Programmierkurs für Chemiker in Fortran Sommersemester 2013

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1 Programmierkurs für Chemiker in Fortran Sommersemester 2013 Roland Mitric Lehrstuhl für theoretische Chemie Institut für theoretische und physikalische Chemie Emil-Fischer-Str. 42 / Raum roland.mitric@uni-wuerzburg.de

2 Vorgehensweise im Kurs Vorlesungsteil: Beispielorientierte Einführung in Fortran Programmierübungen Literatur: Fortran Lehrbuch: Stephen J. Chapman, Fortran 95/2003 for Scientists and Engineers, McGraw-Hill, Numerische Algorithmen: W. H. Press, S. A. Teukolsky, W. T. Vetterling, B. P. Flannery, Numerical Recipes: The Art of Scientific Computing, Cambridge University Press, 2007.

3 Programmierübungen Präsenzübungen Lösen von 5 Programmieraufgaben 3 Gruppen, Einteilung: Liste! Programmieren in 2er-Teams Möglichst ein eigener Laptop pro Team (!?) Software: Freeware force (Fortran Entwicklungsumgebung) Force209GFortranSetup.exe oder: vi, emacs, notepad++, gfortran für Windows, Linux oder Mac OS X

4 Wo? Raum Hubland Campus Nord Chemie-Gebäude Emil-Fischer-Str. 42

5 Termine und Zeitaufwand Dienstags (Termin 1) Dienstags (Termin 2) Einteilung für die Übungen: Liste! 2 SWS Präsenz (3 Gruppen) 5 ECTS ca. 10 Std. / Woche Räume: Emil-Fischer-Str. 42 Raum (Vorlesung, Übung) Raum (Übung) Raum (Übung) Raum (Übung)

6 Wer? Roland Mitric Kilian Hader Mirjam Falge Christoph Brüning Daniel Weber Fragen?

7 Ziel des Kurses Grundlagen der Programmiersprache Fortran Übungen anhand von chemierelevanten Probleme Fähigkeit, wissenschaftliche Probleme mit Hilfe selbstgeschriebener Software zu lösen!

8 Wozu braucht ein Chemiker Computer? Visualisierung von Molekülstrukturen Auswertung von experimentellen Daten fitten von Spektren Auswerten von Röntgendiffraktogrammen, NMR-Spektren, usw. quantenchemische Rechnungen numerische Simulationen (z. B. Molekulardynamik, Monte Carlo) Prozess-Simulationen in der technischen Chemie Entwicklung von solchen Software-Anwendungen erfordert Programmierkenntnisse!

9 Programmieren Phasen in der Programmentwicklung: Problem verstehen und in Schritte unterteilen Aufgabe in mathematische Form bringen Algorithmus finden und per Hand vortesten Implementierung Fehlersuche ("Debugging") Programmtext, Ein- und Ausgabe aufräumen Dokumentation

10 Programmiersprachen 1950 Assembler "Maschinensprache" 1954 Fortran John W. Backus (IBM) numerische Rechnungen 1970 C Dennis Ritchie Bell/Unix Portierbarkeit, Pointer 1980 C++ Bjarne Stroustrup AT&T Objektorientiert Viele viele weitere höhere Programmiersprachen: Java, Python, Lisp,

11 Warum Fortran? Eine "Hochsprache" (wie C/C++, Java, Python, ) Entwickelt zur "FORmula TRANslation" Naturwissenschaften! Optimiert für schnelle Programmausführung viele wissenschaftliche Programme in Fortran (Weiterentwicklung!) gute mathematische Programmbibliotheken (LAPACK, BLAS, ARPACK, MKL...) ständige Weiterentwicklung des Standards (

12 Entwicklung von Fortran (Hauptversionen, die heute in Gebrauch sind) Fortran 77 Fortran 90 / moderne Unterprogrammtechnik, Module + dynamische Speicherverwaltung + flexibleredatentypen, Zeigerkonzept + numersche Kontrolle + Fortran 2003/08 + Objektorientierung + Interface mit Programmiersprache C + verbesserte Datenstrukturen + verbesserte Eingabe- / Ausgabefähigkeiten + Parallelisierung + Neue Versionen weitgehend abwärtskompatibel!

13 Vom Problem zur (Software-) Lösung Problem Algorithmus! Implementierung "Imperative Sprachen": Zuweisungen (Datenobjekt Ausdruck) Kontrollstrukturen: Sequenz von Anweisungen Schleifen Verzweigungen

14 Wie programmiert man (in Fortran)? Text editor Idee / Algorithmus zur Lösung eines Problems "IDE" Compiler Text file *.f / *.f90 PROGRAM solve_problem End Program Ausführbare Datei (Maschinensprache) Lösung!

15 Programmierwerkzeuge Texteditor: Grundausstattung: vi, kate emacs, nedit, (Linux, X11) Notepad++, UltraEdit (Windows) (Empfehlenswert: "syntax highlighting") frei Compiler: gfortran ( g95 ( pgf95 ifort frei kommerziell Weitere Tools: Unterprogrammverwaltung, Fehlersuche ("debugger"), Versionskontrolle, Komfortabler: "Integrated Development Environments" (IDE), z. B. force, Eclipse, XCode...

16 Vom Programmtext zum Programmlauf Übersetzen ("Compilieren") Programmteile werden unabhängig übersetzt Syntaxfehler werden angezeigt => Abbruch Warnungen werden ausgegeben Erzeugung von Objektdateien evtl. Binden ("Linken") Zusammenfügen zu lauffähigem Programm aus mehreren Objektdateien Nur fehlende Programmteile führen zu Fehlern! Laufen lassen Programm in Speicher laden und starten Laufzeitfehler führen zum Abbruch ``Er macht immer nur das, was ich ihm sage!