Einführung (1) Historisches

Transkript

1 Einführung (1) Historisches 1964 Entwicklung des Betriebssystems Multics mit neuen Fähigkeiten wie Timesharing, virtueller Speicher etc., zunächst mit PL/1 auf einer PDP-7 von DEC implementiert PL/1 wurde als nicht geeignet empfunden, man entwickelte in Assembler weiter Entwicklung in Assembler sehr aufwendig (schlecht portier- und wartbar), Rückgriff auf Fortran Entwicklung der Programmiersprache B, angelehnt an BCPL (Basic Combined Programming Language) Entwicklung von C, das im Gegensatz zu B typisiert war Implementierung des Unix-Kernels in C Viele Betriebssysteme, beispielsweise Windows, GNU/Linux in C geschrieben Dennis Ritchie und Brian Kernighan: The C Programming Language Quasi-Standard

2 Einführung (2) Historisches 1988 erstmals durch das ANSI-Komitee standardisiert (ANSI-C bzw. C- 89) 1999 Überarbeitung und Ergänzung des Standards (C-99), bisher jedoch keine vollständige Unterstützung durch Compiler Weitgehendste Unterstützung bisher durch GNU-C-Compiler

3 Einführung (3) Historisches

4 Einführung (4) Vorteile / Eigenschaften von C Einfache Sprache, maximale Flexibilität und einfache Portierbarkeit auf andere Rechner Trennung von Sprachkern und Programmbibliotheken Programmbibliotheken unterstützen Wiederverwendung von Programmcode Wegen Hardware-Nähe, u.a. wichtig für Portierbarkeit von Unix, wird C auch als Hochsprachen-Assembler bezeichnet Funktionen der Standardbibliothek auf allen Compilern verfügbar, insbesondere Ein-/ Ausgabe, Dateioperationen, Zeichenkettenverarbeitung, Mathematik, Speicherreservierung

5 Einführung (5) Was ist ein Rechner? Maschine, die Probleme für Menschen lösen kann, in dem sie Befehle (Instruktionen) ausführt, die ihr gegeben werden. Wer führt die Befehle aus? elektronische Schaltkreise, Realisieren logische Operationen Alle Komponenten eines Rechners, die sich aus solchen Schaltkreisen zusammensetzen, bilden zusammen die Hardware eines Rechners digitaler Rechner (Computer) nutzen ein Alphabet mit 2 Symbolen, in Zahlen - und Sprachdarstellung 0 und 1, in der Logik auch F(alse) und T(rue) genannt. benutzen also das Binärsystem, ein Symbol in Zahlendarstellung ist also eine binäre Ziffer (Binary digit), kurz bit genannt. Ein Bit ist die kleinste Informationseinheit in einem Computer Ein Bit wird in einem Computer durch einen bestimmten Spannungsbereich dargestellt

6 Einführung (6) Aufgabe der Software: Festlegung, in welcher logischen Ordnung die Hardware welche Befehle ausführt zur Lösung der anstehenden Aufgabe Algorithmus: formale Beschreibung der einzelnen Schritte eines solchen Verfahrens Programm: Formulierung des Algorithmus in einer dem Computer verständlichen Sprache. Diese Sprache ist definiert durch den Befehlssatz, d.h. die Menge der Befehle, welche die Hardware ausführen kann. Problem: Die Hardware versteht nur Befehle, die aus Bitfolgen (Folgen von Nullen und Einsen)bestehen. Lösung: wiederholte Anwendung des Abstraktionsprinzips

7 Einführung (7) Ebene Abstraktion Beispiel 4 Metasprache, Hochsprache graphische Programmierung 3 Hochsprache, problemorientiert C, Pascal, Fortran 2 Maschinensprache Assembler 1b komplexe Funktionseinheiten ALU, Steuerwerk, Speicher 1a einfache Funktionseinheiten Register 0 Gatter AND, OR -1 Transistoren CMOS, TTL -2 Atome Elektronen-Loch-Modell -3 Quanten Bänder / Quantenmodell Ebenen, die in dieser Lehrveranstaltung betrachtet werden

8 Einführung (8) Grobstruktur der Organisation eines Rechners: Kontrolleinheit Speicher Input... Datenpfad Output... Prozessor

9 Einführung (9) Kommunikationsstruktur zwischen den Komponenten: Central Processing Unit (CPU) Kontrolleinheit (CU) Arithmetisch- Logische Einheit (ALU) I/O Geräte Register Hauptspeicher Festplatte Drucker Bus

10 Einführung (10) Graphische Darstellungsmittel Struktogramme engl.: structure chart Verwendet, um sequenzielle Abläufe darzustellen Grundelemente: Blöcke, Selektionen, Schleifen, Funktionsaufrufe Darstellung von oben nach unten Vorteil: sehr übersichtliche Darstellung Für wichtigste Elemente existieren direkte Entsprechungen in Programmiersprachen Nachteil: Platz für Blöcke ist bei mehrfach geschachtelten Alternativen sehr klein

11 Einführung (11) Graphische Darstellungsmittel Struktogramme Anweisung: In einem Block werden einzelne Anweisungen oder Schritte angegeben. Folge (Sequenz): Eine Folge von Anweisungen wird durch untereinander gereihte Blöcke dargestellt Alternative: Die Bedingung wird überprüft. Ist sie korrekt, wird der Block 1 (Zweig ja), ansonsten Block 2 (Zweig nein) ausgeführt.

12 Einführung (12) Graphische Darstellungsmittel Struktogramme Fallauswahl (Mehrfachauswahl): Der Ausdruck Auswahl wird ausgewertet. Je nachdem, welcher Fall zutrifft, wird in den entsprechenden Block verzweigt.trifft keiner der angegebenen Fälle zu, so wird ein Alternativblock ausgeführt. Unterprogrammaufruf: Es wird zu einem Unterprogramm verzweigt, das durch weiteres Struktogramm beschrieben ist.

13 Einführung (13) Graphische Darstellungsmittel Struktogramme Wiederholung (Schleife), vorprüfend: Die Bedingung wird vor jedem Schleifendurchlauf überprüft. Der Block wird wiederholt, solange die Bedingung erfüllt ist. Wiederholung (Schleife), nachprüfend: Die Bedingung wird nach jedem Schleifendurchlauf überprüft. Der Block wird wiederholt, solange die Bedingung erfüllt ist.

14 Einführung (14) Graphische Darstellungsmittel Struktogramme Struktogramm für den euklidischen Algorithmus zur Berechnung des größten gemeinsamen Teilers zweier ganzer Zahlen sowie ein Beispiel

15 Einführung (15) Graphische Darstellungsmittel Struktogramme Struktogramm zur Berechnung des Mittelwertes einer Folge von Zahlen

16 Einführung (16) Graphische Darstellungsmittel Datenflussdiagramme Engl.: data flow diagram, auch bubble diagram Gibt Übersicht über Funktionen und Prozesse, Betrachtung des Flusses der Daten und Zustände im System Jedoch keine Betrachtung dessen, wie das erreicht wird Schnittstellen sind abstrahierte Objekte, können zum Projekt gehören oder auch nicht Wichtig ist, aus welchem System die Daten kommen bzw. an welches System sie gesandt werden Datenflussdiagramme beschreiben keine Ablauffolgen, zeitliche oder logische Zusammenhänge Durch welche Mechanismen Funktionen ausgelöst werden, ist nicht bestimmt Funktionen können parallel ablaufen Welche Daten eine Funktion braucht, ist durch eingehende Übergänge nicht angegeben

17 Einführung (17) Graphische Darstellungsmittel Datenflussdiagramme Funktion (Prozess): Gibt eine Funktion oder einen Parameter an, der Daten bearbeitet. Wie dies erfolgt ist nicht relevant. Funktionen werden durch Kreise dargestellt. Übergang: Daten werden von einem Prozess zu einem anderen geleitet. Dies wird durch Übergänge symbolisiert. Sie werden durch Pfeile dargestellt. Schnittstelle: Schnittstellen sind Quellen und Senken von Daten. Es gibt Schnittstellen, in denen Daten erzeugt werden und solche, in die Daten geleitet werden. Schnittstellen werden durch Rechtecke dargestellt. Speicher: Dient zur Pufferung von Daten oder enthält Daten, die eine Funktion zur Bearbeitung benötigt. Speicher werden durch offene Rechtecke dargestellt. Vorlesung Informatik 1, WS 2014

18 Einführung (18) Graphische Darstellungsmittel Datenflussdiagramme Grundkonzept von Datenflussdiagrammen Daten fließen von Quellen in das System zu Funktionen. Innerhalb des Systems fließen Daten von Funktionen in den Speicher oder vom Speicher zu Funktionen Vorlesung Informatik 1, WS 2014

19 Einführung (19) Graphische Darstellungsmittel Datenflussdiagramme Grundkonzept von Datenflussdiagrammen Daten können zwischen Funktionen fließen. Daten fließen in Senken ab. Vorlesung Informatik 1, WS 2014

20 Einführung (20) Graphische Darstellungsmittel Datenflussdiagramme Erlaubte Mechanismen Daten gelangen von einer Schnittstelle zu einer anderen immer über Funktionen Das ist auch der Fall, wenn es sich um ein und dieselbe Schnittstelle handelt Daten fließen nur von Funktionen in den Speicher. Vorlesung Informatik 1, WS 2014

21 Einführung (21) Graphische Darstellungsmittel Datenflussdiagramme Nicht erlaubte Mechanismen Daten dürfen nicht von einer Quelle direkt in eine Senke fließen. Daten dürfen nicht von einer Schnittstelle direkt in den Speicher fließen. Daten dürfen nicht direkt von einem Speicher in einen anderen Speicher fließen. Vorlesung Informatik 1, WS 2014

22 Einführung (22) Graphische Darstellungsmittel Datenflussdiagramme Datenflussdiagramm für einen Fahrscheinautomaten Vorlesung Informatik 1, WS 2014

23 Einführung (23) Graphische Darstellungsmittel Datenflussdiagramme Datenflussdiagramm für einen sechsbeinigen Laufroboter Vorlesung Informatik 1, WS 2014

24 Einführung (24) Graphische Darstellungsmittel Programmablaufpläne Auch Ablaufdiagramme, Flussdiagramme, Blockdiagramme Vorteile: Anweisungen und Algorithmen gut darstellbar und lesbar Schrittweises Verfeinern möglich Können hinsichtlich Terminierung und Korrektheit einfach überprüft werden Schnittstellen sind darstellbar und erkennbar Nachteile: Keine Symbole für elementare Befehle wie Mehrfachauswahl Schleifen auf zwei Symbole aufgeteilt geschachtelte Schleifen schwer erkennbar (kann man durch Vermeidung der Schleifensymbole umgehen) Keine Sicherstellung von strukturierter Programmierung Vorlesung Informatik 1, WS 2014

25 Einführung (25) Graphische Darstellungsmittel Programmablaufpläne Grenzstelle: Bezeichnet den Anfang und das Ende eines Programms. Verarbeitung: Symbol wird für allgemeine Operationen, z.b. Berechnungen, Initialisierungen Ablauflinie: Symbolisiert Übergang zum nächsten Element. Bevorzugte Richtungen: oben unten, links rechts Übergangsstellen: Unterbrechung eines Programmablaufplanes und Fortsetzung an einer anderen Stelle; Verteilung komplexer Pläne auf mehrere Seiten Vorlesung Informatik 1, WS 2014

26 Einführung (26) Graphische Darstellungsmittel Programmablaufpläne Eingabe, Ausgabe: Darstellung von Eingaben und Ausgaben, z.b. Eingabe(anzahl) oder ergebnis Verzweigung: Symbol enthält eine Bedingung. Je nachdem, ob diese erfüllt ist oder nicht, wird auf dem einen oder anderen Zweig fortgesetzt. Unterprogrammaufruf: Verzweigung zu einem Unterprogramm, das durch einen weiteren beschrieben wird Vorlesung Informatik 1, WS 2014

27 Einführung (27) Graphische Darstellungsmittel Programmablaufpläne Wiederholung (Schleife), vorprüfend Eine Schleife wird durch ein Start- und ein Endsymbol begrenzt. Die Bedingung einer vorprüfenden Schleife wird vor jedem Schleifendurchlauf überprüft und im Startsymbol angegeben. Der Block wird wiederholt, so lange die Bedingung erfüllt ist. Wiederholung (Schleife), nachprüfend Die Bedingung einer nachprüfenden Schleife wird nach jedem Schleifendurchlauf überprüft und im Endsymbol angegeben. Der Block wiederholt, solange die Bedingung erfüllt ist. Vorlesung Informatik 1, WS 2014

28 Einführung (28) Graphische Darstellungsmittel Programmablaufpläne Programmablaufplan für den Euklidischen Algorithmus zur Berechnung des größten gemeinsamen Teilers einer ganzen Zahl. Vorlesung Informatik 1, WS 2014

29 Einführung (29) Pseudocode Pascal-ähnliche Notation begin BetragPruefen Eingabe(a); Eingabe(b); if a > b then Ausgabe(a); else Ausgabe(b); end if end BetragPruefen Vorlesung Informatik 1, WS 2014

30 Einführung (30) Erstellen eines Projektes Projekte bestehen meist aus mehreren Dateien, z.b. Quelldateien, Funktionssammlungen in Bibliotheken Zur Definition eines Projektes sind folgende Schritte notwendig: Projektverzeichnis und Projektname Alle notwendigen Quelltext- und Headerdateien Alle benötigten Bibliotheken, d.h. lauffähige Module, die Teilfunktionalität enthalten Compiler- und Link-Optionen Quelltext-Dateien Enthalten eigentlichen Quelltext Jede Datei beschreibt in der sogenannten modularen Programmierung ein in sich abgeschlossenes Modul Von außen sind Module über Schnittstellen bedienbar ausgewählte Funktionen eines Moduls, die zur Steuerung verwendet werden Header-Dateien Beinhalten Bekanntmachungen (Deklarationen), die der Compiler zur Übersetzung benötigt, und Informationen über neu definierte Datentypen Werden zur Übersetzung von Quelltext-Dateien benötigt Vorlesung Informatik 1, WS 2014

31 Einführung (31) Übersetzen von Programmen Quelltextdatei Präprozessor präprozessierte Datei Kontrolle Compiler Optimierung Assembler-Datei Assemblierer Objektdatei Vorlesung Informatik 1, WS 2014

32 Einführung (32) Übersetzen von Programmen Projekt kann aus mehreren Quelldateien bestehen, für jede muss gesamte Sequenz durchlaufen werden An den punktierten Linien kann Übersetzungssequenz abgebrochen werden und eine entsprechende Ausgabedatei erzeugt werden Präprozessor: simpler Textersetzer, durchsucht Quelldatei nach sogenannten Präprozessoranweisungen Quelltext wird also modifiziert, bevor er durch Compiler übersetzt wird Übersetzungsvorgang Untersuchung des Quelltextes nach einfachen Fehlern Übersetzung des C-Quelltextes in Assemblersprache Dadurch Einbindung von verschiedenen Assemblierern möglich Übersetzung kann durch Compileroption hier abgebrochen und Assemblerquelltext ausgegeben werden Vorlesung Informatik 1, WS 2014

33 Einführung (33) Übersetzen von Programmen Optimierung Optional. Kann durch Compilerschalter aktiviert/deaktiviert werden Verschiedene Kriterien: Laufzeit, Codegröße Nimmt Änderungen im Assemblercode vor Optimierung kann prozessorspezifische Möglichkeiten nutzen, z.b. Pipelining: Umsortieren von Befehlen für schnellere Verarbeitung Übersetzungsvorgang für jede Quelldatei notwendig zu jeder Quelldatei wird eine Objektdatei erzeugt Alle Objektdateien müssen zum Erzeugen eines ausführbaren Programms kombiniert werden (Objektdateien und Bibliotheken) Die durch Bibliotheken bereitgestellte Funktionalität kann in verschiedenen Projekten wiederverwendet werden Standardbibliotheken Projektspezifische Bibliotheken Freie oder käuflich verfügbare Bibliotheken Vorlesung Informatik 1, WS 2014

34 Einführung (34) Übersetzen von Programmen Objektdatei Bibliothek Objektdatei Bibliothek Objektdatei Linker Ausführbare Datei Vorlesung Informatik 1, WS 2014

35 Einführung (35) Übersetzen von Programmen Wie gesehen, hat der Compiler erst einmal nichts mit der Quelltextbearbeitung zu tun Quelltextbearbeitung und Übersetzung zwei getrennte Vorgänge Typischer Compiler-Aufruf: cc o programmname hallowelt.c Standard C-Compiler heißt auf vielen Systemen cc Compiler ruft automatisch Präprozessor auf, dann sich selbst, den Optimierer, den Assemblierer und den Linker -o gibt wird Name des ausführbaren Programms angegeben Restliche Parameter (hallowelt.c) sind Quelldateien des Projekts -g Bereitstellung von Informationen für den Debugger -O Verwenden des Optimierers Manche Kombinationen von Optionen sind nicht möglich

36 Einführung (36) Übersetzen von Programmen Vielzahl verfügbarer Optionen zur Beeinflussung des Übersetzungsvorganges Standard C-Compiler heißt auf vielen Systemen cc Compiler ruft automatisch Präprozessor auf, dann sich selbst, den Optimierer, den Assemblierer und den Linker -o gibt wird Name des ausführbaren Programms angegeben Restliche Parameter (hallowelt.c) sind Quelldateien des Projekts -g Bereitstellung von Informationen für den Debugger -O Verwenden des Optimierers Manche Kombinationen von Optionen sind nicht möglich -l ermöglicht das hinzubinden von Bibliotheken Auf Unix-Systemen beginnen Bibliotheken mit lib und enden auf.a oder.so Führendes lib und die Endung.a oder.so sind wegzulassen

37 Einführung (37) Übersetzen von Programmen Mathematik-Bibliothek heißt libm.so oder libm.a, als Compiler-Option ist lediglich lm anzugeben: cc o calc calc.c lm Die zum Compiler zugehörige Standardbibliothek wird automatisch hinzugelinkt Genutzte Funktionen müssen durch entsprechende Header-Dateien dem Compiler bekannt gemacht werden (Platzhalter für die Bibliotheks- Funktionen) Einbindung der Header-Dateien erfolgt mit #include-anweisung Nicht immer heißen die Header-Dateien wie die Bibliotheken

38 Einführung (38) Ein erstes Programm #include <stdio.h> // include standard library int main(int argc, char** argv) // start of the main program { printf("hello World!"); // output of Hello World! on screen return 0; // end program without error }

39 Einführung (39) Ein erstes Programm Aufruf des Compilers mit Kommandozeile unter Windows 7 (oben) Linux (rechts)

40 Einführung (40) Programme schreiben und übersetzen Zum Editieren von Programmen kann im Prinzip jeder reine Textediitor benutzt werden Syntax-Highlighting erleichtert das Erfassen der Programmstruktur und des konkreten Inhaltes (z.b. notepad++, gedit, kate) Integrierte Entwicklungsumgebungen (sog. IDE, engl. Integrated Development Environment) bieten darüber hinaus die Möglichkeit einer bequemen Projektverwaltung (Quelldateien, Compileroptionen) und des direkten Anstoßens von Übersetzungsvorgängen Debuggingfunktionen ergänzen den Leistungsumfang von IDE s Beispiele: Eclipse, Visual Studio, Code Composer

41 Einführung (41) Erste Schritte unter Visual C++ Erstellen eines Konsolenprojektes unter Microsoft Visual Studio 2010

42 Einführung (42) Erste Schritte unter Visual C++ Microsoft Visual C++ unterstützt nicht direkt das Erzeugen einer C-Anwendung Deshalb wird zunächst ein leeres Projekt erzeugt

43 Einführung (43) Erste Schritte unter Visual C++ Erzeugen einer leeren Datei hallowelt.c Einfügen dieser Datei als vorhandenes Element

44 Einführung (44) Erste Schritte unter Visual C++ Durch Doppelklick auf hallowelt.c (rechts) öffnet sich die leere Quelltextdatei Einfügen des Quelltextbeispiels von Folie 37

45 Einführung (46) Erste Schritte unter Visual C++ Erstellen der Anwendung hallowelt Unten im Ausgabefenster werden der erfolgreiche Übersetzungsvorgang und eventuelle Warnungen oder aufgetretene Fehlermeldungen angezeigt

46 Einführung (47) Erste Schritte unter Visual C++ oder Öffnen eines Kommandozeilen-Fensters im Ordner Debug mittels CMD Prompt here, falls im Kontextmenü vorhanden Öffnen eines cmd-fensters und Navigieren mittels cd ins Zielverzeichnis hallowelt.exe ausführen

47 Einführung (48) Erste Programmbeispiele in C #include <stdio.h> // include standard library int main(int argc, char** argv) // start of the main program { printf("hello World! "); // output of Hello World! on screen return 0; // end program without error }

48 Einführung (49) Erste Programmbeispiele in C #include <stdio.h> /* Umwandlung von Kilometer in Meilen in 20er Schritten von 0 bis 100 km */ main() { // Variablendeklaration int km; float meilen; int lower, upper, step; // Variablenfestlegung lower = 0; // untere Grenze upper = 100; // obere Grenze step = 20; // Schrittweite } km = lower; // Ausgabe einer Tabelle while(km <= upper){ meilen = km * ; printf("%d\t%3.1f\n",km,meilen); km = km + step; }

49 Einführung (50) Erste Programmbeispiele in C #include <stdio.h> main() { // Variablendeklaration double meilen; int km; for(km = 0; km <= 100; km = km + 20) { //Umrechnungsvorschrift meilen = km * ; printf("%3d %6.1f\n", km, meilen); } }

50 Einführung (51) Erste Programmbeispiele in C #include <stdio.h> main() { // Variablendeklaration und Initialisierung int zahl = 0; // Endlosschleife while(1) { zahl = zahl + 1; printf("%d\n", zahl); } }

51 Einführung (52) Datentypen: Folgende Datentypen sind in C realisiert int ganzzahlige Variable float Gleitpunktvariable char ein einzelnes Zeichen short kleiner, ganzzahliger Wert long großer, ganzzahliger Wert double Gleitpunktvariable mit doppelter Genauigkeit Folgende Datentypen sind in anderen Programmiersprachen zusätzlich realisiert bool logische Variable string Zeichenkette

52 Einführung (53) Formatierungsanweisung für printf %d als dezimale ganze Zahl ausgeben %6d als dezimale ganze Zahl ausgeben, mit mindestens 6 Zeichen %f als Gleitpunktzahl ausgeben %6f als Gleitpunktzahl ausgeben, mit mindestens 6 Zeichen %.2f als Gleitpunktzahl ausgeben, mit 2 Zeichen nach Dezimalpunkt %6.2f als Gleitpunktzahl ausgeben, mit mindestems 6 Zeichen und davon 2 Zeichen nach Dezimalpunkt

53 Einführung (54) Symbolische Konstanten Konstanten, Schrittweiten oder andere Größen können als symbolische Konstanten gespeichert werden. Dies ist guter Programmierstil und erhöht die Lesbarkeit von Programmen. #define Name Ersatztext Beispiel: #define lower 0

54 Einführung (55) Symbolische Konstanten #include <stdio.h> // Festlegen von symbolischen Konstanten #define startwert 0 #define endwert 100 #define schrittweite 20 main() { // Variablendeklaration double meilen; int km; for(km = startwert; km <= endwert; km = km + schrittweite) { //Umrechnungsvorschrift meilen = km * ; printf("%3d %6.1f\n", km, meilen); } }

55 Einführung (56) If-Else-Statement if (a > b) { z = a; } else { z = b; }

56 Einführung (57) Eindimensionale Felder / Vektoren Anstelle z. B. 10 verschiedene Variablen (a1, a2, a10) zu deklarieren, kann man mit Vektoren (eindimensionalen Feldern) arbeiten. int vektor[10]; In dieses Feld können 10 ganzzahlige Werte hineingeschrieben werden. Die Nummerierung beginnt immer bei 0. Die Elemente sind: vektor[0], vektor[1], vektor[2] vektor[9]

57 Einführung (58) Formatierte Eingabe mit scanf #include <stdio.h> main() /* rudimentary calculator */ { double sum, v; sum = 0; while (scanf("%lf", &v) == 1) printf("\t%.2f\n", sum += v); return 0; }