Computadores e Informação Digital

Sérgio Nunes

Comunicações Digitais e InternetCiências da Comunicação, U.Porto 2012/13

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Computadores

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Objetivos

• Enumerar as principais caraterísticas de um computador.

• Conhecer os componentes centrais de um computador.

• Descrever as operações básicas de um computador.

• Conhecer os principais marcos e figuras na história dos computadores.

• Desenvolver uma opinião crítica sobre os computadores.

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Computador

• O que é um computador?

• Um computador é uma máquina programável, desenhada para processar informação de acordo com uma sequência de instruções.

• O processamento de informação envolve quatro operações básicas:entrada, processamento, armazenamento e saída.

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Máquina Programável

• Numa máquina não programável, as funções que podem ser executadas são definidas e implementadas no momento da construção da máquina, e não podem ser alteradas pelo utilizador. Por exemplo, uma calculadora simples processa informação mas não é programável.

• Numa máquina programável, as funções que são executadas podem ser definidas pelo utilizador através de intruções. Por exemplo, as funcionalidades de um smartphone dependem dos programas instalados.

• Uma máquina programável é uma máquina de uso geral, cujo funcionamento depende dos programas executados. Por exemplo, um PC serve para processamento de texto mas também para navegar na web.

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Máquina Programável

Uma calculadora simples apenas realiza as operações para as quais foi desenhada.

Um smartphone é umamáquina de uso geral que pode ser programada para realizar operações não definidas de início.

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Processamento de Informação

• Os computadores são máquinas desenhadas para processar informação.

• A informação que se pretende processar pode ser introduzida pelo utilizador (texto, voz, imagem, etc) ou existir arquivada (disco, rede, etc).

• O resultado do processamento pode ser arquivado localmente ou remotamente, apresentado ao utilizador ou utilizado para novos processamentos.

• Atividade: pensar nas diversas atividades realizadas ao computador em termos de processamento de informação: que informação é processada? quais os resultados? Exemplos: processamento de texto, acesso à web, jogar um jogo, ouvir música.

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Operações Básicas

Entrada Processamento Saída

Armazenamento

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Operações de Entrada

• As operações de entrada de dados são as primeiras a serem levadas a cabo e permitem o acesso aos dados por parte do sistema informático.

• A designação "dados" refere-se ao conjunto de blocos de informação (p.e. números, palavras, imagens) não processados e não organizados.

• Num sistema informático tradicional, o teclado e o rato são os componentes responsáveis pelas operações de entrada. Outros exemplos são: microfone, câmara de vídeo, ecrã tátil, etc.

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Operações de Processamento

• As operações de processamento transformam os dados recebidos em informação — i.e. dados contextualizados, organizados e consolidados.

• A Unidade Central de Processamento (CPU) de um computador processa os dados através da execução de operações lógicas ou aritméticas.

• A Memória de Acesso Aleatório (RAM) armazena temporariamente os programas e os dados que o CPU necessita durante o processamento.

CPU

RAM

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Operações de Saída

• As operações de saída apresentam os resultados do processamento numa forma compreensível aos utilizadores. Requerem a existência de dispositivos de saída, sendo os mais comuns os monitores e as impressoras.

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Operações de Armazenamento

• As operações de armazenamento permitem arquivar os dados e os programas informáticos (instruções) usados pelo sistema informático.

• Os dispositivos de armazenamento podem arquivar os dados de entrada iniciais ou os resultados do processamento para uso posterior. São exemplos, os discos rígidos, os leitores de CD e os discos USB.

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Componentes de um Computador

• A expressão "sistema informático" (computer system) é utilizada para designar o conjunto de componentes envolvidos no processamento de informação.

• Os componentes de um sistema informático dividem-se em dois grupos: suporte físico (hardware) e suporte lógico (software).

• O suporte físico inclui o CPU (unidade central de processamento), o teclado, o monitor, os disco externo, as placas de rede, a impressora, etc.

• O suporte lógico inclui os programas que são executados pelo sistema.

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Categorias de Computadores

• Existem duas categorias de computadores, os computadores para uso pessoal e os computadores para uso em organizações.

• Os computadores pessoais são desenhados para uso individual por parte de apenas um utilizador em cada momento. Existem vários tipos de computadores pessoais: computadores de secretária (desktops), netbooks, tablets, PDAs e smartphones.

• Os computadores para organizações são desenhados para serem usados por múltiplos utilizadores em simultâneo. Existem vários tipos como os servidores, os super-computadores ou clusters.

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Computadores | Pessoais

Computador Portátil Smartphone

TabletNetbook

Computador de Secretária

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Computadores | Organizacionais

SupercomputadorServidor Sala de Servidores

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(Uma Breve) História dos Computadores

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Origens — 2500 AC

Ábaco Chinês

O ábaco é uma ferramenta usada para realizar operações aritméticas e é considerado um dos primeiros computadores. O ábaco remonta a 2500 AC e ainda se encontra em uso em várias regiões do mundo.

Ao contrário dos computadores modernos, o ábaco não é programável.

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Calculadoras Mecânicas (1600-)

• As primeiras máquinas desenhadas para realizar cálculos eram baseadas em peças e componentes mecânicos, e não em componentes eletrónicos como as calculadoras e computadores modernos.

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Arts_et_Metiers_Pascaline_dsc03869.jpg

Pascaline, 1642Inventada por Blaise Pascal, realiza operações de soma e subtração.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/92/Leibnitzrechenmaschine.jpg

Contador Escalonado, 1694Inventada por G. Wilhelm Leibniz, realiza operações de soma, subtração, divisão e multiplicação.

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Motor Analítico de Babbage (1837)

Charles Babbage inventa e projeta o motor analítico — a construção nunca foi concluída.

Esta máquina representa um importante marco na história dos computadores pois é a primeira máquina de uso genérico, i.e. programável.

É capaz de executar operações de acordo com as instruções definidas pelo operador.

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Máquina Tabuladora de Hollerith (1890)

Herman Hollerith desenvolveu uma máquina baseada em cartões perfurados para processar o resultado dos censosnos EUA.

Os censos de 1880 demoraram 8 anos a processar, enquanto que com recurso à máquina de Hollerith, os censos de 1890 foram processados em apenas 1 ano.

A Hollerith's Tabulating Machine Company fez parte de um grupo de empresas que deu origem à IBM.

Cartão Perfurado

Máquina Tabuladora de Hollerith

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"Penso que existe um mercado mundial para cerca de cinco computadores."

Thomas Watson SeniorPresidente da IBM, em 1943

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ENIAC (1946)

• O ENIAC — Electronic Numerical Integrator and Calculator — foi o primeiro computador digital eletrónico de uso genérico. Dimensões: 9x9 m2, 30 toneladas e mais de 18000 válvulas eletrónicas (precursoras do transístor).

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"No futuro, os computadores não deverão pesar mais do que uma tonelada e meia."

Popular Mechanics, em 1949

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Bug (1947)

Grace M. Hopper, uma oficial da marinha dos EUA, descobre (literalmente) um 'bug' no interior de um computador.

Os bugs, ou erros informáticos, não resultam de bichos existentes nos equipamentos, mas sim de defeitos nos sistemas informáticos.

Tipicamente, estes defeitos têm origem em erros introduzidos na programação.

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Transístor (1940-)

O transístor é o componente central dos equipamentos eletrónicos modernos. Foi desenvolvido nosanos 1940 e a partir da década de 1950 teve um grande impactona indústria.

Os transístores vieram substituir as válvulas eletrónicas usadas até então.Quando comparados com as válvulas, os transístores são mais pequenos, mais baratos e têm um menor consumo de energia.

Diferentes modelos de transístores.

Diferentes modelos de válvulas eletrónicas.

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UNIVAC I (1951)

• O sistema UNIVAC I — UNIVersal Automatic Computer I — representou o primeiro grande sucesso comercial em termos de computadores.

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Circuito Integrado (1950-)

Um circuito integrado é um pequeno circuito eletrónico composto por diversos componentes interligados, sobretudo transístores.

Até à invenção do circuito integrado, a construção dos circuitos era feita com base em componentes discretos montados individualmente.

Com os circuitos integrados, a construção passou a ser feita a partir de uma peça única de silício.

Vantagens: mais pequeno, mais rápido, mais barato, mais fiável, menor consumo, e possibilidade de produção em massa.

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Lei de Moore (1965)

A Lei de Moore foi observada pela primeira vez em 1965 por Gordon Moore, um dos fundadores da Intel.

Gordon Moore observou que o número de transístores que é possível colocar num circuito duplicava a cada 2 anos, mantendo-se o custo de produção.

Desde os anos 1970 que esta observação se tem mantido válida.

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ARPANET (1969)

Inicia-se o desenvolvimento das tecnologias de comunicação associadas à transferência de dados através de longas distâncias.

A ARPANET foi desenvolvida no contexto do Departamento de Defesa dos EUA e está na origem da Internet.

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Microprocessador (1970-)

Com a invenção dos microprocessadores tornou-se possível colocar num único circuito integrado todos os componentes da únidade central de processamento (CPU).

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"Não há nenhuma razão para alguém ter um computadorem casa."

Ken OlsonPresidente e Fundador da Digital, em 1977

32

Microsoft (1975)

Equipa da Microsoft em 1978

A Microsoft é fundada em 1975 porBill Gates e Paul Allen. O sucesso inicial da empresa deve-se à parceria com a IBM no desenvolvimento do IBM PC.

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IBM PC (1981)

A IBM produz um computador pessoal (PC) baseado num processador Intel e no sistema operativo DOS da Microsoft.

Unidades vendidas em 1981: 300 000Vendas em 1982: >3 000 000

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"640K deve ser suficientepara qualquer pessoa."

Bil GatesPresidente e Fundador da Microsoft, em 1981

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Macintosh (1984)

Apple Macintosh

A Apple, fundada em 1976 por Steve Jobs, Steve Wozniak e Ronald Wayne, desenvolve o Apple Macintosh, sistema que popularizou o uso de interfaces gráficas com o utilizador.

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Microsoft Windows (1984)

Windows 1.01A primeira versão do sistema operativo Windows da Microsoft é lançada em 1984. O Windows tornou-se o sistema operativo dominante no mercado dos PC, tendo atingido uma quota superior a 90%.

Windows 737

World Wide Web (1990)

Inicia-se o desenvolvimento daWorld Wide Web, por Tim Berners-Lee e Robert Cailliau, enquanto investigadores no CERN.

A WWW só se tornaria popular em 1994 com o aparecimento dos primeiros browsers gráficos.

Tim Berners-Lee

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Google (1996)

Larry Page e Sergey Brin, estudantes de doutoramento em Stanford, decidem criar um motor de pesquisa na web.

O nome Google tem origem no termo googol, que representa o número 10100, i.e. 1 seguido de 100 zeros.

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Novos Dispositivos

• Os smartphones, bem como os dispositivos do tipo tablet, têm tido um forte crescimento em anos recentes. O uso de interfaces tácteis tem-se tornado comum.

• Em 2011, as vendas de smartphones ultrapassaram as vendas de PCs.

iPad (2010)iPhone (2007) Kindle (2007)

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Tendências nasTecnologias de Informação?

"O futuro já existe— não está é uniformemente distribuído."William Gibson

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Próteses Cerebrais

http://www.youtube.com/watch?v=9c6W4CCU9M4Projeto Glass (Google)

Uso de computadores para extender capacidades humanas é cada vez mais comum — memória, visão, capacidades motoras, etc.

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Autónomia dos Computadores

http://www.youtube.com/watch?v=cdgQpa1pUUEAutomóveis Autónomos (Google)

A maior capacidade de processamento de informação torna possível realizar mais funções em tempo real.

O volume de informação disponível permite um maior independência dos sistemas informáticos face aos utilizadores.

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Interfaces Voz

http://www.youtube.com/watch?v=rNsrl86inpoSiri (Apple)

Novas interfaces de interação com os computadores — interfaces tácteis, interação com base na voz, etc.

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Computadores | Aspetos Positivos

• Quais são alguns aspetos positivos dos computadores?

• Rapidez no processamento de informação.

• Facilidade no acesso e partilha de informação.Maior acesso a material educativo.

• Aumento da produtividade pessoal / organizacional.

• Ferramenta de inclusão social.

• ...

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Computadores | Aspetos Negativos

• Quais são alguns aspetos negativos dos computadores?

• Ferramenta de exclusão social.

• Sedentarismo e consequentes riscos para saúde.

• Isolamento individual. Intermediação das relações sociais.Risco de atitudes aditivas.

• Acesso fácil a todo o tipo de conteúdos.

• Risco de ataques informáticos.

• Redução da criatividade e da autonomia na redução de problemas.

• ...

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Informação Digital

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Objetivos

• Compreender com é armazenada a informação nos sistemas informáticos.

• Conhecer e compreender o processo de digitalização de informação.

• Descrever as caraterísticas dos suportes digitais e dos suportes analógicos.

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• O transístor foi inventado nos anos 50 e é o elemento nuclear de todos os sistemas eletrónicos modernos. O funcionamento base pode ser comparado ao de um interruptor com duas posições: ligado ou desligado.

• A combinação de vários transístores permite processar informação através de operações aritméticas e lógicas, ou armazenar informação.

Transístor

1 transístor processador commilhares de milhões de transístores bloco de memória

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Sistema Binário

• Os computadores usam o sistema binário para a representação interna de informação. Toda a informação é codificada de forma a ser representada recorrendo apenas a dois símbolos — zeros e uns.

• A opção pelo sistema binário deve-se ao facto dos computadores usarem voltagens para ligar ou desligar os circuitos. A utilização de apenas dois níveis resulta em circuitos mais simples. Por exemplo, a utilização do sistema decimal necessitaria de 10 níveis diferentes de voltagem estáveis.

• O mais pequeno pedaço de informação com que um computador pode trabalhar é designado por bit, abreviatura de binary digit (dígito binário). Um bit tem o valor de 1 ou 0. Um conjunto de 8 bits designa-se por byte.

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Unidades

• 1 bit (binary digit)

• 1 byte (binary term) = 8 bits

• 1 kilobyte (KB) = 1024 bytes = 210 bytes

• 1 megabyte (MB) = 1024 kilobytes = 220 bytes

• 1 gigabyte (GB) = 1024 megabytes = 230 bytes

• 1 terabyte (TB) = 1024 gigabytes = 240 bytes

• 1 petabyte (PB) = 1024 terabytes = 250 bytes

• 1 exabyte (EB) = 1024 petabytes = 260 bytes

• 1 Kb = 1024 bits ≠ 1KB = 1024 bytes

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Comparações

• 1 símbolo ≈ 1 byte

• 1 livro ≈ 1 MB (apenas texto); 1 GB > mil livros; 1 TB > 1 milhão de livros

• Biblioteca do Congresso dos EUA ≈ 28 TB

• Informação armazenada anualmente em todo o mundo ≈ 5 EB

• Chamadas telefónicas por ano (fixo e móvel) ≈ 17 EB

• World Wide Web (à superfície) ≈ 170 TB

Projecto "How Much Information?" (2003)http://www.sims.berkeley.edu/research/projects/how-much-info-2003/

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Representação Binária

As armas e os barões assinalados,Que da ocidental praia Lusitana,Por mares nunca de antes navegados,Passaram ainda além da Taprobana,Em perigos e guerras esforçados,Mais do que prometia a força humana,E entre gente remota edificaramNovo Reino, que tanto sublimaram;

0011110100011000010110111001100001001011000000110100001010011101100110010101100111011000010110010001101111011100110010110000001101000010100101000001100001011100110111001101100001011100100110000101101101001000000110000101101001011011100110010001100001

0011110100011000010110111001100001001011000000110100001010011101100110010101100111011000010110010001101111011100110010110000001101000010100101000001100001011100110111001101100001011100100110000101101101001000000110000101101001011011100110010001100001

0100000101110011001000000110000101110010011011010110000101110011001000000110010100100000011011110111001100100000011000100110000101110011000000110111101100011011110100011000010110111001100001001011000000110100001010011101100110010101100111011000010110010001101111011100110010110000001101000010100101000001100001011100110111001101100001011100100110000101101101001000000110000101101001011011100110010001100001

0100000101110011001000000110000101110010011011010110000101110011001000000110010100100000011011110111001100100000011000100110000101110011000000110111101100011011110100011000010110111001100001001011000000110100001010011101100110010101100111011000010110010001101111011100110010110000001101000010100101000001100001011100110111001101100001011100100110000101101101001000000110000101101001011011100110010001100001

0100000101110011001000000110000101110010011011010110000101110011001000000110010100100000011011110111001100100000011000100110000101110011000000110111101100011011110100011000010110111001100001001011000000110100001010011101100110010101100111011000010110010001101111011100110010110000001101000010100101000001100001011100110111001101100001011100100110000101101101001000000110000101101001011011100110010001100001

0100000101110011001000000110000101110010011011010110000101110011001000000110010100100000011011110111001100100000011000100110000101110011000000110111101100011011110100011000010110111001100001001011000000110100001010011101100110010101100111011000010110010001101111011100110010110000001101000010100101000001100001011100110111001101100001011100100110000101101101001000000110000101101001011011100110010001100001

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Representação de Números

Decimal Binário Decimal Binário0 0 7 1111 1 8 10002 10 9 10013 11 10 10104 100 11 10115 101 12 11006 110 13 1101

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Representação de Símbolos

• O número de símbolos que podemos representar com N bits é 2N.

• Por exemplo, com 1 bit podemos representar 21 = 2 símbolos.

• Com 3 bits podemos representar 23 = 2 x 2 x 2 = 8 símbolos.

• 8 combinações possíveis: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111.

• Para representar 26 símbolos (p.e. alfabeto português) seriam necessários 5 bits = 25 = 2 x 2 x 2 x 2 x 2 = 32 símbolos. Apenas 4 bits (= 16 símbolos) seriam insuficientes.

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Codificação de Símbolos

• Para representar símbolos utilizam-se normas de codificação. Estas normas permitem estabelecer um mapeamento entre símbolos e números.

• Existem diversas normas de codificação. Uma das mais antigas é a norma ASCII de 7 bits (= 128 símbolos), criada nos anos 60.

• Atualmente, a norma mais popular é a norma Unicode, que inclui a representação para mais de 100 mil símbolos diferentes.

Binário Decimal ASCII Binário Decimal ASCII

101110 46 . 1000001 65 A101111 47 / 1000010 66 B

110000 48 0 1000011 67 C

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Exemplo de Codificação

• Converter a expressão "CDI" para formato binário usando a norma ASCII.

• Procurar por "ASCII table" na web.

• Identificar os valores decimais correspondentes a C, D e I.

• Converter os valores decimais para formato binárioprocurando no Google por "XX in binary".

• C = 67; D = 68; I = 73

• 67 = 01000011; 68 = 01000100; 73 = 01001001

• CDI = 01000011 01000100 01001001

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Exemplo de Descodificação

• Descodificar o que significa 01010101001011100101000000101110 na norma ASCII.

• Segmentar a sequência em grupos de bytes, i.e. grupos de 8 bits.

• Converter cada byte do formato binário para o formato decimal.

• Consultar a tabela ASCII e verificar quais os símbolos correspondentes.

• 01010101 / 00101110 / 01010000 / 00101110

• 01010101 = 85; 00101110 = 46; 01010000 = 80; 00101110 = 46

• 85 = U; 46 = .; 80 = P; 46 = .

• 01010101001011100101000000101110 = U.P.

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Representação de Imagens

• As imagens são representadas como uma sequência de pixels — a unidade mínima de uma imagem que pode ser representada ou manipulada.

• É possível representar diferentes cores fazendo variar a intensidade das várias componentes (p.e. vermelho, verde, azul) de cada pixel.

• A resolução de uma imagem corresponde ao número de pixels que existem num determinado espaço fixo.

R: 179G: 68B: 84

10110011 01000100 01010100

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Digitalização

• A informação é frequentemente criada diretamente em suporte digital, por exemplo quando estamos a escrever no computador.

• No entanto, é muitas vezes necessário converter informação que não está em formato digital para formato digital. Por exemplo, no caso de fotografias obtidas com uma máquina digital é necessário converter a luz captada pela lente para uma representação binária.

• O processo de digitalização corresponde à representação de um objeto (p.e. imagem, som, vídeo) num formato composto por um conjunto discreto de valores. Por outras palavras, corresponde à conversão de um sinal que varia de forma contínua para um sinal que varia entre valores discretos.

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Sinais Analógicos e Digitais

Sinal Digital

No caso de um sinal digital, os valores oscilam numa escala limitada e bem definida. As classificações finais, que oscilam entre 0 e 20, podem ser consideradas um exemplo de um sinal digital.

Sinal Analógico

No caso de um sinal analógico, os valores oscilam numa escala contínua, onde não há um conjunto de valores limitado. A medição de uma propriedade física (p.e. som) é um um exemplo de um sinal analógico.

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Digitalização

• A informação disponível em suporte analógico tem de ser convertida para suporte digital para poder ser manipulada num computador.

• No processo de digitalização há sempre perda de informação.

• A digitalização envolve duas operações fundamentais:

• Amostragem: número de medições efetuadas num determinado período de tempo.

• Quantificação: gama de valores existentes para representação do sinal.

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Quantificação

• A representação da imagem em suporte digital será mais ou menos fiel em função da gama de valores que é possível usar.

"Original" 256 níveis de intensidade (cores)

32 níveis 4 níveis

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Caraterísticas do Suporte Digital

• É possível reproduzir ou copiar a informação em suporte digital de forma ilimitada e sem deterioração. A cópia número 1000 é idêntica à versão original.

• O armazenamento, cópia e transmissão de informação em suporte digital é imune ao ruído devido aos mecanismos de controlo e recuperação existentes.

• A informação em suporte digital pode ser manipulada por computadores, sem necessidade de sistemas desenhados à medida. Ao contrário do que acontece em suportes analógicos.

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Caraterísticas do Suporte Digital (2)

• A infraestrutura existente para manipulação de informação digital é uma vantagem importante, em particular os sistemas informáticos e as redes de comunicação digital existentes.

• Como desvantagens do suporte digital existem os custos associados ao processo de digitalização e ao equipamento digital.

• O suporte digital introduz desafios adicionais ao nível da preservação de informação face aos suportes analógicos tradicionais.

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Sumário | Computadores

• Os computadores são máquinas programáveis desenhadas para processar informação de acordo com instruções bem definidas.

• O processamento de informação num computador envolve quatro tipos de operações básicas: operações de entrada, operações de processamento, operações de armazenamento e operações de saída.

• Os componentes de um sistema informático dividem-se em dois grupos: suporte lógico (software) e suporte físico (hardware).

• A informação armazenada num computador pode ser organizada em dois tipos: instruções para o processamento dos dados (programas) e dados.

• Os computadores dividem-se em duas grandes categorias: os computadores para uso pessoal e os computadores para uso partilhado em organizações.

• O impacto dos computadores na sociedade tem aspetos positivos e negativos.

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Sumário | Informação Digital

• O transístor é o elemento nuclear dos equipamentos eletrónicos.

• Os computadores usam o sistema binário para a representação interna da informação.

• Apenas informação em suporte digital pode ser manipulada e processada por computadores. Existem convenções sobre como representar imagens, sons, vídeos, etc.

• A informação pode ser criada diretamente em suporte digital ou convertida a partir de um suporte analógico através de um processo de digitalização.

• O processo de digitalização de informação resulta sempre em perdas de informação.

• O uso de um suporte digital para representação de informação tem diversas vantagens, em particular a imunidade a erros no armazenamento, cópia e transmissão.

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Referências

• Computers are Your FutureCatherine LabertaPearson Education, 2010

• Digital MultimediaNigel Chapman e Jenny ChapmanJohn Wiley & Sons, 2009

• A Short History of ComputingFrank McCownComputer Science Department, Harding Universityhttp://www.harding.edu/fmccown/short-history-of-computing.pdf

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