Понятие о процедуре. Может ли робот поумнеть?

Умен ли наш робот? Судя по его реакции на ошибки в программе, весьма глуп. Умный робот не стал бы проламывать стенку. Однако, наш робот не виноват в своей глупости. Ведь его умственные возможности исчерпываются списком его команд. А список этот очень бедный. Чем он беден?

Первое. В этом списке нет сложных команд, таких как "Наведи порядок в комнате", "Перенеси мебель к другой стенке" и даже такой сравнительно простой, как "Переставь стул". Можете ли вы дополнить список команд робота нужными вам командами? Можете, робот для этого приспособлен. Пусть вы хотите, чтобы робот выполнял команду на перестановку стула. Для этого вы придумываете программу перестановки стула (мы ее уже придумали в п.2.1), затем придумываете, как будет звучать сама новая команда, например ПЕРЕСТАВЬ СТУЛ, и наконец сообщаете роботу программу и говорите ему, что отныне он должен ее выполнять по команде ПЕРЕСТАВЬ СТУЛ. Такая программа называется процедурой, а новая команда ПЕРЕСТАВЬ СТУЛ – обращением к процедуре или вызовом процедуры.

Итак, мы дополнили список команд робота новой командой. Можно ли считать, что робот поумнел? Конечно. Но не очень. И вот почему. Пусть стул находится от дверей не в трех шагах, а в двух. Тогда наш робот, выполняя процедуру ПЕРЕСТАВЬ СТУЛ, как она написана в п.2.1, споткнется об него, а это, конечно, не говорит о его уме. Чтобы переставить стул, где бы он ни был в комнате, робот должен сначала его найти, но команды на поиск нет в списке его команд, а составить из команд этого списка процедуру поиска невозможно. Мы начинаем видеть, чем еще беден список команд робота:

Второе. Он беден не только количеством команд, но и их содержанием. Все его команды касаются только ходьбы и переноса предметов. Фактически, наш робот очень мало умеет, он может только бездумно расхаживать и таскать с места на место мебель. Он не может включить телевизор, так как не имеет хотя бы команды нажатия на кнопку. Он не может сходить в магазин, так как не умеет считать деньги. Он не может поздороваться с вами, так как не имеет команды что-нибудь произнести. Можете ли вы что-нибудь с этим поделать? Ничего не можете, потому что таким его сделали на заводе. Вам нужен робот с гораздо более разнообразными командами. Кроме этого, хорошо было бы иметь команды для очень мелких движений, например "согнуть средний палец на правой руке". Тогда из таких команд можно было бы составить процедуры вроде "пожми руку" или "нажми кнопку" или "включи телевизор". Но воображаемый робот с такими умениями был бы очень сложным и очень дорого бы стоил.

Вопрос: Что сделает наш робот, получив, находясь в исходном положении, такую бессмысленную программу:

Программа для робота	Пояснения для нас с вами
1.ПЕРЕСТАВЬ СТУЛ	Обращение к процедуре ПЕРЕСТАВЬ СТУЛ
2.НАЛЕВО	Робот поворачивается налево
3.ПЕРЕСТАВЬ СТУЛ	Обращение к процедуре ПЕРЕСТАВЬ СТУЛ

Ответ: Выполняя первую команду (обращение к процедуре ПЕРЕСТАВЬ СТУЛ), робот благополучно переставит стул. Выполняя вторую команду, он повернется лицом к дальней стенке. Выполняя третью команду (обращение к процедуре ПЕРЕСТАВЬ СТУЛ), он на первой же команде этой процедуры (ПОВТОРИ 5 РАЗ ШАГ ВПЕРЕД) врежется в дальнюю стенку.

Программадля компьютера на машинном языке

Теперь, когда вы понимаете, какую важную роль играет список команд, которые может выполнять робот, настало время вернуться обратно к компьютерам. Программа для компьютера тоже состоит из отдельных команд. Я уже говорил, что человек, который пишет программу для компьютера, называется программистом. Естественно, когда программист пишет программу, ему совершенно необходимо знать список команд, которые может выполнять компьютер. Мы еще поговорим подробнее об этом списке. Но сначала подумаем, а что вообще может компьютер. Вспомним все его умения, перечисленные в 1.1 и позже. Большинство из них сводится в конце концов к тому, что компьютер что-то изображает на экране монитора (числа, тексты, картинки, мультики) или же исполняет какую-нибудь музыкальную мелодию или обменивается информацией с дисками. Программы для всех этих умений состоят из команд компьютера.

Взглянем на список команд новенького компьютера, только что покинувшего заводские стены. Внутри него нет почти никаких программ, поэтому умеет он выполнять только команды, заложенные в него на заводе. Каждая из этих команд заставляет компьютер выполнить какое-то одно простейшее очень маленькое действие, по своей незначительности подобное сгибанию пальца у робота. Отдавать эти команды компьютеру нужно на специальном языке, понятном компьютеру - машинном языке. Поскольку изучение машинного языка нам сейчас не нужно, я приведу только смысл некоторых задач, выполняемых командами машинного языка (на русском языке).

 

Примеры задач, выполняемых командами машинного языка:

Сложить два числа.

Определить, какое из двух чисел больше.

Следующие задачи уже слишком трудны для одной команды машинного языка

и под силу только совокупности таких команд:

Изобразить на экране в заданном месте светящуюся точку заданного цвета.

Изобразить на экране заданную букву или цифру.

Включить звук заданной высоты.

Выключить звук.

Запомнить, какую клавишу нажал человек на клавиатуре.

 

В машинном языке еще много команд, и все они такие же "мелкие". Спрашивается, как же при помощи таких слабеньких команд заставить компьютер сделать хоть что-нибудь путное, скажем, написать слово "ЭВМ" или нарисовать кружочек? Я думаю, вы уже догадались, что нужно сделать - нужно написать программу и сделать ее процедурой. Вот, например, алгоритм программы, изображающей на экране слово "ЭВМ":

1. Изобразить на экране букву "Э"

2. Изобразить на экране букву "В"

3. Изобразить на экране букву "М"

 

А вот алгоритм программы, вычисляющей выражение (5‑7)/(10+40):

1. Вычти 7 из 5

2. Прибавь 40 к 10

3. Раздели первый результат на второй

4. Покажи результат деления на экране монитора

 

Это ничего, что результат получился отрицательный и дробный. Компьютеры непринужденно справляются с такими числами.

А как же нарисовать кружочек, если компьютер может нарисовать только точку? Если вы посмотрите на экран монитора в увеличительное стекло, то заметите, что изображение любого предмета состоит из маленьких светящихся точек (пикселов), которые расположены так близко друг к другу, что сливаются в единое изображение. Примерно то же самое вы видите на фотографии в газете. Вполне можно написать программу, которая рисует рядышком одну за другой множество точек так, чтобы они образовали окружность. Рисунок, поясняющий принцип получения изображения на экране, приведен в 3.4.

Языки программирования

В чем недостаток команд машинного языка? В том, что действия, вызываемые этими командами, очень мелки. Поэтому программа выполнения даже очень простого задания будет состоять из большого числа команд. Это все равно, что строить дом не из кирпичей, а из косточек домино, - построить можно, но слишком долго и утомительно (зато орнамент из кирпичей на этом доме получится плохой, грубый, из косточек домино – гораздо богаче и подробнее).

Поскольку этот недостаток машинного языка был давным-давно понятен всем программистам, то они составили из команд машинного языка процедуры[2]для выполнения наиболее популярных маленьких заданий, таких как:

· Нарисовать кружочек заданного размера в заданном месте экрана

· Нарисовать прямоугольник заданного размера и формы в заданном месте экрана

· Нарисовать отрезок прямой

· Покрасить заданным цветом определенную область экрана

· Воспроизвести мелодию по заданным нотам

· Написать на экране заданное слово, заданный текст

· Запомнить слово или текст, введенные с клавиатуры

· Вычислить математическую формулу

Как видите, действия, вызываемые этими процедурами, гораздо более крупные, чем у команд машинного языка. Поэтому эти процедуры более удобны для написания программ, хотя бы для таких, как программа, рисующая синюю тележку с надписью "Игрушки". Для ее написания достаточно согласиться с тем, что колесо - это кружочек, а корпус - прямоугольник.

Конечно, хотелось бы иметь все подобные процедуры внутри компьютера. Поэтому давным-давно существуют дискеты и компакт-диски, на которых записаны целые "сборники" таких процедур. И каждый желающий может взять дискету, переписать ее содержимое в компьютер и пользоваться им.

Процедуры на такой дискете записаны не разобщенно, а в комплексе, как составные части особой большой программы. Если мы перепишем эту большую программу в компьютер и запустим ее на выполнение, то она позволит человеку, во-первых, писать собственные программы из упомянутых процедур, а во-вторых, сделает этот процесс удобным, то есть будет обнаруживать многие ошибки в ваших программах, позволит быстро запускать их на выполнение, исправлять, переписывать на дискету и т.д.

Называют такую комплексную программу сложно и по-разному, например, "Среда и компилятор языка программирования высокого уровня". Основное для нас в этом названии - понятие "язык программирования" или будем говорить проще - "язык". Но если язык, то какой? У людей есть русский, английский, китайский языки. Что такое любой из этих языков общения людей? Грубо говоря, это набор букв, слов, знаков препинания и правил, по которым все эти элементы нужно выстроить в цепочку, чтобы получить правильное предложение. Язык программирования – примерно то же самое. Важнейшая часть языка программирования – набор правил, по которым различные объекты (в том числе и обращения к упомянутым процедурам) нужно выстроить в цепочку, чтобы получить правильную программу. Строго говоря, процедуры не являются составной частью языка, однако, вы должны знать, что держа в руках дискету или компакт-диск с надписью “Turbo Pascal” или «C++» или какой-либо другой язык, вы держите в руках целый комплекс программ, который содержит и большое количество этих самых процедур и средства для удобной разработки ваших программ с их использованием.

Языков программирования, как и человеческих языков, придумано много. Зачем? Причина - в разнообразии потребностей программистов, в разных уровнях их квалификации и во многом другом. Так, начинающим вряд ли стоит предлагать Ассемблер, а профессионалу не нужен Лого. Часто разные языки ориентированы на разные предметные области. Например, язык Пролог позволяет удобно описывать логические взаимосвязи в окружающем нас мире, Лого позволяет удобно рисовать фигуры и снабжен для этого соответствующим набором процедур, а вот решать сложные математические задачи с его помощью лучше и не пытаться.

Программистам пока еще не удалось создать язык, удовлетворяющий всех, да и неизвестно, возможно ли вообще его создать, и надо ли.

 

Вот некоторые наиболее популярные языки программирования:

Лого	Logo	язык, рассчитанный на детей, позволяющий просто и занимательно рисовать картинки и программировать простейшие игры
Бэйсик	Basic	язык как для начинающих, так и для профессиональных программистов
Паскаль	Pascal	универсальный язык, позволяющий прекрасно программировать самые разные задачи
Си	C	сложный, мощный язык для профессиональных программистов
Ассемблер	Assembler	сложный, мощный язык, с очень мелкими командами, близкими к командам машинного языка
Лисп, Пролог	LISP, Prolog	языки для создания искусственного интеллекта, роботов

 

Во всех человеческих языках есть слова «ходить», «есть», «спать», обозначающие понятия, общие для всех языков. Точно так же большинство языков программирования позволяет выполнять общепринятые процедуры, такие, например, как вывод информации на экран, только записываются обращения к этим процедурам по-разному. Прикажем, например, компьютеру к трем прибавить два и результат показать на экране монитора. Вот как эта процедура вызывается на языке Лого:

покажи 3 + 2

А вот как она вызывается на Паскале:

Write (3+2)

В языках программирования приказы, которые отдают на данном языке, называют не только обращениями к процедурам, но и командами (язык Лого и др.), и операторами (языки Бэйсик, Паскаль и др.). Между понятиями «обращение к процедуре» и «оператор» существует значительная разница, о которой вы узнаете позже, однако сейчас вам важно знать только одно – команда Лого, обращение к процедуре и оператор являются приказами. Не нужно их путать с командами машинного языка, так как они гораздо «крупнее». Так команда языка Лого покажи 3 + 2фактически является обращением к процедуре из нескольких команд машинного языка, которые сначала приказывают компьютеру вычислить сумму, а потом показать ее на экране. Нет команд более мелких, чем команды машинного языка, поэтому любая команда, оператор или процедура на любом другом языке (кроме Ассемблера) сводится в конце концов к выполнению набора команд машинного языка.

Пример настоящей программы для компьютера на языке Лого

Давайте напишем настоящую программу на настоящем языке программирования. Для этого выберем язык Лого. Он предназначен в основном для рисования. Напишем программу для рисования домика, вот такого:

 

Начнем с того, что у нас в руках находится дискета с языком Лого. Вставим ее в компьютер. После нескольких нажатий на клавиши посредине экрана возникает вот такая маленькая черепашка:

С этого момента компьютер готов принимать нашу программу и выполнять ее. Занимательность и простота работы с Лого заключается в том, что многие его команды являются командами для черепашки нарисовать на экране те или иные разноцветные линии, что-нибудь покрасить и т.п. Передвигается черепашка по экрану маленькими шагами. Размер экрана по горизонтали и вертикали - несколько сотен шагов.

Из всего длинного списка команд Лого нам для рисования домика понадобятся только две. Приведем примеры их записи с пояснением:

 

ВПЕРЕД 28	По этой команде черепашка продвинется вперед на 28 шагов, оставляя за собой тонкий след, то есть фактически она нарисует отрезок прямой длиной в 28 шагов.
НАЛЕВО 60	По этой команде черепашка повернется на месте налево на 60 градусов.

 

А теперь напишем программу:

Программа	Пояснения
ВПЕРЕД 40	Черепашка идет вверх и рисует правую стенку дома
НАЛЕВО 90	Собираемся рисовать не крышу, а потолок
ВПЕРЕД 50	Черепашка рисует потолок
НАЛЕВО 90	Собираемся рисовать левую стенку дома
ВПЕРЕД 40	Черепашка рисует левую стенку дома
НАЛЕВО 90	Собираемся рисовать пол
ВПЕРЕД 50	Черепашка рисует пол
НАЛЕВО 90	Готовимся добраться до крыши по правой стене
ВПЕРЕД 40	Черепашка забирается на крышу по правой стене
НАЛЕВО 45	Собираемся рисовать правый скат крыши
ВПЕРЕД 36	Черепашка рисует правый скат крыши
НАЛЕВО 90	Собираемся рисовать левый скат крыши
ВПЕРЕД 36	Черепашка рисует левый скат крыши

 

Как и программа для нашего воображаемого робота, любая программа для компьютера требует абсолютной точности записи. Нельзя допускать орфографических ошибок - НАЛЕВА, нельзя записывать команды по-другому - ВЛЕВО. Компьютер в этом случае просто откажется выполнять программу. Но если мы, соблюдая эти формальные правила, все же по невнимательности допустим ошибку в программе, компьютер программу выполнять не откажется и, выполнив ее, получит неправильный результат. Например, если в программе пятую сверху команду (для рисования левой стены) мы запишем так - ВПЕРЕД 60 (а не ВПЕРЕД 40), то домик будет выглядеть так:

Так же, как и в случае с роботом, если мы в процессе выполнения программы увидим, что черепашка рисует что-то не то, у нас не будет возможности на ходу исправить программу. Нам или придется ждать, когда она дорисует все до конца или нажатием на клавиши все стереть с экрана и привести черепашку в исходное состояние. После этого программу можно исправлять.

Это я говорил о программном режиме. Лого допускает и командный режим, когда черепашка выполняет команду сразу же, как получит ее с клавиатуры.

Может ли черепашка поумнеть? Да. Объясните черепашке, что составленная программа есть процедура с именем ДОМИК – и отныне вам достаточно будет отдать команду ДОМИК – и черепашка его нарисует.