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António Tavares, 2001/2002 Acetato 1
Algoritmos Sistemas de Informação para a Gestão 1ºano2001/2002 Diurno e Nocturno 1ª semestre
[AAZ95]
Azul, Artur Augusto, Técnicas e Linguagens de Programação,
Porto Editora 1995 (pgs 8 - 73)
Computadores e Linguagens de Programação
Estrutura e funcionamento de um computador
Algoritmos e Lógica da Programação
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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
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1.1. Estrutura e funcionamento de um computador
Computador – máquina ou cnjunto de dispositivos electrónicos capazes de processar informação
Memória Secundária
Unidade Central de Processamento
(CPU)
Memória Primária
Dispositivosde Input
Dispositivosde Output
Esquema básico de um computador
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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
Unidade de aquisição e deinterface com a memória primária
Registos (Registers)
Unidade de Controlo
Unidade Lógico
Aritmética (ALU)
MemóriaPrimária
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
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Estrutura Simplificada deuma Memória (RAM)
Componentes fundamentais
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
ende
reço
s N9876543210
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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
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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
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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
Software de Aplicação
Software de Sistema
Programas de Aplicação
Utilizador Programador
Software de Programação
Hardware - Máquina
Interface de Comandos (Shell)
Núcleo (Kernel)
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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.
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2.1. Da Linguagem Natural à Linguagem Máquina
Programa-objectoou executável
Linguagem máquina ou código-máquina
Programa tradutor
Programa-fonte
Assemblador
Linguagens de Programação
Linguagem Natural
de “Baixo nível”(Assembly)
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2.1. Da Linguagem Natural à Linguagem Máquina
Programa-objectoou executável
Programa-objectoou executável
Linguagem máquina ou código-máquina
Programas tradutores
Programa-fonte Programa-fonte
Compilador InterpretadorAssemblador
Linguagens de Programação
Linguagem Natural
de “Alto Nível”(Pascal, C, C++, Java, ...)
de “Baixo nível”(Assembly)
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2.1. Da Linguagem Natural à Linguagem Máquina
Programa-objectoou executável
Linguagem máquina ou código-máquina
Programas tradutores
Programa-fonte Programa-fonteCompiladorOu tradutor
Assemblador
Linguagens de Programação
Linguagem Natural
de “Alto Nível”(Pascal, C, C++, Java, ...)
de “Baixo nível”(Assembly)
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2.1. Da Linguagem Natural à Linguagem Máquina
Programa-objectoPrograma-objecto
Linguagem máquina
Programa tradutor
Programa-fonte Programa-fonte
CompiladorAssemblador
Linguagens de Programação
Linguagem Natural
de “Alto Nível”(Pascal, C, C++, Java, ...)
de “Baixo nível”(Assembly)
Programa-objecto
Programa tradutor Linker
Linker - liga programas objecto - Reutilização
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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)
– .....
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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
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2.3. A evolução das Linguagens de Programação
Linguagens máquina,assembly
Primeiras linguagens
Linguagens estruturadas,4GL
Linguagens Orientadaspor Objectos
1960 1970 1980 1990 2000
Com
plexidade do SW
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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)
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2.3. A evolução das Linguagens de Programação
Smalltalk
Simula
C Pascal
Módula-2
Ada
OO Pascal
Objective C
C #
C ++
JavaActor
Eiffel
Fortran Cobol
Algol
Primeiras Linguagens
Linguagens Estruturadas
Linguagens percursorasOO
LinguagensOO
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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
.....
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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
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3.1. Fases tipicas na elaboração de um programa
Análise do Problema
Formulação de um Algoritmo
Tradução do algoritmo numprograma-fonte
Tradução do programa-fontepara código-máquina
Testes de verificação lógica
Programa Terminado
Detecção deerros de escrita
Detecção deerros de lógica
sim
não
sim
não
Rev
isã
o d
o T
exto
Rev
isã
o d
o a
lgor
itmo
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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
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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
1. 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
2. Calcular a área do terreno: área = lado A x lado B
3. Calcular o preço por m2: preço por m2 = preço do terreno / área
4. 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
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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.
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Fluxogramas
Simbolos Significado Exemplo
Processamento em geral
Leitura/Escritade dados
Inicio/Fimde Processamento
Linha de Fluxo
Conector de Fluxos
Decisão condicional
Escolha múltipla
Subprograma
x x+1
Escreve x
Inicio
X>5
Rotina x
Caso x
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Fluxogramas
EscreverValores iguais
Inicio
Fim
Ler valor 1
Ler valor 2
Valor 1 > Valor2
EscreverValor 1 é maior
Valor 1 > Valor2
EscreverValor 2 é maior
Não
Sim
Não
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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
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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
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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 doprograma-fonte em linguagem-máquina
CompiladoresInterpretadores
Programa Terminado
Programa em código-máquina
Formulação de um algoritmo como
solução do problemaDiagramas
FluxogramasPseudocódigo
Verificação e depuração do
programa
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3.6. A abordagem Estruturada
Linguagens de Programação Estruturadas => Abordagem Estruturada
Abordagem Estruturada - abordagem sistemática da construção de SW que os princípios como:
1. a separação das definições de dados e de programa
2. aconcepção descendente ou “Top-Down”
3. 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
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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
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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
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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)
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Variáveis: identificadores e endereços de memória
Identificadoresde variáveis
Nome
Morada
Telefone
Conteúdodas variáveis
Ana
Coimbra
6000
Endereçosde memória
Conteúdo dascélulas
Ana
6000
Coimbra
1001
1002
1005
1003
1006
1004
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Tipos de dados
Tipos de Dados
Simples Estruturados Dinâmicos
Ordinais
Ficheiros
Definidos peloutilizador
Predefinidos
Enumerados
Subconjuntos
Inteiros/Reais
Caracteres
Booleanos
Matrizes
Registos
Conjuntos
Ficheiros
Ponteiros
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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’
Simples
Ordinais
Ficheiros
Definidos peloutilizador
Predefinidos
Enumerados
Subconjuntos
Inteiros/Reais
Caracteres
Booleanos
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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
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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
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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 booleanose, ou, negação, ....