156C. Algoritmer og maskinspråk. IT1101 Informatikk basisfag. Maskinspråk: det maskinen forstår. Assembler / assemblerspråk

Transkript

1 IT1101 Informatikk basisfag I dag Programmeringsspråk Problemer med maskinspråk I dag: Fra lavnivå til høynivå programmeringsspråk - utvikling Kompilator / tolker Programmeringsparadigmer Tradisjonelle programmeringsstrukturer som brukes i imperative (og objektorienterte) språk Variable, tabeller, kontrollsetninger Algoritmer og maskinspråk Algoritmer kan representeres i programmer (som datamaskinen kan utføre) Datamaskinen forstår maskinspråk (binære instruksjoner med forskjellig betydning) Dvs. at vi kan formulere algoritmer i maskinspråk programmering! Maskinspråk: det maskinen forstår Ved å få de riktige input i kretsene (portene) lages de riktige output Algoritmene må uttrykkes direkte i maskinspråk (0 er og 1 er). Maskinspråk: heksadesimalt / binært 156C D E C Problem: vanskelig å lese (forstå og få oversikt) Ønskelig dersom vi skal rette opp feil, eller Utvide/forbedre algoritmene Slik jobbet man i gamle dager 50/60- tallet Forbedre lesbarheten Hent fra minnecelle til register 156C Til register Fra minnecelle Dette kan vi jo skrive på en mer lesbar måte slik: LOAD til R5 fra 6C Eventuelt dersom vi vet at i 6C så ligger antall seriemesterskap på rad for RBK: LOAD til R5, RBKPåRad Første forbedring: gir opkoder, minneceller og register beskrivende navn Ser igjen på maskinspråkprogrammet. 156C 166D E C000 Hvis dette programmet beregner totalkostnad på på en telefonsamtale ut fra sekundpris og sekunder kan vi skrive det på denne lesbare formen: Kalles assembler -språk LD R5, timerbruktiit1101 LD R6, timerbruktiandrefag ADDF R0, R5, R6 ST R0, Totalbelastning HLT Beskrivende navn Assembler / assemblerspråk Men måtte oversettes til maskinspråk før kjøring En slik konverterer kalles assembler Assemble: samle / sette sammen Assemblerspråk: Lettere å forstå hva et program gjør Lettere å rette opp feil i program Lettere å utvide et program Første generasjons språk: Maskinspråk Andre generasjons språk: Assemblerspråk

2 Fortsatt mye å hente Analogi Det er jo akkurat de samme instruksjonene I språket (egentlig ikke noe nytt språk) Ulemper med assembler: Programmene knyttet til en bestemt maskinarkitektur (de instruksjonene som finnes, antallet register, størrelse hovedminminne) AppC/SimpSim-arkitektur: 16-bits instruksjoner, 13 instruksjoner, 16 registre og 256 byte hovedminne Programmeren må fortsatt tenke i maskinens verden, dvs små inkrementelle steg for å løse en oppgave. Blir som at en arkitekt måtte tegne et hus ut fra planker, spiker, glass, isolasjon etc. Arkitekten ønsker å bruke primitivene vegger, gulv, vindu De primitivene ( språkets byggeklosser )som maskinen bruker er ikke de beste å bruke når vi skal tenke kreativt og løse et problem Tredje generasjons programmeringsspråk Ønsket å jobbe på et høyere nivå enn maskinspråk/assembler Høynivå språk ble utviklet (med primitiv som if else, while, variabler, funksjoner etc.) De viktigeste 3.generasjons programmeringsspråkene: FORTRAN (FORmula TRANslator) COBOL (Common Business-Oriented Language) Oversetter MEN: Maskinen forstår bare maskinspråk! Når høynivåprimitivene var identifisert måtte man få oversatt fra høynivå programmeringsspråket til maskinspråk for den spesifikke maskinarkitekturen Kompilere: sette sammen Et program! Måtte sette sammen mange maskininstruksjoner for å få utført en høynivå instruksjon Alternativ: tolker (interpreter) Oversette til maskinspråk mens man kjører programmet on the fly Java er en mellomting, hvorfor? while () do () i maskinspråk? Programmeringsspråk: Generasjoner Skisse: JUMP (sjekker om betingelse sann)? JUMP (tilbake for å sjekke betingelse) Lettere å forholde seg til while () do () enn en masse jump Betingelsen (betinget jump) Det som skal gjentas Hopper alltid tilbake (ubetinget jump) Hatt en utvikling fra: Programmeren må jobbe i maskinens verden Til: Maskinen tilpasser seg (kompilatoren oversetter) menneskenes måte å tenke på

3 Programmeringsspråk Paradigme: mønster, måte å tenke på I maskinspråk, assembler og tidlige høynivåspråk som Fortran og Cobol befaler vi maskinen til å gjøre noe. Imperative programmeringsspråk Vi lager en oppskrift som den skal følge. Men det finnes også andre tilnærminger til det å formulere løsninger på problemer enn den befalende /imperative. Objekt-orienterte programmeringsspråk Funksjonelle programmeringsspråk Deklarative programmeringsspråk Imperative programmeringsspråk Prog språk paradigmer Utviklingen av paradigmene Imperativ og ObjektOrientert (OO) programmering: vanlig programmering Det er det som stort sett brukes til å lage programsystemer Men unntak: Bussorakelet på Team Trafikk sine sider implementeret i Prolog, et deklarativt programmeringsspråk. Dekl og funk språk har en del anvendelser innen for kunstig intelligens/ekspersystemer Imperativ og OO programmer er mer like enn ulike. Men litt forskjellige tilnærminger. Problemløsning, tilnærminger Problemløsnining i OO paradigme: Beskriv objektene i problemets miljø. Analyser objektenes egenskaper (tilstand og hva som kan gjøres med de). Objekter I nettbanksystem: kunde, konto Problemløsning i imperativt paradigme: Finn algoritmene som skal til for å løse problemet. Gi maskinen kommandoer Men distinksjonen er uklar Inni objektene vil strukturen være imperativ. Dvs hver metode til objektet programmeres imperativt. Det er fint mulig å programmere imperativt i for eksempel Java eller et annet OO språk. (bruke statiske metoder) Funksjonell programmering Tilnærming: Programmeren må beskrive problemets løsning som løsninger av flere små problem. Alt er funksjoner! Eks: Finne gjennomsnittet til tallene i en liste. Kjent funksjonellt språk: LISP

4 De fire paradigmenes fokus Dette er ikke et programmeringsfag! Imperativ: aksjoner for å utføre oppgaver, algoritmer OO: objekter (egenskaper: tilstand og metoder) Funksjonell: funksjoner Deklarativ: relasjoner Dette er veldig kjenne til - stoff Å ha oversikt over forskjellene mellom de fire paradigmene kan man først ha etter å ha praktisert dem/fått undervisning i dem For å få innblikk i hva et høynivå - programmeringsspråk er så skal vi likevel se nærmere på en del strukturer/byggeklosser i slike språk Nå i dag: se nærmere på strukturer og konsepter som brukes i imperative språk (og OO dersom vi ser bort fra klasser og objekter) Statement / setninger i et imperativt språk Deklarative setninger (beskriver data som skal brukes i programmet) Imperative setninger(selve algoritmen) Kommentarsetninger (forklarer algoritmen) Variabler og datatyper En variabel: kan referere til et beskrivende navn istedenfor en minneadresse. Vi må ofte deklarere datatypen til variabelen (hvilken type data skal variabelen ta vare på for oss?) Integer (heltall) Float / real (flyttall) Char (bokstav/symbol) Boolean (flagg, kan ta verdiene: sann/usann) Datatype: hva slags data og hva slags operasjoner kan vi gjøre på data? Java eks! Java eks Variabler og datatyper public class MineTing { } public static void main(string[] args) { } float sekundpris; float sekunder; sekundpris = 0.01f; sekunder = 5f; //regner ut totalkostnad float totalkostnad = sekundpris * sekunder; System.out.println(totalKostnad); Hvorfor svar ? Variabler og datatyper gjør at vi kan (mer eller mindre) se bort fra detaljer som Hvilken adresse minnecellen data ligger på har Hvilken notasjon som brukes (toersk kompl eller eksess det finnes flere )

5 Deklarering av variable i forskjellige språk Datastrukturer: homogen array (data som hører sammen ) Konseptuell arrangering av data Array (tabell) 1-dimensjonal 2-dimensjonal N-dimensjonal Hver celle har sin index Starter vanligvis på 0, men feks i FORTRAN på 1 Deklarere en homogen tabell: C: int Scores[2][9]; FORTRAN: INTEGER Scores(2,9) Heterogen array Elementene i tabellen kan ha forskjellige datatyper Referere vanligvis til elementene i den heterogene tabellen slik: navnpåtabell.element Employee.Age = objekt i OO Konstanter Variable med en fast, på forhånd bestemt verdi. For eksempel i et program for et kassasystem er det mer hensiktsmessig å ha skatteprosent som konstant enn å skrive inn 23 hver gang skatteprosent brukes i en beregning. Skatteprosent endres? Deklarere (og initialisere) en konstant i Java: final int Skatteprosent = 23; Assignment / Tildeling STORE i maskinspråk Operator presedens/prioritet Tildele ( sette ) en verdi til en variabel. I Java/C/C++/C#: Z = X + Y; I AdaogPascal: Z := X + Y; En annen versjon (i APL): Z <- X + Y Uttrykket til høyre evalueres til en verdi som variabelen til venstre settes til. Hva evaluerer 2 * / 2 til? Fra høyre? Fra venstre? Operatorene (altså +,-, /, *) har forskjellig presedens Vanligvis har * og / presedens over + og Slik at uttrykket overfor evalueres til 8 +3 Fra høyre: 14 6/2 =3 3+4=7 7*2=14 Fra venstre: 7 2*4=8 8+6=14 14/2=7

6 Kontrollsetninger (Control statements) If else og while Kontrollsetninger kan forandrer sekvensen setninger utføres. Tidlige høynivå språk: goto Tilsvarer JUMP i maskinspråk direkte Gå til statement på linje x. Kan være vanskelig å få oversikt ved mange slike goto instruksjoner, derfor bruker man idag mer avanserte kontroll statements If else, while, switch, for For Ekvivalent med While. Forskjellen er at initialisering og inkrementering av teller skjer i en setning (i header) Kommentarer Utfyllende informasjon om programmet Lettere å lese andre sine programmer dersom programmet er kommentert og kommentarene er gode Eks på en dårlig kommentar: A = B + C; /* Legger sammen B og C og lagrer resultatet i A */ Eks på en bedre kommentar: /* Kalkulerer A fordi fordi vi trenger den når vi senere skal beregne X. */ Prosedyrer For å få et mer oversiktlig og modulært program er det hensiktsmessig å legge beregninger i prosedyrer Slik kan prosedyrene brukes som abstrakte verktøy andre steder i programmet. Feks prosedyre for å søke i en liste: Kontrollflyt når en prosedyre kalles Vi sier at vi kaller en prosedyre Procedure Search(List, TargetValue) Hver gang vi trenger å søke i en liste kan vi bruke prosedyren istedenfor å gjenta alle instruksjonene der vi trenger å søke.

7 Hver prosedyre er i seg selv et miniatyrprogram Med deklarasjoner og imperative setninger. Lokale og globale variable Lokale: tilgjengelig kun i prosedyren Globale: tilgjengelig overalt i programmet Når vi skal kalle en prosedyre angir vi navnet på prosedyren i den kallende delen av programmet Search(minliste, targetval); Parametre Vi ønsker å lage prosedyrer generiske slik at de kan gjenbrukes. Sender generiske data inn i prosedyren Søke i hvilken som helst liste Prosedyrer og funksjoner Sammenligning Dersom en prosedyre produserer en verdi (som sendes tilbake til den kallende delen av programmet) kaller vi den en funksjon Prosedyrer utfører noe, men returnerer ikke noe Kalkulator Java 3 + 4= int a,b,c; a = 3; b = 4; c=a+b; Assembler Maskinkode LD R0, LD R1, ADDI R3,R1,R STO R3, svar 3380 Oppsummering Programmeringsspråk Problemer med maskinspråk Fra lavnivå til høynivå programmeringsspråk - utvikling Kompilator / tolker Programmeringsparadigmer Neste forelesning: mandag 20.oktober! Husk øving 5 frist imorra! Tradisjonelle programmeringsstrukturer som brukes i imperative (og objektorienterte) språk Variable, tabeller, kontrollsetninger