Контрольные вопросы

1. Что представляет собой решение задачи на ПЭВМ?

2. Охарактеризуйте этапы решения задачи на ПЭВМ.

3. Что такое алгоритм?

4. Назовите основные свойства алгоритмов и дайте им характеристику.

5. Опишите способы записи алгоритмов.

6. Что такое псевдокод?

7. Дайте перечень блоков в методе блок-схем.

8. Дать понятие «структура данных».

9. Привести классификацию структур данных.

10. Что называется структурой хранения?

11. Чем отличаются физические и логические структуры данных?

12. Какой признак структуры данных является наиболее важным?

13. Дать определение типу данных.

14. Какие бывают типы данных? Охарактеризуйте их.

15. На какие вычислительные процессы делятся алгоритмы? Привести примеры основных вычислительных процессов (алгоритмов).

16. Какие процессы имеют место при вычислении арифметических выражений?

17. Что является целью анализа трудоемкости алгоритмов?

18. Дайте определения «трудоемкость» алгоритма и «функция трудоемкости».

19. Как проводится анализ алгоритмов?

20. Что является целью асимптотического анализа алгоритмов?

Тема 6. Знакомство с языками программирования.

6.1. Обзор языков программирования

Компьютерная программа представляет собой логически упорядоченную последовательность команд, предназначен­ных для управления компьютером. Процессор компьютера — это большая интегральная схема. Все данные и команды он получает в виде электрических сигналов. В двоичном коде наличие сигнала описывается понятием «1», а его отсутствие - понятием «О». Команды, обрабатываемые процессором, можно интерпретировать как ряд чередующихся определенным образом единиц и нулей, то есть любая команда преобразуется в двоичное число. Таким образом, процессор исполняет программы, представляющие собой последовательность чисел и называемые машинным кодом.

Писать программы в машинных кодах очень сложно, причем с ростом размера программы эта задача усложняется. В компьютерах первого поколения использовались программы, написанные в машинных кодах, причем для каждого компьютера существовал свой собственный машинный код. Числовая кодировка команд, адресов ячеек и обрабатываемых данных, зависимость вида программы от ее места в памяти не давали возможность следить за смыслом програм­мы. Это во многом ограничивало область применения компьютеров первого поколения.

В тот период (начало 50-х гг.) средства программирования и программное обеспечение только зарождались и были еще не развиты. Для того чтобы сделать программу читабельной и иметь возможность следить за ее смысловой структурой, придумали символический язык ассемблер, близкий к машинному (конец 50-х -начало 60-х гг.), в котором появилось понятие переменной. Ассемб­лер стал первым полноценным языком программирования. Благода­ря этому заметно уменьшилось время разработки и возросла надеж­ность программ. Для записи кодов операций и обрабатываемой информации в ассемблере используются стандартные обозначения, позволяющие записывать числа и текст в общепринятом виде, для кодов команд приняты мнемонические обозначения. Для обозначе­ния величин, размещаемых в памяти, можно применять имена. После ввода программы ассемблер сам заменяет символические имена на адреса памяти, а символические коды команд на числовые. Исполь­зование ассемблера сделало процесс программирование более нагляд­ным. Дальнейшее развитие этой идеи привело к созданию языков программирования высокого уровня, в которых длинные и сложные последовательности машинных кодов были заменены одним един­ственным обозначающим их словом - операторы.

Сегодня практически все программы создаются с помощью язы­ков программирования. Теоретически программу можно написать и на естественном языке (говорят: программирование на метаязыке), но из-за неоднозначности естественного языка автоматически пере­вести такую программу в машинный код пока невозможно.

Языки программирования — это формальные искусственные язы­ки. Как и естественные языки, они имеют алфавит, словарный запас, грамматику и синтаксис, а также семантику.

Алфавит — разрешенный к использованию набор символов, с помощью которого могут быть образованы слова и величины данного языка.

Словарный состав или лексика языка - это совокупность употребляемых в нем слов, т.е. правильных слов данного языка.

Грамматика - это конечная система правил, определяющих язык.

Грамматика определяет способы построения изменения и сочетания слов.

Синтаксис — система правил, определяющих допустимые конст­рукции языка программирования из букв алфавита.

Семантика - система правил однозначного толкования каждой языковой конструкции, позволяющих производить процесс обработ­ки данных.

Взаимодействие синтаксических и семантических правил опре­деляет основные понятия языка, такие как операторы, идентифика­торы, константы, переменные, функции, процедуры и т.д. В отличие от естественных, язык программирования имеет ограниченный запас слов (операторов) и строгие правила их написания, а правила грам­матики и семантики, как и для любого формального языка, явно однозначно и четко сформулированы.

Языки программирования, ориентированные на команды процессора и учитывающие его особенности, называют языками низкого уровня. «Низкий уровень» не означает неразвитый, имеется в виду, что операторы этого языка близки к машинному коду и ориентиро­ваны на конкретные команды процессора.

Языком самого низкого уровня является ассемблер. Программа, написанная на нем, представляет последовательность команд машинных кодов, но записанных с помощью символьных мнемоник. С помощью языков низкого уровня создаются компактные оптимальные программы, так как программист получает доступ ко всем возмож­ностям процессора. С другой стороны, при этом требуется хорошо понимать устройство компьютера, а использование такой програм­мы на компьютере с процессором другого типа невозможно. Такие языки программирования используются для написания небольших системных приложений, драйверов устройств, модулей стыковки с нестандартным оборудованием, когда важнее компактность, быстро­действие, прямой доступ к аппаратным ресурсам.

Языки программирования, имитирующие естественные, обладающие укрупненными командами, ориентированные «на человека», называют языками высокого уровня. Чем выше уровень языка, тем ближе структуры данных и конструкции, использующиеся в програм­ме, к понятиям исходной задачи. Особенности конкретных компь­ютерных архитектур в них не учитываются, поэтому исходные тек­сты программ легко переносимы на другие платформы, имеющие трансляторы этого языка. Разрабатывать программы на языках высокого уровня с помощью понятных и мощных команд значительно проще; число ошибок, допускаемых в процессе программирования, намного меньше. В настоящее время насчитывается несколько сотен таких языков (без учета их диалектов).

Таким образом, языки программирования высокого уровня, ориентированные на решение больших содержательных прикладных задач, являются аппаратно-независимыми и требуют использования соответствующих программ-переводчиков для преобразования текста программы в машинный код, который в итоге и обрабатывается процессором.

Язык высокого уровня «непонятен» компьютеру, поэтому суще­ствуют специальные программы-трансляторы, переводящие опера­торы языка высокого уровня в машинные коды.

Существуют два типа программ-трансляторов: компилятор и ин­терпретатор.

Компилятор работает сразу со всем исходным модулем, форми­руя на его основе загрузочный модуль, т. е. исполняемый файл, го­товый для выполнения на компьютере. Программа в виде загрузоч­ного модуля выполняется независимо от исходного модуля.

Интерпретатор работает с исходным модулем по шагам. Он раз­бирает (интерпретирует) каждый оператор исходного модуля и вы­полняет его. В режиме интерпретации проще отлаживать програм­му, однако программа работает значительно медленнее, чем ском­пилированная программа.

Существенным шагом по снижению трудоемкости создания программ при повышении их качества, надежности и возможности использования в массовом порядке явилось структурированное программирование. Его основные принципы следующие:

• нисходящее программирование;

• модульное программирование;

• структурное программирование;

• структурный контроль.

Нисходящее программирование основано на иерархическом под­ходе к решению задач и используется на начальной стадии процесса разработки решения задачи. При этом составляется иерархическая модель объекта, выбираются функция, степень детализации.

Иерархическая модель строится по следующим правилам:

- каждый модуль может быть связан только с одним модулем верхнего уровня и с несколькими модулями нижнего уровня;

- для каждого модуля нижнего уровня имеется выход в модуль верхнего уровня;

- связи между модулями организуются сверху вниз;

- обращение к одному модулю возможно несколько раз, при этом он изображается один раз и оформляется как подпрограмма.

Модульное программирование предполагает независимое программи­рование каждого модуля, начиная с верхнего уровня иерархии. При осу­ществлении тестирования модулей верхнего уровня на модули нижне­го уровня ставится «заглушка», чаще всего в виде оператора печати. Модули добавляются по одному. После окончания разработки каждого модуля тестируется весь комплекс в целом.

Модульное программирование позволяет существенно сокра­тить время, необходимое на отладку программ.

Структурное программирование — это процесс программирова­ния на алгоритмическом языке с использованием определенных конструкций. При этом следует соблюдать следующие правила:

- любая программа составляется на базе основных алгоритми­ческих структур трех видов: линейного, разветвляющегося, цикли­ческого;

- между этими структурами производится передача управления только вперед — от более высокого уровня иерархии к более низкому;

- запрещается использовать команду переходов «GOTO». Структурное программирование используется в основном для программирования отдельных модулей.

Структурный контроль используется при решении сложных многомодульных задач. Группе специалистов-сотрудников выдают­ся рабочие материалы по разрабатываемой задаче, они обсуждают и вносят замечания, которые разработчики должны реализовать.

Свойства языков программирования:

Понятность

Понятность (удобочитаемость) конструкций языка — это свойство, обеспечивающее легкость восприятия программ человеком.

Надежность

Под надежностью понимается степень автоматического обнаружения ошибок, которое может быть выполнено транслятором или операционной средой, в которой выполняется программа.

Гибкость

Гибкость языка программирования проявляется в том, сколько возможностей он предоставляет программисту для выражения всех операций, которые требуются в программе, не заставляя его прибегать к вставкам ассемблерного кода или различным ухищрениям.

Простота

Простота языка обеспечивает легкость понимания семантики языковых конструкций и запоминания их синтаксиса.

Естественность

Язык должен содержать такие структуры данных, управляющие структуры и операции, а также иметь такой синтаксис, которые позволяли бы отражать в программе логические структуры, лежащие в основе реализуемого алгоритма.

Мобильность

Язык, независимый от аппаратуры, предоставляет возможность переносить программы с одной платформы на другую с относительной легкостью. Это позволяет распределить высокую стоимость программного обеспечения на ряд платформ.

Стоимость

Суммарная стоимость использования языка программирования складывается из нескольких составляющих. В нее входят:

• стоимость обучения языку;

• стоимость создания программы;

• стоимость трансляции программы;

• стоимость выполнения программы;

• стоимость сопровождения программы.

Языки программирования или алгоритмические языки классифицируются: по степени их зависимости от вычислительной машины; по ориентации на сферу применения; по специфике организационной структуры языковых конструкций и т.п. (рис. 6.1),

Рис. 6.1. Классификация языков программирования

Любую систему обозначений и согласованную с ней систему понятий, которую можно использовать для описания алгоритмов и структур данных, в первом приближении можно считать языком программирования.

Знание концептуальных основ языков программирования с точки зрения использования и реализации базовых языковых конструкций позволит:

• более обоснованно выбрать язык программирования для реализации конкретного проекта;

• разрабатывать более эффективные алгоритмы;

• систематически пополнять набор полезных языковых конструкций;

• ускорить изучение новых языков программирования;

• использовать полученные знания как методологическую основу для разработки новых языков программирования;

• получить базовые знания, необходимые для разработки трансляторов для языков программирования, поддерживающих разные вычислительные модели.

Все эти языки называются еще и формальными. Нас более всего интересуют алгоритмические языки, к которым относятся все известные языки программирования.

Для решения задачи на ЭВМ составляется алгоритм, обеспечивающий выполнение всех необходимых действий для получения искомых результатов. Этот алгоритм описывается средствами формального языка, понятного ЭВМ - языка программирования.

К таким средствам относятся элементы языка - символы, цифры, специальные знаки, а также правила составления операторов для описания действий по вводу - выводу и распределению памяти, управлению ветвлением и организацией циклов, обращениям ко внешним устройствам, контролю и отладке отдельных фрагментов и программы в целом, формированию выходных документов и так далее. Каждая ЭВМ имеет свой собственный язык кодов команд, называемый машинным, который обеспечивает непосредственное выполнение любой последовательности машинных операций. Практически компьютер выполняет программы, записанные только на машинном языке. Однако с помощью дополнительных средств (системных программ) реализуются многоуровневые переводы (трансляции) текстов программ с различных языков программирования на язык ЭВМ. Эти языки программирования в отличие от машинных, называются языками высокого уровня, они мало зависят от особенностей конфигурации конкретной ЭВМ, то есть эти языки являются машинно-независимыми.

В языке символического кодирования (ЯСК), в отличие от машинного, цифровые коды заменены буквенными или буквенно-цифровыми (мнемоническими) обозначениями. Это облегчает работу по составлению программы и позволяет автоматизировать действия, связанные с размещениями программы и данных в памяти ЭВМ. Каждой команде языка символического кодирования при трансляции соответствует одна машинная команда. Такие языки называются мнемокодами или языками ассемблеров.

Язык более высокого уровня - макроязык - включает наряду с мнемоническими обозначениями машинных команд отдельные макрокоманды, которые при трансляции заменяются группами команд машинного языка (подпрограммами). Это сокращает запись исходной программы и упрощает программирование, так как исключаются записи часто повторяющихся фрагментов программы. В настоящее время все языки ассемблерного типа допускают использование макросредств, то есть являются макроассемблерами.

Машинно-ориентированные языки содержат все необходимые средства для программирования любых задач. Однако они применяются, когда требуется создать особо быстродействующие программы при минимальных объемах используемой памяти. В частности, на этих языках пишут программы управления устройствами ЭВМ и предварительной обработки данных.

Большинство производственных задач решают с помощью программ, написанных на процедурно - ориентированных языках. Средства этих языков позволяют наиболее просто описать часто встречающиеся фрагменты действий в соответствующих задачах. Процедурно-ориентированные языки предполагают знания пользователя в области математических (численных) методов и основ алгоритмизации (базовый язык для научно-технических расчетов ФОРТРАН, БЕЙСИК (персональные ЭВМ - основной), современный ПАСКАЛЬ).

В процессе развития созданы многоцелевые (универсальные) языки программирования, объединяющие основные средства и возможности многих процедурно - ориентированных языков, например: ПЛ/1 -используемый для решения задач обработки экономической и научно-технической информации, задач управления объектами и т.п.; язык АДА - многоцелевой стандартный язык, способный заменить множество других языков и на длительный период обеспечить разработку и совершенствования программ обеспечения; язык МОДУЛА - объединяет средства и особенности . машинно-ориентированных и процедурно - ориентированных языков; включает средства для написания подпрограмм управления устройствами, управления потоками сообщений, для чего традиционно использовались языки ассемблерного типа.

Для пользователей, не имеющих специальной подготовки, но нуждающихся в оперативном использовании ЭВМ для решения стереотипных задач, разрабатываются специальные проблемно - ориентированные языки (непроцедурные), которые не требуют подробной записи алгоритма решения задачи. На таком языке лишь формулируется задача и указывается последовательность подзадач из готового набора с указанием исходных данных и форм требуемых документов. Специальные средства программы-генераторы из готовых блоков автоматически формируют программу для решения поставленной задачи. Эти языки ещё более высокого уровня, т.е. удалены от машины более, чем процедурно-ориентируемые языки. К ним относятся языки для задания и обработки таблиц данных при решении экономических задач, а также языки моделирования сложных систем СИМУЛА, НЕДИС и другие (СИМСКРИПТ).

Граница между проблемно - и процедурно - ориентированными языками очерчена не очень четко (условно) - ЛИСП, ПРОЛОГ.