Технология программирования. 1. Устройство компьютера. Оперативная память, процессор
 Скачать 478.73 Kb.
|
|
Нет ли пробки на Ленинградском проспекте в направлении из центра Если это условие истинно, то выполняется первый алгоритм "Проезд от Аэровокзала до Домодедово через МКАД"; если ложно - часть алгоритма между строками "иначе" и "конец если". Второй важнейшей конструкцией алгоритмического языка является конструкция "цикл пока". Заголовок цикла состоит из ключевых слов "цикл пока", за которыми следует некоторое условие. Дальше записывается тело цикла, завершаемое строкой "конец цикла". При выполнении цикла исполнитель сначала проверяет условие в 01.02.2021 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/ProgBK/Book_teria_prog.html#_Toc241999345 37/69 заголовке тела цикла. Если условие истинно, то выполняется тело цикла. Затем вновь проверяется условие в заголовке цикла, опять выполняется тело цикла, если условие истинно, и так до бесконечности. Если же условие ложно с самого начала или становится ложным в результате предыдущего выполнения тела цикла, то тело цикла не выполняется и цикл завершается. Таким образом, по выходу из цикла условие, записанное в его заголовке, всегда ложно. Если условие ложно перед началом цикла, то цикл не выполняется ни разу! Программисты иногда называют "цикл пока" циклом с предусловием, поскольку условие продолжения цикла проверяется перед выполнением тела цикла, а не после него. Иногда используют циклы с постусловием (do... while), когда тело цикла всегда выполняется хотя бы один раз, а условие продолжения проверяется после каждой итерации. Всегда предпочтительнее использовать цикл с предусловием, это помогает избежать многих ошибок. Для иллюстрации конструкции "цикл пока" можно привести следующую модификацию алгоритма проезда. алгоритм Добраться из Аэровокзала до Домодедово | Дано: находимся у Аэровокзала | Надо: оказаться в аэропорту Домодедово начало алгоритма | | цикл пока пробка на Ленинградском проспекте | | выпить чашку кофе в кафе Аэровокзала | | ждать полчаса | конец цикла 01.02.2021 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/ProgBK/Book_teria_prog.html#_Toc241999345 38/69 | | Проезд от аэровокзала до Домодедово через МКАД конец алгоритма Здесь снова использован определенный ранее алгоритм "Проезд от аэровокзала до Домодедово". Условие продолжения цикла проверяется перед выполнением тела цикла, но не в процессе его выполнения! Так, если пробка рассосалась после чашки кофе, то все равно нужно ждать полчаса. Теперь можно подвести итоги. Запись алгоритма на неформальном языке представляет собой последовательность команд исполнителю алгоритма. Запись может также включать управляющие конструкции: ветвление, или условный оператор, и цикл "пока". Условный оператор выглядит следующим образом: если условие | то | последовательность действий 1 | иначе | последовательность действий 2 конец если Последовательность действий 1 выполняется, когда условие истинно; в противном случае выполняется последовательность действий 2. Ключевое слово "иначе" и последовательность действий 2 могут отсутствовать; в этом случае, когда условие ложно, исполнитель ничего не делает. Цикл "пока", или цикл с предусловием выглядит следующим образом: 01.02.2021 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/ProgBK/Book_teria_prog.html#_Toc241999345 39/69 цикл пока условие | последовательность действий конец цикла Сначала проверяется условие в заголовке цикла. Если оно истинно, то выполняется последовательность действий, составляющая тело цикла. Это повторяется неограниченное число раз, пока условие истинно. Цикл заканчивается, когда условие при очередной проверке оказывается ложным. Важно отметить, что условие проверяется перед каждым выполнением тела цикла, но не в процессе его выполнения. Помимо элементарных действий, в записи алгоритма можно использовать другие алгоритмы. Также в записи алгоритма могут присутствовать комментарии, которые игнорируются исполнителем алгоритма. Для отделения комментария будут использоваться знаки // (двойная косая черта) для строчного комментария или /* …. */ для блока в соответствии с синтаксисом языка C++. 3.3. Язык схем Схемой называется наглядное графическое изображение алгоритма, когда отдельные действия (этапы) алгоритма изображаются при помощи различных геометрических фигур (блоков), а связи между этапами (последовательность выполнения этапов) указываются при помощи линий, соединяющих эти фигуры. Несмотря на все многообразие решаемых на ЭВМ задач, можно выделить несколько «типичных» действий (этапов), которые в различной последовательности выполняются при решении задач: 1. Присваивание является основной операцией, при помощи которой осуществляется обработка данных. 01.02.2021 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/ProgBK/Book_teria_prog.html#_Toc241999345 40/69 2. Проверка условия и выбор в зависимости от результата проверки одного из двух путей вычислительного процесса. 3. Ввод данных и вывод результата. 4. Начало и конец вычислительного процесса. Конкретные операции указаны внутри фигур в качестве примеров. Рассмотрим выполнение этих действий, а также функции других элементов схем, приведенных на рис.4.1. Рис. 4.1. основные элементы схем Присваивание. При выполнении операции присваивания переменной присваивается значение (переменная – некоторая величина, которая может изменяться, принимая в процессе этого изменения различные значения). Переменная обозначается при помощи имени. Именами обозначаются также различные функции (например, SIN). Функции имеют, в языках программирования, закрепленные за ними имена. Как Вы уже знаете, имя переменной обозначает символический адрес той ячейки памяти, в которой записано числовое значение соответствующей переменной или функции (после ее вычисления). Следовательно, термины "переменная" или "функция" только условно соответствуют общепринятым математическим понятиям. Числа, используемые, 01.02.2021 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/ProgBK/Book_teria_prog.html#_Toc241999345 41/69 например, в операторах присваивания для задания значений переменных, называются константами. Константы обозначают сами числа, а не фактические адреса ячеек памяти. Оператор присваивания, обсуждающийся в этом разделе, используется только для выполнения арифметических операций, поэтому он называется арифметическим оператором присваивания. В языках программирования имеются и другие виды операторов присваивания. Арифметический оператор присваивания выполняет следующие действия. Операции, указанные справа от символа "=", выполняются над записанными в выражении константами (константа- величина, значение которой не изменяется в период ее существования) и теми числами, которые хранятся в ячейках памяти, обозначенных встречающимися именами. Результат помешается в ту ячейку памяти, символический адрес которой указан слева от символа "=". Говорят, что переменной присваивается значение посредством оператора присваивания. Следовательно, используемый здесь символ "=" (присвоить) имеет смысл, отличный от принятого в математике. Примеры операторов присваивания Оператор присваивания Действие оператора К=1 В ячейку памяти с символическим адресом К помещается 1. (переменной К присваивается значение 1) L=K В ячейку памяти с символическим адресом L пересылается содержимое ячейки с символическим адресом К (переменной L присваивается значение К). При этом К не изменяется. К=К+1 К содержимому ячейки с символическим адресом К прибавляется 1, результат помещается в ту же ячейку К. При этом старое значение К пропадает (стирается). 01.02.2021 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/ProgBK/Book_teria_prog.html#_Toc241999345 42/69 Y=SIN(X) Вычисляется sin угла (выраженного в радианах), величина которого находится в ячейке X, и результат помещается в ячейку Y. X=SIN(X) Правая часть вычисляется аналогично. Значение функции записывается в ту же ячейку, в которой раньше находилось значение угла. Перед присваиванием старое значение пропадает (стирается). Замечания: 1. Перед выполнением присваивания старое значение переменной стирается. 2. При пересылке значение переменной копируется. Значение копируемой переменной не изменяется. 3. Переменным, которые располагаются в правой части оператора присваивания, должны быть присвоены определенные значения предшествующими операторами. 4. Если переменной не присвоено значение, то ее значение не определено. Проверка условия. Проверка условия является основой организации разветвлений, т. е. выбора одного из двух (или более) путей вычислительного процесса. Это этап принятия решения о дальнейшем ходе вычислительного процесса в зависимости от полученных промежуточных результатов. Имеется три вида разветвлений (см. ниже). Ввод-вывод данных. В операторах ввода-вывода записываются имена тех переменных, значения которых должны вводиться в оперативную память или выводиться из нее. В этих операторах могут быть указаны также внешние устройства, с которыми осуществляется обмен информацией. При вводе данные записываются в те ячейки памяти, символические адреса (имена) которых указаны в операторе. При выводе (печати) данных на экране (или бумаге) появляются 01.02.2021 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/ProgBK/Book_teria_prog.html#_Toc241999345 43/69 значения, находящиеся в ячейках памяти, символические адреса которых перечислены в операторе вывода. Подпрограмма. Группу операторов, которые решают логически самостоятельную часть задачи, можно объединить в подпрограмму. Соединительные линии и их объединение. Все блоки схемы соединяются посредством линий, которые в сомнительных случаях снабжаются направляющими стрелками. Основными являются направления сверху вниз и слева направо. Объединение нескольких ветвей в одну ветвь обозначается точкой. Пересекающиеся линии без обозначения точки пересечения означают отсутствие соединений, по возможности следует избегать пересечений. Точками связи, или соединителями, пользуются в том случае, если соединительная линия не может быть доведена до следующего блока или до точки объединения. Тогда линия оканчивается соединителем, в котором записывается любой символ. Продолжением этой линии считается вторая точка связи, помеченная тем же символом. Комментарии можно записывать около любого блока. Содержание блоков не стандартизировано и зависит от степени детализации алгоритма. В частности, прямоугольник может быть использован для обозначения не только одной операции присваивания, но и более емких этапов преобразования (обработки) данных. Важно только, чтобы этот этап имел одного преемника, т. е. – чтобы после него выполнялся всегда один и тот же блок. При решении сложных задач обычно составляют несколько схем с различным уровнем детализации. Схема на каждом этапе разработки алгоритма должна давать наглядное представление об общей структуре алгоритма в целом или отдельных его частей. Схема не должна быть громоздкой, так как это приводит к потере наглядности, являющейся основным преимуществом схем, и не 01.02.2021 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/ProgBK/Book_teria_prog.html#_Toc241999345 44/69 должна дублировать программу, изображая каждый оператор в виде отдельного блока. Последнее не относится к начинающим программистам. В частности, в настоящем пособии из дидактических соображений приводятся достаточно подробные схемы. 3.4. Основные структуры алгоритмов Основные структуры алгоритмов — это ограниченный набор стандартных способов соединения отдельных блоков или структур для выполнения типичных последовательностей действий. Приводимые ниже структуры рекомендуются при использовании так называемого структурного подхода к разработке алгоритмов и программ. Структурный подход предполагает использование только нескольких основных структур, комбинация которых дает все многообразие алгоритмов и программ. К основным структурам относятся (см. рис. 4.2): · следование а; · две разновидности цикла б, в; · три разновидности разветвления г, д, е. 01.02.2021 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/ProgBK/Book_teria_prog.html#_Toc241999345 45/69 Рис.4.2. Основные структуры алгоритмов. Отметим вначале особенности трех основных типов структур. Следование – это последовательное размещение блоков и групп блоков, такая структура называется также линейной. Если некоторая часть программы (на схеме группа блоков) выполняется многократно и после проверки некоторого условия в какой-то момент осуществляется выход из нее, то такую часть называют циклом. Если после проверки некоторого условия выбирается один из двух (или более) путей вычислительного процесса и после выполнения любого из них вычислительный процесс опять сводится в одно русло, то возникает разветвление. Теперь рассмотрим особенности каждого вида цикла и разветвления. Цикл До. Применяется при необходимости выполнить какие-либо вычисления нескольких раз до выполнения некоторого условия (блок 3). Особенность этого цикла в том, что он всегда выполняется хотя бы один раз, так как первая проверка условия выхода из цикла происходит после того, как тело цикла выполнено. Тело цикла (блок 2) – это последовательность действий, которая выполняется многократно (в цикле). Начальные присвоения (блок 1) задание начальных значений тем переменным, которые используются в теле цикла. Цикл такого типа называют также итеративным циклом в том случае, когда количество повторений неизвестно до начала выполнения цикла. Цикл Пока. Отличается от цикла До тем, что проверка условия (блок 3) производится до выполнения тела цикла (блок 2), и, если при первой проверке условие выхода из цикла выполняется, то тело цикла не выполняется ни разу. Цикл такого типа называется также циклом по условию. 01.02.2021 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/ProgBK/Book_teria_prog.html#_Toc241999345 46/69 Замечание. В некоторых случаях проверка условия осуществляется внутри тела цикла, т.е. тело цикла разбивается на две последовательности операторов: одна выполняется до проверки условия, вторая – после. Существует еще одна важная разновидность цикла: цикл по счетчику. Для него существует специальное обозначение и специальный оператор в различных алгоритмических языках программирования (оператор цикла). Для организации цикла по счетчику используется управляющая переменная цикла, изменяющаяся в заданных пределах с постоянным шагом. Разветвление применяется, когда в зависимости от условия нужно выполнить либо одно, либо другое действие. Действие 1 (блок 1) или действие 2 (блок 2) могут, в свою очередь, представлять собой одну из типовых структур. Обход – частный случай разветвления, когда одна ветвь не содержит никаких действий. Множественный выбор является обобщением разветвления, когда в зависимости от значения переменной (i) выполняется одно из нескольких действий. При i = 1 выполняется действие S1, при i = 2 – действие S2 и т. д. Особенностью всех приведенных структур является то, что они имеют один вход и один выход и их можно соединить друг с другом в любой последовательности. Каждая структура может также содержать в качестве одного из блоков любую другую структуру. Обычно при составлении схемы блоки размещаются друг под другом в порядке их выполнения. Возврат назад осуществляется только на циклах. Это дает простую и наглядную структуру алгоритма, по которой далее легко составлять программу. Если для разработки алгоритма используется метод пошаговой детализации, то первоначально продумывается и фиксируется общая структура алгоритма без детальной проработки отдельных его частей, но при этом также используются лишь основные структуры 01.02.2021 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/ProgBK/Book_teria_prog.html#_Toc241999345 47/69 алгоритмов. Блоки, требующие дальнейшей детализации, обозначаются пунктирной линией. Далее прорабатываются (детализируются) отдельные блоки, не детализированные на предыдущем шаге, т.е. на каждом шаге разработки уточняется реализация фрагмента алгоритма (или программы), и, таким образом, на каждом шаге мы имеем дело с более простой задачей. Полностью закончив детализацию всех блоков, мы получим решение всей задачи в целом. В некоторых случаях, стремление, во что бы то ни стало, остаться в рамках структурного подхода приводит к необоснованному усложнению программы и потере ее наглядности и естественности. Если учесть, что структурное программирование имеет целью не подчинить программы каким-то правилам, а сделать их более удобными для восприятия, то в ряде случаев оказывается целесообразным отдать предпочтение ясности и естественности программы. Составим в качестве примера алгоритм вычисления суммы квадратов целых чисел от 1 до N (N не меньше 1,N должно быть задано перед выполнением программы или алгоритма.) Такая сумма называется накапливающейся. Для вычисления накапливающейся суммы полезно знать следующее: S = 0 – т.е. начальное значение суммы обнуляется; 01.02.2021 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/ProgBK/Book_teria_prog.html#_Toc241999345 48/69 S = S + i – текущее значение суммы считается через предыдущее, т.е. новое значение равно предыдущему значению суммы плюс текущее значение переменной (i), в которой лежит текущее слагаемое. Начальное значение накапливающейся суммы всегда равно нулю, т.к. 0 – это единственное число, которое, являясь слагаемым, не изменит общую величину суммы. Решение этой задачи можно представить как последовательное выполнение следующих простых шагов (рис 4.3): 1. Ввести значение переменной N (блок 1). 2. Проверить выполнение условия, наложенного на значение переменной N. Для этого сравнить введенное число с 1 (блок 2). Если условие N>1 не выполняется, то возврат за новым значением N, предварительно распечатав на экране дисплея сообщение (блок 3), т.к. введенное N не удовлетворяет требованиям задачи. Если условие N>1верно, перейти к блоку 4. 3. Присвоить S значение 0 (блок 4). 4. Присвоить i значение 1 (блок 5). 5. Далее выполнять операцию S=S+ i2 (блок 6), увеличивая значение i после очередного её выполнения на 1 - i=i+l (блок 7). 6. Чтобы обеспечить сложение точно N чисел, после каждого изменения i на 1 будем проверять условие i<=N (блок 8). Если условие выполняется, то не все N сложений выполнены, и необходимо повторить действия, начиная с операции, помеченной (6). 7. Блоки 6-8 выполняются многократно и образуют цикл. Рис. 4.3. Алгоритм вычисления суммы квадратов чисел от 1 до N 3.5. Понятие переменной Алгоритм состоит из команд исполнителю. Исполнитель может, в свою очередь, командовать другими исполнителями. Компьютер 01.02.2021 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/ProgBK/Book_teria_prog.html#_Toc241999345 49/69 можно рассматривать как универсальный исполнитель, который управляет другими исполнителями. Рассмотрим, к примеру, автомобиль с инжекторным двигателем. В нем работой двигателя управляет компьютер (его иногда называют микропроцессорный блок). Компьютер получает данные от разнообразных датчиков (датчики положения коленчатого вала и дроссельной заслонки, температуры охлаждающей жидкости, скорости, детонации, кислорода и др.) и отдает приказания исполняющим системам двигателя - модулю зажигания, бензонасосу, форсункам двигателя, регулятору холостого хода, системе продувки адсорбера и т.д. Таким образом, и датчики, и исполняющие системы двигателя управляются компьютером, который выступает в роли универсального исполнителя. Запись алгоритма для универсального исполнителя может включать команды, адресованные ему непосредственно, а также команды, которые нужно передать подчиненным исполнителям. В чем разница между универсальным и простейшими подчиненными исполнителями? Как правило, универсальный исполнитель имеет собственную память, и выполнение им команд может приводить не к каким-либо внешним действиям, а к изменению его внутреннего состояния. Например, используя сигналы от датчика фазы, компьютер автомобиля вычисляет текущие обороты двигателя (которые показывает на тахометре). Используя эти данные и информацию, поступающую от датчика скорости автомобиля, компьютер может вычислить, какая передача включена в определенный момент времени. Далее вычисляется текущая нагрузка на двигатель и устанавливается, какой должна быть смесь бензина и воздуха, подаваемая в цилиндры двигателя. В зависимости от этого подаются команды на открытие форсунок. От степени обогащения смеси зависит момент зажигания - чем богаче смесь, тем позже момент зажигания; таким образом, подаче команды модулю зажигания предшествуют достаточно сложные вычисления. 01.02.2021 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/ProgBK/Book_teria_prog.html#_Toc241999345 50/69 Таким образом, компьютер автомобиля, управляющий работой двигателя, хранит в любой момент времени в своей памяти текущие скорость, передачу, нагрузку на двигатель, температуру охлаждающей жидкости, требуемую степень обогащенности смеси и многие другие параметры. Эти параметры периодически перевычисляются на основании сигналов от разнообразных датчиков. В зависимости от значений параметров, компьютер передает те или иные сигналы управляющим системам двигателя. Значение каждого параметра хранится в определенном участке памяти компьютера и может меняться в процессе выполнения алгоритма. Такой участок памяти компьютера называется |