87

ВВЕДЕНИЕ

"... недостойно совершенства человеческого подобно рабам тратить часы на вычисления."

Лейбниц

За последние годы работа с информацией без помощи вычислительной техники становится практически немыслимой. Овладение навыками программирования на одном из языков высокого уровня является обязательным элементом образования и культуры каждого инженера.

Созданием языков программирования занимаются в большинстве случаев очень квалифицированные специалисты, часто группы программистов, а иногда даже международные коллективы. Однако подавляющее большинство языков программирования умирало, едва родившись. Лишь к немногим из них был проявлен интерес, и буквально единицы получили действительно широкое распространение. К таким "счастливым" языкам принадлежит язык Паскаль, разработанный Никлаусом Виртом в 1968-1971гг. в Цюрихском Институте информатики (Швейцария). Первоначальная цель разработки языка диктовалась необходимостью инструмента "для обучения программированию как системной дисциплине". Однако очень скоро обнаружилась чрезвычайная эффективность языка Паскаль в самых разнообразных приложениях: от решения небольших задач численного характера до разработки сложных программных систем – компиляторов, баз данных, операционных систем и т.д. Существуют многочисленные реализации языка практически для всех машинных архитектур; разработаны десятки диалектов и проблемно-ориентированных расширений языка Паскаль; обучение программированию и научно-технические публикации часто базируются на этом языке.

Для того чтобы хорошо овладеть программированием, необходимо знать, что такое компьютер. Слово "компьютер" означает "вычислитель", т.е. устройство для вычислений. Потребность в автоматизации обработки данных, в том числе вычислений, возникла очень давно. Многие тысячи лет назад для счета использовались счетные палочки, камешки и т.д. В дальнейшем стали использовать счеты. В 1642 г. Блез Паскаль разработал устройство, механически выполняющее сложение чисел, а в 1673 г. Готфрид Вильгельм Лейбниц сконструировал арифмометр, позволяющий механически выполнять четыре арифметических действия. В в. математик Чарльз Беббидж попытался построить вычислительное устройство, которое должнобыло выполнять вычисления без участия человека, т.е. уметь исполнять программы. Но осуществить эту мечту удалось ученым только в ХХ в., когда для построения вычислительных устройств стали использовать электромеханические реле. С 1943 г. группа специалистов под руководством Джона Мочли и Преспера Экерта в США начала конструировать вычислительную машину на основе электронных ламп. Машина работала достаточно быстро, но для задания её программы приходилось в течение нескольких часов или даже нескольких дней соединять провода. Вот тогда и стали конструировать машину, которая могла бы хранить программу в своей памяти. К этой работе был привлечен знаменитый математик Джон фон Нейман, который ясно и просто сформулировал основные принципы функционирования универсальных вычислительных устройств. Первый компьютер, в котором воплощены принципы фон Неймана, был построен в 1949 г. английским исследователем Морисом Уилксом. С той поры компьютеры стали гораздо более мощными, но подавляющее большинство из них работает в соответствии с принципами фон Неймана.

Фон Неймана описал, как должен быть устроен компьютер для того, чтобы он был универсальным и эффективным устройством для обработки информации [1]. Прежде всего компьютер должен иметь следующие устройства (рис.1):

Рис. 1

процессор, осуществляющий арифметические и логические операции, а также организующий процесс выполнения программ;

запоминающее устройство, или память для хранения программ и данных;

внешние (периферийные) устройства для ввода/вывода информации.

Память должна состоять из некоторого количества пронумерованных ячеек, в каждой из которых могут находиться или обрабатываемые данные, или инструкции программ. Все ячейки памяти должны быть одинаково доступны для других устройств компьютера.

На рис.1 одинарные линии показывают управляющие связи, двойные – информационные.

В общих чертах работу компьютера можно описать так. Вначале с помощью какого-либо периферийного устройства в память компьютера вводится программа. Процессор считывает содержимое ячейки памяти, где находится первая инструкция (команда) программы, и организует её выполнение. Эта команда может задавать выполнение арифметических или логических операций, чтение из памяти данных для выполнения арифметических или логических операций или запись их результатов в память, ввод данных из внешнего устройства в память или вывод данных из памяти на внешнее устройство.

Как правило, после исполнения одной команды процессор начинает обрабатывать команду из ячейки памяти, которая находится непосредственно за только что выполненной командой. Однако этот порядок может быть изменен с помощью команд управления (перехода). Эти команды указывают процессору, что ему следует продолжить выполнение программы, начиная с команды, содержащейся в некоторой другой ячейке памяти. Такой "скачок", или переход, осуществляется в программе не всегда, а только при соблюдении некоторых условий, например, если некоторые числа равны, если в результате предыдущей арифметической операции получился нуль и т.д. Это позволяет использовать одни и те же последовательности команд в программе много раз (т.е. организовывать циклы), выполнять различные последовательности команд в зависимости от соблюдения определенных условий и т.д., т.е. создавать сложные программы.

Таким образом, процессор выполняет инструкции программы автоматически, без вмешательства человека. Он может обмениваться информацией с памятью и внешними устройствами компьютера. Поскольку внешние устройства, как правило, работают значительно медленнее, чем остальные части компьютера, процессор может приостанавливать выполнение программы до завершения операции ввода-вывода с внешним устройством. Все результаты выполненной программы должны быть ею выведены на внешние устройства компьютера, после чего компьютер переходит к ожиданию каких-либо сигналов внешних устройств.

Еще раз следует заметить, что многие современные быстродействующие компьютеры осуществляют параллельную обработку данных на нескольких процессорах одновременно, обрабатывают прерывания от внешних устройств, но тем не менее в основных чертах соответствуют принципам фон Неймана.

Современный компьютер – это не просто вычислительное устройство, а целая вычислительная система – совокупность аппаратных и программных средств, обеспечивающих выполнение возложенных на систему функций. В самом общем случае с аппаратными средствами мы ознакомились, а теперь рассмотрим программные средствах.

Совокупность программных средств можно разделить на три категории:

• прикладные программы, непосредственно обеспечивающие выполнение необходимых пользователям работ: редактирование текстов, рисование картинок, обработка информационных массивов и т.д.;

• системные программы, выполняющие различные вспомогательные функции, например, создание копий используемой информации, выдача справочной информации о компьютере, проверка работоспособности устройств компьютера, обеспечивающщие диалог с пользователем и т.д.;

• инструментальные системы (системы программирования), обеспечиващие создание новых программ для компьютера.

Рассмотрим некоторые системные программы. Одной из важнейших системных программ является операционная система. Операционная система – это программа, которая загружается при включении компьютера. Она осуществляет диалог с пользователем, управление компьютером, его ресурсами (оперативной памятью, местом на дисках и т.д.), запускает другие (прикладные) программы на выполнение. Операционная система обеспечивает пользователю и прикладным программам удобный способ общения (интерфейс) с устройствами компьютера. Для компьютеров типа IBM PC чаще всего используется операционная система MS DOS, UNIX, OS/2.

Важным классом системных программ являются программы-драйверы. Они расширяют возможности DOS по управлению устройствами ввода-вывода компьютера (клавиатурой, жестким диском, мышью и т.д.). С помощью драйверов можно подключать к компьютеру новые устройства или нестандартно использовать имеющиеся устройства.

Турбо-Паскаль относится к инструментальным системам и включает в себя как язык программирования – одно из расширений языка Паскаль для ЭВМ типа IBM, так и среду, предназначенную для написания, отладки и запуска программ.

1. ЭТАПЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ НА ЭВМ

Так как ЭВМ является "слепым" исполнителем программ, то успешное решение задачи полностью определяется квалификацией программиста.

В общем случае решение задачи на ЭВМ можно разбить на следующие этапы:

• постановка задачи;

• разработка алгоритма;

• составление программы;

• трансляция программы;

• отладка и выполнение программы;

• анализ результатов.

Слово "алгоритм" произошло от имени узбекского математика Аль Хорезми, который в IX в. разработал правила четырех арифметических действий над числами в десятичной системе счисления. Примерами алгоритмов могут служить врачебные и кулинарные рецепты, способы решения квадратных и дифференциальных уравнений.

В программировании используется такое определение алгоритма: "алгоритм – это точное предписание, определяющее вычислительный процесс, ведущий от варьируемых начальных данных к искомому результату".

Алгоритм должен обладать следующими основными свойствами:

• детерминированность (определенность) – при заданных исходных данных обеспечивается однозначность искомого результата;

• массовость – пригодность для задач данного типа при исходных данных, принадлежащих заданному подмножеству;

• результативность – реализуемый вычислительный процесс выполняется за конечное число этапов с выдачей осмысленного результата;

• дискретность – разбиение на отдельные этапы, выполнение которых не вызывает сомнений.

Под программой понимают описание, воспринимаемое ЭВМ и достаточное для решения на ней определенной задачи. Для создания программы используются искусственные языки, называемые языками программирования. ЭВМ, как правило, непосредственно воспринимает и выполняет программы, написанные только на одном из языков программирования – машинном языке для данной ЭВМ. С помощью специальных программ можно получить опосредованное "понимание" других языков. Одна из таких программ – транслятор. Транслятор – это программа, осуществляющая перевод текстов с одного языка на другой, т.е. с входного языка (Паскаль, Си, Пл-1 и т.д.) на машинный язык реальной ЭВМ. Программа, попадающая на вход транслятора, называется исходной, а результат трансляции – объектной программой.

2. Графический СПОСОБ ОПИСАНИЯ АЛГОРИТМОВ

Одним из самых трудоемких этапов решения задачи на ЭВМ является разработка алгоритма. Человечество разработало эффективный алгоритм завязывания шнурков на ботинках. Многие дети с пятилетнего возраста могут это делать. Но дать чисто словесное описание этого алгоритма без картинок и демонстрации - очень трудно.

При разработке алгоритмов чаще всего используют следующие способы их описания: словесный, графический, с помощью языков программирования.

Рассмотрим два способа: графический и с помощью языков программирования.

Графический способ записи алгоритмов – наиболее наглядный и распространенный. Он основан на использовании геометрических фигур (блоков), каждая из которых отображает конкретный этап процесса обработки данных, соединяемых между собой прямыми линиями, называемыми линиями потока. Обозначение и назначение элементов графических схем алгоритмов приведено в табл.1. В поле каждого блочного символа указывают выполняемую функцию. При необходимости справа можно поместить комментарии, относящиеся к данному блоку или направлению потока. Каждый блочный символ (кроме начального и конечного) помечается порядковым номером. Для отличия ситуаций пересечения и слияния потоков последняя изображается точкой. Линии потока, имеющие направление вверх или направо, дополняются стрелками.

Таблица 1

Окончание табл. 1

По своей структуре различают следующие типы алгоритмов: линейные, разветвляющиеся и циклические. В линейных схемах алгоритмов все предписания выполняются одно за другим. Например, алгоритм вычисления длины окружности по известной площади круга (рис.2). В разветвляющихся схемах алгоритмов для конкретных исходных данных выполняются не все заданные предписания. Однако какие именно предписания будут выполняться, конкретно определяется в процессе выполнения алгоритма в результате проверки некоторых условий. Разветвляющийся алгоритм всегда избыточен. Примером разветвляющегося алгоритма является алгоритм, приведенный на рис.3 и определяющий, пройдет ли график функции y=3x+4 через точку с координатами x1,y1.