Основные этапы решения задач на ЭВМ

Процесс решения задач на компьютере – это совместная деятельность человека и ЭВМ. На долю человека приходятся этапы, связанные с творческой деятельностью – постановкой, алгоритмизацией, программированием задач и анализом результатов, а на долю персонального компьютера – этапы обработки информации в соответствии с разработанным алгоритмом.

Первый этап – постановказадачи. На этом этапе участвует человек, хорошо представляющий предметную область задачи (биолог, экономист, инженер). Он должен чётко определить цель задачи, дать словесное описание содержания задачи и предложить общий подход к её решению.

Второй этап – выбор метода решения (математическое или информационное моделирование). Цель данного этапа – создать такую математическую модель решаемой задачи, которая могла быть реализована в компьютере. Существует целый ряд задач, где математическая постановка сводится к простому перечислению формул и логических условий.

Этот этап тесно связан с первым, и его можно отдельно не рассматривать. Однако возможно, что для полученной модели известны несколько методов решения, и необходимо выбрать лучший. Заметим, что появление средств визуального моделирования объектов позволяет в некоторых случаях освободить программиста от выполнения данного этапа.

Третий этап – алгоритмизация задачи. На основе математического описания необходимо разработать алгоритм решения.

Алгоритм – система точных и понятных предписаний о содержании и последовательности выполнения конечного числа действий, необходимых для решения любой задачи данного типа (класса).

Понятие алгоритма возникло и используется давно. Сам термин «алгоритм» ведёт начало от перевода на европейские языки имени арабского математика Аль-Хорезми (IX век). Им были описаны правила (в нашем понимании – алгоритмы) выполнения основных арифметических действий в десятичной системе счисления.

Задача составления алгоритма не имеет смысла, если не известны или не учитываются возможности его исполнителя (ребёнок может прочесть, но не может решить сложную задачу).

Исполнителем может быть не только человек, но и автомат. Компьютер – лишь частный, но наиболее впечатляющий пример исполнителя, чьё поведение основано на реализации алгоритма. Более того, создание персонального компьютера оказало воздействие на развитие теории алгоритмов, одной из областей дискретной математики.

Эффективный метод построения алгоритма – метод пошаговой детализации (последовательного построения). При этом сложная задача разбивается на ряд более простых. Для каждой подзадачи разрабатывается свой алгоритм. Универсальный эффективный метод построения алгоритма является основой структурного программирования (см. п. 6.16).

Если алгоритм разработан, то его можно вручить разным людям (пусть и не знакомым с сутью решаемой задачи), и они, следуя системе правил, будут действовать одинаково и получат (при безошибочных действиях) одинаковый результат.

Используются различные способы записи алгоритмов:

– словесный (запись рецептов в кулинарной книге, инструкции по использованию технических устройств);

– графический – в виде блок-схемы;

– структурно-стилизованный (для записи используется язык псевдокода).

При составлении и записи алгоритма необходимо обеспечить, чтобы он обладал рядом свойств:

Однозначность алгоритма – единственность толкования исполнителем правил выполнения действий и порядка их выполнения. Чтобы алгоритм обладал этим свойством, он должен быть записан командами из системы команд исполнителя.

Конечность алгоритма – обязательность завершения каждого из действий, составляющих алгоритм, и завершимость алгоритма в целом.

Результативность алгоритма – предполагает, что выполнение алгоритма должно завершиться получением определённых результатов.

Массовость – возможность применения данного алгоритма для решения целого класса задач, отвечающих общей постановке задачи.

Правильность алгоритма – способность алгоритма давать правильные результаты решения поставленных задач.

Четвёртый этап – программирование. Программой называется план действий, подлежащих выполнению некоторым исполнителем, в качестве которого может выступать компьютер. Программа позволяет реализовать разработанный алгоритм.

Пятый этап – ввод программы и исходных данных в ЭВМ с клавиатуры с помощью редактора текстов. Для постоянного хранения осуществляется их запись на гибкий или жёсткий диск.

Шестой этап – тестирование и отладка программы. Исполнение алгоритма с помощью ЭВМ, поиск и исключение ошибок. При этом программисту приходится выполнять рутинную работу по проверке работы программы, поиску и исключению ошибок, и поэтому для сложных программ этот этап часто требует гораздо больше времени и сил, чем написание первоначального текста программы.

Отладка программы – сложный и нестандартный процесс, который заключается в том, чтобы протестировать программу на контрольных примерах.

Контрольные примеры стремятся выбрать так, чтобы при работе с ними программа прошла все основные пути алгоритма, поскольку на каждом из путей могут встретиться свои ошибки, а детализация плана зависит от того, как поведёт себя программа на этих примерах. На одном она может «зациклиться», на другом – дать бессмысленный результат.

Сложные программы отлаживают отдельными фрагментами.

Для повышения качества выполнения этого этапа используются специальные программы-отладчики, которые позволяют исполнить программу «по шагам» с наблюдением за изменением значений переменных, выражений и других объектов программы с отслеживанием выполнения операторов.

Седьмой этап – исполнение отлаженной программы и анализ результатов.На этом этапе программист запускает программу и задаёт исходные данные, требуемые по условию задачи.

Полученные результаты анализируются постановщиком задачи, и на основании этого анализа вырабатываются соответствующие решения, рекомендации, выводы.

Языки программирования

Чтобы компьютер выполнил решение какой-либо задачи, ему необходимо получить от человека инструкции, как её решать. Набор таких инструкций для компьютера, направленный на решение конкретной задачи, называется компьютерной программой.

Современные компьютеры не настолько совершенны, чтобы понимать программы, написанные на каком-либо употребляемом человеком языке.

Команды, предназначенные для ЭВМ, необходимо записывать в понятной компьютеру форме. С этой целью применяют языки программирования – искусственные языки, алфавит, словарный запас и структура которых удобны и понятны компьютеру.

В самом общем смысле языком программирования называется фиксированная система обозначений и правил для описания алгоритмов и структур данных. Языки программирования должны быть понятны и человеку, и ЭВМ. Они делятся на языки низкого и высокого уровня.

Язык низкого уровня – средство записи программы простыми приказами – командами на аппаратном уровне. Такой язык отражает структуру данного класса ЭВМ, и поэтому иногда называется машинно-ориентированным языком. Пользуясь системой команд, понятной ПК, можно описать алгоритм любой сложности, но такая запись для сложных задач будет очень громоздкой и мало приспособленной для использования человеком.

Существенной особенностью языков низкого уровня является жесткая ориентация на определённый тип аппаратуры (систему команд процессора).

Чтобы приспособить язык программирования низкого уровня к человеку, был разработан язык символического кодирования – язык Ассемблер. Структура команд Ассемблера определяется форматами команд и данных машинного языка. Программа на Ассемблере ближе человеку, потому что операторы этого языка – те же коды, но они имеют мнемонические названия; используются не конкретные адреса, а их символьные имена.

Многочисленную группу составляют языки программирования высокого уровня. Средства таких языков допускают описание задачи в наглядном, легко воспринимаемом виде. Отличительной особенностью этих языков является ориентация не на систему команд той или иной ЭВМ, а на систему операторов, характерных для записи определённого класса алгоритмов.

К языкам программирования этого типа относятся Бейсик, Фортран, Паскаль, Си и другие. Программа на языках высокого уровня записывается системой обозначений, понятной человеку (например, фиксированным набором слов английского языка).

Все вышеперечисленные языки – вычислительные. Более молодые – декларативные (непроцедурные) языки. Отличительная черта их – задание связей и отношений между объектами и величинами и отсутствие определенной последовательности действий (один из первых – Пролог, затем C++, Delphi, Visual Basic). Эти языки дали толчок к разработке специальных языков искусственного интеллекта и языков представления знаний.

Трансляторы

Текст программы, записанный, например, на Паскале, не может быть воспринят ЭВМ непосредственно, требуется перевести его на машинный язык. Перевод программы с языка программирования на язык машинных кодов называется трансляцией (translation – перевод), а выполняется специальными программами – трансляторами. Существует три вида трансляторов: интерпретаторы, компиляторы, ассемблеры.

Интерпретатором называется транслятор, производящий покомандную обработку и выполнение исходной программы. Компилятор преобразует (транслирует) всю программу в модуль на машинном языке, после этого программа записывается в память ПК и лишь потом выполняется. Ассемблеры переводят программу, записанную на языке автокода, в программу на машинном языке.

Любой транслятор решает следующие основные задачи:

– анализирует транслируемую программу, в частности, проверяет, содержит ли она синтаксические ошибки;

– генерирует выходную программу (её часто называют объектной или рабочей) на языке команд ЭВМ;

– распределяет память выходной программы, в простейшем случае назначает каждому фрагменту программы: переменным, константам и другим объектам свои адреса в памяти.