliza outros 128 códigos para

símbolos gráficos, e línguas diferentes do inglês).

UNICODE

Novo padrão para representação de dados, utiliza 2 bytes para a

representação de símbolos (mais de 65.000 símbolos).

(54)

DEL

0111 1111

ESC

0001 1011

=

0011 1101

<

0011 1100

b

0110 0010

a

0110 0001

B

0100 0010

A

0100 0001

Caractere

Bin

á

rio

Alguns Caracteres ASCII

(55)

ASCII (American Standard

Code for Inf. Interchange)

(56)

Código de Gray

l

Considere-se o uso de uma régua com

zonas transparentes e opacas, para

codificar a posição decorrente de um

deslocamento linear

l

O que poderá suceder se os emissores /

receptores de luz não estiverem

exactamente alinhados?

l

O código de Gray elimina este

problema, já que os códigos

consecutivos diferem apenas num bit

(que alterações teriam lugar no desenho

da régua?)

Emissor de luz

Receptor

(57)

BCD (Binary-Coded Decimal)

l

A entrada / saída de dados numéricos é

normalmente feita na forma decimal, para

evitar a necessidade de converter para /

de binário (e.g. considere o exemplo de

visualizarmos uma contagem binária em 8

bits)

l

O código BCD usa quatro bits para

representar os dez dígitos decimais (0 a 9)

(58)

Código de barras UPC

(Universal Product Code)

l

Este código facilita a leitura

automática (um laser distingue

barras / espaços e a sua dimensão)

l

A codificação numérica é feita da

seguinte forma:

¡

0 = 3-2-1-1; 1 = 2-2-2-1; 2 = 2-1-2-2; 3 =

1-4-1-1;

4 = 1-1-3-2; 5 = 1-2-3-1; 6 = 1-1-1-4; 7 =

1-3-1-2;

(59)

ESTUDOS DE CASO

Fazer as conversões abaixo:

1 101010111)

₂

= ??)

₁₀

1 12367)

₈

= ??)

₁₀

1 ABCDEF)

₁₆

= ??)

₁₀

1 1984)

₁₀

= ??)

₂

1 189574)

₁₀

= ??)

₈

1 48781)

₁₀

= ??)

₁₆

1 101010111)

₂

= ??)

₁₆

1 79ABF)

₁₆

= ??)

₈

(60)

Indica

ç

ões num

é

ricas dos computadores:

Bit

-

2 estados: 0 e 1

2

40 =1.099.511.627.776

1.024 GB

TB

Terabyte

2

30 =1.073.741.824

1.024 MB

GB

Gigabyte

2

20 =1.048.576

1.024 KB

MB

Megabyte

2

10 =1.024

1.024 bytes

KB

Quilobyte

(ou Kilobyte)

8 bits

B

Byte

(61)

1012 = 1.000.000.000.**

000 1.024 GB

TB

Terabyte

1024 = 1.000.000.000.**

000.000.000.000.000

1.024 ZB

YB

Yottabyte

1021 = 1.000.000.000.**

000.000.000.000 1.024 EB

ZB

Zettabyte

1018= 1.000.000.000.**

000.000.000 1.024 PB

EB

Exabyte

1015 = 1.000.000.000.**

000.000 1.024 GB

PB

Petabyte

(62)

8,3 milhões de downloads do firefox 3.0

feitos no dia do seu lançamento

83 TB

12.553 filmes em DVD

59 TB

Dados gerados em 1 dia pelo LHC, a

máquina que reproduzirá o Big Bang

41 TB

7.500 pen drives de 4 GB

30 TB

(63)

TODOS OS VÍDEOS DO YOUTUBE

530 TB

Arquivo digital com 17 milhões de livros

(a biblioteca do Congresso Americano)

136 TB

Todas as imagens feitas pelo telescópio

Hubble em 17 anos

(64)

Ø

O Hardware

Os circuitos digitais foram estudados tendo em consideração a

sua implementação em hardware

(utilização de circuitos integrados para a

construção da função desejada)

.

O hardware impõe que uma qualquer mudança na função seja

feita à custa de uma implementação diferente, o que obriga a um

novo projecto, realização e testes funcionais.

Tal método torna-se incomportável para situações de controlo

complexas ou em que se pretenda flexibilidade.

HARDWARE

(65)

Ø

O Software

Uma solução muito mais eficaz para as questões da flexibilidade

requerida é a utilização de um ambiente físico estável e fixo

(o

computador)

e efectuar a sua programação via software.

Permite a definição de procedimentos específicos por intermédio

de instruções sequenciais

(os programas)

que impõem o

funcionamento adequado do hadrware às necessidades

específicas da função a implementar.

Tem a vantagem de permitir modificações rápidas e a custo

reduzido, já que apenas os testes funcionais são necessários.

SOFTWARE

(66)

Ø

Processadores

UNIDADE

CONTROLO

ALU

REGISTOS

CPU

MEM

RAM

ROM

(firmware)

DISCO

IMPRES-SORA

DISPOSITIVOS

I/O

BUS

(67)

Ø

Processadores

(cont.)

Fluxo de dados (

a máquina de Van Neuman típica)

ALU

A

B

A ou B

A + B

A

B

MEMÓRIA

ACUMULADORES

REGISTO de SAÍDA

(68)

Ø

Processadores

(cont.)

Linguagens

Código Máquina

Assembly

B

Algol

Basic

Pascal

Fortran

C

Basic

C

…

Mathlab

ADA

Espresso

...

Baixo nível

Alto nível

Visuais

Ambientais

Tempo real

(69)

Ramalho, M.A. “Instrumentação e Electrónica”, AEIST, Lisboa, 2001.

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