3 de Março de 2005 Introdução aos Sistemas de Computadores 1 Pedro Barahona DI/FCT/UNL Março 2004.

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1 3 de Março de 2005 Introdução aos Sistemas de Computadores 1 Pedro Barahona DI/FCT/UNL Março 2004

2 3 de Março de 2005 Introdução aos Sistemas de Computadores 2 Objectivos / Programa –Introdução aos Sistemas de Computadores –Introdução à Algoritmia –Familiarização com uma linguagem imperativa (Octave/MATLAB) –Aplicação a problemas de engenharia –Introdução à programação reactiva (folha de cálculo) Responsável: –Pedro Barahona ( pb@di.fct.unl.pt /ssdi.di.fct.unl.pt/~pb) Assistentes: –Susana Nascimento, Jorge Cruz (PCE), Joaquim Ferreira da Silva, Marco Correia, Alexandre Pinto, Miguel Maurício Apresentação da Disciplina

3 3 de Março de 2005 Introdução aos Sistemas de Computadores 3 Avaliação Componente Prática (em grupos de 2): Mini-teste de Octave (31 Março / 1 Abril) 1º Trabalho de Octave (18 Abril – 29 Abril) 2º Trabalho de Octave (11 Maio – 23 Maio) Mini-teste de Excel (9 Junho) Frequência Nota Prática >= 9.5 Presenças > 18 Aulas Práticas (de 24+ previstas) Exame: Individual, nas datas oficiais da FCT Nota Final: 25 % Nota Prática + 75% Nota Exame

4 3 de Março de 2005 Introdução aos Sistemas de Computadores 4 Os computadores são máquinas que permitem manipulação de símbolos (números, texto, imagem, som,...). No entanto, todos estes símbolos podem ser obtidos a partir de símbolos binários 0/1 ou bits (binary digit), mais fáceis de armazenar e manipular electronicamente (on-off). Assim toda a informação pode ser considerada como um conjunto ordenado (sequência) de bits cujo valor simbólico depende do contexto. O contexto (por exemplo, o tipo do ficheiro) deverá determinar –Qual o tipo de informação representada –Qual o código utilizado Representação da Informação

5 3 de Março de 2005 Introdução aos Sistemas de Computadores 5 Sistema Decimal 239 9×10 0 = 9 3×10 1 = 30 2×10 2 = 200 239 Sistema Binário 11101111 1×2 0 = 1 1×2 1 = 2 1×2 2 = 4 239 1×2 3 = 8 0×2 4 = 0 1×2 5 = 32 1×2 6 = 64 1×2 7 = 128 0, 1, 10, 11, 100, 101, 110, 111, 1000,... Representação de Valores Numéricos Por existirem apenas dois dígitos binários, os números são representados em código binário. Neste código a sequência de números inteiros é escrita naturalmente como O valor de um número pode ser obtido através dos pesos dos seus dígitos (potências de 2)

6 3 de Março de 2005 Introdução aos Sistemas de Computadores 6 Representação de Texto Cada símbolo é normalmente representado por 1 byte de acordo com o código ASCII (American Standard Code for Information Interchange), ou de outros mais sofisticados, com dois ou mais bytes, para permitir alfabetos não latinos ãšαИאفι

7 3 de Março de 2005 Introdução aos Sistemas de Computadores 7 Representação de Imagens Na representação por mapa de bits (bit map) uma imagem é uma (muito) longa sequência de bits representando de pontos (pixel – picture element) : –preto e branco (pixel1 bit): 1preto ; 0branco –cores (pixel3 bytes): vermelho+verde+azul (RGB) Os mapas de bits ocupam muito espaço pelo que se usam frequentemente técnicas de compressão (ex: GIF e JPEG). Uma desvantagem adicional é a dificuldade de aumentar ou diminuir as imagens. Em técnicas de vectores, a imagem é representada como um conjunto de linhas e curvas deixando os detalhes do seu desenho para a componente que produz a imagem (monitor, impressora), permitindo obter mais facilmente ampliações e reduções.

8 3 de Março de 2005 Introdução aos Sistemas de Computadores 8 Armazenamento de Informação Num computador a informação (programas e dados) é guardada em memória, principal ou secundária (Discos Rígidos, Diskettes, CD/DVD, Flash disks,...). A memória principal é organizada numa sequência de células (palavras), cada uma com um tamanho de 1 ou mais bytes (8 bits) e que pode ser acedida individualmente especificando o seu endereço (RAM random access memory). O número de células da memória principal é geralmente muito grande ( 500 MB), e expressa-se em potências de 2: 2 10 bytes= 1024 bytes= 1 Kilobyte= 1 KB 2 20 bytes= 1024 Mbytes= 1 Megabyte= 1 MB 2 30 bytes= 1024 Mbytes= 1 Gigabyte= 1 GB 2 40 bytes= 1024 Mbytes= 1 Terabyte= 1 TB

9 3 de Março de 2005 Introdução aos Sistemas de Computadores 9 Armazenamento de Informação As células de memória têm um endereço que é especificado por um número de bits igual ao expoente da potência de 2 utilizada. Por exemplo, para endereçar 1024 = 2 10 células são necessários 10 bits: desde a posição 0 10 = 0000 0000 2 à posição 1023 = 1111 1111 2. 0: 1: 2: 3: 4: endereço 01101101 10101110 00001111 01011100 10110011 células... A memória principal pode ser considerada uma longa sequência de bits, permitindo representações com um tamanho arbitrário de bits. Por exemplo, uma sequência de 32 bits pode ser representada por 4 células consecutivas.

10 3 de Março de 2005 Introdução aos Sistemas de Computadores 10 Memória Secundária Memória Principal Memória Secundária Disco Rígido Disquetes CDs DVDs... A memória secundária complementa a memória principal, de forma não volátil (não se apaga quando se desliga o computador): –mais espaço de armazenamento (p.ex: DVD 4 GB); –possibilidade de separação física da máquina.. A maior desvantagem destes sistemas relativamente à memória principal é a velocidade de acesso (usa meios mecânicos muito mais lentos).

11 3 de Março de 2005 Introdução aos Sistemas de Computadores 11 Arquitectura Básica de um Computador CPU (Central Processing Unit) –Lê instruções –Executa insruções Memória –Guarda Dados –Guarda Instruções Dispositivos de Entrada/Saída –Teclado, rato, placa gráfica, placa de som, discos rígido, diskettes, flash disks, impressoras, placa de rede,...) –Permite a comunicação com o exterior (utilizador, periféricos, outros computadores...)

12 3 de Março de 2005 Introdução aos Sistemas de Computadores 12 Arquitectura Básica de um Computador Vias de Comunicação (Buses) Ligam os vários componentes –Address Bus Comunica o endereço da memória ou I/O a ser lida/escrita –Data Bus Transmite os dados entre o CPU, a memória e o I/O –Control Bus Escolhe memória ou I/O Escolhe leitura ou escrita

13 3 de Março de 2005 Introdução aos Sistemas de Computadores 13 CPU (Central Processing Unit) A unidade central de processamento é constituida por: –Uma unidade lógica/aritmética que contém os circuitos que executam a manipulação de dados; –Uma unidade de controle que contém os circuitos para a coordenação da actividade da máquina; –Um conjunto de registos gerais que servem para armazenar temporariamente os dados que são manipulados na CPU; –Dois registos especiais: Um contador (program counter) que contém o endereço da próxima instrução a ser executada; Um registo de instrução (instruction register) que contém a instrução que está a ser correntemente executada.

14 3 de Março de 2005 Introdução aos Sistemas de Computadores 14 CPU Esquema da Arquitectura de um Computador 1002: 5001: 5002: 5003: 2005: 2001: 2002: 2003: 2004: 2006: 2007: LDA 5001 LDB 5002 ADD STO 5003 0013 1036 1049 Address Bus Data Bus Address Register (AR) Program Counter (PC) Instruction Register (IR) Reg. A Reg. O Reg. B Arithmetic & Logic Unit

15 3 de Março de 2005 Introdução aos Sistemas de Computadores 15 Exemplo de Funcionamento Executar a (instrução de) atribuição: Z X +Y Assume-se –O dado X na posição de memória 5001 –O dado Y na posição de memória 5002 –O dado Z a ser colocado na posição de memória 5003 Programa em Assembly (Linguagem Máquina): 2001: LDA 5001(5001) (Registo A) 2003: LDB 5002(5002) (Registo B) 2004: ADD(Reg. A) + (Reg. B) (Reg. O) 2005: STO 5003(Registo O) (1003)

16 3 de Março de 2005 Introdução aos Sistemas de Computadores 16 Exemplo Ciclo Fetch-Execute das Instruções –Fetch Avançar o PC para 2001 Passar o conteúdo do PC para o AR Ler a posição apontada por AR para IR –Execute Avançar o PC para 2002 Passar o conteúdo do PC para o AR Ler a posição apontada por AR para o Reg A. 5001: 5002: 5003: 2005: 2001: 2002: 2003: 2004: 2006: 2007: LDA 5001 LDB 5002 ADD STO 5003 0013 1036 1049

17 3 de Março de 2005 Introdução aos Sistemas de Computadores 17 Linguagens de Programação Os computadores (mais especificamente os processadores) executam programas. Estes programas podem ser escritos em linguagens com vários graus de abstração: 2005: 2001: 2002: 2003: 2004: 2006: 2007: LDA 5001 LDB 5002 ADD STO 5003 –desde a linguagem ASSEMBLY (linguagem máquina com algumas mnemónicas) directamente relacionada com o funcionamento de um determinado processador –até às linguagens de alto nível (Pascal, C, Java,...), independentes do processador Z X+Y

18 3 de Março de 2005 Introdução aos Sistemas de Computadores 18 Linguagens de Programação Uma característica importante da abstração é poder abstrair um conjunto de instruções numa só instrução. Esta é naturalmente uma propriedade já conhecida da matemática, através da utilização de funções. Por exemplo, é conhecido que a soma da série truncada: x - x 3 /3! + x 5 /5! - x 7 /7! + x 9 /9! +... converge para o valor do seno de x. Assim, para denotar o valor do dobro do seno de x, em vez de escrevermos 2* (x - x 3 /3! + x 5 /5! - x 7 /7! + x 9 /9! +... ) escrevemos naturalmente 2*sen(x) abstraindo todo o cálculo do valor do seno de x na notação sen(x)

19 3 de Março de 2005 Introdução aos Sistemas de Computadores 19 Programas e Funções De uma forma geral, podemos considerar que uma função tem um valor determinado pelo valor dos seus argumentos. Função F: x f(x) De uma forma operacional, pode considerar-se uma função como um mecanismo que calcula o valor da função a partir do valor dos seu(s) parâmetro(s) de entrada. Esta noção matemática de função pode ser adaptada para o domínio da computação Programa P: input output Assim, a execução de um programa pode considerar-se como o mecanismo que determina um qualquer output a partir de um dado input.

20 3 de Março de 2005 Introdução aos Sistemas de Computadores 20 Compiladores A consideração de diferentes níveis de abstração é naturalmente extermamente útil para se entender os programas executados pelos computadores. Por exemplo, se inicialmente (anos 50) os programas eram escritos em linguagem máquina, essa situação alterou-se rapidamente por razões óbvias de eficiência de programação e manutenção de programas. Em particular, são muito importantes os programas que –recebem como input um texto correspondente a um programa escrito numa linguagem de alto nível (por exemplo C); e –produzem como output um programa escrito em linguagem máquina.

21 3 de Março de 2005 Introdução aos Sistemas de Computadores 21 Compiladores Estes programas são os chamados compiladores, naturalmente dependentes da linguagem de alto nível e da linguagem máquina pretendidas e que são comparáveis conceptualmente a funções Compilador (de Pascal) Programa Máquina Programa Pascal 25 5 sqrt

22 3 de Março de 2005 Introdução aos Sistemas de Computadores 22 Sistemas de Operação A consideração de vários níveis de abstração é útil não só para se entenderem os programas executados pelos computadores, mas também para se entender a organização e encadeamento dos vários programas utilizados. Um Sistema de Operação (Windows, UNIX, Linux, Mac OS,...) é um conjunto de programas que permitem operar um computador em alto nível. Por exemplo, em vez de se especificarem todas as instruções necessárias para ler um ficheiro chamado (texto.txt) do disco para a memória, bastará utilizar uma instrução do tipo, read(texto.txt) disponibilizada pelo sistema de operação às aplicações

23 3 de Março de 2005 Introdução aos Sistemas de Computadores 23 Aplicações Uma vez estabelecidas as primitivas disponibilizadas por um sistema de operação, vários programas de aplicação podem ser escritos de uma forma independente do computador / processador. Processador Compilador Pascal Compilador C Editor de Texto Folha de Cálculo Browser Bases de Dados Jogos Sistema Operação de Read(file)

24 3 de Março de 2005 Introdução aos Sistemas de Computadores 24 Sistemas de Operação - Shell As principais componentes de um sistema de operação são –Interface com o utilizador (shell – user interface), que interpreta as instruções dadas pelo utilizador. –O Núcleo (kernel) composto por programas de mais baixo nível, que permitem executar essas instruções. Normalmente, a shell disponibiliza uma interface gráfica (GUI – Graphical User Interface) cujos objectos (ficheiros, programas...), são representados e manipulados graficamente no monitor como ícones. Uma componente importante das interfaces gráficas é o gestor de janelas, responsável pela divisão do ecrã em espaços denominados janelas e pela sua associação com as respectivas aplicações.

25 3 de Março de 2005 Introdução aos Sistemas de Computadores 25 Sistemas de Operação - Kernel O Núcleo é composto por um conjunto de programas que executam várias funções: –Gestão de Ficheiros: Organizam os ficheiros em hierarquias, e provê instruções para a sua criação, alteração e apagamento. –Gestão de Periféricos: Disponibilizam instruções de alto nível para aceder aos dispositivos periféricos (discos, placa gráfica, placa de som, etc...) –Gestão de Memória: Organizam a memória para que as zonas de memória (programa e dados) dos vários programas concurrentes (processos) não se confundam. –Gestão de Processos: Divide o tempo entre os vários processos, interrompendo-os e retomando-os quando apropriado.

26 3 de Março de 2005 Introdução aos Sistemas de Computadores 26 Sistemas de Operação – Gestão de Ficheiros A função do Gestor de Ficheiros é a coordenação das capacidades de armazenamento da máquina. A informação é armazenada em ficheiros que normalmente são agrupados em directorias organizadas hierarquicamente: A:\ Ficheiro_1Ficheiro_2Directoria Ficheiro_3 C:\ Program Files Programa_1.exe... C:\Program Files\Programa_1.exe A:\Directoria\Ficheiro_3

27 3 de Março de 2005 Introdução aos Sistemas de Computadores 27 Sistemas de Operação – Gestão de Periféricos Os gestores de periféricos (device drivers) são as unidades de software que comunicam com os controladores dos periféricos. Cada device driver é especializado num determinado periférico (uma impressora, um disco rígido, um monitor,...). Assim, através um qualquer computador (genérico) pode ser configurado para um conjunto particular de periféricos com a instalação dos respectivos device drivers.

28 3 de Março de 2005 Introdução aos Sistemas de Computadores 28 Sistemas de Operação – Gestão de Memória O gestor de memória é responsável pela coordenação da utilização da memória principal (RAM). Vários programas e blocos de dados podem estar simultaneamente na memoria principal. Por exemplo: –Um processador de texto com vários ficheiros abertos –Uma folha de cálculo –O browser para aceder à Internet –Um gestor de correio electrónico É necessário coordenar a utilização do espaço disponível, e eventualmente, criar a ilusão de um espaço de memória maior (memória virtual) usando por exemplo espaço do disco rígido.

29 3 de Março de 2005 Introdução aos Sistemas de Computadores 29 Sistemas de Operação – Gestão de Processos Um processo é um programa em execução. Os computadores actuais possibilitam a execução de vários processos concurrentemente, isto é, o tempo de CPU é partilhado (time-sharing) pelos respectivos processos. Os gestores dos processos são componentes do sistema operativo responsáveis, pela manutenção –De uma lista dos processos em execução –Dos respectivos estados (em execução, suspenso,...) –Da prioridade dos processos. –Dos tempos de CPU atribuidos a cada processo.

30 3 de Março de 2005 Introdução aos Sistemas de Computadores 30 Sistemas Multi-Utilizadores Até aos anos 70/80 a tecnologia não permitia a construção de computadores pessoais de forma económica. Nessa altura, a arquitectura habitual de um sistema computacional era de um computador mainframe, que incluia vários periféricos comuns (discos, impressora,..) ao qual estavam ligados vários utilizadores através de terminais. Mainframe Impressora Discos

31 3 de Março de 2005 Introdução aos Sistemas de Computadores 31 Sistemas Multi-Utilizadores Nesses sistemas multi-utilizador o sistema operativo geria os vários utilizadores, dando-lhes, à vez, tempo de CPU, zonas separadas de memória, acesso concorrente aos periféricos,... Com o aparecimento nos anos 80 de computadores pessoais, houve a possibilidade de substituir os terminais individuais por esses computadores pessoais (terminais inteligentes), que permitiam executar de uma forma autónoma várias tarefas. Mainframe Impressora Discos

32 3 de Março de 2005 Introdução aos Sistemas de Computadores 32 Redes Locais de Computadores Esta mudança deu origem ao aparecimento de redes locais de computadores em que vários computadores pessoais comunicavam entre si (ficheiros, mensagens,...). PC Servidor Impressora Base de Dados Salvo em organizações grandes, os mainframes foram substituídos por computadores menos potentes. Estes servidores, mantêm serviços e periféricos comuns (bases de dados, impressoras, etc...).

33 3 de Março de 2005 Introdução aos Sistemas de Computadores 33 Redes de Computadores Por outro lado, a tecnologia de comunicações permitiu ligar os servidores em redes de computadores não locais, em que uma infraestrutura de nós intermédios garantia o encaminhamento das mensagens entre servidores e utilizadores finais. PC Servidor PC Servidor

34 3 de Março de 2005 Introdução aos Sistemas de Computadores 34 Redes Locais de Computadores As redes de computadores foram evoluindo ao longo do tempo desde a ARPANET (rede militar, com acesso a universidades) até à actual INTERNET. os utilizadores ligam-se a servidores internet (ISPs) tornando-se seus clientes e aceddendo a vários tipos de serviços através de programas aprpriados, tais como Browsers, dando acesso a páginas e outros serviços Web (suportados no protocolo HTTP) Transferência de ficheiros (protocolo FTP) Correio Electronico (por ex. Eudora, Netscape, Outlook) Voz (VoIP) por exemplo disponível no MSN Messenger

35 3 de Março de 2005 Introdução aos Sistemas de Computadores 35 Redes de Computadores PC Servidor Impressora Base de Dados

36 3 de Março de 2005 Introdução aos Sistemas de Computadores 36 Redes de Computadores Servidores – Internet (Browsers e Servidores) –Correio Electrónico, Bases de Dados, Redes Globais: Nós e Routers PC Servidor Impressora Base de Dados

37 3 de Março de 2005 Introdução aos Sistemas de Computadores 37 Arquitectura de um Computador Arquitectura – CPU, registos, memoria, buses, I/O Exemplo: C A+B PC, Fetch e Execute : vantagem da cache Memória = Dados + programa Periféricos: Disco, teclado, monitor Sistema Operativo: –gestão de memória, gestão de ficheiros, isolar processos, gestão de I/O –Placa gráfica Aplicações 1: Compiladores, Interpretadores; Aplicações 2: Processadores de texto, Folhas de Cálculo; Aplicações 3: Bases de Dados; Computação Distribuída –Protocolos de Comunicação – endereçamento, empacotamento, redes, segurança –Internet, Execução e acesso remoto (bases de dados distribuídas)