3. Programmazione strutturata (testo di riferimento: Bellini-Guidi)

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1 Corso di Fondamenti di Informatica Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica (A-K) 3. (testo di riferimento: Bellini-Guidi) Ing. Agnese Pinto 1 di 28

2 Linguaggi di programmazione Un programma è un algoritmo espresso in un linguaggio formale, detto linguaggio di programmazione: interpretabile ed eseguibile da un calcolatore non ambiguo perché governato da regole grammaticali precise Classificazione: linguaggi di basso livello dipendono dalla struttura fisica del tipo di computer per cui sono stati progettati linguaggi di alto livello più vicini alla forma mentis dell uomo, ma da tradurre in codice di basso livello per l interpretazione da parte dell elaboratore (C, Java, ) 2 di 28

3 Linguaggio Macchina Linguaggio formale che il computer è in grado di interpretare ed eseguire senza mediazioni Programmi, codice oggetto, rappresentati da una sequenza di cifre binarie che codificano le istruzioni e i dati su cui lavora la CPU istruzioni fortemente correlate all architettura del calcolatore, perché corrispondenti ad operazioni direttamente eseguibili dall hardware esempio di istruzione ad un solo operando : codice operativo dell istruzione operando di 28

4 Esempio di Codice Macchina Istruzioni Codice operativo Operando Codice mnemonico LOAD SUM MEM 220 Le istruzioni fanno uso del registro operando della CPU chiamato A (detto anche accumulatore) Codice mnemonico (istruzioni in assembler) 4 di 28

5 Esempio di Codice Macchina La prima istruzione ( ) legge il valore nella cella di memoria specificata dall operando (220 in decimale) e lo carica in A Stato della macchina dopo la prima istruzione: Memoria CPU indirizzo contenuto. 6.. Registro A 6 5 di 28

6 Esempio di Codice Macchina La seconda istruzione somma il contenuto di A e il valore contenuto nella cella di memoria specificata dall operando (252 in decimale) e la scrive in A Stato della macchina dopo la seconda istruzione Memoria CPU indirizzo contenuto Registro A 37 6 di 28

7 Esempio di Codice Macchina La terza istruzione memorizza il contenuto di A nella cella di memoria specificata dall operando (la stessa da cui era stato caricato il primo addendo) Stato della macchina dopo la terza istruzione: Memoria CPU indirizzo contenuto Registro A 37 7 di 28

8 Linguaggio assembler Le singole istruzioni binarie sono rappresentate con un codice mnemonico LOAD 220 SUM 252 MEM 220 Traduzione in linguaggio macchina ad opera di programmi detti assemblatori, forniti dai costruttori 8 di 28

9 Microlinguaggi Usati per i microprogrammi: corrispondono ad ogni istruzione del linguaggio macchina costituiti da insiemi di microistruzioni: sequenze di bit (microordini) che costituiscono i segnali di controllo per pilotare i componenti del processore ed eseguire le istruzioni cablate dal costruttore nell unità di controllo (fisicamente risiedono in specifiche memorie di sola lettura) della CPU per eseguire le operazioni corrispondenti alle istruzioni del linguaggio macchina Obbediscono alla necessità di mediazione tra linguaggio macchina e hardware (lo stesso processore può essere programmato per finalità diverse) 9 di 28

10 Linguaggi di alto livello Più simili al linguaggio naturale rispetto a linguaggio macchina o assembler Utilizzano simboli matematici e parole tipiche delle lingue naturali (inglese) Usati per scrivere le istruzioni che compongono il codice sorgente Appositi software, detti compilatori, provvedono a tradurre il codice sorgente nell equivalente codice eseguibile dalla macchina 10 di 28

11 Linguaggi di alto livello La precedente somma codificata in linguaggio C diventa: a = 6; b = 31; a = a+b; a e b non sono registri o locazioni di memoria ma variabili identificate da: Nome (possibilità di usare nomi simbolici del contenuto, per facilitare la leggibilità del programma) Tipo (insieme di valori che può assumere) Vantaggi Programma portabile su ogni macchina con compilatore per il linguaggio in cui è scritto il programma Gestione indirizzi di memoria totalmente delegata al calcolatore 11 di 28

12 Algoritmi come sequenze di stati Esempio: determina il Massimo Comune Divisore (MCD) a. prendi due numeri b. calcola il resto della divisione intera del numero maggiore per il minore c. sostituisci il numero maggiore con il resto della divisione d. finché tale resto è diverso da zero torna all istruzione b. e. il numero maggiore (e non nullo) è il MCD cercato 12 di 28

13 Algoritmi come sequenze di stati Flusso di esecuzione dell algoritmo MCD con i valori 924 e 120 passo e 120 passo 2 84 è il resto della divisione intera di 924 per 120 passo e 84 passo 4 il resto è diverso da zero, torna all istruzione b. passo 5 36 è il resto della divisione intera di 120 per 84 passo 6 84 e 36 passo 7 il resto è diverso da zero, torna all istruzione b. passo 8 12 è il resto della divisione intera di 84 per 36 passo 9 36 e 12 passo 10 il resto è diverso da zero, torna all istruzione b. passo 11 0 è il resto della divisione intera di 36 per 12 passo e 0 passo 13 il resto è uguale a zero, prosegui con l istruzione successiva passo è il MCD 13 di 28

14 Algoritmi come sequenze di stati Sequenza di stati nel flusso dell algoritmo MCD(924,120) Istruzioni all interno dei cerchi Passi in esecuzione dell istruzione all esterno del relativo cerchio Passaggio da un istruzione all altra tramite archi L esecuzione di un passo determina uno stato Il susseguirsi dei passi di esecuzione determina una sequenza di stati Il flusso è sequenziale ed ordinato perché, come vedremo, l algoritmo segue le regole della programmazione strutturata 14 di 28

15 Programmazione non strutturata Esempio: algoritmo equivalente per il calcolo del Massimo Comune Divisore (MCD) a. prendi due numeri b. calcola il resto della divisione intera del numero maggiore per il minore c. se il resto è uguale a zero vai all istruzione f. d. sostituisci il numero maggiore con il resto della divisione e. vai all istruzione b. f. il numero minore è il MCD cercato Salto incondizionato Salto condizionato 15 di 28

16 Programmazione non strutturata Flusso di esecuzione dell algoritmo MCD con i valori 924 e 120 passo e 120 passo 2 84 è il resto della divisione intera di 924 per 120 passo 3 il resto è diverso da zero (prosegui in sequenza) passo e 84 passo 5 vai all istruzione b. passo 6 36 è il resto della divisione intera di 120 per 84 Passo 7 il resto è diverso da zero(prosegui in sequenza) Passo 8 84 e 36 passo 9 vai all istruzione b. passo è il resto della divisione intera di 84 per 36 Passo 11 il resto è diverso da zero(prosegui in sequenza) passo e 12 passo 13 vai all istruzione b. passo 14 0 è il resto della divisione intera di 36 per 12 passo 13 il resto è uguale a zero, vai all istruzione f. passo è il MCD 16

17 Programmazione non strutturata Sequenza di stati nel flusso dell algoritmo MCD(924,120) 5,9,13 e a b c d 3,7,11,15 4,8,12 1 2,6,10,14 f 16 Si parte dal nodo iniziale e poi si passa ai nodi successivi selezionando il cammino in base allo stato che si viene a creare dopo l esecuzione delle operazioni specificate nel nodo L arco e-b corrisponde ad un salto incondizionato (goto) L uso dei goto : porta a sequenze non lineari di stati, molto contorte specie per programmi complessi (si parla di spaghetti programming ) ha un numero di istruzioni minori e riusa parti di programma tramite salti porta a programmi difficili da correggere, manutenere ed estendere 17 di 28

18 L obiettivo della programmazione strutturata è di rendere il passaggio tra le istruzioni dall inizio alla fine di un programma come flusso ordinato Realizzazione: Condizione ideale: sequenza lineare di operazioni, senza alternative possibili (limite: ridotta potenza degli algoritmi) Condizione reale: regole coerenti con il pensiero naturale che portano ad effetti equivalenti all esecuzione sequenziale di operazioni Costrutti consentiti (strutture di controllo del flusso): Sequenze: fai questo Diramazioni: se è verificata la condizione fai questo altrimenti fai quello Cicli: finché è verificata una condizione fai questo Costrutti non consentiti: Salto incondizionato (goto): ancora nella sintassi solo per compatibilità verso il basso (era necessario nel linguaggio macchina e assembler) 18 di 28

19 TEOREMA DI BÖHM-JACOPINI tutti i programmi possono essere scritti con l utilizzo delle sole strutture di controllo: sequenza, diramazione e ciclo (senza l uso del salto goto) Corrado Böhm e Giuseppe Jacopini hanno dimostrato che la potenza di calcolo dei programmi strutturati (più chiari, più facili da scrivere e da modificare e probabilisticamente più esenti da errori) non è inferiore a quella dei programmi che usano il goto 19 di 28

20 Sequenza: flow-chart Operazioni: fai questo fai quello Esempio: a = 5; b = 3; z = a+b; 20 di 28

21 Diramazione: flow-chart Operazioni: se è verificata una condizione fai questo se è verificata una condizione fai questo altrimenti fai quello Sintassi: if (espressione) istruzione Esempio: prendi numero; resto = numero % 2; if (resto==0) scrivi numero pari"; if (espressione) istruzione1 else istruzione2 Esempio: prendi numero; resto = numero % 2; if (resto==0) scrivi numero pari" else scrivi numero dispari"; 21 di 28

22 Ciclo: flow-chart Operazioni: finché è verificata una condizione fai questo fai questo finché è verificata una condizione Sintassi: while (espressione) istruzione; Esempio: i=0; while (i<100) i=i+1; do istruzione while (espressione); Esempio: do digita valore; while (valore!=0); 22 di 28

23 Blocchi di istruzioni Blocco di istruzioni: insieme d istruzioni con un solo ingresso, da dove inizia sempre l elaborazione, e una sola uscita, dove termina sempre l elaborazione del blocco (nessuna uscita laterale con istruzioni di salto) Black box: non possono essere utilizzate delle sottoparti Sintassi: {blocco} blocco I blocchi possono contenersi l un l altro ma mai intersecarsi 23 di 28

24 Regole per la creazione di programmi strutturati Nel flow chart la programmazione strutturata è garantita mediante le seguenti regole: 1) Ogni azione (rettangolo) può essere sostituita da due azioni in sequenza 2) Ogni azione può essere sostituita da una qualsiasi struttura di controllo (sequenza, selezione, iterazione) 3) Regola di nidificazione: le regole 1 e 2 possono essere applicate ripetutamente ed in qualsiasi ordine 4) Un diagramma di flusso ha un unico punto di ingresso ed un unico punto di uscita 24 di 28 A. Pinto

25 Regola 1 25 di 28 A. Pinto

26 Regola 2 26 di 28 A. Pinto

27 Regola 3 Azioni a cascata Azioni nidificate Azioni sovrapposte 27 di 28 A. Pinto

28 Esempio di algoritmo: Strutturato Non strutturato 28 di 28 A. Pinto