Блок-схемы как графическое представление алгоритмов. Основные блоки, используемые в блок- схемах алгоритмов

Цель работы: формирование знаний и умений по работе с блок-схемами алгоритмов.

Краткие теоретические сведения

Основные этапы решения задач на компьютере

Процесс решения задач на компьютере - это совместная деятельность человека и ЭВМ. Этот процесс можно представить в виде нескольких последовательных этапов. На долю человека приходятся этапы, связанные с творческой деятельностью — постановкой, алгоритмизацией, программированием задач и анализом результатов, а на долю компьютера — этапы обработки информации в соответствии с разработанным алгоритмом.

Рассмотрим эти этапы на следующем примере: пусть требуется вычислить сумму двух целых чисел и вывести на экран результат.

Первый этап - постановка задачи. На этом этапе участвует человек, хорошо представляющий предметную область задачи. Он должен четко определить цель задачи, дать словесное описание содержания задачи и предложить общий подход к ее решению. Для задачи вычисления суммы двух целых чисел человек, знающий, как складываются числа, может описать задачу следующим образом: ввести два целых числа, сложить их и вывести сумму в качестве результата решения задачи.

Второй этап - математическое или информационное моделирование. Цель этого этапа - создать такую математическую модель решаемой задачи, которая может быть реализована в компьютере. Существует целый ряд задач, где математическая постановка сводится к простому перечислению формул и логических условий. Для вышеописанной задачи данный этап сведется к следующему: введенные в компьютер числа запомним в памяти под именами А и В, затем вычислим значение суммы этих чисел по формуле А+В, и результат запомним в памяти под именем Summa.

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

Алгоритмом называется точное предписание, определяющее последовательность действий исполнителя, направленных на решение поставленной задачи. В роли исполнителей алгоритмов могут выступать люди, роботы, компьютеры.

Используются различные способы записи алгоритмов. Широко распространен словесный способ записи: это записи рецептов приготовления различных блюд в кулинарной книге, инструкции по использованию технических устройств, правила правописания и многие другие. Наглядно представляется алгоритм языком блок-схем.

Например, алгоритм решения задачи вычисления суммы двух целых чисел на языке блок-схем будет записан, как показано на рисунке 1.

Рисунок 1 Блок-схема алгоритма

Четвертый этап — программирование. Программой называется план действий, подлежащих выполнению некоторым исполнителем, в качестве которого может выступать компьютер. Составление программы обеспечивает возможность выполнения алгоритма и соответственно поставленной задачи исполнителем-компьютером. Во многих задачах при программировании на алгоритмическом языке часто пользуются заменой блока алгоритма на один или несколько операторов, введением новых блоков, заменой одних блоков другими.

Пятый этап - ввод программы и исходных данных в ЭВМ. Программа и исходные данные вводятся в ЭВМ с клавиатуры с помощью редактора текстов, и для постоянного хранения осуществляется их запись на гибкий или жесткий магнитный диск.

Шестой этап - тестирование и отладка программы. На этом этапе происходят исполнение алгоритма с помощью ЭВМ, поиск и исключение ошибок. При этом программисту приходится выполнять 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. Исходный план отладки заключается в том, чтобы оттестировать программу на контрольных примерах.

Контрольные примеры стремятся выбрать так, чтобы при работе с ними программа прошла все основные пути блок-схемы алгоритма, поскольку на каждом из путей могут быть свои ошибки, а детализация плана зависит от того, как поведет себя программа на этих примерах: на одном она может зациклиться (т. е. бесконечно повторять одно и то же действие); на другом - дать явно неверный или бессмысленный результат и т. д. Сложные программы отлаживают отдельными фрагментами.

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

Полученные в результате решения выходные данные анализируются постановщиком задачи, и на основании этого анализа вырабатываются соответствующие решения, рекомендации, выводы. Например, если при решении задачи на компьютере результат сложения двух чисел 2 и 3 будет 4, то следует сделать вывод о том, что надо изменить алгоритм и программу.

Возможно, что по итогам анализа результатов потребуются пересмотр самого подхода к решению задачи и возврат к первому этапу для повторного выполнения всех этапов с учетом приобретенного опыта. Таким образом, в процессе создания программы некоторые этапы будут повторяться до тех пор, пока мы получим алгоритм и программу, удовлетворяющие показанным выше свойствам.

Языки программирования

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

Современные компьютеры не настолько совершенны, чтобы понимать программы, записанные на каком-либо употребляемом человеком языке — русском, английском, японском. Команды, предназначенные для ЭВМ, необходимо записывать в понятной ей форме. С этой целью применяются языки программирования - искусственные языки, алфавит, словарный запас и структура которых удобны человеку и понятны компьютеру.

В самом общем смысле языком программирования называется фиксированная система обозначений и правил для описания алгоритмов и структур данных. Все языки программирования делятся на языки низкого, высокого и сверхвысокого уровня.

Язык программирования низкого уровня - это средство записи инструкций компьютеру простыми командами на аппаратном уровне. Такой язык отражает структуру данного класса ЭВМ и поэтому иногда называется машинно-ориентированным языком. Пользуясь системой команд, понятной компьютеру, можно описать алгоритм любой сложности. Запись программы на этом языке представляет собой последовательность нулей и единиц.

Существенной особенностью языков программирования низкого уровня является жесткая ориентация на определенный тип аппаратуры (систему команд про­цессора). В стремлении приспособить язык программирования низкого уровня к че­ловеку разработан язык символического кодирования (автокод или язык ассембле­ра), структура команд которого определяется форматами команд и данными ма­шинного языка. Программа на таком языке ближе человеку, потому что операторы этого языка — те же команды, но они имеют мнемонические названия, а в качестве операндов используются не конкретные адреса в оперативной памяти, а их симво­лические имена.

Более многочисленнуюгруппу составляют языки программирования высокого уровня, средства которых допускают описание задачи в наглядном, легко воспри­нимаемом виде. Отличительной особенностью этих языков является их ориентация не на систему команд той или иной ЭВМ, а на систему операторов, характерных для записи определенного класса алгоритмов. К языкам программирования этого типа относятся: Бейсик, Фортран, Алгол, Паскаль, Си. Программа на языках высо­кого уровня записывается системой обозначений, близкой человеку (например, фиксированным набором слов английского языка, имеющих строго определенное назначение). Программу на языке высокого уровня проще понять и значительно легче отладить.

К языкам программирования сверхвысокого уровня можно отнести Алгол, при разработке которого сделана попытка формализовать описание языка, привед­шая к появлению абстрактной и конкретной программ. Абстрактная программа создается программистом, конкретная - выводится из первой. Предполагается, что при таком подходе принципиально невозможно породить неверную синтакси­чески (а в идеале и семантически) конкретную программу. Язык APL относят к языкам сверхвысокого уровня за счет введения сверхмощных операций и операто­ров. Запись программ на таком языке получается компактной.

Все вышеперечисленные языки - вычислительные. Более молодые - декларативные (непроцедурные) языки, отличительная черта которых - задание связей и отношений между объектами и величинами и отсутствие определения последова­тельности выполнения действий (Пролог). Такие языки сыграли важную роль в программировании, так как они дали толчок к разработке специализированных языков искусственного интеллекта и языков представления знаний.

Трансляторы

Так как текст записанной на Паскале программы не понятен компьютеру, то требуется перевести его на машинный язык. Такой перевод программы с языка программирования на язык машинных кодов называется трансляцией (translation — перевод), а выполняется он специальными программами - трансляторами.

Существует три вида трансляторов: интерпретаторы, компиляторы и ассемблеры.

Интерпретатором называется транслятор, производящий пооператорную (покомандную) обработку и выполнение исходной программы.

Компилятор преобразует (транслирует) всю программу в модуль на машинном языке, после этого программа записывается в память компьютера и лишь потом исполняется.

Ассемблеры переводят программу, записанную на языке ассемблера (автокода), в программу на машинном языке.

Любой транслятор решает следующие основные задачи:

• анализирует транслируемую программу, в частности определяет, содержит ли она синтаксические ошибки;

• генерирует выходную программу (ее часто называют объектной или рабочей) на языке команд ЭВМ (в некоторых случаях транслятор генерирует выходную программу на промежуточном языке, например, на языке ассемблера);

• распределяет память для выходной программы (в простейшем случае это заключается в назначении каждому фрагменту программы, переменным, константам, массивам и другим объектам своих адресов участков памяти).