Могилев А.В., Пак Н.И., Хённер Е.К. Информатика
Подождите немного. Документ загружается.
В качестве примера рассмотрим определение метода поиска максимального из двух целых
чисел.
Объектом-адресатом будет целое число, следовательно сам метод будет принадлежать к
классу «Целое». Параметром будет второе целое число, а возвращаемым результатом -
максимальное из этих чисел.
Текст метода «макс» может быть следующим (комментарии приведены в кавычках):
макс: экзЦелое "имяметода с параметром"
| максимум | "список локальных переменных"
сам>экзЦелое "псевдопеременная "сам" означает объект-адресат"
еслиИстина: [максимум : = сам]
еслиЛожь : [максимум : = экзЦелое].
^Максимум.
Наследование и полиморфизм. Создание новых объектов происходит по принципам
наследования и полиморфизма. Сами объекты подчиняются отношению наследования, т.е. могут
быть представлены в виде иерархической структуры с помощью дерева.
Чтобы создать объект, классу посылается сообщение о создании нового экземпляра. Класс
создает экземпляр с присущей всем объектам этого класса структурой -набором переменных
экземпляра. Он их инициализирует и, если в этом есть необходимость, выдает созданный
экземпляр в качестве ответа на сообщение.
Например:
х:= Массив новыйЭкземпляр: 10.
(создается новый объект с именем х, класса Массив, размера 10).
Возможно создание нового экземпляра в результате выполнения некоторых сообщений.
Например:
' Привет,', 'мартышка'
(создается новый экземпляр класса «Строка», имеющий значение 'Привет, мартышка )
1/2
(объект-адресат и объект-параметр - экземпляры класса «Целое», а результат -экземпляр
класса «Дробь»)
1>2 (результат класса «Ложь»)
Каждый класс имеет одного предка, называемого суперклассом. Класс может иметь одного
или нескольких потомков, называемых подклассами.
Класс «Объект» не имеет суперкласса и является корнем дерева иерархии классов.
Всякий класс наследует переменные экземпляра и методы своего суперкласса. Кроме того,
он может содержать новые переменные экземпляра и методы, может переопределять у
наследованные.
Знание иерархии классов важно для понимания процессов выдачи ответа на сообщение.
При получении сообщения объект ищет в протоколе методов экземпляра своего класса метод с
именем, совпадающим с именем сообщения. Если такого метода нет, он ищется в списке методов
суперкласса и так далее. Когда метод обнаружен, он выполняется и выдается ответ. Если нигде,
вплоть до корня дерева, метод не будет обнаружен, выдается сообщение об ошибке. Дерево
предопределенных классов языка SmallTalk приведено ниже, рис. 3.18.
381
Рис. 3.18. Дерево предопределенных классов языка Smalltalk
382
Рис. 3.19. Основные подклассы класса «Набор»
(* - абстрактные классы, экземпляры которых не создаются)
В системе SmallTalk существует два типа объектов:
1) объекты с поименованными переменными (переменные с именами);
2) объекты с индексируемыми переменными (состоят из N объектов; при описании класса,
которому принадлежит такой объект, указывается только одна именованная переменная,
остальные N-1 индексируются и доступ к ним осуществляется посылкой сообщения "вПозиции:
индекс", а не указанием имен).
Объекты с индексируемыми переменными также могут иметь поименованные переменные
экземпляра.
Набор - это группа связанных между собой объектов. Классы наборов определяют
различные структуры данных для хранения произвольных объектов. Основные подклассы класса
«Набор» представлены на рис.3.19.
Полиморфизм проявляется в том, что одно и то же сообщение может посылаться разным
объектам, и понимают они его каждый по-своему. Это увеличивает наглядность программ,
поскольку не надо беспокоиться о случайном совпадении имен сообщений, как это имеет место с
именами функций в традиционных языках.
Классы также являются объектами. Таким образом, классам тоже можно посылать
сообщения. Поскольку сообщение, посылаемое экземпляру, анализируется этим классом, то
логично предположить, что сообщение, посылаемое классу, анализировалось его классом. Мы
получили единый механизм вызова сообщений, обеспечивающий ясность программ.
Класс класса называется метаклассом. Классам присваиваются имена, а метаклассам - нет.
Для каждого класса существует один метакласс (рис. 3.20).
Между метаклассами тоже существует иерархия, образованная тем же отношением
«суперкласс - подкласс». Иерархия классов и иерархия метаклассов изоморфны друг другу.
383
Рис. 3.20. Классы и метаклассы
В ряде случаев необходимо работать с объектами, обладающими свойствами пересечения
некоторых классов, но не включения, т.е.:
Класс А не является подклассом класса В
Класс В не является подклассом класса А Пересечение А и В не пусто.
В таком случае создается специальный суперкласс обоих классов, описывающий их общую
часть. Этот суперкласс называют абстрактным классом. Он не создает своих экземпляров, а только
служит для наследования общих методов.
Рекурсии. Как и в других языках, ориентированных на обработку символов и нашедших
применение в создании систем искусственного интеллекта, в SmallTalk важную роль играет
рекурсия. Рассмотрим пример определения рекурсивного метода, вычисляющего числа
Фибоначчи:
Фибоначчи
"выдать N чисел Фибоначчи, где N - объект-адресат"
сам<3
еслиИстина: [^
1]
еслиЛожь : [^ (сам - 1) фибоначчи + (сам - 2) фибоначчи ]
Классическим примером задачи, требующей рекурсии, является задача о Ханойских
башнях. Имеется три штырька. На штырьке №1 расположены кольца разного диаметра в порядке
убывания их размера снизу вверх. Требуется переложить кольца со штырька №1 на штырек .№2,
пользуясь штырьком .№3 как промежуточным, таким образом, чтобы кольца на штырьке №2
располагались в порядке убывания их диаметра снизу вверх и чтобы в процессе перекладывания
кольцо большего размера никогда не накладывалось на кольцо меньшего диаметра.
Данная задача решается рекурсивно.
а) Базис.
Если кольцо одно, то надо просто переложить это кольцо с х на у.
б) Рекурсия.
Если число колец равно k, то надо переложить со штырька х на штырек z k-1 колец, затем
переложить самое большое k-e кольцо на у и переложить все остальные k-1 колец со штырька z на
у.
Объект-адресат в нашем случае - целое число (количество колец). (Следовательно, данный
метод будет принадлежать классу целых чисел.)
Объекты-параметры - символы '1', '2', '3' (информация: с какого штырька на какой надо
переложить кольцо, а какой использовать как дополнительный).
Результат - надписи на экране о последовательности выполнения данной задачи.
Следовательно, вызов метода будет осуществляться следующим образом:
<число> ханойС: '1' на: '2' через: '3'
384
Реализация метода ханойС: х на: у через: z может быть следующей:
ханойС: х на: у через: z
"головоломка 'Ханойские башни""
сам=1
еслиИстина: [СистемнаяИнформация поместитьВсеПоследующие:
'Переложить со штырька',х,'на штырек',у;символВК.]
еслиЛожь: [(сам - 1) ханойС: х на: z через: у
СистемнаяИнформация поместитьВсеПоследующие:
'Переложить со штырька',х,'на штырек',у;символВК.]
(сам - 1) ханойС: z на: у через: х]
Контрольные вопросы и задания
1. Какие методологии могут быть использованы при проектировании программных систем?
2. В чем состоит смысл объектно-ориентированной методологии проектирования
программ?
3. Каковы основные шаги разработки программы в объектно-ориентированной
методологии?
4. Как описываются объекты в Турбо-Паскале?
5. В чем отличие методов объектов от обычных процедур? Как методы задаются?
6. Что такое инкапсуляция, наследование и полиморфизм? Приведите примеры.
7. Каково назначение и возможности объектно-ориентированной оболочки Turbo-Vision?
8. Охарактеризуйте основные объекты и методы Turbo-Vision.
9. В чем состоят отличия визуального объектного программирования от более
традиционного?
10. Каковы концепции, положенные в основу языка SmallTalk?
11. Какие типы сообщении возможны в языке SmallTalk?
12. Охарактеризуйте основные встроенные в SmallTalk классы.
13. Какие управляющие конструкции существуют в языке SmallTalk?
14. Как определяются новые методы? объекты?
15. Как организуется рекурсия в программах на SmallTalk?
385
386
Дополнительная литература к главе 3
1. Абрамов С. А. и др. Задачи по программированию. - М.: Наука, 1988.
2. Абрамов В. Г., Трифонов Н.П., Трифонова Г.Н. Введение в язык Паскаль. - М.:
Наука,1988.
3. Алексеев В.Е. и др. Вычислительная техника и программирование. Практикум по
программированию. - М.: Высшая школа, 1991.
4. Братка И. Программирование на языке Пролог для искусственного интеллекта.-М: Мир,
1990.
5. Брукс Ф.П. Как проектируются и создаются программные комплексы. /Очерки по
системному программированию/. - М.: Наука, 1979.
6. Буч Г. Объектно-ориетированное программирование с примерами применения. - Киев:
Диалектика, 1992.
7. Ван Тассел Д. Стиль, разработка, эффективность, отладка и испытание программ.-М.:
Мир,1981.
8. Вирт Н. Алгоритмы и структуры данных. - М.: Мир, 1989.
9. Bupт Н. Алгоритмы + структура данных = программы. - М.: Мир, 1985.
10. Герман О. В. Введение в теорию экспертных систем и обработку знаний. -Минск,
Дизайн-ПРО, 1995.
11. Гудман С, Хидетниеми С. Ведение в разработку и анализ алгоритмов. - М.:
Мир,1981.
12. Дантеманн Д., Мишел Д., Тейлор Д. Программирование в среде Delphy. -Киев: НИПФ-
ДиаСофтЛтд., 1995.
13. Дарахавелидзе П., Марков Е. Delphy - среда визуального программирования. -СПб.:
BVH-Санкт-Петербург, 1996.
14. Дайтибегов Д.М., Черноусое Е.А. Основы алгоритмизации и алгоритмические языки. -
М.: Финансы и статистика, 1992.
15. ДжонсЖ.,Харроу К. Решение задач в системе Турбо-Паскаль. - М.: Финансы и
статистика,1991.
16. Дмитриева М.В., Кубенский А.А. Элементы современного программирования.-С.-Пб.:
Изд-во С.-П. университета, 1991.
387
17. Довгаль С.И., Литейное Б.Ю., Сбитнев A. Персональные ЭВМ: Турбо-Паскаль V 7.0.
Объектное программирование. Локальные сети./Уч. пособие. - Киев:
Информсистема сервис, 1993.
18. Зуев Е.А. Программирование на языке TURBO PASCAL 6.0 - 7.0. - М.: Радио и
связь,1993.
19. Зуев Е.А. Практическое программирование на языке Турбо-Паскаль о.и, 7.0. -М.: Радио
и связь, 1994.
20. Кетков Ю.Л. Диалог на языке бейсик для мини- и микро-ЭВМ. - М.: Наука, 988.
21. Кнут Д. Искусство программирования. Т. 1, 2, 3. - М.: Мир, 1976 - 1978.
22. Липаев В. В. Проектирование программных средств. - М.: Высшая школа, 1990.
23. Ляхович В. Ф. Руководство к решению задач по основам информатики и вы--
делительной техники. - М.: Высшая школа, 1994.
24. Майерс Г. Искусство тестирования программ. - М.: Финансы и статистика, 1982.
25. МалпасДж. Реляционный язык ПРОЛОГ и его применение. - М.: Наука, 1990.
26. Пильщиков В. Н. Сборник упражнений по языку Паскаль. - М.: Наука, 1989.
27. Поляков Д. Б., Круглое И. Ю. Программирование в среде Турбо-Паскаль. - М.:
А/О Росвузнаука, 1992.
28. Роджерс Д. Ф., Адамс Дж.А. Математические основы машинной графики. -М:
Машиностроение, 1980.
29. Рубенкинг И. Турбо-Паскаль для Windows. Т.1,2. - М.: Мир-СК Ферлаг Ин-тернешнл,
1994.
30. Семакин И. Г. Лекции по программированию. - Пермь: Изд-во ПГУ, 1996.
31. Сергиевский М. В., Шалашов А. В. Турбо-Паскаль 7.0. - М.: Машиностроение, 1994.
32. Уэйт М., Прата С., Мартин Д. Язык Си. - М.: Мир, 1988.
33. Федоров А., РогаткинД. Borland Pascal в среде Windows. - Киев: Диалектика, 1993.
34. ФоксДж. Программное обеспечение и его разработка. - М.: Мир, 1985.
35. Хендерсон. Функциональное программирование.
36. Хьюз Дж., Мичтом Дж. Структурный подход к программированию. - М.:
Мир,1980.
37. Шикин Е. В. Начала компьютерной графики. - М.: Диалог-МИФИ, 1994.
38. Язык компьютера. SoftWare. Computer languages./Пер. с англ. Под ред. В.М.Курочкина. -
М.: Мир, 1989.
388
ЧАСТЬ ВТОРАЯ
ГЛАВА 4
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА
«... Ибо это недостойно совершенства
Человеческого - подобно рабам тратить часы
на вычисления».
Готфрид Вильгельм Лейбниц
ВВЕДЕНИЕ
Настоящая глава посвящена принципиальным вопросам устройства и функционирования
ЭВМ.
В познании деятельности компьютера есть несколько уровней. Первый из них,
необходимый каждому специалисту, - уровень архитектуры. Архитектура - это наиболее общие
принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействием
основных функциональных узлов. На этом уровне не требуется знание схемных решений
современной радиотехники и микроэлектроники. Последнее вообще выходит за пределы
информатики, оно требуется лишь разработчикам физических элементов компьютеров.
Уровень архитектуры достаточно глубок, он включат вопросы управления работой ЭВМ
(программирования) на языке машинных команд (ассемблера). Такой способ управления гораздо
сложнее, чем написание программ на языках высокого уровня, и тем не менее без представления о
нем невозможно понять реальную работу компьютера.
Следующий уровень, который также прослеживается в данной главе, - логические
принципы и схемы реализации основных операциональных узлов компьютера (триггеров,
сумматоров и т.д.). Понимание этих принципов весьма желательно и существенно расширит
кругозор специалиста в области информатики (и ее преподавания).
Наконец, в данной главе приведен краткий обзор внешних устройств современных
компьютеров - накопителей, устройств ввода и вывода информации, - а также элементарное
описание принципов их работы, профессиональные характеристики.
§ 1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
1.1. НАЧАЛЬНЫЙ ЭТАП РАЗВИТИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
Все началось с идеи научить машину считать или хотя бы складывать многоразрядные
целые числа. Еще около 1500 г. великий деятель эпохи Просвещения Леонардо да Винчи
разработал эскиз 13-разрядного суммирующего устройства, что явилось первой дошедшей до нас
попыткой решить указанную задачу. Первую же действующую суммирующую машину построил в
1642 г. Блез Паскаль - знаменитый французский физик, математик, инженер. Его 8-разрядная
машина сохранилась до наших дней.
389
Рис. 4.1. Блез Паскаль (1623 - 1662) и его счетная машина
От замечательного курьеза, каким восприняли современники машину Паскаля, до создания
практически полезного и широко используемого агрегата - арифмометра (механического
вычислительного устройства, способного выполнять 4 арифметических действия) - прошло почти
250 лет. Уже в начале XIX века уровень развития ряда наук и областей практической деятельности
(математики, механики, астрономии, инженерных наук, навигации и др.) был столь высок, что они
настоятельнейшим образом требовали выполнения огромного объема вычислений, выходящих за
пределы возможностей человека, не вооруженного соответствующей техникой. Над ее созданием
и совершенствованием работали как выдающиеся ученые с мировой известностью, так и сотни
людей, имена многих из которых до нас не дошли, посвятивших свою жизнь конструированию
механических вычислительных устройств.
Еще в 70-х годах нашего века на полках магазинов стояли механические арифмометры и их
«ближайшие родственники», снабженные электрическим приводом -электромеханические
клавишные вычислительные машины. Как это часто бывает, они довольно долго удивительным
образом соседствовали с техникой совершенно иного уровня - автоматическими цифровыми
вычислительными машинами (АЦВМ), которые в просторечии чаще называют ЭВМ (хотя, строго
говоря, эти понятия не совсем совпадают). История АЦВМ восходит еще к первой половине
прошлого века и связана с именем замечательного английского математика и инженера Чарльза
Бэббиджа. Им в 1822 г. была спроектирована и почти 30 лет строилась и совершенствовалась
машина, названная вначале «разностной», а затем, после многочисленных усовершенствований
проекта, «аналитической». В «аналитическую» машину были заложены принципы, ставшие
фундаментальными для вычислительной техники.
1. Автоматическое выполнение операций.
Для выполнения расчетов большого объема существенно не только то, как-быстро
выполняется отдельная арифметическая операция, но и то, чтобы между операциями не было
«зазоров», требующих непосредственного человеческого вмешательства. Например, большинство
современных калькуляторов не удовлетворяют этому требованию, хотя каждое доступное им
действие выполняют очень быстро. Необходимо, чтобы операции следовали одна за другой
безостановочно.
2. Работа по вводимой «на ходу» программе.
Для автоматического выполнения операций программа должна вводиться в исполнительное
устройство со скоростью, соизмеримой со скоростью выполнения операций. Бэббидж предложил
использовать для предварительной записи программ и ввода их в машину перфокарты, которые к
тому времени применялись для управления ткацкими станками.
3. Необходимость специального устройства - памяти - для хранения данных (Бэббидж
назвал его «складом»).
390