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Computadores e Linguagens de Programação

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Apresentação em tema: "Computadores e Linguagens de Programação"— Transcrição da apresentação:

1 Computadores e Linguagens de Programação
Estrutura e funcionamento de um computador Algoritmos e Lógica da Programação António Tavares, 2001/2002

2 1. Suporte físico à Programação
Compreender O que é um programa e uma linguagem de programação Como um programa se articula com um computador Ter algumas noções básicas acerca da estrutura e do funcionamento de um computador, as quais, apesar da evolução tecnologica, mantêm-se inalteradas à mais de 30 anos António Tavares, 2001/2002 01 – Computadores e Linguagens de Programação

3 1.1. Estrutura e funcionamento de um computador
Esquema básico de um computador Computador – máquina ou cnjunto de dispositivos electrónicos capazes de processar informação Memória Secundária Unidade Central de Processamento (CPU) Memória Primária Dispositivos de Input de Output António Tavares, 2001/2002 01 – Computadores e Linguagens de Programação

4 Componentes fundamentais
CPU (Central Processing Unit) – é a componente que realiza a parte fundamental do trabalho do computador, e que consiste em processar electronicamente dados ou informação Esquema básico de um microprocessador Unidade de aquisição e de interface com a memória primária Registos (Registers) Unidade de Controlo Unidade Lógico Aritmética (ALU) Memória Primária Na memória primária ou central é armazenada informação codificada, que vai ser chamada ao processador, para este realizar as operações ou instruções contidas nessa informação A unidade de controlo envia aos outros componentes sinais de activação e sincronização das operações Os registos são pequenos circuitos de armazenamento temporário de instruções e dados António Tavares, 2001/2002 01 – Computadores e Linguagens de Programação

5 Componentes fundamentais
Estrutura Simplificada de uma Memória (RAM) O processador apenas entende os sinais eléctricos que percorrem os circuitos que o constituem Os computadores funcionam com o sistema de informação bimário (zeros e ums) BIT – inidade minima de informação com que lida um SI (pode ser 0 ou 1) Byte – agrupamento de 8 bits Todos os dados e instruções que circulam entre o processador e a memória estão sobre a forma de bits e têm significado quando resultam do agrupamento de bits (bytes) Um programa é armazenado em memória sobre a forma de uma sequência de instruções (bytes) podendo ser directamente executado pelo processador – PROGRAMA OBJECTO células endereços N 9 8 7 6 5 4 3 2 1 António Tavares, 2001/2002 01 – Computadores e Linguagens de Programação

6 Execução de um programa
Informação que entra para um sistema informático Instruções de programas Dados manipulados por esses programas Instruções e dados são armazenados temporáriamente na RAM e codificadas e executadas no processador Cada instrução é executada através de um ciclo de instrução Ciclo de Instrução – processo que consiste em fazer com que cada instrução passe da memória para o processador, para aí poder ser executada 1. Em cada instante, o processador contém num registo próprio (Instruction Pointer-IP ou Program Counter-PC) o endereço ou posição de memória onde se encontra a próxima instrução a ser executada 2. A unidade de controlo envia um sinal à memória pedindo o conteúdo da instrução que está no endereço dado por IP 3. A instrução pedida é devolvida para um outro registo do processador (Instruction Register – IR) para então ser descodificada e executada pelo António Tavares, 2001/2002 01 – Computadores e Linguagens de Programação

7 1.2. Níveis de um Sistema Informático
O Computador é um sistema que integra e articula dois tipos fundamentais de componentes: Físicos - Hardware (compon. mecânicos, electrónicos e electromecânicos) Lógicos - Software (programas = conjunto de instruções codificadas) O SW permite que a máquina física (o HW) deixe de ser apenas um emaranhado de circuitos e passe a ser um um utensílio que pode realizar tarefas complexas manuseável por pessoas O SW permite criar uma abstracção do HW (uma Máquina Virtual) O SW é ele próprio organizado em camadas, em que, camadas de nível superior são abtracções de camadas de nível inferior António Tavares, 2001/2002 01 – Computadores e Linguagens de Programação

8 Tipos e camadas de Software
Software de Aplicação Software de Sistema Programas de Aplicação Utilizador Programador Software de Programação Hardware - Máquina Interface de Comandos (Shell) Núcleo (Kernel) Sistema Operativo – actua como interface entre o HW e o utilizador ou os seus programas de aplicação Programas de aplicação - Processador de Texto; Folha de Cálculo; etc. Sobrepõem-se ao sistema operativo Um Sistema Informático pode ser visto como uma sucessão de máquinas virtuais as quais são criadsa usando linguagens de programação António Tavares, 2001/2002 01 – Computadores e Linguagens de Programação

9 2. Linguagens de Programação
Linguagem de Programação - é um sistemna de escrita formal para enunciar a execução de operações em computador tem uma terminologia ou um conjunto de termos, palavras e sinais, que assumem determinados significados (sintaxe) ou conjunto de regras que estipulam o uso correcto dos termos, para construir significados válidos (semântica) Programa - é um conjunto de frases que utilizam os termos e as regras de uma determinada linguagem de programação, com vista a concretizar determinados objectivos Algoritmo – forma ou fórmula para resolução de um determinado problema, mediante o estabelecimento de determinadas regras e procedimentos. António Tavares, 2001/2002 01 – Computadores e Linguagens de Programação

10 2.1. Da Linguagem Natural à Linguagem Máquina
Linguagens de Programação de “Baixo nível” (Assembly) Programa-fonte Assemblador Programa tradutor Programa-objecto ou executável Linguagem máquina ou código-máquina António Tavares, 2001/2002 01 – Computadores e Linguagens de Programação

11 2.1. Da Linguagem Natural à Linguagem Máquina
Programa-objecto ou executável Linguagem máquina ou código-máquina Programas tradutores Programa-fonte Compilador Interpretador Assemblador Linguagens de Programação Linguagem Natural de “Alto Nível” (Pascal, C, C++, Java, ...) de “Baixo nível” (Assembly) António Tavares, 2001/2002 01 – Computadores e Linguagens de Programação

12 2.1. Da Linguagem Natural à Linguagem Máquina
Linguagens de Programação de “Baixo nível” (Assembly) de “Alto Nível” (Pascal, C, C++, Java, ...) Programa-fonte Programa-fonte Compilador Ou tradutor Assemblador Programas tradutores Programa-objecto ou executável Linguagem máquina ou código-máquina António Tavares, 2001/2002 01 – Computadores e Linguagens de Programação

13 2.1. Da Linguagem Natural à Linguagem Máquina
Linguagens de Programação de “Baixo nível” (Assembly) de “Alto Nível” (Pascal, C, C++, Java, ...) Programa-fonte Programa-fonte Linker - liga programas objecto - Reutilização Programa tradutor Assemblador Linker Compilador Programa tradutor Programa-objecto Programa-objecto Programa-objecto Linguagem máquina António Tavares, 2001/2002 01 – Computadores e Linguagens de Programação

14 2.2. Ambientes de programação
Tipos de Ficheiros: Ficheiro de texto simples (ASCII) – informação em formato de caracteres => programa em código fonte Ficheiro binário – informação em formato binário => programa executável (em formato binário directamente executável) Ambiente de programação – apoia o programador nas tarefas habituais, desde a escrita à complicação dos programas, passando pela detecção e correcção dos erros que os programas possam conter. Ferramentas típicas: Editores Compiladores Depuradores (debbugers) Verificadores Geradores de dados para testes Linkers (ligadores) ..... António Tavares, 2001/2002 01 – Computadores e Linguagens de Programação

15 2.3. A evolução das Linguagens de Programação
Alguns aspectos que deram origem a evoluções das linguagens de programação autonomia do código fonte satisfação de necessidades sectoriais (ex. matemática) maior estruturação na abordagem dos problemas melhor manutenção maior expressividade (Inteligência Artificial) geração de código reutilização de código maior aproximação entre a linguagem natural e as linguagens de programação As linguagens foram sendo classificadas em gerações em função das características que ofereciam, considerando-se que linguagens com caracrterísticas semelhantes pertencem à mesma geração António Tavares, 2001/2002 01 – Computadores e Linguagens de Programação

16 2.3. A evolução das Linguagens de Programação
Linguagens máquina, assembly Primeiras linguagens Linguagens estruturadas, 4GL Linguagens Orientadas por Objectos 1960 1970 1980 1990 2000 Complexidade do SW António Tavares, 2001/2002 01 – Computadores e Linguagens de Programação

17 2.3. A evolução das Linguagens de Programação
Ling. 1ª geração Dependentes da máquina, ao mais baixo nível de abstracção. Codificação em Assembly Ling. 2ª geração Oferecem algum nível de abstracção e Introduzem as Bibliotecas de Software Ling. 3ª geração (Linguagens Estruturadas) Ricas em capacidades procedimentais e estrutuas de dados. Dividem-se em: General Purpose High Order Languages (Pascal, C, ...) Object Oriented Languages Ling. 4ª geração Sintaxe distinta para controlo e representação de estruturas de dados O seu elevado nível de abtracção elimina a necessidade de especificação algoritmica exaustivamente detalhada Combinam características procedimentais com não-procedimentais Query Languages e Geradores de Aplicações. Ling. 5ª geração Linguagens não-procedimentais que permitem a declaração do problema a resolver possuindo a própria linguagem mecanismos para a sua resolução Linguagens declarativas (Prolog) António Tavares, 2001/2002 01 – Computadores e Linguagens de Programação

18 2.3. A evolução das Linguagens de Programação
Fortran Cobol Primeiras Linguagens Algol Linguagens Estruturadas Simula Pascal C Linguagens percursoras OO Smalltalk Linguagens OO Objective C Módula-2 C ++ Ada Eiffel OO Pascal Actor Java C # António Tavares, 2001/2002 01 – Computadores e Linguagens de Programação

19 2.4. Paradigmas de Linguagens de Programação
Paradigma de programação define um modelo ou norma a seguir pelas linguagens de programação baseadas no paradigma Programação procedimental, sequencial, imperativa ou estrutural O programa é uma sequência de comandos ou instruções que o programador fornece ao computador e que este executa sequencialmente Programação declarativa O programador declara o conhecimento que o computador deve ter necessário à resolução do problema e como este deve proceder para atingir a solução Programação funcional Os programas baseiam-se em principios matemáticos (funções e conjuntos) Programação OO Surge como uma evolução da programação estruturada e modular Os programas são substituidos por objectos que encapsulam dados e instruções ..... António Tavares, 2001/2002 01 – Computadores e Linguagens de Programação

20 3. A Lógica da Programação
Enfoque: Programação Estruturada Os Algoritmos permitem-nos partir dos problemas e obter os programas são a forma de lidar com a complexidade natural da actividade de programação São a fase intermédia entre a compreensão do problema e a escrita do programa numa linguagem de programação Algoritmo – é uma sequência ordenada e precisa de passos, acções ou operações, que conduzem à solução de um dado problema – a sua formulação consiste na descrição de forma ordenada, com clareza e rigor, das operações que se pretendem realizar em computador para resolver um problema ou atingir determinados objectivos António Tavares, 2001/2002 01 – Computadores e Linguagens de Programação

21 3.1. Fases tipicas na elaboração de um programa
Análise do Problema Formulação de um Algoritmo Tradução do algoritmo num programa-fonte Tradução do programa-fonte para código-máquina Testes de verificação lógica Programa Terminado Detecção de erros de escrita Detecção de erros de lógica sim não Revisão do Texto Revisão do algoritmo António Tavares, 2001/2002 01 – Computadores e Linguagens de Programação

22 3.2. Entidades fundamentais da lógica de programação
Nos algoritmos destinados a programas de computador, tem de se recorrer a diversas estruturas de representação das acções ou operações a realizar Entidades fundamentais: Dados Instruções básicas Estruturas de controlo Condições ou expressões lógicas Subprogramas Um programa executa sequencialmente um conjunto de instruções básicas sobre dados São no entanto necessárias situações em que: Uma instrução tenha de ser repetida várias vezes Decidir sobre se deve ou não executar determinada instrução em função de uma determinada condição Seleccionar a acção a realizar de entre um conjunto de alternativas António Tavares, 2001/2002 01 – Computadores e Linguagens de Programação

23 01 – Computadores e Linguagens de Programação
3.3. Exemplo: Problema: É dado o preço de um terreno de forma rectangular, bem como as medidas de dois dos lados adjacentes Pretendemos saber se o seu preço por metro quadrado está acima ou abaixo da média dos preços praticados na zona (que nos é dado) Formulação do algoritmo: Táctica : decompor o problema em problemas mais simples Temos de saber: o preço do terreno; a medida do lado A (em metros); a medida do lado B (em metros); o preço médio por metro quadrado Calcular a área do terreno: área = lado A x lado B Calcular o preço por m2: preço por m2 = preço do terreno / área Comparar os preços por m2 SE preço por m2 > preço médio ENTÃO o preço está acima da média SE preço por m2 < preço médio ENTÃO o preço está abaixo ao da média SENÃO o preço está abaixo da média António Tavares, 2001/2002 01 – Computadores e Linguagens de Programação

24 3.4. Formas de representar algoritmos
Existem essencialmente duas para a programação estruturada: Fluxogramas – descrição gráfica Pseudocódigo – descrição textual que se aproxima da linguagem natural Os Fluxogramas estão em desuso, pelo que vamos optar nesta disciplina, em exclusivo, pela utilização do Pseudocódigo, e fazer um paralelo constante entre o pseudocódigo e as linguagens de programação que vamos utilizar. António Tavares, 2001/2002 01 – Computadores e Linguagens de Programação

25 Fluxogramas Simbolos Significado Exemplo Processamento em geral
Leitura/Escrita de dados Inicio/Fim de Processamento Linha de Fluxo Conector de Fluxos Decisão condicional Escolha múltipla Subprograma x x+1 Escreve x Inicio X>5 Rotina x Caso x António Tavares, 2001/2002 01 – Computadores e Linguagens de Programação

26 Fluxogramas Inicio Ler valor 1 Ler valor 2 Fim Valor 1 > Valor2
Escrever Valor 1 é maior Valor 1 > Valor2 Não Não Sim Escrever Valor 2 é maior Escrever Valores iguais António Tavares, 2001/2002 01 – Computadores e Linguagens de Programação

27 01 – Computadores e Linguagens de Programação
Pseudocódigo Código de escrita que : utiliza uma combinação de termos convencionais para indicar as instruções do programa os termos utilizados são usualmente um misto de palavras da nossa linguagem natural com palavras e notações típicas das linguagens de programação. Características: Não tem um notação standard Tem maior proximidade com as linguagens de programação permitindo diminuir o esforço gasto no desenvolvimento/codificação António Tavares, 2001/2002 01 – Computadores e Linguagens de Programação

28 01 – Computadores e Linguagens de Programação
Pseudocódigo Início Escrever (“Introduza dois valores”) Ler (valor1) Ler (valor2) SE valor 1 > valor ENTÃO Escrevrer (valor 1, “é maior”) SENÃO SE valor 1 < valor 2 ENTÃO Escrever (valor 2, “é maior”) Escrever (“valores iguais”) Fim António Tavares, 2001/2002 01 – Computadores e Linguagens de Programação

29 3.5. Ciclo de obtenção do produto final
Ciclo: Formulação, Codificação, Compilação, Depuração Situação/Problema Escrita de um programa - tradução do algoritmo em linguagem de programação Linguagens de programação Tradução do programa-fonte em linguagem-máquina Compiladores Interpretadores Programa Terminado Programa em código-máquina Formulação de um algoritmo como solução do problema Diagramas Fluxogramas Pseudocódigo Verificação e depuração do programa António Tavares, 2001/2002 01 – Computadores e Linguagens de Programação

30 3.6. A abordagem Estruturada
Linguagens de Programação Estruturadas => Abordagem Estruturada Abordagem Estruturada - abordagem sistemática da construção de SW que os princípios como: a separação das definições de dados e de programa aconcepção descendente ou “Top-Down” e refinamento progressivo => A separação das definições de dados e de programa Os programas surgem com duas partes principais bem diferenciadas: Parte declarativa: declaram-se os tipos de dados e variáveis a utilizar no corpo das instruções do programa Parte operativa: o corpo de instruções com que se pretende concretizar as operações e atingir os objectivos pretendidos António Tavares, 2001/2002 01 – Computadores e Linguagens de Programação

31 3.6. A abordagem Estruturada
=> A concepção descendente ou “Top-Down” É um método de abordagem dos problemas que se decompondo o problema original em problemas particulares, em níveis sucessivamente mais concretos até ao pormenor desejado => Refinamento Progressivo É um complemento lógico da abordagem descendente Consiste em ir concretizando, cada vez com mais detalhe, com maior exactidãoe perfeição, os passos sucessivos do projecto em questão Muito útil no desenvolvimento de pseudocódigo Abordagem Modular – apresenta semelhanças com a abordagem estruturada, consistindo na decomposição de um problema complexo nos seus componentes, aos quais se chamam módulos Os módulos são unidades com alguma autonomia, mas também relacionáveis entre si, pois podem-se integrar (ligar) num todo Reutilização de bibliotecas de módulos António Tavares, 2001/2002 01 – Computadores e Linguagens de Programação

32 4. Componentes fundamentais de um programa
Estruturação e componentes fundamentais de um programa “A estruturação de programas subdivide-se na estruturação das suas acções e na estruturação dos seus dados.A escolha destas estruturas é o problema fundamental da programação estruturada. Da escolha criteriosa destas estruturas depende que o programa seja eficaz, compreensível, robusto, modular e versátil. A sintaxe de uma linguagem define determinados construtores, de entre os quais os mais importantes são as expressões e os comandos Uma expressão é uma fórmula ou regra de computação que especifica um valor ou um resultado. Uma espressão consiste em operandos e operadores. Os operandos são constantes, variáveis, ou valores gerados por funções. Os operadores são usualmente classificados em monádicos ou unários (operam sobre um único operador) e diádicos (operam sobre dois operadores). Um comando é uma formula que especifica uma acção que o computador deve executar para produzir certo efeito” Coelho, Helder Programa = Dados + Instruções básicas + Expressões Estruturas de Controlo + Subprogramas António Tavares, 2001/2002 01 – Computadores e Linguagens de Programação

33 01 – Computadores e Linguagens de Programação
4.1. Dados Dados – constantes, variáveis e identificadores Qualquer programa opera com dados Os dados podem ser utilizados sob a forma de constantes ou de variáveis As variáveis são sempre associadas a identificadores e num dado instante apenas podem conter um determinado valor (simples ou composto) Identificadores são nomes que se atribuem a variáveis, constantes ou outros elementos com que se opera num algoritmo As variáveis pretencem sempre a um tipo de dados, o qual define o tipo de valores que a variável pode conter ao longo do tempo Variáveis versus constantes: Uma constante é um dado directo, inserido directamnete numa instrução do algoritmo Ex. Escrever (“Bem-Vindo”) e Escrever (1999) Quando os dados são ser introduzidos, processados, calculados, ..., devemos usar variáveis Ler(quantidade, preço) Total := quantidade*preço Escrever(total) António Tavares, 2001/2002 01 – Computadores e Linguagens de Programação

34 Variáveis: identificadores e endereços de memória
de variáveis Nome Morada Telefone Conteúdo das variáveis Ana Coimbra 6000 Endereços de memória Conteúdo das células Ana 6000 Coimbra 1001 1002 1005 1003 1006 1004 António Tavares, 2001/2002 01 – Computadores e Linguagens de Programação

35 Tipos de dados Tipos de Dados Simples Estruturados Dinâmicos Ordinais
Ficheiros Definidos pelo utilizador Predefinidos Enumerados Subconjuntos Inteiros/Reais Caracteres Booleanos Matrizes Registos Conjuntos Ponteiros António Tavares, 2001/2002 01 – Computadores e Linguagens de Programação

36 Tipos de dados Simples Simples
Ficheiro: Os seus valores são de um determinado tipo e estão armazenados num ficheiro (memória secundária). - Tipo pré-definido é o ficheiro de texto (String) - Existem tipos de ficheiros estruturados Inteiro: de –32xxx a 64000 Real: de xx x até xxx Caracter: Tabela ASCII Booleano: Verdadeiro ou falso Subconjunto enumerado dias-úteis = (segunda, terça, quarta, quinta, sexta) Subconjunto ordenado notas_validas = 0..20 maiúsculas = ‘A’..’Z’ Simples Ordinais Ficheiros Definidos pelo utilizador Predefinidos Enumerados Subconjuntos Inteiros/Reais Caracteres Booleanos António Tavares, 2001/2002 01 – Computadores e Linguagens de Programação

37 Tipos de dados Estruturados
São conjuntos ou estruturas que agrupam dados simples ou também outroa dados estruturados Array Matriz de variáveis todas do mesmo tipo Registo Agrupamentos de dados que podem ser de tipos diferentes Conjunto Agrupamentos de dados do mesmo tipo sem repetições Ficheiro Agrupamentos de dados do mesmo tipo num ficheiro em meória secundária Estruturados Matrizes Registos Conjuntos Ficheiros António Tavares, 2001/2002 01 – Computadores e Linguagens de Programação

38 01 – Computadores e Linguagens de Programação
4.2. Instruções básicas Instruções de escrita ou output Escrever(“O resultado é:”, resultado) Instruções de leitura ou input Ler (nome, morada, resultado) Instruções de atribuição quantidade  500 preço  1,5 nome  “Silva” resultado  preço * quantidade António Tavares, 2001/2002 01 – Computadores e Linguagens de Programação

39 01 – Computadores e Linguagens de Programação
4.3. Expressões Uma expressão é um conjunto de operandos articulados entre si por operadores Os operandos podem ser dados directos, identificadores de constantes ou variáveis. Os operadores agrupam-se em: Operadores aritméticos +, - , *, /, ... Operadores relacionais ou de comparação <, >, <=, >=, <>, = Operadores lógicos ou booleanos e, ou, negação, .... António Tavares, 2001/2002 01 – Computadores e Linguagens de Programação


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