Dall algoritmo al calcolatore: concetti introduttivi. Fondamenti di Programmazione

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1 Dall algoritmo al calcolatore: concetti introduttivi Fondamenti di Programmazione

2 Algoritmo Problema o compito Preparazione di una torta Programmazione del VCR MCD tra due numeri Algoritmo sequenza precisa (non ambigua) e finita di operazioni, che portano alla realizzazione di un compito PASSO 1: Fai qualcosa PASSO 2: Fai qualcosa PASSO n: Fermati, hai finito 24/09/2017 Fondamenti di Programmazione 2

3 Problema: consumo medio 24/09/2017 Fondamenti di Programmazione 3

4 Problema: ax 2 +bx+c=0 PASSO 1: ACQUISISCI i valori per a, b e c PASSO 2: PONI il valore di a b 2 4ac PASSO 3: SE il valore di è minore di zero allora PASSO 4: STAMPA Non esistono soluzioni reali ALTRIMENTI PASSO 5: SE il valore di è uguale a zero allora PASSO 6: STAMPA Due soluzioni reali coincidenti PASSO 7: PONI il valore di x a ( b/2a) PASSO 8: STAMPA il valore di x ALTRIMENTI PASSO 9: STAMPA Due soluzioni reali distinte b a PASSO 10: PONI il valore di x 1 a 2 PASSO 11: PONI il valore di x 2 a b 2 PASSO 12: STAMPA il valore di x 1 e di x 2 PASSO 13: FERMATI a 24/09/2017 Fondamenti di Programmazione 4

5 Problema: n è primo? PASSO 1: ACQUISISCI il valore per n PASSO 2: PONI il valore di primo a 1 PASSO 3: PONI il valore di d a 2 PASSO 4: RIPETI i passi da 5 a 7 fintanto che primo è uguale a 1 e d è minore di n PASSO 5: SE n è divisibile per d PASSO 6: PONI il valore di primo a 0 ALTRIMENTI PASSO 7: PONI il valore di d a (d+1) PASSO 8: SE il valore di primo è uguale a 1 PASSO 9: STAMPA È primo! ALTRIMENTI PASSO 10: STAMPA Non è primo! PASSO 11: FERMATI 24/09/2017 Fondamenti di Programmazione 5

6 Operazioni Operazioni sequenziali Realizzano una singola azione. Quando l azione è terminata passano all operazione successiva. PONI il valore della variabile a espressione aritmetica Istruzioni di I/O Ingresso: ACQUISISCI il valore della variabile,... Uscita: STAMPA il valore della variabile,... STAMPA il messaggio 24/09/2017 Fondamenti di Programmazione 6

7 Operazioni (cont.) Operazioni condizionali Controllano una condizione. In base al valore della condizione, selezionano l operazione successiva da eseguire. SE una condizione è vera allora sequenza di operazioni ALTRIMENTI sequenza di operazioni 24/09/2017 Fondamenti di Programmazione 7

8 Operazioni (cont.) Operazioni iterative Ripetono l esecuzione di un blocco di operazioni, finchè non è verificata una determinata condizione. RIPETI finché una condizione è vera sequenza di operazioni 24/09/2017 Fondamenti di Programmazione 8

9 Automazione della soluzione Se siamo capaci di specificare un algoritmo per risolvere un problema, allora siamo in grado di automatizzare la soluzione Per fare ciò bisogna saper costruire una macchina capace di eseguire le operazioni dell algoritmo 24/09/2017 Fondamenti di Programmazione 9

10 Algoritmo L esecuzione delle azioni nell ordine specificato dall algoritmo consente di risolvere il problema. Risolvere il problema significa produrre risultati a partire da dati in ingresso algoritmo dati esecutore risultati L algoritmo deve essere applicabile ad un qualsiasi insieme di dati in ingresso appartenenti al dominio di definizione dell algoritmo (se l algoritmo si applica ai numeri interi deve essere corretto sia per gli interi positivi che per gli interi negativi) 24/09/2017 Fondamenti di Programmazione 10

11 Algoritmo - proprietà Eseguibilità: ogni azione deve essere eseguibile dall esecutore in un tempo finito Non-ambiguità: ogni azione deve essere univocamente interpretabile dall esecutore Finitezza: il numero totale di azioni da eseguire, per ogni insieme di dati in ingresso, deve essere finito Algoritmi equivalenti hanno lo stesso dominio di ingresso hanno lo stesso dominio di uscita in corrispondeza degli stessi valori del dominio di ingressso producono gli stessi valori del dominio di uscita Due algoritmi equivalenti gforniscono lo stesso risultato, ma possono avere diversa efficienza e possono essere profondamente diversi 24/09/2017 Fondamenti di Programmazione 11

12 Algoritmo - proprietà Correttezza: un algoritmo è corretto se esso perviene alla soluzione del compito cui è preposto, senza difettare in alcun passo fondamentale. Efficienza: un algoritmo è efficiente se perviene alla soluzione del compito cui è preposto nel modo più veloce possibile, compatibilmente con la sua correttezza. 24/09/2017 Fondamenti di Programmazione 12

13 Il calcolatore come esecutore di algoritmi Calcolatore Macchina calcolatrice che accetta in ingresso informazioni codificate in forma digitale, le elabora attraverso un programma memorizzato e produce informazioni in uscita Un calcolatore è un esecutore di algoritmi in cui un algoritmo viene descritto per mezzo di un programma ed il programma è una sequenza di istruzioni espresse in un linguaggio comprensibile al calculatore (linguaggio di programmazione) 24/09/2017 Fondamenti di Programmazione 13

14 Ricapitolando Per risolvere un problema bisogna: 1. Individuare un procedimento risolutivo 2. Scomporre il procedimento in un insieme ordinato di azioni ALGORITMO 3. Rappresentare i dati e dell algoritmo attraverso un formalismo comprensibile al calcolatore: LINGUAGGIO DI PROGRAMMAZIONE 24/09/2017 Fondamenti di Programmazione 14

15 Linguaggio naturale Perché non usare direttamente il linguaggio naturale? il linguaggio naturale è un insieme di parole e di regole per combinare tali parole che sono usate e comprese da una comunità di persone non evita le ambiguità non si presta a descrivere processi computazionali automatizzabili Occorre una nozione di linguaggio più precisa. Un linguaggio di programmazione è una notazione formale che può essere usata per descrivere algoritmi. Si può stabilire quali sono gli elementi linguistici primitivi, quali sono le frasi lecite e se una frase appartiene al linguaggio. 24/09/2017 Fondamenti di Programmazione 15

16 Linguaggio di programmazione Un (qualunque) linguaggio è caratterizzato da: SINTASSI insieme di regole formali per la scrittura di programmi, che fissano le modalità per costruire frasi corrette nel linguaggio SEMANTICA insieme dei significati da attribuire alle frasi (sintatticamente corrette) costruite nel linguaggio a parole (poco precisa e ambigua) mediante azioni (semantica operazionale) mediante funzioni matematiche (semantica denotazionale) mediante formule logiche (semantica assiomatica) 24/09/2017 Fondamenti di Programmazione 16

17 Definizione di linguaggio Alfabeto V (lessico) insieme dei simboli con cui si costruiscono le frasi Universo linguistico V* insieme di tutte le frasi (sequenze finite) di elementi di V Linguaggio L su alfabeto V un sottoinsieme di V* Come definire il sottoinsieme di V* che definisce il linguaggio? Specificando in modo preciso la sintassi delle frasi del linguaggio TRAMITE una grammatica formale 24/09/2017 Fondamenti di Programmazione 17

18 Grammatica Grammatica G = <V, VN, P, S> V insieme finito di simboli terminali VN insieme finito di simboli non terminali P insieme finito di regole di produzione S simbolo non terminale detto simbolo iniziale Data una grammatica G, si dice Linguaggio LG generato da G l insieme delle frasi di V Derivabili dal simbolo iniziale S applicando le regole di produzione P Le frasi di un linguaggio di programmazione vengono dette programmi di tale linguaggio. 24/09/2017 Fondamenti di Programmazione 18

19 Grammatica BNF GRAMMATICA BNF (Backus-Naur Form) è una grammatica le cui regole di produzione sono della forma X ::= A con X simbolo non terminale A sequenza di simboli (terminali e non terminali) Una grammatica BNF definisce quindi un linguaggio sull alfabeto terminale V mediante un meccanismo di derivazione (riscrittura) A deriva da X se esiste una sequenza di derivazioni da X ad A Unica regola che indica l alternativa fra A 1,, A n X ::= A 1 A 2 A n 24/09/2017 Fondamenti di Programmazione 19

20 Grammatica BNF G = <V, VN, P, S> V = {lupo, canarino, bosco, cielo, mangia, vola, canta,., il, lo} VN = {frase, soggetto, verbo, articolo, nome } S = frase Produzioni P frase ::= soggetto verbo. soggetto ::= articolo nome articolo ::= il lo nome ::= lupo canarino bosco cielo verbo ::= mangia vola canta Esempio: derivazione della frase il lupo mangia. frase -> soggetto verbo. -> articolo nome verbo. -> il nome verbo. -> il lupo verbo. -> il lupo mangia. derivazione left-most 24/09/2017 Fondamenti di Programmazione 20

21 Albero sintattico frase soggetto verbo articolo nome. il lupo mangia Albero sintattico: albero che esprime il processo di derivazione di una frase usando una data grammatica Esistono programmi per generare analizzatori sintattici per linguaggi descritti con BNF 24/09/2017 Fondamenti di Programmazione 21

22 Sintassi e semantica Scrivere un programma sintatticamente corretto non implica che il programma faccia quello per cui è stato scritto La frase il lupo vola è sintatticamente corretta ma non è semanticamente corretta (non è significativa) // Somma di due numeri interi inseriti da tastiera int main() { } int a, b; cout << immettere due numeri << endl; cin >> a; cin >> b; int c = a + a; //!!!!! cout << Somma: << c << endl; return 0; 24/09/2017 Fondamenti di Programmazione 22

23 Approccio compilato Sviluppo di un programma (approccio compilato): 1. Editing 2. Compilazione 3. Linking 4. Esecuzione Compilatore: traduce il programma sorgente in programma oggetto ANALISI programma sorgente analisi lessicale analisi sintattica TRADUZIONE generazione del codice ottimizzazione del codice Esempi: C, C++, Pascal 24/09/2017 Fondamenti di Programmazione 23

24 Approccio interpretato Sviluppo di un programma (approccio interpretato): 1. Editing 2. interpretazione Interpretazione ANALISI programma sorgente analisi lessicale analisi sintattica ESECUZIONE ESEMPIO: Basic, Java 24/09/2017 Fondamenti di Programmazione 24

25 Struttura logica di un calcolatore Architettura di von Neumann (1946) 24/09/2017 Fondamenti di Programmazione 25

26 Calcolatore e periferiche modem schermo scanner tastiera Calcolatore stampante mouse hard disk USB stick lettore di CD-ROM 24/09/2017 Fondamenti di Programmazione 26

27 Descrizione funzionale La memoria contiene dati ed i programmi (istruzioni) Il processore ripete all infinito le seguenti azioni: preleva una nuova istruzione dalla memoria la decodifica (capisce cosa deve fare!) la esegue (lo fa!) L esecuzione di un istruzione può comportare Calcolo di un espressione e/o Trasferimenti memoria-cpu e CPU-I/O) Le periferiche permettono al calcolatore di interagire con il mondo esterno (trasduttori) 24/09/2017 Fondamenti di Programmazione 27

28 Linguaggio macchina e assembly Esempio: espressione Z = X + Y (linguaggio di alto livello) Linguaggio macchina Linguaggio Assembly LOAD R0,x; LOAD R1,y; ADD R0,R1; STORE R0,z; 24/09/2017 Fondamenti di Programmazione 28