Программирование 2 (стр. 1 из 2)
Программирование, процесс составления упорядоченной последовательности действий (программы) для ЭВМ; научная дисциплина, изучающая программы для ЭВМ и способы их составления, проверки и улучшения.
Каждая ЭВМ является автоматом, состоящим из памяти, образуемой внешним и оперативным запоминающими устройствами, устройства управления (УУ) и арифметические устройства (АУ), в котором могут выполняться некоторые действия или операции. Память имеет вид занумерованной последовательности ячеек, в каждой из которых хранится порция двоичной информации в виде серии нулей и единиц. Автоматическая работа ЭВМ, управляемая программой, состоит из последовательности тактов. На каждом такте УУ выбирает из предписанной ему ячейки памяти порцию информации. Эта порция трактуется как команда, т. е. предписание АУ выполнить некоторую операцию. Обычно в ЭВМ выполнение операции состоит в том, чтобы из определённых ячеек памяти взять хранящуюся там информацию, передать её в АУ для выполнения над ней нужного действия, результат которого отправить в указанную ячейку памяти, и сообщить УУ номер ячейки следующей команды. Отдельные действия, совершаемые ЭВМ, весьма просты — это арифметические и логические операции, операции сравнения, переписывания порции информации и т.п. Т. о., составить программу для ЭВМ — это значит представить способ решения задачи в виде такой совокупности машинных команд (программы), чтобы они, будучи размещенными в памяти, поочерёдно выполняясь и вызывая одна другую, реализовали нужные вычисления.
Идея Программирование возникает ещё в школе при составлении «плана решения» арифметической задачи в виде серии вопросов. Существенное отличие реального Программирование от школьного опыта заключается в том, что программа, как правило, задаёт не одну, а несколько последовательностей действий (разветвлений), выбор между которыми зависит от значения промежуточных результатов решения задачи; выполняет некоторые группы команд многократно, автоматически определяя нужное число повторений; может предписанным образом сама себя менять или частично формировать в процессе своего выполнения.
Дополнительной особенностью Программирование является его трудность: размеры многих реальных программ исчисляются тысячами команд, а количество выполняемых ими действий — десятками миллионов. Такие объёмы в сочетании с элементарным характером машинных команд делают Программирование одновременно и очень сложным, и очень монотонным процессом.
Для преодоления этого противоречия Программирование придан характер многоэтапного процесса, каждый этап которого есть постепенная конкретизация и детализация плана решения задачи, полученного на предыдущем этапе. Кроме того, если правила описания плана решения задачи на некотором этапе будут точными, формальными и универсальными, т. е. применимыми к любой задаче, то тогда можно говорить о существовании некоторого языка Программирование, используемого при составлении программы.
Языки программирования как способ точного формулирования задачи на разных этапах подготовки её к решению на ЭВМ сыграли фундаментальную роль в развитии Программирование В частности, они позволяют трактовать Программирование как процесс перевода задания для ЭВМ, выраженного в некотором языке, на другой язык — «язык машины». Если найти и описать точные правила такого перевода, то эти правила, в свою очередь, можно запрограммировать на ЭВМ. Полученные программы, автоматизирующие процесс Программирование, называют трансляторами.
Процесс Программирование обычно состоит из следующих этапов:
Содержание каждого этапа Программирование можно пояснить на примере решения квадратного уравнения.
Исходная формулировка. Надо найти корни 50 квадратных уравнений вида ax2+ bx + c = 0, коэффициенты которых заданы в виде трёх таблиц Ai, Bi и Ci (i = 1,..., 50).
Алгоритмическое описание задачи получается в результате полного математического исследования её постановки, выбора стандартных или поиска новых алгоритмов выполнения всех нужных вычислений, а также уточнения, какие исходные данные надо ввести в ЭВМ и какие результаты надо получить. В данном случае алгоритмическое описание может иметь такой вид: ввести в ЭВМ таблицы коэффициентов Ai, Bi и Ci, решить каждое уравнение по общей формуле
с исследованием дискриминанта b2 — 4ac для определения случая комплексных корней; для единообразия каждый корень уравнения выдавать как комплексное число x = u + iv, полагая в случае вещественных корней мнимую часть равной нулю.
Язык Программирование высокого уровня — главное средство составления программ для ЭВМ. Общая особенность этих языков — их независимость от системы команд конкретных ЭВМ и фразовая структура, что в сочетании с использованием т. н. служебных слов приближает их к естественным языкам. Фразы разделяются обычно точкой с запятой; соподчинённость фраз указывается с помощью «операторных скобок» начало и конец; фразы делятся на два типа — операторы и описания. Оператор является единицей действия в языке. Различают следующие их типы: операторы присваивания, производящие подсчёт по указанной формуле и присваивающие вычисленное значение заданной переменной величине; условные операторы, которые в зависимости от результата проверки заданного условия производят выбор одной или другой ветви вычислений; операторы цикла, обеспечивающие повторное выполнение группы операторов. В описаниях указываются свойства переменных величин и других обозначений, используемых в программе. Важным свойством является «процедурный» характер языка: для любой уже составленной программы, решающей некоторую частную задачу, можно ввести символическое функциональное обозначение. Текст этой программы вместе с её обозначением называется описанием процедуры или подпрограммой. Тогда при составлении новой программы всюду, где может потребоваться использование этой описанной процедуры, достаточно упомянуть её функциональное обозначение в виде оператора процедуры вместо переписывания полного текста подпрограммы.
В 70-х гг. 20 в. существует целое семейство таких языков Программирование: алгол-60, фортран для решения инженерных и научных задач, кобол для экономических расчётов, симула для Программирование математических моделей, более мощные языки алгол-68 и ПЛ/1, охватывающие все виды применений ЭВМ. Для всех из них существуют трансляторы, обеспечивающие автоматическое построение машинных программ для задач, выраженных в этих языках.
Машинно-ориентированный язык представляет программы в терминах команд ЭВМ, но выраженных в более удобной для употребления символике, нежели прямое двоичное представление. Он используется на промежуточном этапе процесса автоматической трансляции с языка более высокого уровня или же как язык Программирование, когда программа по существу сразу должна быть сконструирована в терминах машинных команд. В последнем случае роль языка высокого уровня часто играет язык блок-схем, когда структура программы, т. е. последовательность выполнения её «блоков», наличие разветвления и повторяющихся участков показываются в графической форме, а функции каждого блока записываются в произвольной текстовой форме. Ниже следует пример блок-схемы решения квадратного уравнения:
После составления программы неотъемлемым этапом Программирование является «отладка» программы, т. е. обнаружение и исправление ошибок, допускаемых при Программирование Основное средство отладки — т. н. отладочные запуски, когда в программу добавляются дополнительные «измерительные» действия, позволяющие по ходу выполнения программы на ЭВМ выдавать «протокол» её работы (порядок выполнения команд, значения промежуточных результатов и т.п.). Исследование протокола позволяет судить о том, в какой степени программа соответствует замыслу программиста.
Широкое внедрение вычислительной техники в различные сферы деятельности человека стимулировало развитие автоматизированных методов и инструментальных средств создания прикладного программного обеспечения (ПО). Производство современного ПО происходит на фоне высоких требований к его качеству, так как сложность и ответственность выполняемых им функций непрерывно возрастает. Создание качественной программы, как и любого другого продукта, зависит не только от опыта разработчика, но и от инструмента, которым он пользуется. “Идеальной” технологией программирования была бы такая технология, которая по некоторому неформальному описанию объекта программирования автоматически генерировала бы текст синтаксически и семантически корректной программы.
Разработка любого программного средства может быть представлена как процесс, состоящий из ряда последовательных преобразований одного описания решаемой задачи в другое, начиная от постановки задачи и заканчивая программой, реализованной в кодах конкретной ЭВМ.
Все время существования программного средства, от зарождения идеи по его созданию до завершения его эксплуатации, обычно определяют как жизненный цикл. Укрупнено можно выделить пять наиболее важных этапов жизненного цикла программного средства (ЖЦ ПС): спецификацию (10%), проектирование (10%), кодирование (10%), отладку (20%) и сопровождение (50%). В скобках записаны относительные затраты ресурсов на создание ПС.
По затратам времени, человеческих и машинных ресурсов все эти этапы не одинаковы. Наиболее “дорогими”, в этом смысле, являются этапы, связанные с поиском ошибок в программах. Затраты ресурсов на них могут быть равными, или даже превосходить совокупные затраты ресурсов на остальных этапах. В стандарте DOD-STD-2167-A около 30% требований, документов и соответствующих им процессов непосредственно связаны с отладкой, тестированием и испытаниями программ. Данный стандарт является обязательным при выполнении заказов Министерства обороны США.