Лекция 2. Этапы решения задач на ЭВМ

Этапы подготовки решения задач на компьютере

С использованием компьютера решаются задачи с различными характерами (графика, разработки программного обеспечения, управление производственными процессами и другие). В тоже время для большинства решающих задач, можно выделить следующие этапы решения задач:

1) Постановка задачи;

2) Математическое описание задачи (прямое и приближенное);

3) Выбор и обоснование метода решения;

4) Алгоритмизация вычислительного процесса;

5) Составление программы на языках программирования;

6) Трансляция программы и получение исполняемой программы;

7) Откладка программы;

8) Тестирование программы;

9) Передача программы в эксплуатацию.

Постановка задачи. На первом этапе необходимо сформировать цель решения задачи и подробно описать ее содержание, произвести анализ характеристик и сущность  величин задачи и определить условие, при которой она решается. Правильность постановки задачи является очень важным, так как от нее зависят последующие этапы решения задач.

Математическое описание задачи. Данный этап характеризуется математическим способом описания задачи, при котором соотношения между величинами, определяющими результат, можно выразить при помощи математической формулы. Более корректно этап математического описания можно назвать этапом разработки математической модели решаемой задачи. Данная модель задачи должна удовлетворять требованиям реалистичности и реализуемости. Реалистичность, есть правильное отображение моделью наиболее значимых черт, изучаемого явления. Реализуемость достигается разумной абстракцией, отвлечением от ненужных деталей и сведением задачи к проблеме с уже известным решением. Условием реализуемости есть возможность практического выполнения необходимых вычислений за определенное время, при доступных вычислительных решений.

Выбор и обоснование метода решения. Реализация математической модели, разработанной на предыдущем этапе, может быть осуществлена двумя основными методами:

• прямые методы;
• приближенные методы (методы математического программирования).

Простые методы осуществляют простые вычисления по разработанным выражениям и являются доступными в реализации. Методы математического программирования являются более сложными и требуют больше вычислительных ресурсов. Одну и ту же задачу можно решить при помощи большого количества различных методов, при этом в рамках выбранного метода можно сформировать различные алгоритмы.

Алгоритмизация вычислительного процесса. Здесь происходит составление алгоритма решения задачи согласно действиям, задаваемым выбранным методом решения задач. При формировании алгоритма задача разбивается на отдельные, относительно самостоятельные блоки, устанавливается последовательность блоков и связь между ними. Разрабатывается блок-схема.

Составление программы на языках программирования. При составлении программы, полученный алгоритм решения задачи, переводится на конкретный язык программирования. Для программирования чаще всего используют языки высокого уровня. Обычно программа первоначально составляется на бумаге, а за тем вводится в компьютер с помощью текстового редактора. Современные языки программирования для удобства работы имеют оболочки, в состав которых входит текстовый редактор, с помощью которого набирается код программы. Обычно код программы сохраняется в виде дискового файла, связанного с языком программирования, при этом расширение имени файла присваивается автоматически.

Трансляция программы и получение исполняемой программы.

Структура ПК

Программа, которую исполняет программный процессор, называют исполняемая программа. Она представлена в виде последовательности машинных команд или инструкций и данных, с которыми оперируют эти инструкции. Современный ПК имеет много команд. Эти команды выполняют математические и логические операции с данными.  Данные могут быть представлены либо непосредственно, либо с указанием записи, где они хранятся. Программа исполняется центральным процессором: операционная система загружает исполняемую программу в оперативную память и сообщает центральному процессору адрес ячейки, где находится начало программы. В центральном процессоре имеется специальный регистр, называемый счетчик команд, в который заносится адрес начала программы. В соответствии с этим адресом устройство управления центрального процессора извлекает из оперативной памяти первую команду программы и передает ее арифметико-логическому устройству для исполнения, при этом счетчик команд автоматически изменяет свое состояние, увеличивая таким образом  адрес до следующей команды программы. После исполнения команды в ее арифметико-логическое устройство автоматически извлекается следующая команда программ. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не будет достигнут адрес конца программы.

Программа, написанная на языке программирования, является текстом, и этот текст никак не может быть исполнен. Для исполнения необходимо преобразовать в исполняемую программу. Такая задача решается с помощью трансляторов языка программирования. Каждый язык программирования, реализованный на данном классе ПК должен иметь транслятор этого же языка. По существу транслятор это исполняемая программа, преобразующая текст программы, написанный на языке программирования в машинные команды и данные.

Виды трансляторов:

• транслятор-компилятор (Pascal): осуществляет преобразование исходного кода программы в исполняемую программу и формирует файл исполняемой программы. Обычно компиляторы получают исполняемую программу в 2 этапа: на первом этапе формируется объектный код или файл с расширением .obj, который является полуфабрикатом для создания исполняемой программы. На втором этапе к объектному коду пристыковываются коды, установленные между различными частями программ. После этого формируется файл исполняемой программы. Файл исполняемой программы может быть использован для запуска программы в не среды программирования под управлением операционной системой.
• транслятор-интерпретатор (Basic): транслирует программу по строкам и сразу же исполняет ее. Такие трансляторы не формируют файл исполняемой программы. Работать с программой можно только в среде программирования.

Откладка программы. При составлении программы в большинстве случаев в программе присутствуют ошибки.  Виды ошибок:

• cинтаксические;
• ошибка в организации программ.

Синтаксическую ошибку можно характеризовать как несоответствие конструкции в программе синтаксиса языка программирования. Эти ошибки являются наиболее простыми ошибками в программировании. Ошибки обычно выдаются во время этапа трансляции. Обычно транслятор находит первую синтаксическую ошибку, прерывает процесс трансляции и выводит сообщение об обнаружении синтаксической ошибки и ее код. При обнаружении ошибки программист исправляет эту ошибку и запускает программу на повторную трансляцию, до тех пор, пока трансляция не будет успешной. Обычно транслятор в этом случае выводит сообщение об успешной трансляции. После успешной трансляции создается код исполняемой программы. Обычно программа, при этом загружается в оперативную память,  и может быть исполнена, однако при запуске программа может не исполняться.  В этом случае возможны две причины неисполнения программы:

• ошибки исполнения: связаны в первую очередь с некорректными математическими операциями (деление на ноль);
• некорректное использование устройств ПК. Этот вид ошибок обычно называется логическими ошибками и это обычно ошибки программистов. К ним можно отнести: зацикливание программы - в этом случае в программе исполняется бесконечный цикл и программа не может из него выйти самостоятельно; зависание - при выполнении очередной операции программа зашла в ячейку памяти, из которой нет выхода.

Ошибки исполнения обычно исключаются на этапе подготовки решения задач. Некорректные математические операции устраняются путем правильного подбора исходных данных для решения задач.  Неправильное использование устройств также исключается правильным использованием их  в программе. Логические ошибки самые сложные в программировании. Для их обнаружения используются специальная процедура "отладка программы". Наиболее простым и действенным способом отладки, так называемая пошаговая отладка программы. При пошаговой отладке, программа исполняется по шагам. Современные среды программирования имеют специальные средства отладки, которые называются отладчиками.

Тестирование программы. Тестирование выполняется для того чтобы быть уверенным, что программа работает правильно. Наиболее простым случаем тестирования является результат работы программы с результатом, полученным другим способом. В сложных задачах, где имеются различные переходы по условию, должны быть оттестированы во всех случаях перехода.

Передача программы в эксплуатацию. После прохождения всех этапов разработки программа может эксплуатироваться. Пользователи должны знать, как программу использовать. Для этого программа должна быть вместе с сопроводительной документацией, обычно в этой инструкции дается назначение программы, перечень и диапазон параметров этой программы.

2. Категории специалистов, занятых разработкой и эксплуатацией программного обеспечения.

Основная категория специалистов, занятых разработкой программ, — это программисты. Программисты неоднородны по уровню квалификации, а также по характеру своей деятельности.

Системный программист (system/software programmer, toolsmith) - занимается разработкой, эксплуатацией и сопровождением системного программного обеспечения, поддерживающего работоспособность компьютера и создающего среду для выполнения программ.

Прикладной программист (application programmer) — осуществляет разработку и отладку программ для решения функциональных задач (т. е. задач по реализации функций управления в рамках информационной системы — управление деятельностью торгового предприятия, управление перевозкой грузов, планирование выпуска продукции).

Программист-аналитик (programmer-analyst) — программист, анализирующий и проектирующий комплекс взаимосвязанных программ.

Постановщик задач — разработчик формальных постановок задач, требующих реализации на ЭВМ.

Администратор базы данных — человек, который обеспечивает организационную поддержку базы данных.

Администратор сети — человек, который обеспечивает организационную поддержку работы локальной сети.

Основным потребителем программ является конечный пользователь (end user), который, как правило, не является специалистом в области программирования.

Для работы с ЭВМ существует группа специально обученных технических работников — операторов ЭВМ. Они не программируют, а используют готовые программы для обеспечения работы на ЭВМ конечных пользователей: набор текстов, печать документов, копирование информации, запись на внешние носители и др.

 Рис. 2.1  Схема взаимодействия специалистов, занятых разработкой и эксплуатацией программного обеспечения.