Этапы подготовки и решения задач на компьютере

Инструмен6тальные программные средства

Этапы подготовки и решения задач на компьютере

Компьютер предназначен для решения разнообразных задач: научно-технических, инженерных, разработки системного программ­ного обеспечения, обучения, управления производственными процес­сами и т.д. В процессе подготовки и решения на компьютере науч­но-технических задач можно выделить следующие этапы:

1. Постановка задачи − формулируется цель решения задачи, подробно описывается ее содержание; проводится анализ условий, при которых решается поставленная задача, выявляется область определения входных параметров задачи.

2. Формальное построение модели задачи — предполагает построение модели с характеристиками, адекватными оригиналу, на основе какого-либо его физического или информационного принципа; анализируется характер и сущность величин, используемых в задаче.

3. Построение математической модели задачи — характеризуется математической формализацией задачи, при которой существу­ющие взаимосвязи между величинами выражаются с помощью математических соотношений. Как правило, математическая мо­дель строится с определенной точностью, допущениями и огра­ничениями.

4. Выбор и обоснование метода решения — модель решения задачи реализуется на основе конкретных приемов и методов решения.
В большинстве случаев математическое описание задачи трудно перевести на машинный язык. Выбор и использование метода решения позволяет свести решение задачи к конкретному набору машинных команд. При обосновании метода решения рас­сматриваются вопросы влияния различных факторов и условий на конечный результат, в том числе на точность вычислений, время решения задачи на компьютере, требуемый объем памяти
и др.

5. Построение алгоритма — на данном этапе составляется алгоритм решения задачи, в соответствии с выбранным методом решения.
Процесс обработки данных разбивается на отдельные относительно самостоятельные блоки, определяется последовательность выполнения этих блоков

6. Составление программы — алгоритм решения переводится на конкретный язык программирования.

7. Отладка программы − процесс устранения синтаксических и логических ошибок в программе. В процессе трансляции программы с помощью синтаксического и семантического контроля вы­являются недопустимые конструкции и символы (или сочетания символов) для данного языка программирования. Компьютер
выдает сообщение об ошибках в форме, соответствующей этому языку. Затем проверяется логика работы программы в процессе ее выполнения с конкретными исходными данными. Для этого используются специальные методы. Например, в программе выбираются контрольные точки, для них подбираются тестирующие примеры и вручную находятся значения в этих точках, ко­торые затем и сверяются со значениями, получаемыми компьютером на этапе отладки. Кроме того, используются отлад­чики, выполняющие специальные действия на этапе отладки, такие как удаление, замена или вставка отдельных операторов или целых фрагментов программы, вывод промежуточных результатов, изменение значений заданных переменных и др.

8. Решение задачи на компьютере и анализ результатов. Теперь программу можно использовать для решения поставленной задачи. Первоначально выполняется многократное решение задачи на компьютере для различных наборов исходных данных. Получаемые результаты анализируются специалистом, поставившим задачу. Разработанная программа поставляется заказчику в виде готовой к исполнению машинной программы. К ней прилагается документация, включающая инструкцию по эксплуатации.

 

В задачах другого типа некоторые этапы могут отсутствовать. Например, проектирование программного обеспечения не требует построения математической модели.

Все приведенные этапы тесно связаны между собой. Например, анализ результатов может привести к необходимости внесения изме­нений в программу, алгоритм, метод решения или даже в постанов­ку задачи.

 

Понятие «язык программирования»

Сегодня практически все программы создаются с помощью язы­ков программирования (ЯП). Теоретически программу можно написать и на естественном языке (говорят: программирование на метаязыке), но из-за неоднозначности естественного языка автоматически пере­вести такую программу в машинный код пока невозможно.

Языки программирования — это формальные искусственные язы­ки. Как и естественные языки, они имеют алфавит, словарный запас, грамматику и синтаксис, а также семантику.

Алфавит — разрешенный к использованию набор символов, с помощью которого могут быть образованы слова и величины данного языка.

Синтаксис − система правил, определяющих допустимые конст­рукции языка программирования из букв алфавита.

Семантика — система правил однозначного толкования каждой языковой конструкции, позволяющих производить процесс обработки данных.

Взаимодействие синтаксических и семантических правил определяет основные понятия языка, такие как операторы, идентифика­торы, константы, переменные, функции, процедуры и т.д. В отличие от естественных, язык программирования имеет ограниченный запас слов (операторов) и строгие правила их написания, а правила грам­матики и семантики, как и для любого формального языка, явно однозначно и четко сформулированы.

Языки программирования, ориентированные на команды про­цессора и учитывающие его особенности, называют языками низко­го уровня. «Низкий уровень» не означает неразвитый, имеется в виду, что операторы этого языка близки к машинному коду и ориентиро­ваны на конкретные команды процессора.

Языком самого низкого уровня является ассемблер. Программа, написанная на нем, представляет последовательность команд машинных кодов, но записанных с помощью символьных мнемоник. С помощью языков низкого уровня создаются компактные оптимальные программы, так как программист получает доступ ко всем возмож­ностям процессора. С другой стороны, при этом требуется хорошо понимать устройство компьютера, а использование такой програм­мы на компьютере с процессором другого типа невозможно. Такие языки программирования используются для написания небольших системных приложений, драйверов устройств, модулей стыковки с нестандартным оборудованием, когда важнее компактность, быстро­действие, прямой доступ к аппаратным ресурсам.

Языки программирования, имитирующие естественные, облада­ющие укрупненными командами, ориентированные «на человека», называют языками высокого уровня. Чем выше уровень языка, тем ближе структуры данных и конструкции, использующиеся в програм­ме, к понятиям исходной задачи. Особенности конкретных компь­ютерных архитектур в них не учитываются, поэтому исходные тек­сты программ легко переносимы на другие платформы, имеющие трансляторы этого языка. Разрабатывать программы на языках вы­сокого уровня с помощью понятных и мощных команд значительно проще, число ошибок, допускаемых в процессе программирования, намного меньше. В настоящее время насчитывается несколько сотен таких языков (без учета их диалектов).

Таким образом, языки программирования высокого уровня, ори­ентированные на решение больших содержательных прикладных за­дач, являются аппаратно-независимыми и требуют использования соответствующих программ-переводчиков для преобразования текста программы в машинный код, который в итоге и обрабатывается про­цессором.