Introdução aos Sistemas de Computadores

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

2. Apresentação da Disciplina • 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 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 Introdução aos Sistemas de Computadores

4. Representação da Informação • 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 Introdução aos Sistemas de Computadores

5. Sistema Binário 239 11101111 9×100 = 9 1×20 = 1 3×101 = 30 1×21 = 2 2×102 = 200 1×22 = 4 Sistema Decimal 239 1×23 = 8 0×24 = 0 1×25 = 32 1×26 = 64 1×27 = 128 239 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 0, 1, 10, 11, 100, 101, 110, 111, 1000, ... O valor de um número pode ser obtido através dos pesos dos seus dígitos (potências de 2) 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 ã š α И אف ι 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 (pixel→1 bit): 1→preto ; 0→branco • cores (pixel→3 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. 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: 210 bytes = 1024 bytes = 1 Kilobyte = 1 KB 220 bytes = 1024 Mbytes = 1 Megabyte = 1 MB 230 bytes = 1024 Mbytes = 1 Gigabyte = 1 GB 240 bytes = 1024 Mbytes = 1 Terabyte = 1 TB Introdução aos Sistemas de Computadores

9. endereço células 0: 01101101 1: 10101110 2: 00001111 3: 01011100 4: 10110011 ... ... 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 = 210 células são necessários 10 bits: desde a posição 010 = 000000002 à posição 1023 = 111111112. • 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. Introdução aos Sistemas de Computadores

10. Memória Principal Memória Secundária Disco Rígido Disquetes CDs DVDs ... Memória Secundária • 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). 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...) 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 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. Introdução aos Sistemas de Computadores

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

16. LDA 5001 2004: LDB 2005: 5002 2006: ADD 2007: STO 5003 2001: 5001: 0013 1049 2002: 5002: 1036 2003: 5003: 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. Introdução aos Sistemas de Computadores

17. LDA 5001 LDB 5002 2004: ADD 2005: STO 2006: 5003 2007: 2001: 2002: 2003: Linguagens de Programação • Os computadores (mais especificamente os processadores) executam programas. • Estes programas podem ser escritos em linguagens com vários graus de abstração: • 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 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 - x3/3! + x5/5! - x7/7! + x9/9! + ... 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 - x3/3! + x5/5! - x7/7! + x9/9! + ... ) escrevemos naturalmente 2*sen(x) abstraindo todo o cálculo do valor do seno de x na notação “sen(x)” 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”. 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. Introdução aos Sistemas de Computadores

21. Programa Pascal Programa Máquina Compilador (de Pascal) sqrt 5 25 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 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 Introdução aos Sistemas de Computadores

23. Folha de Cálculo Editor de Texto Browser Compilador C Bases de Dados de Operação Sistema Processador Compilador Pascal Read(file) Jogos 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. 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. 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. Introdução aos Sistemas de Computadores

26. C:\ A:\ Program Files Ficheiro_1 Ficheiro_2 Directoria ... . . . Ficheiro_3 Programa_1.exe A:\Directoria\Ficheiro_3 C:\Program Files\Programa_1.exe 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: 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. 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. 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. Introdução aos Sistemas de Computadores

30. Impressora Mainframe Discos Discos 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. Introdução aos Sistemas de Computadores

31. Impressora Mainframe Discos Discos 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. Introdução aos Sistemas de Computadores

32. PC PC “Servidor” PC PC Impressora Base de Dados 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, ...). • Salvo em organizações “grandes”, os mainframes foram substituídos por computadores menos potentes. • Estes “servidores”, mantêm serviços e periféricos comuns (bases de dados, impressoras, etc...). Introdução aos Sistemas de Computadores

33. PC PC PC PC Servidor Servidor PC PC PC PC 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. 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 Introdução aos Sistemas de Computadores

35. PC PC “Servidor” PC PC Impressora Base de Dados Redes de Computadores Introdução aos Sistemas de Computadores

36. PC PC “Servidor” PC PC Impressora Base de Dados Redes de Computadores • Servidores – Internet (Browsers e Servidores) • Correio Electrónico, Bases de Dados, • Redes Globais: Nós e “Routers” 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) Introdução aos Sistemas de Computadores