PROGRAMAÇÃO DE COMPUTADORES José Patrocínio da Silva Universidade Federal Rural do Semi-Árido Ciência da Computação 1
Introdução à Informática • Breve Histórico • Estrutura Interna do Computador • Unidade Central de Processamento • Memórias • Meios e Dispositivos de Entrada e Saída • Microcomputadores • Organização das Informações no Computador • Redes de Computadores • Software • Sistemas Operacionais • Linguagens de Programação • Redes Neurais e Algoritmos Genéticos
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Histórico Ábaco - 2600 a.C. Primeiro dispositivo manual de cálculo representando os números no sistema decimal
Japonês Chinês 3
Ábaco Especial
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Régua de Cálculo - 1650 •Criada pelo atrônomo inglês Edmund Gunter, implementada pelo Reverendo William Oughtred e aperfeiçoada pelo Prof. de Geometria Amédée Mannheim, em 1850 (França) •Possui uma régua deslizante sobre uma base fixa, com escalas logarítmicas para a realização de diversas operações •Utilizada até a década de 70
Oughtred
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Régua de Cálculo • Exemplo • 1,3 x 2 = 2,6
1,3
2,6
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Máquina arimética de Morland - 1666 • Samuel Morland (Inglaterra) • Máquina mecânica •
•
operações de soma e subtração
Em 1672 publicou “The Description and Use of Two Arithmetic Instruments”, que descrevia a máquina de Napier aperfeiçoada. 7
Calculadora de Hahn - 1779 (Philip Matthäus Hahn)
Máquina de calcular capaz de realizar somas, subtrações, multiplicações e divisões
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Augusta Ada Byron
(Condessa Ada Lovelace) 1842
: Augusta Ada Byron (Condessa de Lovelace) apresenta certos aspectos da arimética binária utilizados 100 anos depois por Von Neumann Considerada a primeira programadora da história por seus trabalhos na máquina analítica de Babbage, o qual conheceu em 1832. 9
George Boole
(Lincoln, England 02/11/1815 - 08/12/1864)
• 1854: George Boole desenvolve a teoria da Álgebra de Boole, origem da Teoria dos Circuitos Lógicos
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Máquina de Cartões Perfurados de Hollerith - 1896 Possui cartões perfurados onde foram armazenados as informações coletadas no censo e uma máquina para ler e tabular essas informações
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Fatos históricos ...continuação... 1887:
Leon Bolle constrói uma máquina de multiplicar diretamente, sem o processo de somas sucessivas 1895: Hollerith inclui na sua máquina a operação de somar para a contabilidade das Ferrovias Centrais de Nova York 1896: Hollerith funda a empresa Tabulating Machines Company, que em 1924 junto com outras empresas forma a IBM.
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Fatos históricos ...continuação... 1914: Leonardo Quevedo constrói uma máquina que simula os movimentos das peças de xadrez 1936: Alan Turing desenvolve a teoria de uma máquina capaz de resolver qualquer tipo de problema. Teve início a Teoria Matemática da Computação algoritmo representa um processo Surge a Teoria da Computabilidade
–
estudos para encontrar formas de descrição e representação de processos através de algoritmos
1937: construção do primeiro computador eletromecânico baseado em relés e engrenagens –
Calculadora Automática de Seqüência Programada, MARK I 13
MARK -I Possuia
unidades de entrada, memória principal e unidade aritmética. Utilizava cartões e fitas perfuradas como entrada Primeiro computador eletromecânico construído a funcionar 117 metros de comprimento, 2 de altura, 70 toneladas Constituído de 700.000 peças móveis, com fiação de 800.000 metros Somava dois números em menos de 1 segundo e multiplicava em 6 segundos. Trabalhava com 23 dígitos decimais
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ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Calculator) • • • • • • •
1946 a 1952: operação 18.000 válvulas 1500 relés sala de 9 x 30 m consumia 200 kWh criado por John Mauchly e Prosper Eckert em 1952 19.000 válvulas já tinham sido substituídas • operava por algumas horas e parava pela queima de cerca de 100 a 200 válvulas; ficava até uma semana em manutenção.
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O Computador ENIAC - 1945 Electronic Numerical Integrator And Calculator Primeiro computador eletrônico. Entrou em funcionamento em 1945. Utilizado pelo exército para cálculo da trajetória de projéteis através de tabelas
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ENIAC - características 1000 vezes mais rápido que o MARK - I Somava 2 números em 0,0002 s Multiplicava em 0,003 s 111 metros cúbicos 30 toneladas 17.000 válvulas a vácuo 50.000 comutadores 70.000 resistências 7.500 interruptores Consumo oscilava entre 100.000 e 200.000 watts
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Curiosidades sobre o ENIAC • Mulheres que trabalharam no projeto: – Marilyn Wescoff – Ruth Lichterman – Kay McNutty – Frances Bilas – Jean Jeannings – Betty Snyder
• Foram escolhidas porque os militares americanos achavam que os homens não tinham a paciência necessária para programar o projeto. Porém elas usavam uma sigla SP no crachá (Subprofessional) 18
Classificação dos computadores quanto à geração Geração
Ano
Elemento Ativo
Sistema Operacional
Recursos de Programação
1ª
1945
Válvula
Todo Manual
Poucos
2ª
1959
Transistor
Quase Todo Manual
Médios
1965
Circuito Integrado
Semi Manual
Bons
1972
Circuito Integrado Monolítico
1985
Circuitos VLSI, ULSI
3ª 4ª 5ª
Bastante Automatizado Quase Todo Automatizado
Ótimos Quase Inesgotáveis 19
“Se o automóvel tivesse se desenvolvido como o fizeram os computadores nos últimos 40 anos, hoje um Rolls-Royce custaria US$ 2,00, faria um milhão de Km por litro de gasolina, produziria energia suficiente para movimentar máquinas de alta potência (Big Ben) e dez deles caberiam numa cabeça de alfinete” Prof. Edward Eteinmüller (Universidade de Stanford) 20
Estrutura Interna do Computador
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Estrutura Interna do Computador
Entrada Processa mento
Saída 22
Processamento Entrada UCP
Unidade de Controle
Memória Unidade Lógica
Unidade Aritmética
Saída 23
Unidade Central de Processamento (U.C.P.)
• Unidade de Controle • Unidade Lógica • Unidade Aritmética • Memória (Principal)
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Processamento Entrada UCP
Unidade de Controle
Memória Unidade Lógica
Unidade Aritmética
Saída 25
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Unidade Aritmética
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Armazenamento (Memória)
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Memórias: Memória de Núcleos Magnéticos
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Memórias Integradas
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Memórias Integradas • RAM (Random Access Memory) – É a memória de trabalho do usuário. – É nesta memória que se pode armazenar dados e programas. – É volátil, ou seja, quando se desliga o computador seu conteúdo é perdido (apagado). – Capacidades: de 32 Mbytes a 1 Gbytes
• ROM (Read Only Memory) – É a memória onde o fabricante grava partes do sistema operacional. – Nela o usuário não pode gravar nada, somente ler. – Não é volátil, ou seja, mesmo desligando o computador, seu conteúdo não é perdido. – Capacidades: 256 Kbytes a 16 Mbytes 31
Tipos de ROM • ROM (Read Only Memory) – é gravada uma única vez, na fábrica, durante o processo de fabricação.
• PROM (Programmable ROM) – só pode ser gravada uma vez, porém fora da fábrica, usando um gravador de PROM.
• EPROM (Erasable PROM) – similar a PROM, porém seu conteúdo pode ser apagado, através da emissão de luz ultravioleta na “janela” superior, sendo feita a regravação tal como na PROM.
• EEPROM (Electrically EPROM) e • EAROM (Electrically Alterable ROM) – similares à EPROM, porém o processo de apagamento se faz através da aplicação de uma tensão em um dos pinos. O apagamento é instantâneo 32
EPROM EPROM
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Tipos de Memórias Atuais nos Micros
• Registradores • Expandida (Expansão qualquer) • Estendida (Extensão aos 640K do DOSPC) • Flash • Cache – Nível 1 (interno UCP) – Nível 2 (externo à UCP)
• Virtual (Paginação e Segmentação) 34
Registradores • Registrador é uma área de memória onde são colocados os dados, para que as Unidades Aritmética e Lógica possam fazer suas operações e comparações.
Memória Expandida • É toda área de memória que é adicionada à memória original do computador.
Memória Estendida • É toda memória que ultrapassa os 640 KB originais concebidos para o DOS. 35
Memória Flash • É um tipo de memória similar a uma ROM em que se pode regravar os dados, até cerca de 1000 vezes. É usada para armazenar dados em “cartões de memória”.
Memória Cache • É uma memória de acesso privilegiado e rapidíssimo, onde são colocados os dados mais frequentemente acessados. Tem características similares aos Registradores. • Há 2 níveis de Cache: – Cache L1 (Level 1): fica dentro do próprio processador (tamanho pequeno) – Cache L2 (level 2): fica na placa mãe (tamanho maior) 36
Memória Flash
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Memória Virtual • É uma área de disco rígido que é usada como se fosse uma memória RAM. A vantagem é que não é necessário adicionar chips de memória para aumentar a capacidade. A desvantagem é que o tempo de acesso é bem mais lento. • Na memória virtual geralmente se armazena programas grandes, ficando nela o programa dividido em partes, sendo cada parte levada à memória RAM, quando necessário executar aquela parte. 38
Memória RAM • Pode ser de dois tipos: – DRAM (Dynamic RAM) – SRAM (Static RAM)
• DRAM: Memória que não fica energizada
todo o tempo, economizando energia. Há um capacitor que mantém a carga por certo período, após o que deve ser recarregado (“refresh”). Tem maior capacidade e menor custo.
• SRAM - Memória mais rápida que a DRAM, e mais cara.
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Módulos SIMM e DIMM • SIMM (Single In-Line Memory Module) – Módulo de memória em que os chips estão dispostos numa placa com um fileira única.
30, 72 e 100 pinos
• DIMM (Dual In-Line Memory Module) – Módulo de memória em que os chips estão dispostos em fileira dupla.
72, 144, 168 e 184 pinos
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UCP Registradores
Cache Nível 1 Nível 2
RAM Física
Memória Virtual
Dispositivos de Armazenamento ROM / BIOS
Drives Removíveis
Armazenamento
Internet/ Redes
Winchester
Dispositivos de Entrada
Teclado
Mídias Removíveis
Mouse
Dispositivos Remotos
Scanner Camera Microf. Video
Outros
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Configuração Pentium IV 1600Mz c/ 256M RAM, 512K ROM, Win 40G, Mon SVGA 15” (28 dpi, Placa vídeo 4 M Trident), 1d 1.44 M, p.rede Ethernet 100 Base T, Fax-Mod. 56800, tecl 101(em Port.), m. Logitec/PC Genius , CD-R/IVDVD Pentium - 52x/8x, 2 p. sér., 1 p. par., USB freq. 1.600 MHz2.0, = c/ Win XP e Office. No pacote: Impr. DeskJet 1,6 GHz HP color 2880 dpi R$ 2.500,00 42
Pentium IV 1600Mz c/ 256M RAM, 512K ROM, Win 40G, Mon SVGA 15” (28 dpi, Placa vídeo 4 M Trident), 1d 1.44 M, p.rede Ethernet 100 Base T, Fax-Mod. 56800, tecl 101(em Port.), m. Logitec/ Genius, CD-R/ DVD 52x/8x, Memória RAM2.0, dec/ Win 2 p. sér., 1 p. par., USB 256NoMega Bytes XP e Office. pacote: Impr. DeskJet HP color 2880 dpi R$ 2.500,00
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Pentium IV 1600Mz c/ 256M RAM, 512K ROM, Win 40G, Mon SVGA 15” (28 dpi, Placa vídeo 4 M Trident), 1d 1.44 M, p.rede Ethernet 100 Base T, Fax-Mod. 56800, tecl 101(em Port.), m. Logitec/ Genius, CD-R/ DVD 52x/8x, Memória de c/ Win 2 p. sér., 1 p. par.,ROM USB 2.0, 512NoKilo Bytes XP e Office. pacote: Impr. DeskJet HP color 2880 dpi R$ 2.500,00
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Pentium IV 1600Mz c/ 256M RAM, 512K ROM, Win 40G, Mon SVGA 15” (28 dpi, Placa vídeo 4 M Trident), 1d 1.44 M, p.rede Ethernet 100 Base T, Fax-Mod. 56800, tecl 101(em Port.), m. Logitec/ Genius, CD-R/ DVD 52x/8x, Rígido 2 p. sér.,Disco 1 p. par., USB 2.0, c/ Win XP e Office. No pacote: Impr. (WINchester) deDeskJet HP color dpiBytes R$ 2.500,00 402880 Giga
45
Pentium IV 1600Mz c/ 256M RAM, 512K ROM, Win 40G, Mon SVGA 15” (28 dpi, Placa vídeo 4 M Trident), 1d 1.44 M, p.rede Ethernet 100 Base T, Fax-Mod. 56800, tecl 101(em Port.), m. 15", em Logitec/Monitor Geniusde , CD-R/ DVD 52x/8x, cores, vídeo 2 p. sér., 1 p.placa par., de USB 2.0, c/ Win tipo SVGA (marca XP e Office. No pacote: Impr. DeskJet Trident), 4 2.500,00 Mbytes HP color 2880com dpi R$ de memória e densidade de 28 DPI (Dots Per Inch)
46
Pentium IV 1600Mz c/ 256M RAM, 512K ROM, Win 40G, Mon SVGA 15” (28 dpi, Placa vídeo 4 M Trident), 1d 1.44 M, p.rede Ethernet 100 Base T, Fax-Mod. 56800, tecl 101(em Port.), m. Logitec/ Genius, CD-R/ DVD 52x/8x, 2 p. sér., 1 p. par., USB 2.0, c/ Win Um drive de XP e Office. No pacote: Impr. DeskJet 3 1/2", HP color diskette 2880 dpi R$de 2.500,00
capacidade de 1,44 Mbytes
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Pentium IV 1600Mz c/ 256M RAM, 512K ROM, Win 40G, Mon SVGA 15” (28 dpi, Placa vídeo 4 M Trident), 1d 1.44 M, p.rede Ethernet 100 Base T, Fax-Mod. 56800, tecl 101(em Port.), m. Logitec/ Genius, CD-R/ DVD 52x/8x, Placa de Rede, padrão 2 p. sér., 1 p. par., USB 2.0, c/ Win Ethernet - atéDeskJet 100 XP e Office. No pacote: Impr. c/ Twisted Pair HP colorMbps 2880 dpi R$ 2.500,00
(p/ ligar Cablemodem ou ADSL) 48
Pentium IV 1600Mz c/ 256M RAM, 512K ROM, Win 40G, Mon SVGA 15” (28 dpi, Placa vídeo 4 M Trident), 1d 1.44 M, p.rede Ethernet 100 Base T, Fax-Mod. 56800, tecl 101(em Port.), m. Logitec/ Genius, CD-R/ DVD 52x/8x, 2 p. sér., 1 p. par., USB 2.0, c/ Win Placa Fax-Modem, XP e Office. No pacote: DeskJet paraImpr. conectar à HP color 2880 dpi R$ 2.500,00
Internet (via telefone) de 56.800 bps (bits por segundo)
49
Pentium IV 1600Mz c/ 256M RAM, 512K ROM, Win 40G, Mon SVGA 15” (28 dpi, Placa vídeo 4 M Trident), 1d 1.44 M, p.rede Ethernet 100 Base T, Fax-Mod. 56800, tecl 101(em Port.), m. Logitec/ Genius, CD-R/ DVD 52x/8x, 2 p. sér., 1 p. par., USB 2.0, c/ Win de 101 XP e Office.Teclado No pacote: Impr. DeskJet teclas, para uso em HP color 2880 dpi R$ 2.500,00
português (padrão básico americano-ASCII) 50
Pentium IV 1600Mz c/ 256M RAM, Mouse padrão 512K ROM, Win 40G, Mon SVGA Logitec/Genius (marcas) 15” (28 dpi, Placa vídeo 4 M Trident), 1d 1.44 M, p.rede Ethernet 100 Base T, Fax-Mod. 56800, tecl 101(em Port.), m. Logitec/ Genius, CD-R/ DVD 52x/8x, 2 p. sér., 1 p. par., USB 2.0, c/ Win XP e Office. No pacote: Impr. DeskJet HP color 2880 dpi R$ 2.500,00
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Drive de CD-R Pentium IV 1600Mz c/ 256M RAM, (Gravador com 512K ROM, Win 40G, de MonCD) SVGA 15” (28 dpi, Placa vídeo 4 M Leitor deTrident), DVD, 1d 1.44 M, p.rede Ethernet 100 velocidade deBase 52x T, Fax-Mod. 56800, tecl 101(em Port.), m. (leitura) e 8x (gravação) Logitec/ Genius, CD-R/ DVD 52x/8x, 2 p. sér., 1 p. par., USB 2.0, c/ Win XP e Office. No pacote: Impr. DeskJet HP color 2880 dpi R$ 2.500,00
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Pentium IV 1600Mz c/ 256M RAM, 2 portas (saídas) 512K ROM, Win 40G, Mon SVGA série e 1Placa porta 15” (28 dpi, vídeo 4 M Trident), 1d 1.44 M, p.rede Ethernet 100 Base T, paralela Fax-Mod. 56800, tecl 101(em Port.), m. Logitec/ Genius, CD-R/ DVD 52x/8x, 2 p. sér., 1 p. par., USB 2.0, c/ Win XP e Office. No pacote: Impr. DeskJet HP color 2880 dpi R$ 2.500,00
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Interface USB Pentium IV 1600Mz c/ 256M RAM, versão 2.040G, Mon SVGA 512K ROM, Win (Universal Serial 15” (28 dpi, Placa vídeo 4 M Trident), 1d 1.44 p.rede Ethernet 100 Base T, BusM, - veloc. 480 Fax-Mod. 56800, tecl 101 (em Port.), m. Mbps) Logitec/ Genius, CD-R/ DVD 52x/8x, 2 p. sér., 1 p. par., USB 2.0, c/ Win XP e Office. No pacote: Impr. DeskJet HP color 2880 dpi R$ 2.500,00
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Pentium IV 1600Mz Com WINdows XP e c/ 256M RAM, 512K ROM, Win 40G, Mon SVGA pacote OFFICE (Word, 15” (28 PowerPoint) dpi, Placa vídeo 4 M Trident), 1d Excel, 1.44 M, p.rede Ethernet 100 Base T, Fax-Mod. 56800, tecl 101(em Port.), m. Logitec/ Genius, CD-R/ DVD 52x/8x, 2 p. sér., 1 p. par., USB 2.0, c/ Win XP e Office. No pacote: Impr. DeskJet HP color 2880 dpi R$ 2.500,00
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Impressora em cores marca HP Pentium IV 1600Mz c/ 256M RAM, (Hewlett-Packard) 512K ROM, Win 40G,modelo Mon Deskjet SVGA 15” (28 dpi,de Placa vídeo 4 com M Trident), 1d (Jato Tinta) resolução de 1.44 M, p.rede Ethernet Base T, 2880 Dots Per100 Inch) Fax-Mod. 56800, tecl 101(em Port.), m. Logitec/ Genius, CD-R/ DVD 52x/8x, 2 p. sér., 1 p. par., USB 2.0, c/ Win XP e Office. No pacote: Impr. DeskJet HP color 2880 dpi R$ 2.500,00
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Meios de Transmissão
(cont.)
• Rádio Ionosfera
Transmissor
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• Micro-ondas
Terra Máx. 60 Km
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• Satélite
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Redes Neurais INTELIGÊNCIA COMPUTACIONAL
Parte 2 60
Inteligência Computacional A Inteligência Computacional busca, através de técnicas inspiradas na Natureza, o desenvolvimento de sistemas inteligentes que imitem aspectos do comportamento humano, tais como: aprendizado, percepção, raciocínio, evolução e adaptação.
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Áreas de Aplicação
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Redes Neurais Artificiais (RNA) • A grande premissa do conexionismo para aplicações em processamento de informações e/ou inteligência artificial é o fato de que se pode analisar um problema de acordo como funcionamento do cérebro humano • O cérebro processa informações através da ativação de uma série de neurônios biológicos. Os neurônios por sua vez, interagem numa rede biológica através da intercomunicação.
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Inspiração Biológica Parâmetro
Cérebro
Computador
Material
Orgânico
Metal e plástico
Velocidade
Milisegundos
Nanosegundos
Tipo de Processamento
Paralelo
Seqüencial
Armazenamento
Adaptativo
Estático
Controle de Processos
Distribuído
Centralizado
Número de elementos processados
1011 à 1014
105 à 106
Eficiência energética
10-16 J/op./seg.
10-6 J/op./seg
Ligações entre elementos processados
10.000
<10 65
Constituíntes da célula neuronal • Os dentritos, que tem por função, receber os estímulos transmitidos pelos outros neurônios; • O corpo de neurônio, também chamado de soma, que é responsável por coletar e combinar informações vindas de outros neurônios; • E finalmente o axônio, que é constituído de uma fibra tubular que pode alcançar até alguns metros, e é responsável por transmitir os estímulos para outras células.
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Inspiração biológica • Os neurônios se comunicam através de sinapses. Sinapse é a região onde dois neurônios entram em contato e através da qual os impulsos nervosos são transmitidos entre eles. Os impulsos recebidos por um neurônio A, em um determinado momento, são processados, e atingindo um dado limiar de ação, o neurônio A dispara, produzindo uma substância neurotransmissora que flui do corpo celular para o axônio, que pode estar conectado a um dendrito de um outro neurônio B. O neurotransmissor pode diminuir ou aumentar a polaridade da membrana póssináptica, inibindo ou excitando a geração dos pulsos no neurônio B. Este processo depende de vários fatores, como a geometria da sinapse e o tipo de neurotransmissor. 67
Um Breve Histórico •
McCulloch e Pitts (1943), Hebb (1949), e Rosemblatt (1958). Estas publicações introduziram o primeiro modelo de redes neurais simulando “máquinas”, o modelo básico de rede de auto-organização, e o modelo Perceptron de aprendizado supervisionado, respectivamente. • nos anos 60 e 70, importantes trabalhos sobre modelos de redes neurais em visão, memória, controle e auto-organização como: Amari, Anderson, Cooper, Cowan, Fukushima, Grossberg, Kohonen, von der Malsburg, Werbos e Widrow. • Alguns históricos sobre a área costumam “pular” os anos 60 e 70 e apontar um reínicio da área com a publicação dos trabalhos de Hopfield (1982) relatando a utilização de redes simétricas para otimização e de Rumelhart, Hinton e Williams que introduziram o poderoso método Backpropagation.
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célula neuronal
McCullock e Pitts (1943)
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O Neurônio Artificial • McCullock e Pitts 1943, • sinais são apresentados à entrada; • cada sinal é multiplicado por um número, ou peso, que indica a sua influência na saída da unidade; • é feita a soma ponderada dos sinais que produz um nível de atividade; • se este nível de atividade exceder um certo limite (threshold) a unidade produz uma determinada resposta de saída. 70
Organização em camadas
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Processos de Aprendizado • A propriedade mais importante das redes neurais é a habilidade de aprender de seu ambiente e com isso melhorar seu desempenho. • Isso é feito através de um processo iterativo de ajustes aplicado a seus pesos, o treinamento. • O aprendizado ocorre quando a rede neural atinge uma solução generalizada para uma classe de problemas. 72
Processos de Aprendizado • Aprendizado Supervisionado, quando é utilizado um agente externo que indica à rede a resposta desejada para o padrão de entrada; • Aprendizado Não Supervisionado (auto-organização), quando não existe uma agente externo indicando a resposta desejada para os padrões de entrada; • Reforço, quando um crítico externo avalia a resposta fornecida pela rede.
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Algoritmos Genéticos
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FIM Obrigado a todos. 75