Introdução¶

Objetivos¶

Ao final desse capítulo você deve ser capaz de:

• explicar como funciona um computador baseado na arquitetura de von Neumann;

• descrever como dados e programas são armazenados na memória e definir o que é um bit, byte, kilobyte, megabyte etc.

• identificar linguagens de programação de baixo e de alto nível;

• descrever a diferença entre linguagens compiladas de linguagens interpretadas;

• definir os conceitos de hardware, software, IDE, contexto de um programa, programação e computação.

Calculadoras e Computadores¶

A habilidade de representar quantidades e manipulá-las (como “fazer conta” de mais e de menos) é uma necessidade básica para muitas atividades humanas. O ábaco e a régua de cálculo são exemplos de instrumentos inventados para nos ajudar a “fazer contas”.

A primeira calculadora mecânica foi desenvolvida por Blaise Pascal em 1642. A Pascaline (https://en.wikipedia.org/wiki/Pascal%27s_calculator) utilizava um complexo sistema de engrenagens para realizar operações de adição e subtração.

Além de realizar operações matemáticas como fazem as calculadoras, os computadores são máquinas que podem ser programadas. Os programas de computador permitem a repetição de cálculos repetidas vezes, como por exemplo, calcular o calcular o pagamento de cada funcionário baseado no número de horas trabalhadas.

Os primeiros computadores eletrônicos (usando válvulas) foram desenvolvidos na década de 1940 e o rápido e contínuo desenvolvimento tecnológico resultou nos computadores modernos, que tem desempenho muitas vezes superior a esses primeiros computadores, com tamanho e consumo de energia muitas vezes menor. A figura 1 mostra um diagrama de blocos com os componentes básicos de um computador: a unidade central de processamento (UCP), a memória, e os dispositivos de entrada e saída. Esses dispositivos são interligados por uma via de comunicação de dados.

Esse diagrama ilustra a arquitetura proposta por John von Neumann (https://en.wikipedia.org/wiki/Von_Neumann_architecture).

A primeira coisa que vemos quando olhamos para um computador são os dispositivos de entrada e saída, necessários para que o computador se comunique com outros computadores e pessoas. Dessa forma, os dispositivos de entrada permitem que o computador receba os dados a serem processados (por meio de dispositivos como teclado, mouse, disco ou Internet) e transmita os resultados para um dispositivo de saída como uma impressora ou um monitor.

Esses dados ficam armazenados na memória do computador em formato digital, ou seja, na forma de dígitos binários. Um dígito binário assume apenas 2 valores (como zero ou um) e são mais adequados para representar eletronicamente que um dígito decimal pois é possível utilizar uma chave eletrônica (aberta ou fechada) ou um capacitor (carregado ou descarregado). Um único dígito binário é chamado de bit e 8 (oito) bits formam um byte. A capacidade da memória é comumente representada em kilobyte ou KB (cerca de mil bytes), megabytes ou MB (cerca de um milhão de bytes), gigabytes ou GB (um bilhão) e assim por diante. Hoje é comum encontrar discos com mais de 1 terabyte (um trilhão de bytes) de capacidade. Para se ter uma ideia, um filme de cerca de 2 horas de duração gravado em alta resolução pode ser armazenado usando cerca de 2 GB no formato mp4, enquanto todos os textos contidos na Enciclopédia Britânica (https://websitebuilders.com/how-to/glossary/terabyte/) no ano 2010 (último ano quando foi publicada com 32 volumes) pode ser armazenado em apenas 300 MB (300 milhões de caracteres ou cerca de 50 milhões de palavras).

Um programa de computador é uma sequência de instruções que deve ser executada uma de cada vez pela UCP. Os programas também ficam armazenados na memória em código binário (também chamado de código de máquina ou em linguagem de máquina). Uma instrução pode ser de natureza aritmética ou lógica, que basicamente permite ao computador executar operações matemáticas como uma calculadora, ou de controle. As instruções de controle permitem, entre outras coisas, movimentar dados e desviar a execução do programa. A UCP contém um pouco de memória local (ou um grupo de registradores) para trabalhar os dados internamente.

Um registrador importante que possibilita a execução da sequência correta de instruções é chamado de contador de programa (CP). O CP simplesmente aponta para o local da memória (endereço) que contém a próxima instrução a ser executada. A unidade de controle da UCP busca a instrução indicada pelo CP, a decodifica e decide se a executa ou passa para a unidade lógica e aritmética (ULA) executar. Após terminar de executar a instrução, o CP é atualizado para que a unidade de controle busque a próxima instrução. O computador fica simplesmente executando esse ciclo (busca -> executa -> atualiza CP -> busca -> …) ininterruptamente. Apesar de cada instrução ser bastante simples, um computador pessoal moderno é capaz de executar bilhões de instruções por segundo, que lhe confere o poder de realizar tarefas bastante complexas com desempenho superior a de um ser humano. Em geral essas tarefas são repetitivas e entediantes, permitindo que as pessoas tenham mais tempo livre para as atividades criativas.

Programação e Computação¶

A parte física dos computadores é chamada costumeiramente de hardware. A parte digital responsável pelo funcionamento da parte física (os programas de uma forma geral) é chamada de software. O objetivo de programar é criar software para resolver algum problema computacional, que pode ser um simples cálculo matemático ou algo um pouco mais complexo como controlar a navegação de um foguete até a Lua. A atividade de desenvolver esses programas é chamada de programação.

Um conceito que devemos relembrar para começar a programar é que um computador comum executa apenas uma instrução por vez e, portanto, a ordem das instruções é muito importante. Observe que, como cada instrução pode modificar o conteúdo da memória, cada nova instrução executada utiliza os dados atualizados, resultantes da execução passo-a-passo das instruções anteriores. A cada instante, dizemos que o contexto de um programa é formado pelo conjunto de valores que o programa pode acessar, armazenados na memória naquele instante.

Um programa portanto é uma sequência de instruções que, ao ser executada, vai “transformando” (processando por meio de cálculos) os dados de entrada até chegar no resultado desejado na saída. Podemos ainda considerar que cada instrução gera um resultado intermediário (dado processado) que pode ser armazenado na memória e cada resultado intermediário seguinte fica mais perto do resultado final. Resultados armazenados na memória podem ser acessados por meio de variáveis, que são “nomes” que fazem referência aos dados.

Considere por exemplo o problema de multiplicar 2 por 5. Usando apenas instruções de somar, podemos começar com o resultado de 2 + 2 (ou seja 4) e armazenar em uma variável “soma”. A seguir adicionamos 2 ao valor associado a “soma” (resultando no valor intermediário 6) e mais 2 e finalmente mais 2, chegando no resultado final 10.

Como vimos, um programa com instruções que uma UCP é capaz de executar é escrito em linguagem de máquina ou linguagem de baixo nível, por serem as linguagens “compreendidas” pelas máquinas. Muito cedo na história dos computadores eletrônicos se descobriu que é muito difícil programar usando linguagem de máquina e assim foram surgindo várias linguagens de programação, cada uma com propostas diferentes para tratar certos problemas computacionais.

De uma forma genérica porém, o desenvolvimento das linguagens de programação buscou se aproximar de alguma linguagem natural que usamos para nos comunicar, como o inglês e o português. Essas linguagens, chamadas de linguagens de alto nível por serem mais fáceis de usar por humanos, vem se tornando mais poderosas ao apresentar conjuntos de instruções mais extensos e recursos mais apropriados a aplicações modernas como computação gráfica, jogos eletrônicos e inteligência artificial.

Como os computadores não entendem as linguagens de alto nível, é necessário traduzir ou interpretar esses programas antes de serem executados pela máquina. Vamos chamar de código fonte o programa escrito pelos programadores e que fica armazenado em um arquivo fonte. Os programas que traduzem um arquivo fonte em linguagem de alto nível e geram um arquivo executável em linguagem de máquina são chamados de compiladores. Ao invés de traduzir o programa e gerar um arquivo executável, algumas linguagens interpretam e executam cada comando como se rodassem diretamente na linguagem de alto nível. Esse esforço para interpretar cada instrução durante a execução pode prejudicar um pouco o desempenho das linguagens interpretadas, mas tendem a agilizar o desenvolvimento de programas por evitarem a compilação.

A (ciência da) computação vai além da programação. Como ciência, ela estuda os fundamentos teóricos da informação (dados) e da computação (transformação dos dados) e as considerações práticas para aplicar essa teoria em sistemas computacionais. Por exemplo, nesse curso vamos estudar formas para representar diferentes tipos de dados e algoritmos eficazes para manipular esses dados. Consideramos o estudo dessas estruturas e algoritmos uma excelente forma de desenvolver um raciocínio computacional, algo parecido com estudar partidas entre grandes mestres para aprender a jogar xadrez.

Aplicações¶

É difícil imaginar hoje um ramo da atividade humana que não tenha se beneficiado diretamente dos avanços da computação. Seus impactos são tão notáveis que não precisamos ir longe para perceber seus efeitos. A começar talvez pelos dispositivos móveis como os telefones celulares rodando inúmeros aplicativos que, para o bem ou para o mal, vem transformando comportamentos pessoais, sociais e até criando alguns novos. Esse exemplo mostra que um dispositivo “comum” como um telefone, ao se tornar digital e conectado à Internet, se torna uma coisa muito diferente e, por ser programável, sua utilidade aumenta a cada nova aplicação que instalamos nessa coisa (a coisa vira outra coisa!).

Uma outra tecnologia que começa a ser notada a nível pessoal é a Internet das Coisas ou IoT (do inglês Internet of Things). A IoT vem permitindo que “coisas” se tornem mais “inteligentes”, desde uma lâmpada que pode ser controlada remotamente pela Internet, até a integração de “coisas” em toda uma cidade. Dessa forma, as cidades inteligentes poderão otimizar melhor seus recursos, como por exemplo melhoria no trânsito, maior conservação de energia e redução de poluentes.

Assim, a medida que mais coisas se tornam digitais, conectadas à Internet e programáveis, abrem-se infinitas novas oportunidades de uso, tanto de coisas agindo individualmente, quanto coisas agindo em conjunto com outras coisas. Imagine agora a quantidade de dados produzidos por essas coisas. Saber programar novos usos dessas coisas é certamente um desafio que, quem sabe, você mesmo vai ajudar a resolver usando algumas das habilidades que você vai desenvolver nesse curso.

Mas não precisamos ser tão ambiciosos. Para alunos e alunas de cursos de engenharia e ciências exatas por exemplo, as ferramentas computacionais vistas nesse curso podem ajudar a entender conceitos de cálculo e estatística, visualizar dados multidimensionais e simular modelos. Alunas e alunos das áreas humanas e biológicas também podem utilizar as habilidades desenvolvidas nesse curso para começar a explorar seus dados e testar seus próprios modelos. Mas seja qual for a sua área de interesse, desenvolver um raciocínio computacional vai ajudar você a desenvolver melhores programas assim como pode ajudar você a utilizar programas existentes de forma mais eficaz.

Laboratório: Como instalar Python em seu computador¶

O desenvolvimento do raciocínio computacional requer muita prática. Para isso, cada capítulo traz uma seção de exercícios em laboratório que você deve realizar utilizando um computador para praticar. Nesse primeiro capítulo, vamos ajudar você a arrumar o seu ambiente de programação e testá-lo, para que você possa fazer os exercícios dos próximos capítulos. A instalação também é um bom exercício inicial para os alunos e alunas sem prévia experiência com computadores e serve para que eles e elas comecem a se habituar com o uso de computadores e das ferramentas de desenvolvimento de programas que serão utilizadas nos exercícios.

Resumo¶

Esse capítulo introduziu alguns conceitos básicos de computação sob um brevíssimo contexto histórico. Nesse contexto, o Python é uma linguagem de programação de alto nível altamente portável (roda praticamente em qualquer computador, até mesmo em telefones celulares) e flexível (pode ser usada para diversos tipos de aplicação). O Anaconda fornece um pacote com várias ferramentas integradas, facilitando a instalação e manutenção do ambiente de desenvolvimento.

Nos próximos capítulos vamos utilizar o Python shell para ilustrar alguns comandos do Python e o Spyder para escrever programas em Python.

Exercícios¶

Indique todas as alternativas corretas

Para saber mais¶

• Como Pensar Como um Cientista da Computação - Aprendendo com Python: Versão Interativa, tradução do livro interativo produzido no projeto Runestone Interactive por Brad Miller and David Ranum.

  • [versão interativa em inglês] How to Think Like a Computer Scientist: Interactive Edition, livro interativo produzido no projeto Runestone Interactive por Brad Miller and David Ranum.

  • [versão original em inglês] How to Think Like a Computer Scientist: Learning with Python, por Allen Downey, Franklin W. Olin, Jeff Elkner, and Chris Meyers.

• Vídeos

  • Introdução à Computação com Python do professor Fábio Kon do Departamento de Computação do IME-USP no Coursera.

  • Python para Zumbis do professor Fernando Masanori da FATEC de São José dos Campos.

• sobre Computação e computadores:

  • Breve história da computação

  • O que é um Computador