Software

Um sistema computacional é composto por duas partes que trabalham juntas.

• Hardware são as partes físicas do computador — as peças que você pode tocar. Exemplos: CPU, memória, teclado, tela e disco rígido.
• Software são os programas que controlam o computador e dizem ao hardware o que fazer.

O hardware não pode fazer nada útil sozinho. O software precisa de hardware para rodar. Ambos são necessários.

O software é dividido em dois tipos.

Software de sistema

Software de sistema controla o próprio computador e fornece uma base para outros programas executarem. Exemplos:

• sistema operacional (veja abaixo);
• compilador e linker (ferramentas que transformam programas em uma forma que o computador pode executar);
• driver de dispositivo — software que permite ao sistema operacional controlar um componente de hardware;
• software utilitário — ferramentas pequenas que cuidam do computador (por exemplo, antivírus, backup, limpeza de disco).

Abaixo do sistema operacional está o firmware – software armazenado permanentemente em ROM ou flash que é executado assim que o computador é ligado. O BIOS e o bootloader são firmware: eles testam o hardware e depois carregam o sistema operacional. Assim, as camadas se empilham na ordem hardware → firmware → sistema operacional → software de aplicação, cada uma executando-se sobre a camada abaixo.

Software de aplicação

Software de aplicação permite ao usuário realizar tarefas úteis. Exemplos:

• software de processamento de texto (escrita de documentos);
• software de planilha (trabalho com números em uma grade);
• sistema de gerenciamento de banco de dados (armazenamento e busca de dados);
• navegador da web (visualização de páginas web).

Um sistema operacional (SO) é o principal software de sistema. Ele controla todo o computador e permite que o hardware, o software de aplicação e o usuário trabalhem juntos. Sem um SO, o computador é muito difícil de usar.

O SO tem muitas funções:

• gerenciando arquivos — salvar, abrir, nomear, mover e excluir arquivos;
• lidando com interrupções (veja abaixo);
• fornecimento de interface do usuário para que o usuário controle o computador;
• gerenciando memória — decidindo o que é mantido na RAM e onde;
• gerenciamento de periféricos e seus drivers – controle de dispositivos como impressoras;
• gerenciamento de multitarefa – permitir que vários programas rodem simultaneamente;
• fornecimento de plataforma para execução de software de aplicação;
• gerenciando segurança — contas de usuários, senhas e direitos de acesso.

Exemplo resolvido. Identifique a função do sistema operacional em cada caso: (a) um estudante salva uma redação em uma pasta chamada História; (b) um driver de impressora envia um documento para a impressora; (c) uma música continua tocando enquanto o estudante navega na internet; (d) um estudante precisa entrar em sua conta antes de usar um computador da escola.

(a) gerenciamento de arquivos; (b) gerenciamento de periféricos e seus drivers; (c) gerenciamento de multitarefa (o sistema operacional compartilha o tempo do processador e a memória entre os dois programas); (d) gerenciamento de segurança (contas de usuário e direitos de acesso). Em uma prova, cite a função e relacione-a ao exemplo dado.

Uma interrupção é um sinal enviado ao processador para informá-lo que algo precisa de atenção agora.

Uma interrupção pode vir de três fontes:

• hardware — por exemplo, uma tecla é pressionada, ou uma impressora acaba de papel;
• software — por exemplo, um programa tenta dividir por zero;
• o usuário — por exemplo, o usuário pressiona uma tecla de “cancelar”.

Quando uma interrupção chega, o processador para o que está fazendo, salva seu local e atende (lida com) a interrupção. Quando isso estiver feito, ele volta ao que estava fazendo antes. Isso permite que o computador reaja rapidamente a eventos importantes.

As interrupções têm prioridades diferentes. O processador verifica se há interrupções ao final de cada ciclo de busca e execução. Se uma interrupção tiver prioridade maior que a da tarefa atual, o processador salva a tarefa atual e executa a rotina de serviço de interrupção (ISR) correspondente. Uma interrupção de prioridade menor espera em uma fila até que o processador esteja livre.

Exemplo resolvido. Um estudante está digitando um documento enquanto ele é impresso, e o papel da impressora acaba. Descreva como o computador lida com isso.

1. A impressora envia uma interrupção de hardware ao processador.
2. Ao final do ciclo atual, o processador verifica a prioridade da interrupção. Ela é maior que a da tarefa atual, então o processador salva o estado da tarefa atual (os valores em seus registradores).
3. Ele executa a ISR da impressora, que faz o sistema operacional exibir uma mensagem como “Sem papel”.
4. Em seguida, ele restaura o estado salvo e retoma o processador de texto, para que o estudante possa continuar digitando.
5. Quando o papel é colocado, a impressora envia outra interrupção, e a impressão continua.

Todos os computadores processam dados usando a unidade central de processamento (CPU). Para fazer a CPU trabalhar, pessoas escrevem programas em uma linguagem de programação. Existem dois tipos.

Linguagens de alto nível

Uma linguagem de alto nível é escrita em palavras que lembram um pouco o inglês (por exemplo, Python). Ela é:

• fácil para pessoas lerem, escreverem e corrigirem;
• independente do computador — o mesmo programa pode rodar em diferentes tipos de computadores.

Linguagens de baixo nível

Uma linguagem de baixo nível está próxima do que o hardware realmente usa. Inclui:

• código de máquina – instruções escritas em binário (0s e 1s), que a CPU executa diretamente;
• linguagem de montagem – código de máquina escrito com códigos de palavras curtas (mnemônicos) em vez de binário.

Uma linguagem de baixo nível relaciona-se ao tipo específico de CPU, por isso um programa escrito para uma CPU pode não rodar em outra. É usada quando o programador precisa de controle total do hardware ou de código muito rápido e pequeno.

A CPU só pode executar código de máquina. Um programa de alto nível deve primeiro ser convertido em código de máquina. O software que faz isso é um tradutor. Existem três tipos: um compilador e um interpretador (para código de alto nível), e um montador (para código de baixo nível).

Compilador

Um compilador traduz o todo programa em código de máquina antes de ser executado. Após a tradução, o código de máquina pode ser executado várias vezes sem precisar traduzir novamente.

• a tradução ocorre uma única vez, em sua totalidade;
• ele fornece um relatório de erros para todo o código-fonte, com os erros de tradução detectados;
• o programa finalizado roda rápido e não precisa do compilador para funcionar.

Interpretador

Um intérprete traduz e executa o programa linha por linha.

• ele para no primeiro erro que encontra, o que ajuda durante os testes;
• o programa roda mais devagar, pois é traduzido toda vez que é executado;
• o interpretador deve estar presente toda vez que o programa for executado.

Use um compilador quando quiser compartilhar um programa finalizado rápido. Use um interpretador quando estiver escrevendo e testando um programa e quiser encontrar erros facilmente.

Exemplo resolvido — quando ocorre a execução?

Tente. Use os modelos de compilador de programa inteiro e intérprete linha por linha do currículo. Considere esta breve descrição de fonte; ela não é um programa em uma linguagem específica.

A linha 2 contém um erro de tradução. O que é exibido antes desse erro ser relatado por cada tradutor? A linha 3 será executada? Explique a ordem de tradução e execução.

Rastreio do compilador. Toda a fonte é traduzida antes da execução. O erro na linha 2 faz com que a compilação falhe. Um relatório de erro é fornecido para toda a fonte. O novo programa não é executado, então nem Start nem Done são exibidos.

Rastreio do intérprete. A linha 1 é traduzida e executada, exibindo Start. O intérprete encontra o erro na linha 2 e interrompe a execução ali. A linha 3 não é alcançada, então Done não é exibido.

Esses rastreios ilustram o modelo do currículo; ferramentas reais de linguagem podem combinar abordagens. Um tradutor relata erros que consegue detectar, não todos os erros na lógica do programa.

Transferência — desenvolvimento e lançamento. Uma equipe deseja localizar erros durante testes de seções curtas. Mais tarde, clientes devem executar o programa final repetidamente sem instalar seu tradutor. Escolha um tradutor para cada etapa e explique por quê. No ambiente de desenvolvimento integrado (IDE), nomeie uma ferramenta para inserir a fonte e outra para investigar um erro relatado. Por fim, decida se uma tradução bem-sucedida prova que um total calculado está correto.

Resposta exemplificada. No modelo do currículo, um intérprete é adequado para desenvolvimento: a tradução e execução linha por linha param ao encontrar um erro, ajudando a equipe a localizá-lo. Um compilador é adequado para lançamento: a compilação bem-sucedida cria um arquivo executável que pode ser executado repetidamente sem o compilador. Fonte inalterada não precisa ser traduzida novamente para cada execução. Um editor de código insere e altera a fonte; diagnósticos de erro ajudam a localizar e explicar erros relatados; o ambiente de tempo de execução permite à equipe testar o programa. Um total incorreto ainda pode resultar de lógica defeituosa após uma tradução bem-sucedida. Teste com entradas conhecidas, compare resultados reais e esperados, e investigue o cálculo.

Montador

Um montador traduz um programa de linguagem assembly de baixo nível (escrito em mnemônicos como LDA, ADD) em código de máquina. Cada mnemônico torna-se uma instrução de máquina — uma tradução direta de um para um, diferentemente de um compilador ou intérprete, que trabalham com código de alto nível.

Exemplo resolvido. Uma equipe está escrevendo um programa. Durante o desenvolvimento, ela quer encontrar e corrigir erros rapidamente; ao distribuí-lo, quer que os clientes o executem rapidamente sem ver o código-fonte. Qual tradutor é adequado para cada etapa? Durante o desenvolvimento, use um interpretador: ele traduz e executa uma linha de cada vez e para no primeiro erro, facilitando a localização de uma falha. Para a distribuição, use um compilador: ele traduz todo o programa uma única vez para código de máquina, que então é executado rapidamente sem a presença de um tradutor, e o cliente recebe apenas o executável, em vez do código-fonte. Os dois não são rivais - indique a etapa e explique o motivo, pois “um compilador é mais rápido”, por si só, não vale pontos.

Um ambiente de desenvolvimento integrado (IDE) é um software que ajuda você a escrever programas. Ele coloca muitas ferramentas úteis em um só lugar:

• um editor de código — para digitar seu programa;
• um ambiente de tempo de execução — para executar o programa e testá-lo;
• um tradutor — um compilador ou interpretador para converter seu código em código de máquina;
• diagnósticos de erro — mensagens que ajudam você a encontrar e entender erros;
• completamento automático e correção automática — o IDE completa ou corrige o código enquanto você digita;
• formatação estética — organizar o código de forma organizada com cores e recuos para facilitar a leitura.

• Hardware é as partes físicas; software são os programas. Software de sistema roda o computador (SO, drivers, utilitários); software de aplicação executa uma tarefa para o usuário.
• Um compilador traduz todo o programa de uma vez (o programa finalizado roda rápido, e todos os erros são relatados no final); um interpretador traduz linha por linha (ele para no primeiro erro, roda mais devagar e é necessário toda vez).
• Linguagens de alto nível estão próximas do inglês e rodam em qualquer computador; linguagens de baixo nível (ensambladora, código de máquina) estão vinculadas a um único tipo de CPU.
• Uma interrupção é um sinal que faz a CPU parar, salvar seu local, atender ao evento e depois continuar onde parou.
• Aprenda os papéis do sistema operacional: gerenciamento de arquivos, memória, periféricos, multitarefa, segurança e interface do usuário.