Informática I. Hélio Marques Sobrinho

(1)

Informática I

Hélio Marques Sobrinho

(2)

Informática I 2

Informática I - Programa

1. Introdução e Histórico

História da computação

Funcionamento básico de um computador digital

Linguagens de programação

Sistemas de numeração

Representação de dados no computador

2. Noções de Lógica e Álgebra de Boole

Noções de lógica matemática

Princípio da dualidade

Álgebra de Boole

3. Algoritmos e Programação

Representação e Tipos de dados

Estruturas de controle básicas

Noções de abstração de dados

Noções de abstração de controle

Desenvolvimento de algoriitmos

(3)

Informática I 3

Informática – definição

Ciência da informação

●

ciência da computação

●

teoria da informação

●

processo de cálculo

●

análise numérica

●

métodos teóricos de representação do conhecimento

●

modedlangem dos problemas

Origem da palavra

●

1957 – Karl Steinbuch, Alemanha

“Informatik: Automatische informationsverarbeitung”

Informática: Processamento automático da informação

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Informática I 4

Histórico da Computação

Necessidade de sistema de numeração

Associação de posses a pedras

Aumento das posses

=> símbolos para representar certa quantidade

Escrita cuneiforme

Babilônios e Assírios há mais de 5000 anos

Stonehenge, UK, 2600 a 1799AC

Primeiro computador ?

Ábacos : 300 AC

(5)

Informática I 5

John Napier (logaritmos)

1617 - Máquina de multiplicar através de cilindros

Blaise Pascal

1642 – Máquina de somar e subtrair usando engrenagens

Willhelm Leibniz

1673 – Projeto de máquina para multiplicar usando somas sucessivas

Construida somente em 1694

Basile Bouchon

1728 – Tear mecânico com folha giratória de papel perfurado

Joseph Jacquard

(6)

Informática I 6

Charles Babbage

1812 – Máquina de cálculos de tabelas matemáticas 1859 – Máquina diferencial

W. S. Burroughs

1890 – Máquina com teclado para somar e imprimir

Herman Holerith

1890 – Máquina tabuladora com cartões de papel perfurado Censo dos EUA

(7)

Informática I 7

Howard Aiken

1937 – Mark I: Cálculos integrais e diferenciais

Alan Turing

1943 – Colossus 1800 válvulas

(8)

Informática I 8

John von Neumann

1946 – ENIAC

Electronic Numeric Integrator and Calculator 18800 válvulas

30 ton

3 salas totalizando 72m2

1948 – EDVAC

Electronic Discrete Variable Automatic Computer

IBM – International Business Machines

1960 – IBM System/360

Marco histórico dos mainframes Padrões:

Byte de 8 bits

CPU com micro código

DEC – Digital Equipment Corporation

1970 – PDP – Programmed Data Processor Minicomputador

Influenciou a criação dos primeiros microcomputadores Origem do UNIX - PDP-7

(9)

Informática I 9 Intel 1972 – Altair – processador 8080 Microcomputadores de 8 bits CP/M-80 1979 – 8086 e 8088 Microcomputadores de 16 bits IBM PC/DOS 1983 – 80286 IBM PC/AT 1985 – 80386 Arquitetura i386 Proteção de memória Paginação e Segmentação

Sistemas multiprogramados e multiusuários Unix em microcomputadors !

1992 – Pentium 1997 – Pentium II 1999 – Pentium III 2000 – Pentium IV 2002 – Xeon 2005 – Dual core 2008– Quad core 2008/20098 – i7 2010 - i5

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Informática I 10

Evolução do software

Computadores mecânicos e eletromecânicos Computadores analógicos

alteração do hardware

Computadores eletrônicos - digitais Computadores programáveis

single job

monitores / batch

sistemas operacionais monousuário/monoprogramáveis sistemas operacionais monousuário/multiprogramáveis sistemas operacionais multiusuários

sistemas multiprocessados sistemas distribuídos clusters e grids Virtualização software simulação hardware emulação

(11)

Informática I 11

Sistemas de Numeração

Motivação:

Associação de posses a pedras Aumento das posses

Números cuneiformes: Babilônia

Notação posicional base 60 3400 BC

Base 10

3200 BC

O zero – número 0 36 BC

(12)

Informática I 12

Notação Posicional

Conceitos

Quantidade : Q

Representação numérica : N em uma base β, usando símbolos para valores de 0 a β-1 N_β = ... DCBA.abcd..._β

Q = ... Dβ3_{+ Cβ}2_+Bβ1_+Aβ0_{+ aβ}-1_+bβ-2_+cβ-3_{+ dβ}-4_{+ ...}

Os símbolos { ..., D, C, B, A, a, b. c, d, ... } representam quantidades de 0 a β–1 Exemplo:

A quantidade “cento e vinte e três” é representada na base 10 por: N₁₀ = 123₁₀→ Q = 1*102_{+ 2*10}1_{+ 1*10}0_{= 123}

10 (cento e vinte e três unidades).

Se fizermos os cálculos de Q em outra base, obteremos o número N nesta base. Exemplo: N₄ → Q = 1*222_{+ 2*22}1_{+ 3*22}0_{= 1210 + 110 + 3 = 1323}

4

(13)

Informática I 13

Simplificações

Conversão de números na base 10 para base β

Seja Q representado por N na base 10.

1. Divida N por β, o quer produz um quociente Q₀ e um resto R₀ 2. Divida o quociente Q₀ por β produzindo Q₁ e R₁

3. Continue o processo de divisão até que o quociente Q_i seja 0. Isto é Q_i-1 < β.

4. O número na base β será R_iR_i-1R_i-2...R₁R₀

Conversão de números da base β para a base βn

Cada dígito do número na base βn_{será representado por n dígitos na base β}

Exemplos:

354₈ = 011101100₂ 4FB9₁₆= 10332321₄

(14)

Informática I 14

Simplificações

Parte fracionária: f = 0.abcd...

1. Multiplique f por β produzindo X₀.yzkw...

2. Peque a parte fracionária 0.yzkw... e multiplique por β produzindo X₁.mnop...

3. Repita até que o resultado seja 0 ou o número de dígitos seja satisfatório. O resultado será N _β= 0.X₀X₁X₂X₃... Exemplo: 0.175₁₀ => Y₂ 0.175 * 2 = 0.35 0.35 * 2 = 0.7 0.7 * 2 = 1.4 0.4 * 2 = 0.8 0.8 * 2 = 1.6 0.6 * 2 = 1.2 0.2 * 2 = 0.4 0.4 * 2 = 0.8 0.8 * 2 = 1.6 0.6 * 2 = 1.2 ... Repetição “dízima periódica” Y₂ = 0.0010110011001100...

(15)

Informática I 15

Representação de dados em um computador digital

Números no mundo real

Naturais ℕ 0 + ε=1 Inteiros ℤ - + ε=1 ℝ - + Reais ε0

Computador digital: N bits

...

N-1 0

(16)

Informática I 16 Números Naturais

N bits : números de 0 a 2N-1

Números inteiros

1. Sinal magnitude

1 bit de sinal e N-1 bits para a magnitude. [ -127 ... -0, +0 ... +127 ] Exemplo com 8 bits : +10₁₀ = 00001010

-10₁₀ = 10001010 2. Complemento de 1

Positivos  N, Negativos  N [ -127 ... -0, +0 ... +127 ] Exemplo com 8 bits : +10₁₀ = 00001010

-10₁₀ = 11110101 3. Complemento de 2

Positivos  N, Negativos  N + 1 [ -128 ... 0 ... +127 ] Exemplo com 8 bits : +10₁₀ = 00001010

(17)

Informática I 17 Números de ponto flutuante

Valor +/- A.bcdef... x 10k

Normalização: +/- 0.xyzkw... x 2E

N-1 0

S _... ...

1 bit e bits m bits

mantissa expoente

sinal

Faixa de valores

definidos pelo expoente e bits

Precisão

definida pela mantissa m bits

N = 1 + e + m

Expoente: excesso de 2e-1 _{- 1}

(18)

Informática I 18

Formatos padrão de representação de ponto flutuante - IEEE

Números de 32 bits

1 bit para o sinal

8 bits para o expoente, excesso de 127 (-126 a +127) 23 bits para a mantissa

1 bit para o sinal

 : todos os bits do expoente = 1, todos os bits da mantissa = 0

(19)

Informática I 19

Caracteres

Códigos numéricos para símbolos gráficos

A B C a b c 1 2 3 4 . , $ # ( { @ } _ = | < > / \ ق ش ز җ Ể ╙ ╛ ╜ ☻ ♀ ☼ ♠ ♣ ♥ ♦ ♪ ♫ ₤ ₧

H e l i o M a r q u e s

Alguns códigos de caracteres

ASCII American Standard Code for Information Interchange (ANSI) 7 ou 8 bits

EBCDIC Extended Binary Coded Decimal Interchange Code (IBM) 8 bits

Unicode

UTF Unicode Transformation Format 8 (utf8) ou 16 (utf16) bits

ISO/IEC

ISO-8859-1 ISO Latin-1 8 bits

Strings (cadeias de caracteres)

(20)

Informática I 20

Linguagens humana

●

Complexa

●

Ambígua

Linguagens de programação

●

Especializadas ou de uso geral

●

Alto nível

●

Algoritmicas e não algoritmicas

●

Baixo nível

●

Instruções, microinstruções

●

Linguagens de montagem

ISA – Instruction Set Architecture

●

Linguagem de montagem

Linguagens de hardware

●

Nível de lógica digital

(21)

Informática I 21

Representação de dados

Mapeamento de objetos

●

Objetos do mundo real

●

Entidades abstratas

●

Objetos do mundo computacional

●

Entidades numéricas

int

float

char

Mundo computacional

●

Limitações

●

Grandeza e Precisão (limitação de número de dígitos)

●

Problemas de representação (ex. 0.1

10

→ x

2

)

●

Entidades abstratas

(22)

Informática I 22

Resolução de um problema em um sistema de computação

Processo de desenvolvimento

Problema: Análise → Método de resolução e estruturas de dados → Algoritmo

Codificação: Linguagem de programação → Programa

Execução do programa

●

Interpretação: Um programa interpreta o fonte na linguagem diretamente

●

Tradução: O programa é traduzido para outra linguagem que pode ser

compilada ou interpretada

●

Compilação : O programa é traduzido para padrões binários correspondentes

à linguagem de montagem da família do processador utilizado

Fonte(s) em linguagem de alto nível Fonte(s) em linguagem de montagem

Compilador / Montador Linkeditor

Módulo(s)

(23)

Informática I 23

Elementos de uma linguagem de programação - exemplo “C”

● Constantes (números, caracteres e textos) ● Representação de dados

● Números Inteiros e de ponto flutuante

x ∈ ℕ x ∈ ℤ x ∈ ℝ x ∈ ℂ ● Conjunto de caracteres

● ASCII, EBCDIC, UTF-8, ISO-8859-1, … ● Variáveis

● Identificadores

● Registradores e posições de memória ● Declareções

● Mapeamento em tipos definidos pela linguagem ● Comandos

● Sequenciais

● Atribuições, expressões, chamadas de funções/procedimentos ● Interativos - entrada e saída (read, write, scanf, printf, …) ● Condicionais (if/else)

● Seleção múltiplas (switch) ● Iterativos (while, for, do, ...)

ASCII:

'A' = 41h

EBCDIC:

(24)

Informática I 24

A linguagem C

● Tipos básicos

int, unsigned int, long int, unsigned long int, float, double, char, ...

● Macros

#define identificador texto

#define identificador( argumentos ) texto

● Inclusão de arquivos

#include “arquivo” #include <arquivo>

● Declarações

tipo lista de variáveis ;

● vetores e matrizes

identificador [ tamanho ]

identificador [ tamanho ] [ tamanho ] ...

● Estruturas heterogêneas

struct { lista de declarações }

● Definição de tipo

(25)

Informática I 25

Expressões lógicas

Operadores lógicos && ||

Operadores bit a bit

& | ^ Operadores relacionais == != < > <= >= Expressões aritméticas Operadores aritméticos * / + - % Atribuições