Entenda o sistema de Código Binário
Introdução
Logo que comecei a estudar programação, algumas das minhas principais dúvidas eram: “como a máquina consegue entender as instruções de uma linguagem?” Ou então, ficava imaginando, “como os circuitos, processador, memória conseguem transformar algumas linhas de código em um programa ou aplicativo de celular”. E você, também já se perguntou sobre isso?
Para entender um pouco melhor, pesquisei sobre o assunto e já nas primeiras aulas da faculdade me deparei com o estudo sobre o chamado sistema binário. Aí você deve pensar: “Ah, então foi aí que as coisas começaram a fazer mais sentido”. A resposta é “NÃO!”
Oi, como assim? Pois é, eu explico… não fez sentido, porque na verdade tudo ficou muito confuso e minha cabeça quase explode tentando calcular conversão de número binário no papel. Diante dessa situação, fiz o que qualquer pessoa faria: pesquisei no google e estudei pela Alura xD.
Vem comigo pra entender DE VEZ o que são números binários. Vamos lá!
Eu vejo Números... todo o tempo
Sabemos que os números fazem parte do nosso dia a dia e a gente lida com eles no momento em que acorda até o sono chegar. O preço do feijão com arroz , os cálculos para a feira do mês caber no orçamento, ou mesmo a quantidade de horas que você fica em frente ao seu computador naquela partida online.
Com os números é possível representar muita coisa e também transformar essas representações numéricas em informações - ou até mesmo constituir uma forma de comunicação (pode ser um número de telefone, endereço, conta de banco, dentre outros exemplos).
Pensa comigo: “se nós, seres humanos, utilizamos os números para diversas abstrações do mundo real, por que com as máquinas seria diferente?”
Fonte: tenor.com
Faz sentido então construir máquinas ou soluções de acordo com nossa compreensão da realidade, ou seja, que tenha alguma conexão com a nossa forma de organização do mundo real, e por isso utilizamos também números para dar instruções aos computadores.
Ok, agora entendi que nos comunicamos com as máquinas através de números. Mas... as máquinas calculam números da mesma forma que a gente aprendeu na escola?
Agora você deve ter percebido um detalhe muito importante. Nós utilizamos 10 algarismos, os números 0 ,1,2,3,4,5,6,7,8,9 para criar, quantificar ou mesmo organizar qualquer coisa. É o chamado sistema decimal, são números que possuem base 10 e sua classificação está relacionada a posição que ocupa.
Agora parece que complicou? Vamos ver de outra forma.
Vejamos o número 12 em decimal:
Para formar o decimal 12, é preciso multiplicar os algarismos por 10 elevados a sua posição (o 2 está na posição 0 e o 1 está na posição 1). Depois disso nós fazemos a soma dos fatores e confirmamos o seu valor decimal!
Fonte: giphy.com
Quando olhamos apenas para os números, às vezes o cálculo não parece fazer muito sentido, vamos olhar de outra forma então:
Acho que agora conseguimos visualizar melhor. certo?
Para os computadores a formação do padrão numérico é muito semelhante. Todavia, as máquinas compreendem os números em um sistema binário.
O sistema binário funciona da mesma maneira que o decimal. Porém, o decimal tem 10 algarismos como base, e o binário tem apenas dois algarismos. A regra de formação é a mesma, cada dígito é o seu valor multiplicado por 2, elevado ao valor da sua posição no número total menos um. Depois de calcular o valor de cada dígito, basta somá-los para ter o valor final em decimal. Vamos ver na prática?
Já temos o número 12 em decimal, mas há uma representação dele em binário, e conseguimos ter essa informação por meio da conversão de valores decimais para o código binário. Veja o esquema abaixo para entender como funciona:
Então temos inicialmente o decimal 12 dividido por 2, e seu resultado é 6. Correto? ”Tá certo, mas e esse 0 aí embaixo?”. O número 0 é o resto da divisão, é o que sobra. Dessa forma, precisamos dividir todo o número até não existir mais unidade divisível. O resto da divisão é o que corresponde ao número binário, nós apenas precisamos inverter a ordem e 12 em binário é igual a 1100
Fonte: gfycat.com
E por que as máquinas utilizam o binário e não o decimal?
Para a gente entender melhor esse ponto, precisamos voltar nosso olhar um pouco para a história da computação. Nos computadores de uso geral, que são os mais próximos dos computadores atuais (podemos dizer que são como o tataravô do seu notebook ou celular), a programação era realizada com a conexão direta entre unidades físicas que enviavam os sinais elétricos, eram válvulas que você precisava trabalhar manualmente para poder enviar as instruções, você ligava e desligava para enviar as informações!
O ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer ou, em português, computador integrador numérico eletrônico) é um desses exemplos de computadores de uso geral que precisavam ser ligados e desligados manualmente para ser programado.
No entanto, o ENIAC era uma máquina decimal e funcionava com uma memória de 20 “acumuladores” que mantinham um número decimal de 10 dígitos em cada unidade. Havia um anel de 10 válvulas que representava cada dígito e quando uma válvula estava no estado LIGADO, representava um desses 10 dígitos. Assim os cálculos eram feitos, em meio a conexão ou desconexão de cabos e um emaranhado de ligações entre chaves.
Fonte: ufrgs.br
A gente consegue perceber que programar não era tão fácil, demandava esforço físico além de mental ! Já pensou: você? Programador bodybuilder?
Fonte: Bodybuilding by Guilherme Mota on Dribbble
Por conta dessas características, era difícil trabalhar e encontrar mão-de-obra para operar computadores como o ENIAC. Pensando nisso. Um dos consultores no projeto ENIAC foi o matemático Von Neumann, imaginou uma forma de facilitar o processo de programação com a proposta de um novo computador de programa armazenado em meados de 1940. O EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer, em tradução livre, calculadora eletrônica automática de variável discreta) e posteriormente o IAS (a sigla vem do nome do instituto de Princeton, Institute for Advanced Study - Instituto de estudos avançados) combinavam uma arquitetura que otimizava também o processamento de dados.
E qual a relação disso com o código binário? Como as informações do sistema binário são transferidas para a máquina, ou melhor, como os computadores conseguem entender o sistema binário?
Matemáticos como Von Neumann e Alan Turing se apropriaram de conceitos de Leibniz (sistema binário de numeração), George Boole (álgebra booleana) e aplicaram em seus estudos sobre arquitetura de computadores e criptografia, trabalhos que são a base da computação atual. Dessa forma, perceba que o sistema binário não foi inventado para os computadores ou é algo exclusivo à computação, mas sua aplicação no contexto dos computadores, a conversão de binário para decimal realizada pelas máquinas, e a codificação é uma combinação entre arquitetura computacional e lógica matemática.
Nesse sentido, é muito importante entender que as instruções precisam ser processadas por uma máquina que é constituída por circuitos e componentes eletrônicos (bem diferente dos seres humanos, que podem receber estímulos diferentes e processam informações de forma complexa), e mesmo com a segunda geração de computadores e os transistores (adeus, válvulas!) isso gera algumas “limitações” pois as máquinas identificam dois estados de acordo com os sinais elétricos, que são o desligado e ligado, o nosso 0 e 1, ou simplesmente o sistema binário (ta-da!).
Fonte: tenor.com
Então as máquinas funcionam apenas com sistema binário , é só 01, ligado ou desligado? A resposta é “sim” e “não”, vamos focar agora no código binário...
Como vimos, o decimal possui 10 símbolos para representar infinitos números, os números binários possuem base 2, ou seja, dois algarismos que também fazem combinações infinitas e podem representar um sem fim de coisas apenas com o 0 e 1. Cada letra deste artigo, todos os pixels dos gifs e imagens estáticas que escolhi, arquivos de texto lidos, vídeos, áudio, tudo é construído com o código binário!
Na computação, toda a informação é processada pela máquina através do código binário, que usa como base o sistema binário para converter os valores 0 e 1 dos pulsos elétricos em informações. Observe a imagem abaixo, nela nós temos a representação de 1 bit como ligado (ON) e abaixo nós temos 8 dígitos que representam 1 Byte formado pelos bits 10101100 (acho que agora foi, não é?).
Fonte: computerhope.com
Certo, essa parte já entendemos, mas o que é e como se constrói um código binário?
O código binário é compostos por algumas combinações de 0 e 1. O “alfabeto” binário apresenta algumas formas de organização de informações, podemos observar na tabela abaixo:
| Nome da unidade | Base Dois | Número de bits |
|---|---|---|
| bit | 2¹ | 1 |
| Byte | 2⁸ | 8 |
| Kilobyte | 2¹⁸ | 8.192 |
| megabyte | 2²⁸ | 8.388.608 |
| gigabyte | 2³⁸ | 8.589.934.592 |
| terabyte | 2⁴⁸ | 8.796.093.022.208 |
1 bit é o binary digit, que em tradução livre é o dígito binário. Essa é a menor unidade de informação do computador , você pode desejar compartilhá-la ou armazená-la com seus dois valores: 0 ou 1.
Por sua vez o Byte, a partir do agrupamento de 8 bits (arquitetura popularizada pela IBM nos anos 60), é uma unidade de informação digital para representar letras, símbolos ou números, por exemplo, e facilita o processo das informações enviadas ao computador.
De forma simples, 1 Byte é a soma de 8 bits
bit + bit + bit + bit + bit + bit +bit + bit = 1 byte ou 1 byte = 8 bits
Trabalhar com textos também é outra forma de codificação, utilizamos amplamente o código ASCII e o UTF-8, vamos conhecer um pouco mais?
Códigos ASCII, UNICODE e UTF-8
O Código ASC II, American Standard Code for Information Interchange - Código Padrão Americano para o Intercâmbio de Informação, é um esquema de codificação de caracteres alfanuméricos. Podemos representar letras, símbolos, números , espaço, aspas, dentre outros. Há vários tipos de esquemas e é até comum nós, brasileiros, termos certos problemas no momento de acentuar palavras, por exemplo, por isso precisamos selecionar o padrão correto e evitar essas ocorrências.
O UNICODE é o padrão de codificação de caracteres da internet, foi baseado no ISO/IEC 10646, e foi pensando para tratar os milhares sistemas de codificação que surgiram. Por isso incorpora os padrões UTF, UTF-12, UTF-32 e UTF-8.
Já o UTF-8 é largamente consumido na web e o padrão estava presente em 95% de todos os sites em 2020. Cada caractere é representado por 1 a 4 bytes e uma de suas vantagens é ser compatível com versões antigas do ASCII . Além disso, cada byte reserva alguns bits para codificação, o que é diferente do ASCII, e por isso há menor possibilidade de bytes serem corrompidos no momento de conversão do UTF-8.
Eu estava curiosa e fui testar para ver se funcionava, você quer tentar também? Desafio você a converter o binário em texto, vamos tentar com o código abaixo:
|01000001 01101100 01110101 01110010 01100001|
Você pode usar a tabela ASCII e converter bit a bit ou pode usar um conversor aqui neste link Conversor online de binário para UTF8.
E aí? O que apareceu para você? Compartilhe em suas redes e marca a gente 😊
Conclusão
Talvez realizar conversão de decimal para binário e vice-versa não tenha muito sentido na rotina de desenvolvimento, mas certamente me ajudou muito a visualizar o funcionamento do sistema binário e como a relação de posicionamento e deslocamento dos algarismos está diretamente conectada com o funcionamento da memória e processamento de informações. Entender um pouco mais sobre as ferramentas que a gente utiliza é um passo fundamental para aproveitar melhor os recursos disponíveis e evitar até mesmo eventuais bugs em nosso código. Afinal… quem nunca se deparou com o problema de ponto flutuante causado pela conversão de decimal para binário?
Mas sem dúvida o mais importante é que agora você conseguirá entender essa piada!
Fonte: br.pinterest.com
Gostou do artigo ou quer ver mais sobre o assunto? Compartilha sua opinião no discord da Alura: Link para o Discord da Alura.
E então, vamos aprender mais?