Теоретические сведения. Познакомиться с этапами разработки и отладки программ на языке высокого уровня

Цель работы

Познакомиться с этапами разработки и отладки программ на языке высокого уровня. Научиться осуществлять процесс разработки и отладки программы на языке Фортран в интегрированной среде разработки Microsoft Visual Studio 2005. Изучить типы данных языка Фортран и способы их объявления.

Теоретические сведения

Программа - это записанная по строго определенным правилам последовательность команд на каком-либо языке программирования, предназначенная для решения конкретной задачи. Язык программирования определяет набор правил, используемых при составлении компьютерной программы.

Фортран (FORmula TRANslation, переводчик формул) – первый язык программирования высокого уровня. Был разработан в период с 1954 по 1957 гг. в корпорации IBM группой программистов под руководством Джона Бэкуса. Несмотря на давнюю историю, Фортран до сих пор является общепризнанным языком научных и инженерных вычислений. Основные достоинства Фортрана – легкость изучения, большой набор встроенных математических функций, возможность работы с целыми, вещественными и комплексными числами высокой точности, большое количество библиотек подпрограмм (например, пакет Intel Math Kernel Library (Intel MKL)), легкость переноса на различные платформы.

Стандарты языка постоянно развивались: Fortran 66 (на базе IBM Fortran IV, 1966 г.), Fortran 77 (появились блочные операторы IF, ELSE IF, ELSE, END IF, символьный тип данных и т.д., 1978 г.), Fortran 90 (был существенно расширен набор управляющих конструкций, введена работа с динамической памятью, расширились возможности по работе с массивами, появились элементы объектно-ориентированного программирования (ООП), 1991 г.), Fortran 95 (1997 г.), Fortran 2003 (дальнейшее расширение возможностей ООП, взаимодействие с операционной системой, 2004 г.), в настоящее время идет речь о стандарте Fortran 2008).

Независимо от среды программирования в процедуру разработки и отладки программного продукта обязательно входят следующие этапы.

1. Разработка алгоритма программы. Алгоритмом называется описание плана действий, последовательное исполнение которых позволяет решить задачу. Алгоритм обязательно должен учитывать особенности исполнителя, т.е. в алгоритме не должны содержаться действия, не входящие в систему команд исполнителя. Наиболее точный пример – решение математических задач, которое всегда подчинено четкой системе правил. При несоблюдении этих правил решить задачу нельзя. Алгоритм можно описать различными способами. Чаще всего используются псевдокоды и блок-схемы.

2. Запись программы по составленному алгоритму на каком-либо языке программирования. На этом этапе самое важное – правильно подобрать и записать команды. Если для выполнения некоторых действий не имеется специальных команд, приходится их разрабатывать на основе существующих команд (например, рисование многоугольника можно представить как последовательное рисование его сторон в виде отрезков.).

3. Ввод программы в память машины. Процесс ввода и исправления текста программы (или любой другой текстовой и графической информации) называется редактированием. Для создания и редактирования файлов применяются специальные программы-редакторы. Результатом работы редактора является файл, содержащий программу на языке программирования высокого уровня (исходный код). Имя такого файла должно отражать характер решаемой задачи, а тип – язык, на котором написана программа (например, SUMMA.FOR, sortirovka.f90).

4. Трансляция -процедура перевода программы с языка программирования высокого уровня на язык процессора (машинных команд) или в объектный код[1]. Трансляция (компиляция) выполняется специальными программами-трансляторами. Если в процессе перевода транслятор обнаружит в тексте программы пользователя ошибки (неправильная запись команд, отсутствие необходимых данных и т.п.), он сообщит об этом. Тогда приходится снова редактировать текст программы для устранения обнаруженных ошибок и запускать транслятор для уже исправленной программы. Такие действия повторяются до полного устранения ошибок. Результат работы транслятора – файл, содержащий текст программы в машинных командах (объектный код). Такой файл имеет то же имя, что и файл исходной программы, и тип OBJ (например, SUMMA.OBJ).

5. Построение задачи. Эта процедура предназначена для связывания между собой отдельных частей сложных программ, а также для подключения к программе пользователя библиотечных функций и подпрограмм. Библиотечные функции (подпрограммы) – очень удобное средство для ускорения и упрощения работы программиста. Для большого числа стандартных, часто используемых в практике задач давно уже написаны и отлажены соответствующие программы. Такие стандартные подпрограммы (функции) хранятся в специальных файлах, называемых библиотеками, и к ним можно обращаться, указывая их имена и аргументы, т.е. данные, которые они должны обрабатывать.

Для построения задачи существуют специальные программы – построители. Построитель задачи также может обнаружить ошибки в программе (например, неправильное обращение к библиотечной функции) и сообщить о них. Тогда снова приходится редактировать и транслировать программу, а затем запускать построитель. Такая последовательность шагов тоже выполняется до тех пор, пока и построитель задач не перестанет выдавать сообщения об ошибках. Результатом успешной работы транслятора и построителя задачи является файл, содержащий исполняемую программу[2], т.е. такую программу, которую процессор может выполнить. Этот файл имеет то же имя, что и файл исходной программы, и тип EXE (например, SUMMA.EXE).

6. Запуск задачи. На этом этапе готовая программа загружается в оперативную память и исполняется процессором. Однако результаты работы программы могут оказаться неверными, если предположить, что с самого начала алгоритм решения задачи был составлен неправильно, или для его записи были применены не те команды, или были заданы неправильно исходные данные. Тогда приходится повторять процедуру разработки и отладки программы с самого начала. Как правило, таких повторений тем больше, чем сложнее задача.

Представим процедуру разработки и отладки программы с помощью блок-схемы с учетом только тех шагов, которые выполняются при помощи компьютера (см. рис. 1).

Все этапы ввода и отладки программы объединены в систему программирования (интегрированная среда, integrated development environment, IDE). Это мощный инструмент работы программиста, делающий процесс программирования быстрым и наглядным. Цикл лабораторных работ предусматривает изучение основ программирования на Фортране в среде Intel Fortran Compiler Integration для Microsoft Visual Studio 2005. Этот компилятор Фортрана позволяет разрабатывать эффективные приложения на 32- и 64-разрядных платформах Intel, поддерживает технологии многопоточной обработки и способен автоматически распараллеливать процессы. Язык программирования Intel Fortran поддерживает версии Фортран 95, Фортран 90, Фортран 77 и Фортран 2003, совместим с Compaq Fortran 77, допускает совместное использование с С++.