Методические указания к расчетно-графической работе по дисциплине

“ЭВМ и вычислительные системы”

1. Цель работы и расчетные затраты времени

Основной целью расчетно-графической работы студентов является получение знаний и навыков, необходимых для формирования грамотного подхода к проектированию и тестированию разрабатываемых программ. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. применить приобретенные в предыдущих дисциплинах знания и умения для формализованного описания задачи обработки данных;

2. научиться разрабатывать внешние спецификации проектируемой программы в виде схемы программы;

3. научиться проектировать тесты, позволяющие установить соответствие разработанного программного обеспечения его внешним спецификациям.

Таблица 1

Содержание и форма представления ргр

№	Задачи расчетно-графической работы	Форма представления результатов	Затраты времени (час)
1	Математическое описание задачи обработки данных	Математические соотношения и пояснительный текст	2
2	Разработка схемы программы	Схема схемы программы, выполненная согласно ГОСТ 19.701-90	3
3	Разработка программы преобразования данных (реализация функций программы)	Программа на языке ассемблера	6
4	Разработка тестов для верификации функций программы. Тестирование и отладка	Описание цели каждого теста, входных данных для теста, ожидаемых и фактических результатов тестирования	3
5	Оформления отчета по курсовой работе	Отчет по курсовой работе	3
	ВСЕГО		16

2. Математическое описание задачи обработки

Задания на РГР в большинстве касаются обработки векторов (одномерных массивов) и матриц (двухмерных массивов). Преобразования, предлагаемые заданиями, являются частью более сложных задач анализа и оптимизации проектных решений, например, поиск максимального и минимального значений в векторе может быть частью решения систем уравнений и использоваться для определения обусловленности системы уравнений (в этом случае элементы вектора – собственные значения матрицы Якоби анализируемой системы). Рассмотрим математическое описание на примере этого задания.

Прежде всего, описываются исходные данные: дана последовательность элементов ,.

Далее записываются результаты решения: найти , такой, что

и найти , такой, что.

3. Правила выполнения схемы программы

Схема программы разрабатывается согласно ГОСТ 19.701-90.

Схема - графическое представление определения, анализа или метода решения задачи, в котором используются символы для отображения операций, данных, потока, оборудования и т.д.

При документировании проекта разработки программного обеспечения применяют схемы:

• работы системы, в которой формализуется процесс выполнения программы, взаимодействие с пользователем и данными;

• программ (или иначе блок-схем), в которых формализуется алгоритм обработки данных;

• данных, в которых уточняются потоки данных между процессами и (или) носителями данных;

• взаимодействия программ, отображающих путь активации программ и взаимодействий с данными;

• ресурсов системы, отображающих конфигурацию блоков данных и обрабатывающих блоков, требуемую для решения задачи или набора задач.

Правила оформления схем описаны в ГОСТ 19.701-90 / 6 / и / 7 /.

Общие рекомендации к выполнению схем следующие:

• схемы выполняются без соблюдения масштаба, действительное пространственное расположение составных частей изделия в схеме не учитывается или учитывается приближенно;

• в схемах применяют условные графические обозначения: чаще всего прямоугольники или другие простые фигуры. Размеры условных графических обозначений и толщина составляющих их линий должны быть одинаковыми на всех схемах проекта;

• допускается пропорциональное изменение условных графических обозначений;

• условные графические обозначения составных частей узла устройства допускается изображать уменьшенными по сравнению с узлами;

• линии связи и линии графических обозначений должны быть одной толщины. Рекомендуемая толщина линий – 0.3- 0.4 мм ( пределы изменения толщины – от 0.2 мм до 1.0 мм);

• линии связи должны состоять из вертикальных и горизонтальных отрезков и иметь наименьшее число возможных изломов и точек пересечения.

В определении схем утверждается, что схемы составляются из символов. В таблице 2 приведены символы, которые наиболее часто применяются в схемах программ и контексты их применения (в каком смысле эти символы применяют).

Т а б л и ц а 2

Символы процесса и контекст их применения

Название блока	Обозначение	Назначение блока
Терминатор		Начало, завершение программы или подпрограммы
Процесс	Действие	Обработка данных (вычисления, пересылка, модификация и т.п.)
Данные		Операции ввода-вывода информации
Решение		Ветвление, выбор, итерационные и поисковые циклы
Подготовка		Счетные циклы (выполняемые заданное количество раз)
Границы цикла	Начало Конец	Любые цикла (надписи символов поясняют условия инициализации цикла и условия окончания цикла)
Предопределенный процесс		Вызов процедуры, функции, подпрограммы

Продолжение таблицы 2
Соединитель		Маркировка разрывов линий
Комментарий	----- Текст пояснения	Пояснения к символам или операциям

Применение символа “предопределенный процесс” в схемах программ предполагает, что детальная спецификация вызываемой подпрограммы или модуля будет приведена в документе далее по тексту.

Использование символа граница цикла в схемах программ может быть проиллюстрировано рисунком 1.

а) б) в)

а – парное использование символов границы цикла

б- правило использование текста для циклов с предусловием;

в - правило использование текста для циклов с постусловием.

Рис. 1. Оформление циклов в схемах программ с применением символов “граница цикла”

Несколько выходов из символа следует изображать:

• несколькими линиями от данного символа к другим символам;

• одной линией от данного символа, которая затем разветвляется в соответствующее число линий (только для символа “решение”).

Каждый выход из символа “решение” должен сопровождаться соответствующими значениями условий, чтобы показать логический путь, который он представляет, с тем, чтобы эти условия и пути выполнения алгоритма задачи были идентифицированы (см. рис. 2).

а) б)

а- несколько линий от символа “решение”;

б- одна разветвляющаяся линия от символа “решение”).

Рис. 2. Оформление ветвлений в схемах программ

Две или более входящие линии могут объединяться в одну исходящую линию, место объединения должно быть смещено как показано на рисунке 3.

Рис. 3. Объединение линий управления в схемах программ

При использовании символов в схемах руководствуются следующими правилами:

1) символы в схеме должны быть расположены равномерно. Следует придерживаться разумной длины соединений и минимального числа длинных линий;

2) символы должны быть, по возможности, одного размера;

3) символы могут быть вычерчены в любой ориентации, но предпочтительной является горизонтальная ориентация. Зеркальное изображение формы символа означает одну и ту же функцию;

4. текст для понимания функции символа следует помещать внутри символа. Текст должен записываться слева направо и сверху вниз. Если объём текста внутри символа превышает его размеры, следует использовать символ комментария. При этом пунктирные линии в символе комментария связаны с отдельным символом или могут обводить группу символов. Текст комментариев должен быть помещен около ограничивающей фигуры. Пример иллюстрируется рисунком 4.

Рис. 4. Применение комментариев в схемах программ

В качестве примера приведу фрагмент схемы программы с циклом с заданным числом повторений (в большинстве языков программирования эта конструкция начинается зарезервированным словом for) (см. рис. 5,6).

I, I=N1, I+1, I>N2

Тело цикла

Действия после цикла

I

а) б)

а - конструкция “счетный цикл”

б – конструкция “цикл общего вида”

Рис. 5. Применение символов процесса для отображения цикла с заданным числом повторений

нет

да

Рис. 6. Детальное представление цикла с заданным числом повторений

4. Разработка алгоритма преобразования

Алгоритм — точное предписание, которое задает алгоритмический процесс, начинающийся с произвольного исходного данного (из некоторой совокупности возможных для данного алгоритма исходных данных) и направленный на получение полностью определенного этими исходными данными результата.

Алгоритмический процесс — процесс последовательного преобразования конструктивных объектов (слов, чисел, пар слов, пар чисел, предложений и т.п.), происходящий дискретными «шагами». Каждый шаг состоит в смене одного конструктивного объекта другим.

Поскольку алгоритмы могут применяться к весьма произвольным объектам (числам, буквам, словам, графам, логическим выражениям и т.д.), в определении алгоритма используется специальный термин — «конструктивный объект», объединяющий в себе все эти возможные случаи.

На практике в программировании используется задание алгоритмов в виде схем программ (см. предыдущий параграф).

Схемы программ разрабатываются с использованием принципов структурного программирования:

- во-первых, каждый программный модуль (блок, функция, процедура) должен иметь только один вход и один выход. Это позволяет максимально упростить стыковку модулей в программе;

- во-вторых, в программах рекомендуется применять 4 типа конструкций:

а) последовательность (модулей, операторов), отраженную на рис. 7;

Рис. 7. Программная конструкция “последовательность”

б) разветвление (условный оператор), демонстрируемое рисунком 8 (перечеркивание оператора означает, что Q может отсутствовать.

Рис. 8. Программная конструкция “ветвление”

в) цикл

1. с предусловием (см. рис. 9);

Рис. 9. Программная конструкция “цикл с предусловием”

2. с постусловием (см. рис. 10);

Рис. 10. Программная конструкция “цикл с постусловием”

г) выбор из нескольких альтернатив (или переключатель), изображенный на рис. 11;

Рис. 11. Программная конструкция “переключатель”

- в-третьих, разработку программ рекомендуется вести сверху – вниз или по нисходящей стратегии.

Схемы программ для конкретных задач, как правило, содержат более сложные программные конструкции, которые включают перечисленные выше, например цикл в цикле, условие в цикле, цикл в условии и т.п.

Существует весьма большое количество всевозможных приемов и методов разработки алгоритмов. Однако среди имеющегося разнообразия этих методов можно выделить небольшой набор основных, в том смысле, что методы из такого набора применяются часто и лежат в основе многих процедур и алгоритмов. Можно утверждать, что знание приводимых ниже методов необходимо для любого программиста.