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Computadores e Linguagens de Programação

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Computadores e Linguagens de Programação

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  1. Computadores e Linguagens de Programação Estrutura e funcionamento de um computador Algoritmos e Lógica da Programação

  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 01 – Computadores e Linguagens de Programação

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

  4. Unidade de aquisição e de interface com a memória primária Unidade Lógico Aritmética (ALU) Unidade de Controlo Memória Primária Registos (Registers) 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 básicode um microprocessador 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 01 – Computadores e Linguagens de Programação

  5. células N 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 endereços Componentes fundamentais Estrutura Simplificada deuma 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 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 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 01 – Computadores e Linguagens de Programação

  8. Software de Aplicação Utilizador Programador Software de Sistema Programas de Aplicação Software de Programação Interface de Comandos (Shell) Núcleo (Kernel) Hardware - Máquina Tipos e camadas de Software 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 virtuaisas quais são criadsa usando linguagens de programação 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. 01 – Computadores e Linguagens de Programação

  10. 2.1. Da Linguagem Natural à Linguagem Máquina Linguagem Natural Linguagens de Programação de “Baixo nível” (Assembly) Programa-fonte Assemblador Programa tradutor Programa-objectoou executável Linguagem máquina ou código-máquina 01 – Computadores e Linguagens de Programação

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

  12. 2.1. Da Linguagem Natural à Linguagem Máquina Linguagem Natural 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-objectoou executável Linguagem máquina ou código-máquina 01 – Computadores e Linguagens de Programação

  13. 2.1. Da Linguagem Natural à Linguagem Máquina Linguagem Natural Linguagens de Programação de “Baixo nível” (Assembly) de “Alto Nível” (Pascal, C, C++, Java, ...) Programa-fonte Programa-fonte Linker - liga programas objecto - Reutilização Assemblador Programa tradutor Programa tradutor Compilador Linker Programa-objecto Programa-objecto Programa-objecto Linguagem máquina 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) • ..... 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 emgerações em função das características que ofereciam, considerando-se que linguagens com caracrterísticas semelhantes pertencem à mesma geração 01 – Computadores e Linguagens de Programação

  16. Linguagens Orientadaspor Objectos Linguagens estruturadas,4GL Complexidade do SW Primeiras linguagens Linguagens máquina, assembly 1970 1980 1990 1960 2000 2.3. A evolução das Linguagens de Programação 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) 01 – Computadores e Linguagens de Programação

  18. Fortran Cobol 2.3. A evolução das Linguagens de Programação Primeiras Linguagens Algol Linguagens Estruturadas Simula Pascal C Linguagens percursorasOO Smalltalk LinguagensOO Objective C Módula-2 C ++ Ada Eiffel OO Pascal Actor Java C # 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 • ..... 01 – Computadores e Linguagens de Programação

  20. 3. A Lógica da Programação • Enfoque: Programação Estruturada • Os Algoritmos • permitem-nos partirdos 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 01 – Computadores e Linguagens de Programação

  21. Análise do Problema Formulação de um Algoritmo Tradução do algoritmo numprograma-fonte Tradução do programa-fontepara código-máquina Revisão do Texto Detecção deerros de escrita Detecção deerros de lógica sim Revisão do algoritmo não Testes de verificação lógica sim não Programa Terminado 3.1. Fases tipicas na elaboração de um programa 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 01 – Computadores e Linguagens de Programação

  23. 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 médiaSENÃOo preço está abaixo da média 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. 01 – Computadores e Linguagens de Programação

  25. x x+1 Escreve x Inicio X>5 Caso x Rotina x Fluxogramas 01 – Computadores e Linguagens de Programação

  26. Inicio Ler valor 1 Ler valor 2 Valor 1 > Valor2 EscreverValor 1 é maior Fim Fluxogramas Valor 1 > Valor2 Não Não Sim EscreverValor 2 é maior EscreverValores iguais 01 – Computadores e Linguagens de Programação

  27. 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 01 – Computadores e Linguagens de Programação

  28. 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”) SENÃO Escrever (“valores iguais”) Fim 01 – Computadores e Linguagens de Programação

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

  33. 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) 01 – Computadores e Linguagens de Programação

  34. Identificadores de variáveis Conteúdo das variáveis Nome Ana Endereços de memória Conteúdo dascélulas Morada Coimbra Ana 1001 1002 Telefone 6000 Coimbra 1003 1004 6000 1005 1006 Variáveis: identificadores e endereços de memória 01 – Computadores e Linguagens de Programação

  35. Tipos de Dados Simples Estruturados Dinâmicos Ficheiros Matrizes Ponteiros Registos Ordinais Conjuntos Predefinidos Definidos peloutilizador Ficheiros Inteiros/Reais Enumerados Caracteres Subconjuntos Booleanos Tipos de dados 01 – Computadores e Linguagens de Programação

  36. Simples Ficheiros Ordinais Predefinidos Definidos peloutilizador Inteiros/Reais Enumerados Caracteres Subconjuntos Booleanos Tipos de dados 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 10-123 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’ 01 – Computadores e Linguagens de Programação

  37. Estruturados Matrizes Registos Conjuntos Ficheiros 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 01 – Computadores e Linguagens de Programação

  38. 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 01 – Computadores e Linguagens de Programação

  39. 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, .... 01 – Computadores e Linguagens de Programação