Programming Logic & Design Fundamentals of Computer Science

Transcription

1 Programming Logic & Design Fundamentals of Computer Science Hoofstuk 1 n Oorsig oor Rekenaars en Programmering

2 Verstaan van rekenaarstelsels Hierdie skyfieversameling is `n mengsel van beide hoofstukke een vir Programming Logic and Design Fundamentals of Computer Science A Beginner's Guide to Programming Logic, Introductory 2

3 Verstaan van rekenaarstelsels Rekenaar Stelsel n Kombinasie van al die komponente wat benodig word om data te verwerk en te stoor deur gebruik te maak van n rekenaar Hardeware Toerusting wat met n rekenaar ge-assosieer kan word Sagteware Rekenaar instruksies Vertel die hardeware wat om te doen Programme Instruksies wat geskryf is deur programmeerders A Beginner's Guide to Programming Logic, Introductory 3

4 Verstaan van rekenaarstelsels Programmering Skryf van sagteware instruksies Rekenaar hardeware en sagteware kan drie basiese operasies doen: Invoer Data items soos teks, nommers, prentjies, en klank Verwerking Berekeninge en vergelykings wat deur die sentrale verwerkingseenheid (SVE/CPU) gedoen word Afvoer Data resultate wat gestuur word na n drukker, monitor, of storingstoestelle nadat verwerking plaasgevind het A Beginner's Guide to Programming Logic, Introductory 4

5 Die Turing Model Alan Turing ( ) Foundations of Computer Science 5

6 Die Turing Model Invoer-verwerking-uitvoer, word beheer deur program Die idee van `n universele verwerkingstoestel was eerste beskryf deur Alan Turing in 1937 Alle verwerking kan gedoen word deur `n spesiale soort van masjien wat bekend staan as n Turing masjien Die model is gebaseer op die aksies wat mense uitvoer rakende verwerking Foundations of Computer Science 6

7 Dieselfde Program, Verskillende Data Foundations of Computer Science 7

8 Dieselfde Data, Verskillende Programme Foundations of Computer Science 8

9 Die Universele Turing Masjien Eerste beskrywing van n moderne rekenaar n Masjien wat enige verwerking kan doen indien die geskikte program verskaf word Dit kan bewys word dat `n baie kragtige rekenaar en `n Turing masjien kan dieselfde ding bereken gegewe die toepaslike data en program n Universele Turing masjien kan enige iets bereken wat berekenbaar is! Foundations of Computer Science 9

10 Von Neumann Model n Universele Turing masjien stoor data in geheue Eerste soort van programmering het plaasgevind deur gebruik te maak van fisiese drade en skakelaars Gedurende , John von Neumann Programme en data is logies dieselfde Programme en data moet in geheue gestoor word Programme en data word gestoor in dieselfde formaat (binêre patrone van 0e en1e in geheue) Agtereenvolgende uitvoering van instruksies (haaldekodeer-uitvoer siklus) Foundations of Computer Science 10

11 Von Neumann Model Rekenaar geheue Rekenaar se tydelike, interne stoorspasie Vlugtig (Volatile) Vandag het rekenaars ook permanente stoorspasie, wat nie-vlugting (nonvolatile) is Foundations of Computer Science 11

12 Verstaan van Rekenaarstelsels Programmeringstaal Gebruik om rekenaarinstruksies te skryf Voorbeelde Visual Basic, C#, C++, Java, vele meer Sintaks Reëls wat die programmeringstaal se woordgebruik en leestekens spesifiseer Semantiek Die betekenis van die rekenaarinstruksies A Beginner's Guide to Programming Logic, Introductory 12

13 Verstaan van Rekenaarstelsels Vertaler (compiler) of n interpreteerder Vertaal programkode in masjientaal (binêre taal) Herken sintaksfoute Program Voer uit of hardloop Invoer word aanvaar, daarna vind sekere verwerking plaas, en resultate sal uitvoer lewer A Beginner's Guide to Programming Logic, Introductory 13

14 Eenvoudige program logika Programme met sintaksfoute sal nie uitvoer nie Logika (semantiek) van die rekenaarprogram Volgorde van instruksies is in `n spesifieke volgorde Logiese foute (semantiese foute) Foute in die program logika Lewer inkorrekte uitvoer as n resultaat Veranderlike (Variable) n Geheueposisie met n naam waarvan die waarde van die geheueposisie kan verander A Beginner's Guide to Programming Logic, Introductory 14

15 Die programontwikkelingsiklus Programontwikkelingsiklus Verstaan die probleem Beplan die logika Skryf die program kode Gebruik sagteware ( n vertaler of interpreteerder) om die program in masjientaal om te skakel Toets die program Plaas die program in produksie Onderhou die program A Beginner's Guide to Programming Logic, Introductory 15

16 Die programontwikkelingsiklus Figure 1-1 Die programontwikkelingsiklus A Beginner's Guide to Programming Logic, Introductory 16

17 Verstaan die Probleem Een van die moeilikste aspekte van programmering Gebruikers of eindgebruikers Mense vir wie die program geskryf word, en dit dus gaan gebruik Dokumentasie Ondersteunende papierwerk van die program (hoe die program gebou is, hoe dit werk, hoe om dit te gebruik ens) A Beginner's Guide to Programming Logic, Introductory 17

18 Beplanning van die Logika Hart van die programmeringsproses Mees algemene beplanningshulpbronne: Vloeikaarte Pseudokode IPO kaarte (input, processing, and output) TOE kaarte (tasks, objects, and events) Tafel-toetsing Kyk deur die program se logika soos dit op papier beplan is voordat jy dit begin kodeer in die programmeringstaal A Beginner's Guide to Programming Logic, Introductory 18

19 Kodering van die Program Honderde programmeringstale is beskikbaar Kies die een volgens die funksies wat benodig word Alle programmeertale is min of meer dieselfde in hulle basiese funksies Baie makliker as die beplanningsfase A Beginner's Guide to Programming Logic, Introductory 19

20 Gebruik sagteware om die program in masjientaal om te skakel (vertaal) Vertalerprogram Vertaal of interpreteer Vertaal die programmeerder se Engels-soortgelyke hoëvlakprogrammeringstaal in `n lae-vlak masjientaal Sintaksfout Misbruik van `n programmeringstaal se grammatika reëls Programmeerder korrekteer die gelyste sintaksfoute Mag nodig wees om die kode vele kere oor te vertaal A Beginner's Guide to Programming Logic, Introductory 20

21 Gebruik sagteware om die program in masjientaal om te skakel (vertaal) Figure 1-2 Skep van `n uitvoerbare program A Beginner's Guide to Programming Logic, Introductory 21

22 Toets van die Program Toets vir logiese foute Vind plaas wanneer jy `n sintakties-korrekte stelling in jou program het, maar wel die verkeerde stelling vir die huidige konteks Toets Voer die program uit met steekproef data om te sien dat die resltate logies korrek is Ontfouting (Debugging) is die proses om programfoute te soek en te korrekteer Programme moet getoets word met soveel as moontlik verskillende versamelings van toetsdata A Beginner's Guide to Programming Logic, Introductory 22

23 Plaas die Program in Produksie Die proses hang af van die program se doel Mag selfs maande neem Oorskakeling Volledige versameling van aksies wat n organisasie moet neem om oor te skakel na die nuwe program of versameling van programme A Beginner's Guide to Programming Logic, Introductory 23

24 Onderhou die Program Onderhoud Maak veranderinge aan die program nadat dit in produksie geplaas is Algemene eerste programmeringswerk: Onderhou voorheen-geskryfte programme Maak veranderinge aan bestaande programme Herhaal die sagteware-ontwikkelingsiklus A Beginner's Guide to Programming Logic, Introductory 24

25 Gebruik van Pseudokodestellings Pseudokode en Vloeikaartsimbole Enkelsoortige (of ander taal) voorstelling van die logiese stappe wat geneem word om die probleem op te los Vloeikaart (of vloeidiagram) Prentjie-agtige (diagrammatiese) voorstelling van die logiese stappe wat dit neem om die probleem op te los A Beginner's Guide to Programming Logic, Introductory 25

26 Skryf van Pseudokode Pseudokode voorstelling van n nommerverdubbelingsprobleem start input mynumber set myanswer = mynumber * 2 output myanswer Stop OF in Afrikaans: begin lees mygetal in stel myantwoord = mygetal * 2 Druk myantwoord stop A Beginner's Guide to Programming Logic, Introductory 26

27 Skryf van Pseudokode Programmeerders gaan hulle pseudokode vooraf met `n beginstelling soos start of begin en eindig dit me `n be-eindigende stelling soos stop Buigbaar, want dit is `n logiese beplanningskode A Beginner's Guide to Programming Logic, Introductory 27

28 Teken van Vloeikaarte Skep van `n vloeikaart Teken geometriese vorms wat individuele stellings bevat Verbind die vorms met pyltjies Invoer simbool Dui die invoeroperasie aan Parallelogram Verwerking simbool Verwerkingstellings soos bv berekeninge Reghoek input mynumber set myanswer = mynumber * 2 A Beginner's Guide to Programming Logic, Introductory 28

29 Teken van Vloeikaarte Uitvoersimbool Stel uitvoerstellings voor Parallelogram Vloeilyne Pyltjies wat die vorms verbind Terminale simbole Start/stop simbole Ovaal vorms output myanswer start stop A Beginner's Guide to Programming Logic, Introductory 29

30 Teken van Vloeikaarte Figure 1-6 Vloeikaart en Pseudokode van n program wat a nommer verdubbel A Beginner's Guide to Programming Logic, Introductory 30

31 Herhaling van Instruksies Program in Fig 1-6 werk slegs met een nommer Nie sinvol om die program oor en oor uit te voer indien ons 10,000 verskillende nommers moet verdubbel nie Nie sinvol om 10,000 lyne van kode by `n program te voeg indien ons 10,000 verskillende nommers moet verdubbel nie A Beginner's Guide to Programming Logic, Introductory 31

32 Herhaling van Instruksies Lus (Loop) Herhaling van een of n groepering van stellings Oneindigende lus Die herhalingsvloei van die logika veroorsaak dat die lus nooit eindig nie A Beginner's Guide to Programming Logic, Introductory 32

33 Herhaling van Instruksies Figure 1-8 Vloeikaart van `n oneindige nommerverdubbelingsprogram A Beginner's Guide to Programming Logic, Introductory 33

34 Gebruik van `n Sentinel (Sein) Waarde om n Program te laat Stop Maak van `n besluit Toets `n waarde Besluitnemingsimbool Diamant vorm mynumber = 0? Dummy (of sentinel/sein) waarde Dit is gewoonlik `n invoerwaarde wat die gebruiker nooit sal wil gebruik as regte invoer nie eof ( end of file ) Merker aan die einde van `n lêer wat outomaties gebruik kan word as `n sentinel waarde A Beginner's Guide to Programming Logic, Introductory 34

35 Gebruik van `n Sentinel (Sein) Waarde om n Program te laat Stop Figure 1-9 Vloeikaart van `n verdubbelingsprogram met sentinel waarde 0 A Beginner's Guide to Programming Logic, Introductory 35

36 Gebruik van `n Sentinel (Sein) Waarde om n Program te laat Stop Figure 1-10 Vloeikaart met eof A Beginner's Guide to Programming Logic, Introductory 36

37 Die Evaluasie van Programmingsmodelle Top modelle of paradigmas wat deur programmeerders gebruik word Prosedurele programmering Fokus op die prosedures wat programmeerders gebruik Objekgeoriënteerde programmering Fokus op objekte, of dinge, en beskryf hulle funksies (of attribute) en hulle gedrag Hierdie kursus Fokus op prosedurele programmeringstegnieke A Beginner's Guide to Programming Logic, Introductory 37

38 Geskiedenis van Verwerking en Rekenaars Meganiese masjiene (voor 1930) Verskeie berekeningsmasjiene was ontwikkel wat min ooreenkomste het met moderne rekenaars 17 de eeu, Blaise Pascal, n Franse wiskundige en filosoof, het Pascaline uitgevind Laat 17 de eeu, Gottfried Leibniz, n Duitse wiskundige, het die Leibniz Wiel uitgevind Die eerste masjien wat die idee van storing en programmering gebruik het was die Jacquard loom, uitgevind deur Joseph-Marie Jacquard aan die begin van die 19 de eeu Foundations of Computer Science 38

39 Geskiedenis van Verwerking en Rekenaars A Pascaline (1652) Foundations of Computer Science 39

40 Geskiedenis van Verwerking en Rekenaars Replica of a Liebniz Wheel Foundations of Computer Science 40

41 Geskiedenis van Verwerking en Rekenaars Jacquard Loom (Deutsches Technikmuseum, Berlyn) Foundations of Computer Science 41

42 Geskiedenis van Verwerking en Rekenaars Meganiese masjiene (voor 1930) In 1823 het Charles Babbage die Difference Engine uitgevind. Later het hy die Analytical Engine uitgevind wat parallel is aan die idee van moderne rekenaars. In 1890 het Herman Hollerith, wat vir die US Census Bureau gewerk het, a programmeerbare masjien ontwerp en gebou wat outomaties data kon lees, optel, en sorteer wat op ge-ordende ponskaarte gestoor was Foundations of Computer Science 42

43 Geskiedenis van Verwerking en Rekenaars Difference Engine (London Science Museum) Foundations of Computer Science 43

44 Geskiedenis van Verwerking en Rekenaars Die geboorte van elektroniese rekenaars ( ) Vroeë elektroniese rekenaars Het nie die program in die geheue gestoor nie (alles was ekstern geprogrammeer) Vyf rekenaars was prominent gedurende hierdie jare: ABC Z1 Mark I Colossus ENIAC Foundations of Computer Science 44

45 Geskiedenis van Verwerking en Rekenaars ABC (Atanasoff-Berry Computer) Foundations of Computer Science 45

46 Geskiedenis van Verwerking en Rekenaars Replica van die Z1 Foundations of Computer Science 46

47 Geskiedenis van Verwerking en Rekenaars Colossus Mark 2 Foundations of Computer Science 47

48 Geskiedenis van Verwerking en Rekenaars ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) Foundations of Computer Science 48

49 Geskiedenis van Verwerking en Rekenaars Die geboorte van elektroniese rekenaars ( ) Die eerste rekenaar wat gebaseer was op die von Neumann idee was vervaardig in1950 deur die Universiteit van Pennsylvania, en was genoem EDVAC Op dieselfde tyd was n soortgelyke rekenaar gebou deur Maurice Wilkes by Cambridge Universiteit met die naam EDSAC Foundations of Computer Science 49

50 Geskiedenis van Verwerking en Rekenaars EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer) Foundations of Computer Science 50

51 Geskiedenis van Verwerking en Rekenaars Rekenaargenerasies Eerste generasie (rofweg ) Die opkoms van kommersiële rekenaars Tweede generasie (rofweg ) Gebruik transistors instede van vakuum buise Twee hoëvlakprogrammeringstale was gebruik, FORTRAN and COBOL en het programmering vergemaklik Derde generasie (rofweg ) Geïntegreerde stroombane het die koste en grootte van rekenaars verminder Minirekenaars het op die mark verskyn Software pakette was toe beskikbaar Foundations of Computer Science 51

52 Geskiedenis van Verwerking en Rekenaars Rekenaargenerasies Vierde generasie (rofweg ) Verskyning van mikrorekenaars Eerste sak -rekenaar, die Altair 8800, in 1975 Die opkoms van rekenaarnetwerke Vyfde generasie (1985 huidiglik) Verskyning van laptop en palmtop rekenaars Verbeterings in sekondêre stoormedia (CD-ROM, DVD, flash geheue, ens.) Gebruik van multimedia Verskynsel van virtual reality Foundations of Computer Science 52

53 Sosiale en Etiese Kwessies Sosiale kwessies Afhanklikheid Sommige dink dat rekenaars `n soort van afhanklikheid geskep het wat mense se lewens moeiliker maak Sosiale regte Sommige reken dat om rekenaars tuis te gebruik is `n luukse voordeel wat nie alle mense kan bekostig nie Die koste van `n rekenaar, randapparatuur, en `n maandelikse fooi vir Internet toegang is `n addisionele las op lae-inkomste groepe Foundations of Computer Science 53

54 Sosiale en Etiese Kwessies Sosiale kwessies Die digitale kloof (digital divide) Die konsep van die digitale kloof dek beide die kwessies van afhanklikheid en sosiale regte Die konsep verdeel die samelewing in twee groepe: Die wat elektronies verbind is aan die samelewing Die wat nie is nie Foundations of Computer Science 54

55 Sosiale en Etiese Kwessies Etiese kwessies Privaatheid Rekenaars maak dit moontlik om te kommunikeer tussen twee of meer partye Baie moet nog gedoen word om hierdie tipe van kommunikasie privaat te maak Die samelewing betaal `n groot prys vir private kommunikasie Netwerksekuriteit bewerkstellig hierdie tipe privaatheid, maar weereens teen `n groot koste en selfs baie moeite Foundations of Computer Science 55

56 Sosiale en Etiese Kwessies Etiese kwessies Kopiereg Wie besit die data? Die Internet het geleenthede geskep om idees te deel, maar het ook die kwessie van elektroniese kopiereg daargestel Rekenaarmisdaad Baie nuwe tipes misdaad Kuberkrakers (Hackers) het by rekenaars ingebreek en so baie geld gesteel Virusontwerpers het rekenaarvirusse ontwerp wat deur die Internet kan versprei en die inligting wat op rekenaars gestoor is, te beskadig Foundations of Computer Science 56

57 Kan ons hierdie probleme oplos? As jy `n persoon wil wees wat rekenaarmisdaad wil bekamp en baanbrekerwerk wil doen in rekenaarsekuriteit, kom doen gerus `n honneurs/meesters/doktorsgraad onder my studieleiding nadat jy jou voorgraadse kursus voltooi het. Daar is ongelooflike geleenthede daar buite en rekenaarsekuriteit- en rekenaarmisdaadondersoekers is hoog in aanvraag in industrie sowel as die akademici Foundations of Computer Science 57