Όλοι οι υπολογιστές από πρώτης ως και τέταρτης γενιάς, εκτός από τους υπερυπολογιστές,

Transcript

1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Εισαγωγή Επιτέλους ανακάλυψα ότι όλα τα πράγματα είχαν ονόματα. Μετά άρχισα να διερωτώμαι γιατί είχαν τα ονόματα που είχαν. Όταν τελικά εγκατέλειψα την προσπάθεια αυτή, τότε άρχισα να αναγνωρίζω τον κόσμο και να προσπαθώ να επικοινωνήσω με τους άλλους με τις λέξεις που άκουγα κι είχα μάθει α- πλώς να ξεχωρίζω. jc Όταν χρησιμοποιώ μια λέξη, είπε ο Humpty Dumpty σε μάλλον χλευαστικό τόνο, σημαίνει ό,τι εγώ την επιλέγω να σημαίνει τίποτα περισσότερο ή λιγότερο. Lewis Carroll, Μέσα από τον Καθρέφτη Θα τα κάναμε μούσκεμα αν τα κάναμε μαζί. Βλέπεις, είμαστε διαφορετικοί τύποι Οργάνωση υπολογιστών Όλοι οι υπολογιστές από πρώτης ως και τέταρτης γενιάς, εκτός από τους υπερυπολογιστές, αποτελούνται από τέσσερα μέρη: την κύρια ή εσωτερική ή κεντρική μνήμη (main ή internal ή central memory) την Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας, ΚΜΕ (Central Processing Unit, CPU), ή τον Κεντρικό Επεξεργαστή (Central Processor) τη βοηθητική ή εξωτερική ή δευτερεύουσα μνήμη ή αποθήκη (backing (ή auxiliary) ή external ή secondary memory ή store (ή storage)) και τις συσκευές ή μονάδες εισόδου/εξόδου (Input/Output devices ή Ι/Ο devices ή Ι/Ο units). Η κύρια μνήμη χρησιμοποιείται για να αποθηκεύει τα προγράμματα (τις ακολουθίες των εντολών) που εκτελεί ο υπολογιστής, καθώς και τα δεδομένα και τα αποτελέσματα που απαιτούνται για και παράγονται από την εκτέλεση των προγραμμάτων αυτών. Για το λόγο αυτό, η κύρια μνήμη είναι γνωστή και ως κύρια αποθήκη (main store ή main storage). Επειδή η κύρια μνήμη έχει πεπερασμένη χωρητικότητα (capacity) και είναι σχετικά ακριβή, χρησιμοποιείται για να αποθηκεύει τις τρέχουσες πληροφορίες, δηλαδή τα δεδομένα και τις εντολές που απαιτούνται σε ένα ορισμένο χρονικό διάστημα. Οι πληροφορίες που δε χρειάζονται άμεσα αποθηκεύονται στη βοηθητική μνήμη ή αποθήκη, της οποίας η χωρητικότητα είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτήν της κύριας μνήμης, παρόλο που η προσπέλα- 3

2 4 Προγραμματισμός με Java ση των πληροφοριών στην πρώτη είναι πολύ πιο χρονοβόρα. Για να εκτελεστεί ένα πρόγραμμα πρέπει οπωσδήποτε να βρίσκονται (να είναι φορτωμένες) οι εντολές του στην κύρια μνήμη του υπολογιστή. Η κύρια μνήμη αποτελείται από έναν αριθμό θέσεων ή κελιών, καθένα από τα οποία περιέχει το ίδιο πλήθος δυαδικών ψηφίων (binary digits), γνωστών ως δυφίων (bits). Σε κάθε θέση αντιστοιχεί μια (δυαδική) διεύθυνση (address), δηλαδή ένας αριθμός μέσω του οποίου μπορεί να γίνει προσπέλαση (access) ή αναφορά (reference) από τα προγράμματα σε αυτήν. Κάθε θέση της μνήμης είναι ικανή να αποθηκεύσει μια δυφιοσυλλαβή (byte), δηλαδή μια ομάδα οκτώ δυφίων όπως δείχνει το Σχήμα 1.1. Πρέπει να γίνεται βασική διάκριση μεταξύ της διεύθυνσης μίας θέσης της μνήμης και των πληροφοριών που περιέχονται σε αυτήν. Σχήμα 1.1 Κύρια μνήμη. Η Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (ΚΜΕ) ή ο Κεντρικός Επεξεργαστής ανακαλεί αυτόματα (δυαδικές) εντολές από τη μνήμη και τις εκτελεί ακολουθιακά. Η ΚΜΕ περιέχει έναν αριθμό καταχωρητών στους οποίους ανακαλούνται τα δεδομένα. Στη συνέχεια, μπορεί να εκτελούνται απλές πράξεις (όπως πρόσθεση, αφαίρεση, πολλαπλασιασμός κ.ά.) σε αυτά. Τα αποτελέσματα των πράξεων αυτών παραμένουν στους καταχωρητές. Οι καταχωρητές (registers) αυτοί είναι παρόμοιοι

3 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή 5 με τον κύριο καταχωρητή ή συσσωρευτή (accumulator) που διαθέτουν οι υπολογιστές τσέπης. Ένας υπολογιστής είναι ένας επεξεργαστής με (κύρια) μνήμη. Οι πληροφορίες μεταδίδονται από τον εξωτερικό κόσμο στον υπολογιστή μέσω των συσκευών εισόδου, ενώ από τον υπολογιστή στον εξωτερικό κόσμο μεταδίδονται μέσω των συσκευών εξόδου. Υπάρχουν πολλές συσκευές εισόδου/εξόδου. Οι κοινότερες συσκευές εισόδου είναι το πληκτρολόγιο (keyboard) και το ποντίκι (mouse), ενώ η κοινότερη συσκευή εξόδου η οθόνη (Visual Display Unit, VDU). Μια πολύ κοινή μονάδα εξόδου είναι ο εκτυπωτής (printer), που χρησιμοποιείται για να δώσει σκληρά αντίγραφα (hard copies) των προγραμμάτων ή/και των αποτελεσμάτων στους χρήστες. Οι πιο κοινές συσκευές βοηθητικής μνήμης είναι οι συσκευές δίσκων. Οι μονάδες εισόδου/εξόδου και η βοηθητική μνήμη είναι γνωστές ως περιφερειακές συσκευές ή μονάδες (peripheral devices ή units). Τα κυκλώματα και τα μηχανικά τμήματα ενός υπολογιστή αποτελούν το υλισμικό (hardware) του, το οποίο οργανώνεται όπως δείχνει το Σχήμα 1.2. Οι διακεκομμένες γραμμές δείχνουν τη φορά των σημάτων ελέγχου (control signals), ενώ οι ολόκληρες τη ροή των δεδομένων (data flow). Τέλος πρέπει να αναφέρουμε ότι ο όρος σύστημα υπολογιστή (computer system) περιλαμβάνει, εκτός από τον ίδιο τον υπολογιστή, τις περιφερειακές του συσκευές και όλα τα προγράμματα που ελέγχουν τη λειτουργία του και βοηθούν τους χρήστες να επικοινωνούν με αυτό και να εκτελούν τις εργασίες τους. Τα προγράμματα αυτά αποτελούν το λογισμικό (software) του συστήματος Αλγόριθμοι Η δουλειά των υπολογιστών είναι να λύνουν προβλήματα ακολουθώντας τις δικές μας εντολές. Οι εντολές αυτές δεν πρέπει σε καμία περίπτωση να είναι διφορούμενες, δηλαδή δεν πρέπει να είναι δυνατό να ερμηνευτούν με περισσότερους από έναν τρόπους. Για παράδειγμα, μια εντολή της μορφής υπολόγισε το μέσο όρο των βαθμών των φοιτητών, παρόλο που προσδιορίζει τι πρέπει να γίνει, είναι πολύ ασαφής. Πάρα πολλές λεπτομέρειες έχουν παραλειφθεί, για παράδειγμα, ποιων φοιτητών, σε ποιο μάθημα ή ποια μαθήματα, πού βρίσκονται οι 1 Για περισσότερες πληροφορίες βλ. Κάβουρα Ι. Κ. Οργάνωση Συστημάτων Υπολογιστών (Συστήματα Υπολογιστών, Τόμος Ι), εκδ. Κλειδάριθμος, Έκδοση 7 η, Αθήνα 2007.

4 6 Προγραμματισμός με Java βαθμοί, πόσοι είναι οι βαθμοί, θα ληφθούν υπόψη όσοι φοιτητές έδωσαν λευ- κή κόλλα κ.ο.κ. Σχήμα 1.2 Οργάνωση υπολογιστών. Τα περισσότερα ενδιαφέροντα προβλήματα φαίνονται δύσκολα ή πολύπλοκα από τη σκοπιά του προγραμματισμού. Η πολυπλοκότητα (complexity) μερικών προβλημάτων, όπως, για παράδειγμα, μερικών σύνθετων μαθηματικών προβλημά- των, οφείλεται στην ίδια τη φύση τους. Σε πολλές περιπτώσεις όμως, η πολυπλο- κότητα μπορεί να οφείλεται σε παράγοντες όπως η έλλειψη σαφήνειας ή πλήρους προσδιορισμού του προβλήματος. Έτσι είναι βασικό να μπορούμε να ξεχωρίζουμε τη φάση λύσης του προβλήματος (problem-solving phase) από τη φάση υλοποίησής του (implementation phase) όπως δείχνει το Σχήμα 1.3.

5 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή 7 Σχήμα 1.3 Φάσεις λύσης και υλοποίησης ενός προβλήματος. Στη φάση λύσης του προβλήματος, συγκεντρώνουμε την προσοχή μας στο σχεδιασμό ενός αλγορίθμου που να περιγράφει τη λύση του δεδομένου προβλήματος. Όταν βεβαιωθούμε ότι ο αλγόριθμός μας είναι κατάλληλος για να λύσει το πρόβλημα, τότε μόνο στρέφουμε την προσοχή μας στη φάση υλοποίησής του σε μια γλώσσα προγραμματισμού. Παρόλο που στο βιβλίο αυτό θα χρησιμοποιήσουμε τη γλώσσα Java, η περιγραφή των αλγορίθμων μας θα είναι τέτοια ώστε να μπορούν να υλοποιηθούν εύκολα σε οποιαδήποτε γλώσσα προγραμματισμού. Ένας αλγόριθμος (algorithm) είναι μια διατεταγμένη ακολουθία βημάτων που οδηγεί στη λύση ενός προβλήματος. Ο όρος προέρχεται από τις λέξεις algorism και αρχικά al-jabr και οφείλεται στον Άραβα/Πέρση μαθηματικό Abu Ja far Mohammed ibn Mussa al-khowārizmi, π ου έζησε γύρω στο 825 μ.χ. Παρόλο που ίσως συναντάτε τον όρο για πρώτη φορά, η έννοια του αλγορίθμου μάς είναι πολύ γνωστή. Σχετικά παραδείγματα είναι οι οδηγίες που δίνονται για να βρεθεί μια οδός, οι οδηγίες που δίνονται σε μια συνταγή μαγειρικής κ.ά. Οι αλγόριθμοι πρέπει να έχουν ορισμένες βασικές ιδιότητες: πρώτον, τα διαδονα είναι απλά και μη διφορούμενα (unambi- χικά βήματα των αλγορίθμων πρέπει guous) και δεύτερον, οι αλγόριθμοι πρέπει να είναι αποτελεσματικοί (effective), δηλαδή πρέπει να λύνουν το πρόβλημα με ένα πεπερασμένο (finite) πλήθος βημάτων. Οι αλγόριθμοι αποτελούνται βασικά από ένα σύνολο μετασχηματισμών, που θα εφαρμοστούν στα δεδομένα για να δώσουν τα αποτελέσματα. Η σχεδίαση ενός αλγορίθμου είναι μία δημιουργική εργασία και μπορεί να θεωρηθεί ως μία μορφή τέχνης. Γι αυτό, όπως συμβαίνει και με την τέχνη, υπάρχουν καλοί και κακοί αλγόριθμοι. Τα χαρακτηριστικά των καλών αλγορίθμων είναι τα εξής: γενικότητα (generality), που αναφέρεται στην ποικιλία των δεδομένων τα οποία μπορεί να επεξεργαστεί ο αλγόριθμος

6 8 Προγραμματισμός με Java αποφασιστικότητα ή πειστικότητα (conclusiveness), που αναφέρεται στο ότι ο αλγόριθμος πετυχαίνει τα αποτελέσματά του σε πεπερασμένο χρονικό διάστημα οριστικότητα (definiteness), που αναφέρεται στη σαφήνεια του αλγορίθμου και στη βεβαιότητα που μας παρέχει ο αλγόριθμος ότι λύνει το πρόβλημα. Η μελέτη των αλγορίθμων και της πολυπλοκότητάς τους αποτελεί μια από τις βασικές περιοχές έρευνας της επιστήμης των υπολογιστών. Ως πρώτο παράδειγμα, θα σχεδιάσουμε έναν αλγόριθμο που να εκτελεί μια γνωστή διαδικασία, την αντικατάσταση μιας καμένης λάμπας. Η βασική λειτουργία μπορεί να διαιρεθεί σε δύο βήματα ως εξής: Αφαίρεσε την καμένη λάμπα. Βάλε την καινούρια λάμπα. Αν υποθέσουμε ότι η καμένη λάμπα βρίσκεται σε ένα πολύφωτο που είναι κρεμασμένο από το ταβάνι, τότε χρειαζόμαστε μια σκάλα. Αφού τοποθετήσουμε τη σκάλα κάτω από το πολύφωτο, πρέπει να την ανεβούμε και να γυρίσουμε τη λάμπα (καλός αλγόριθμος) ή να γυρίσουμε τη σκάλα (κακός αλγόριθμος) με φορά αντίθετη από αυτήν της κίνησης των δεικτών του ρολογιού. Έτσι το πρώτο από τα αρχικά βήματα (Αφαίρεσε την καμένη λάμπα.) αναλύεται στα εξής βήματα: Βάλε τη σκάλα κάτω από την καμένη λάμπα. Ανέβα τη σκάλα ώσπου να φτάσεις την καμένη λάμπα. Όσο η καμένη λάμπα δεν αποσπάται, γύρνα τη με φορά αντίθετη από αυτήν των δεικτών του ρολογιού. Τα βήματα αυτά φαίνεται να λύνουν το πρόβλημα, αλλά ας υποθέσουμε ότι προσπαθούμε να δώσουμε τις οδηγίες σε ένα οικιακό ρομπότ και ότι αυτές δεν είδε γνωρίζει πολλές βα- ναι αρκετά απλές για να τις καταλάβει το ρομπότ μας, που σικές λεπτομέρειες. Έτσι προχωρούμε στον προσδιορισμό των λεπτομερειών κάθε βήματος. Το δεύτερο από τα αρχικά βήματα απαιτεί την επιλογή μιας λάμπας παρόμοιας με αυτή που κάηκε (ας υποθέσουμε ότι υπάρχουν πολλές καινούριες λάμπες κάπου στο σπίτι μας) και την τοποθέτηση της λάμπας αυτής στη θέση του πολύφωτου από την οποία αφαιρέσαμε την καμένη λάμπα. Έτσι το βήμα Βάλε την καινού- λάμπα αναλύεται στα εξής ρια βήματα: Διάλεξε μια καινούρια λάμπα ίδια με αυτή που κάηκε. Βάλε την καινούρια λάμπα στη σωστή θέση. Όσο η καινούρια λάμπα δε βιδώνεται, γύρνα τη με φορά ίδια με αυτήν των δεικτών του ρολογιού.

7 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή 9 Είναι ίσως φανερό ότι η επιλογή της καινούριας λάμπας πρέπει να προηγηθεί του βήματος Ανέβα τη σκάλα ώσπου να φτάσεις την καμένη λάμπα (καλός αλγόριθμος), γιατί στην αντίθετη περίπτωση το ρομπότ θα πρέπει να κατεβεί και να ξανανέβει τη σκάλα (κακός αλγόριθμος). Είναι ίσως επίσης φανερό ότι το ρομπότ πρέπει να κατεβεί τελικά από τη σκάλα και να τη βάλει στη θέση της. Έτσι στην τελική του μορφή ο αλγόριθμός μας είναι ο εξής: Διάλεξε μια καινούρια λάμπα ίδια με αυτήν που κάηκε. Αν βρήκες μια τέτοια καινούρια λάμπα, τότε Βάλε τη σκάλα κάτω από την καμένη λάμπα. Ανέβα τη σκάλα ώσπου να φτάσεις την καμένη λάμπα. Όσο η καμένη λάμπα δεν αποσπάται, γύρνα τη με φορά αντίθετη από αυτήν των δεικτών του ρολογιού. Βάλε την καινούρια λάμπα στη σωστή θέση. Όσο η καινούρια λάμπα δε βιδώνεται, γύρνα τη με φορά ίδια με αυτήν των δεικτών του ρολογιού. Κατέβα από τη σκάλα. Βάλε τη σκάλα στη θέση της. Ειδάλλως μην κάνεις τίποτα. Όπως μπορείτε ίσως να διαπιστώσετε, η αύξηση του προσδιορισμού των λετάμεξαρτάται από το υποκείμενο ή τη μηχανή που θα διεκπεραιώσει τελικά τον πτομερειών του αλγορίθμου μπορεί να συνεχιστεί σχεδόν αενάως. Το πότε σταμα- αλγόριθμο. Αν, για παράδειγμα, υπαγορεύουμε μια συνταγή μαγειρικής στον αρχι- ότι αυτός γνω- μάγειρα ενός μεγάλου ξενοδοχείου, τότε μπορούμε να υποθέσουμε ρίζει πολλές λεπτομέρειες της μαγειρικής που είναι άγνωστες σε έναν άνθρωπο που ξέρει μόνο να βράζει νερό. Αν υπαγορεύαμε τη συνταγή στον τελευταίο, θα έπρεπε να του δώσουμε πολύ περισσότερες λεπτομέρειες. Το ίδιο ισχύει για τους αλγο ρίθμους που πρόκειται να εκτελεστούν από ένα υπολογιστικό σύστημα. Οι γλώσσες προγραμματισμού έχουν πολύ περιορισμένο λεξιλόγιο ( ρεπερτόεντολών) και οι αλγόριθμοι πρέπει τελικά να εκφραστούν σε αυτό. Παρόλο ριο που ίσως δεν έχουμε πλήρως λύσει το πρόβλημα της αντικατάστασης της καμένης λάμπας για το οικιακό ρομπότ, έχουμε ήδη εισαγάγει δύο βασικές έννοιες: την έντης επανάληψης (Όσο) και την έννοια της λογικής απόφασης (Αν... τότε... νοια ειδάλλως...). Με βάση αυτές τις δύο (μόνο) έννοιες θα πρέπει τώρα οπωσδήποτε να επιχειρήσετε τουλάχιστον δύο από τις παρακάτω ασκήσεις, υποθέτοντας ότι εσείς είστε η (ανθρώπινη) μηχανή που θα διεκπεραιώσει τους αλγορίθμους αυτούς.