Теоретическая часть. Алгоритм и программа. Алгоритм – точное предписание, определяющий вычислительный процесс, идущий от изменяемых начальных данных к конечному результату

Алгоритм и программа. Алгоритм – точное предписание, определяющий вычислительный процесс, идущий от изменяемых начальных данных к конечному результату, т. е. это рецепт достижения какой-либо цели.

Совокупность средств и правил для представления алгоритма в виде пригодном для выполнения вычислительной машиной называется языком программирования, алгоритм, записанный на этом языке, называется программой.

Сначала всегда разрабатывается алгоритм действий, а потом он записывается на одном из языков программирования. Текст программы обрабатывается специальными служебными программами – трансляторами. Языки программирования – это искусственные языки. От естественных языков они отличаются ограниченным числом «слов» и очень строгими правилами записи команд (операторов). Совокупность этих требований образует синтаксис языка программирования, а смысл каждой конструкции – его семантику.

Свойства алгоритма:

1. Массовость: алгоритм должен применяться не к одной задаче, а к целому классу подобных задач (алгоритм для решения квадратного уравнения должен решать не одно уравнение, а все квадратные уравнения).

2. Результативность: алгоритм должен приводить к получению результата за конкретное число шагов (при делении 1 на 3 получается периодическая дробь 0,3333(3), для достижения конечного результата надо оговорить точность получения этой дроби, например, до 4 знака после запятой).

3. Определенность (детерминированность) – каждое действие алгоритма должно быть понятно его исполнителю (инструкция к бытовому прибору на японском языке для человека не владеющего японским языком не является алгоритмом, т.к не обладает свойством детерминированности).

4. Дискретность – процесс должен быть описан с помощью неделимых операций, выполняемых на каждом шаге (т. е. шаги нельзя разделить на более мелкие шаги).

Алгоритмы можно представить в следующих формах:

1) словесное описание алгоритма.

2) графическое описание алгоритма.

3) с помощью алгоритмического языка программирования

Компиляторы и интерпретаторы.

С помощью языка программирования создается текст, описывающий ранее составленный алгоритм. Чтобы получить работающую программу, надо этот текст перевести в последовательность команд процессора, что выполняется при помощи специальных программ, которые называются трансляторами. Трансляторы бывают двух видов: компиляторы и интерпретаторы. Компилятор транслирует текст исходного модуля в машинный код, который называется объектным модулем за один непрерывный процесс. При этом сначала он просматривает исходный текст программы в поисках синтаксических ошибок. Интерпретатор выполняет исходный модуль программы в режиме оператор за оператором, по ходу работы, переводя каждый оператор на машинный язык.

Языки программирования.

Разные типы процессоров имеют разный набор команд. Если язык программирования ориентирован на конкретный тип процессора и учитывает его особенности, то он называется языком программирования низкого уровня. Языком самого низкого уровня является язык ассемблера, который просто представляет каждую команду машинного кода в виде специальных символьных обозначений, которые называются мнемониками. С помощью языков низкого уровня создаются очень эффективные и компактные программы, т.к разработчик получает доступ ко всем возможностям процессора. Т.к. наборы инструкций для разных моделей процессоров тоже разные, то каждой модели процессора соответствует свой язык ассемблера, и написанная на нем программа может быть использована только в этой среде. Подобные языки применяют для написания небольших системных приложений, драйверов устройств и т. п..

Языки программирования высокого уровня не учитывают особенности конкретных компьютерных архитектур, поэтому создаваемые программы на уровне исходных текстов легко переносятся на другие платформы, если для них созданы соответствующие трансляторы. Разработка программ на языках высокого уровня гораздо проще, чем на машинных языках.

Языками высокого уровня являются:

1. Фортран – первый компилируемый язык, созданный в 50-е годы 20 века. В нем были реализован ряд важнейших понятий программирования. Для этого языка было создано огромное количество библиотек, начиная от статистических комплексов и заканчивая управлением спутниками, поэтому он продолжает использоваться во многих организациях.

2. Кобол – компилируемый язык для экономических расчетов и решения бизнес-задач, разработанный в начале 60-х годов. В Коболе были реализованы очень мощные средства работы с большими объемами данных, хранящихся на внешних носителях.

3. Паскаль – создан в конце 70-х годов швейцарским математиком Никлаусом Виртом специально для обучению программированию. Он позволяет выработать алгоритмическое мышление, строить короткую, хорошо читаемую программу, демонстрировать основные приемы алгоритмизации, он также хорошо подходит для реализации крупных проектов.

4. Бейсик – создавался в 60-х годах также для обучения программированию. Для него имеются и компиляторы и интерпретаторы, является одним из самых популярных языков программирования.

5. Си – был создан в 70- е годы первоначально не рассматривался как массовый язык программирования. Он планировался для замены ассемблера, чтобы иметь возможность создавать такие же эффективные и короткие программы, но не зависеть от конкретного процессора. Он во многом похож на Паскаль и имеет дополнительные возможности для работы с памятью. На нем написано много прикладных и системных программ, а также операционная система Unix.

6. Си++ - объектно-ориентированное расширение языка Си, созданное Бьярном Страуструпом в 1980г.

7. Java – язык, который был создан компанией Sun в начале 90-х годов на основе Си++. Он призван упростить разработку приложений на СИ++ путем исключения из него низкоуровневых возможностей. Главная особенность языка – это то, что он компилируется не в машинный код, а в платформно-независимый байт-код (каждая команда занимает один байт). Этот код может выполняться с помощью интерпретатора – виртуальной Java-машины (JVM).

Общая характеристика алгоритмического языка Бейсик

Алгоритмический язык Бейсик используется преимущественно в режиме диалога человека и ЭВМ. Этот язык ориентирован на решение различных задач вычислительного и не вычислительного характера с небольшим объемом исходной информации. Название языка BASIC возникло от сокращения английских слов Beginners All-purpose Symbolic Instruction Code (многоцелевой язык символических инструкций для начинающих). Следует отметить, что стандарта на язык Бейсик не существует и различные модификации могут существенно отличаться друг от друга. Самыми распространенными являются GW BASIC, QUICK BASIC, TURBO BASIC.

В языке Бейсик существуют как средства для описания действий алгоритма, которые используются при составлении программ – операторы Бейсика – так и средства, которые служат для общения с ЭВМ. Последние имеют форму приказов для немедленного выполнения и называются командами.

Основным режимом в Бейсике является программный режим, когда заранее составленная программа полностью вводится в ЭВМ и затем выполняется. Другим, вспомогательным режимом, является так называемый режим непосредственного исполнения, когда операторы Бейсика, как команды, выполняются сразу после ввода в ЭВМ.

Программа на Бейсике состоит из пронумерованных строк. В одной строке может содержаться один или несколько операторов, разделенных символом \ (косая черта направо). Обычно строки нумеруются, начиная с 10, с шагом 10. Вводиться строки могут в любом порядке, а выполняться в порядке возрастания их номеров. Номера строк используются в операторах передачи управления. При этом, оператор, которому передается управление должен быть в предыдущих строках.

Символы языка Бейсик.

В Бейсике используются следующие символы:

- 26 заглавных букв латинского алфавита от А до Z;

- 10 цифр от 0 до 9;

- знаки:. (точка),;(точка с запятой),,(запятая), «(кавычки);

- знаки арифметических операций - + (плюс), - (минус), * (знак умножения), / (знак деления), ^ (знак возведения в степень);

- () круглые скобки;

- _ пробел;

- знаки операций отношения <, >, =, сочетания <=, => вместо ≤ и ≥;

- буквы русского алфавита от А до Я.

Простейшие конструкции языка.

Запись чисел на языке бейсик близка к естественной. Числа, не имеющие дробной части, записываются привычным способом, как последовательность цифр со знаком + или -, например, +10, 12, -475. В числах, имеющих дробную часть, для отделения целой части от дробной, используется точка вместо запятой, например, 1.5, -2.4,.3 (ноль целых можно опустить). Такая форма записи чисел называется основной. Допускается также запись чисел в форме с порядком. Например, число 0.00078, или эквивалентное ему 7,8 · , на языке Бейсик может быть записано как 7.8Е- 4, где Е- 4 используется вместо . Число 100000, или эквивалентное ему , может быть записано как 1Е5. Буква Е и следующее за ней целое число называется порядком. Целое число в записи порядка может содержать не более двух цифр. Порядку обязательно должно предшествовать число, записанное в основной форме.

Диапазон чисел, с которыми можно оперировать в Бейсике, составляет от до , количество значащих цифр числа не должно превышать шести, лишние цифры буду отброшены. Так, при вводе числа 1000001, последняя 1 будет отброшена, число будет храниться в памяти, как число . При вводе числа 0.00001648 оно будет храниться как 1.648 · , при вводе числа 0.0000001648974 оно будет храниться как число 1.64897 · и т.д.

Под число, записанное в одной из приведенных выше форм (т.е. в основной форме или в форме с порядком), выделяется ячейка памяти длиной в 4 байта и число хранится в ней в так называемой форме с плавающей запятой. Это – вещественные числа.

В языке Бейсик существует еще одна форма записи чисел, когда к числу приписывается знак %. Такая форма записи используется только для целых чисел (не имеющих дробной части). Целые числа могут принимать значения в диапазоне -32768 до 32768. Под целое число, записанное в такой форме, выделяется ячейка памяти длиной в 2 байта и числа в ней представляются в так называемой форме с фиксированной запятой. Целые числа в Бейсике используются в основном из соображений экономии памяти.

Переменные.

Для обозначения вещественных переменных, т.е. переменных, значениями которых являются вещественные числа, в Бейсике используются имена, состоящие либо из одной буквы, либо из буквы и цифры, например, А, А3, С. В качестве букв используются прописные буквы латинского алфавита. Для целочисленных переменных, значениями которых являются целые числа, к имени добавляется знак %, например, А%, С2%.

Стандартные функции.

При работе на ЭВМ имеется возможность использовать уже готовые (стандартные) программы, которые хранятся в памяти ЭВМ, для вычисления часто употребляемых функций. Аргумент стандартной функции заключается в круглые скобки.

Арифметические выражения.

Арифметические выражения соответствуют общепринятым алгебраическим. В арифметическое выражение могут входить числа, переменные, функции, соединенные знаками арифметических операций. Число или переменная также являются арифметическим выражением. Для обозначения арифметических операций используются знаки +, -, ·(умножить), / (разделить).

Если в арифметическом выражении имеется несколько различных арифметических операций, то порядок их выполнения задается правилами приоритета.

Правила приоритета арифметических операций в Бейсике следующие: 1 - ^ (возведение в степень);

2 - ·, / (умножение, деление);

3 - +, - (сложение, вычитание).

В арифметическом выражении могут употребляться круглые скобки. Если имеются скобки, то операции в скобках выполняются в первую очередь.

Если в выражении несколько операций подряд имеют одинаковый приоритет, то они выполняются по порядку слева направо.

В арифметическом выражении могут употребляться величины разных типов – целого и вещественного. Выполнение арифметических операций над величинами одного типа дает результат того же типа, сочетание целой величины и вещественной дает вещественный результат.

ОБРАБОТКА ГРАФИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

Известно, что информация может быть представлена не только в числовом, но и в графическом виде, т.е. в виде графиков, чертежей, схем, рисунков, диаграмм и т.д. Преимущества такого способа информации - наглядность, удобство обработки и т.д.

Перечислим основные графические операторы языка Бейсик.

1. CLS – оператор, очищающий экран.

2. SCREEN n - оператор, устанавливающий режим работы экрана, где n принимает значение 0 – текстовый режим; 1 – цветная графика; 2 – черно-белая графика.

3. COLOR a, b – оператор задания цвета, где a – номер цвета фона, b – номер палитры (контуров).

4. PSET (x, y), ц – оператор, изображающий точку с координатами х и у, где ц – номер цвета точки.

5. LINE (х1, у1)-(х2, у2), ц – оператор, изображающий отрезок прямой, ограниченной точками с координатами х1, у1 и х2, у2, где ц – номер цвета отрезка. Пример: LINE (20, 20)-(200,100), 1 – оператор, изображающий голубую или зеленую линию (в зависимости от выбранной палитры).

6. LINE (х1, у1)-(х2, у2), ц, р – оператор. Изображающий прямоугольник со сторонами, параллельными осям координат, где х1, у1 – координаты левой верхней вершины прямоугольника; х2, у2 – координаты правой нижней вершины; ц – номер цвета; р принимает значения В – прямоугольник, BF – закрашенный прямоугольник.

7. CIRCLE (х, у), R, ц – оператор, изображающий окружность, радиусом R (число), с центром в точке с координатами х, у, цвета ц. Пример: CIRCLE (160, 100), 50, 1 –оператор, рисующий окружность с радиусом 50, центром с координатами 160, 100, красного или розового цвета. радиус задается в виде целого числа. Если круг или эллипс частично выходит за пределы экрана, это является ошибкой. Помимо полных эллипсов и кругов команда CIRCLE позволяет изображать их фрагменты – дуги. Если в нее включить параметры «начальный угол» и «конечный угол», то их достаточно, чтобы задать начальный и конечный угол. Указанные параметры следует вводить в радианах, поэтому их значения должны находиться между 0 и 2π. Если перед значением начального, либо конечного угла стоит минус, то линия будет изображаться, начиная с конечной точки.

8. PAINT (х, у), ц1, ц2 – оператор, закрашивающий части экрана, ограниченного замкнутым контуром, где х, у – координаты любой точки, находящейся внутри замкнутого контура; ц1 – номер цвета закраски, ц2 – номер цвета контура.