Tema 1. Conceptos Básicos de Programación. Departamento de Informática e Ingeniería de Sistemas C.P.S. Universidad de Zaragoza

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1 Copyright 2005 Pedro Álvarez, José Ángel Bañares, Pedro Latorre, Santiago Velilla Tema 1. Conceptos Básicos de Programación Departamento de Informática e Ingeniería de Sistemas C.P.S. Universidad de Zaragoza Última revisión: Septiembre, 2006

2 Conceptos Básicos de Programación Problemas y soluciones Objetivos de la programación Noción de algoritmo El computador (hardware) Cuestiones generales sobre el Software Estilo de programación Lenguajes de Programación Elementos de un programa Propiedades de los algoritmos Ciclo de vida de los programas Entorno de Programación Tema 1. Conceptos Básicos de Programación 09/09/2004 2

3 Problemas y soluciones Cómo se resuelve un problema en general? Datos Resultados Modelado o representación Datos (iniciales, intermedios, resultados) + algoritmos Visualización del modelo de resultados Implementación en la plataforma de trabajo (codificación: Pascal, Java, C ) Ejecución de los procesos Tema 1. Conceptos Básicos de Programación 09/09/2004 3

4 Objetivo de la programación. Problemas que se tratan de resolver en Programación Cómputo o cálculo Gestión comercial Control Tratamiento de la señal Lúdicos Inteligencia Artificial E-bussines Etc. Problemas cuya solución puede ser llevada a cabo por un COMPUTADOR Computador: Herramienta que permite tratar de forma automática problemas de tratamiento de la información. Informática: Ciencia del tratamiento de la información. Tema 1. Conceptos Básicos de Programación 09/09/2004 4

5 Objetivo de la programación: - Construir programas Programa: texto formado por instrucciones para que una máquina las ejecute Los lenguajes de programación están diseñados de forma que sólo se requiere que los programadores establezcan sus intenciones explícitamente Cómo transformar un problema en un programa ejecutable por un computador? Entre problema y programa hay algunos pasos importantes: Análisis / Diseño Codificación Problema Algoritmo Programa Lenguaje Natural Lenguaje Algorítmico / pseudocódigo PASCAL, C, Ada, Basic, Fortran, COBOL, Java, C++, Lisp,... Tema 1. Conceptos Básicos de Programación 09/09/2004 5

6 Noción de algoritmo Acción: Es un acontecimiento producido por un actor (o ejecutante de una acción) que tiene lugar durante un periodo de tiempo finito y que tiene como consecuencia o resultado una nueva situación bien definida y previsible. Estado: Es el conjunto de objetos (con sus circunstancias) disponibles en un instante determinado. Algoritmo: Es la descripción de una sucesión finita de acciones que permite transformar el entorno del estado inicial dado en el final deseado. Iremos calculando factorial de n = 1* 2 *...*i *... n para valores crecientes de i hasta n Solución informal en lenguaje natural Algoritmo en lenguaje algorítmico Read(n);i:=1; factorial:=1; Mientras Que i < n hacer i:= i+1; factorial:= factorial * i FinMientrasQue; Tema 1. Conceptos Básicos de Programación 09/09/2004 6

7 Noción de Programa Programa: Es un algoritmo escrito en términos que pueda interpretar (ejecutar) un computador. A él se llega tras codificar el algoritmo en algún lenguaje de programación. lenguaje algorítmico i:=1; factorial:=1; Mientras Que i < n hacer i:= i+1; factorial:= factorial * i FinMientrasQue; i:=1; factorial:=1; While i < n do begin i:= i+1; factorial:= factorial * i end; Pascal C i=1; factorial=1; While (i < n) factorial*=++i; Tema 1. Conceptos Básicos de Programación 09/09/2004 7

8 Cuestiones generales sobre el software En los últimos años El avance espectacular del hardware no ha ido acompañado por el software en cuanto a calidad y coste Aumento de la demanda del software: cantidad, prestaciones, calidad La capacidad de mantenimiento está amenazada por el mal diseño y el uso inadecuado de recursos La parte principal del coste de una solución informática es el software El efecto cómo pudo difundirse ese miedo? Por falta de credibilidad Hacia una solución Construcción sistemática frente a improvisada Construcción usando componentes: reusabilidad, librerías Uso de herramientas de alto nivel: que construyen programas. Tema 1. Conceptos Básicos de Programación 09/09/2004 8

9 Ciclo de vida de un programa Especificación Análisis Diseño Codificación Pruebas Mantenimiento Mantenimiento: En general el software sufrirá cambios: Errores detectados Aparición de nuevos requisitos: Externos: periféricos, sistema operativo Nuevas prestaciones Tema 1. Conceptos Básicos de Programación 09/09/2004 9

10 El computador (Hardware) Tema 1. Conceptos Básicos de Programación 09/09/

11 El computador (Hardware) Periféricos CPU (Central Process Unit) Memoria Tema 1. Conceptos Básicos de Programación 09/09/

12 Memoria de un computador Memoria Se realiza mediante millones de transistores que se utilizan a modo de interruptores que pueden estar encendidos o apagados 1 0 Cada transistor contiene un bit de información De teoría del lenguaje: La unidad mínima de información es el bit. 8 bits = 1 byte Podemos representar 256 valores del 0 al 255 en binario Base 10 Base = 2 * 10^3 1101= 1 * 2^3= 8 5 * 10^2 1 * 2^2= 4 6 * 10^1 0 * 2^1= 0 2 * 10^0 1 * 2^0= 1 13 Tema 1. Conceptos Básicos de Programación 09/09/

13 Memoria Podemos representar en memoria información numérica y no numérica: 1101= 13 (Número 13) Utilizar una codificación para los caracteres (ASCII) El 65 representa la a El 66 representa la b... Agrupando caracteres representamos palabras... Tema 1. Conceptos Básicos de Programación 09/09/

14 Dirección de memoria Como almacenar y encontrar la información En direcciones de memoria Direcciones de memoria Palabra* *Palabra del computador = Número de bytes del mínimo bloque direccionable Tema 1. Conceptos Básicos de Programación 09/09/

15 Memoria Principal/Memoria Secundaria Tipos de memoria Memoria Principal RAM (Read Access Memory) ROM (Read Only Memory) Memoria Secundaria Acceso secuencial Acceso directo La memoria secundaria solo se debe utilizar para almacenar datos: Vel. mem. primaria >>>> Vel. mem.secundaria Tema 1. Conceptos Básicos de Programación 09/09/

16 Cargando un programa en memoria 1. Inicializas el programa 2. La cabeza lectura/escritura del disco duro busca el programa 3. Se copia el programa en memoria(ram) 4. Se ejecuta el programa (La CPU ejecuta las instrucciones del programa) Tema 1. Conceptos Básicos de Programación 09/09/

17 Funcionamiento del computador Tema 1. Conceptos Básicos de Programación 09/09/

18 Cuanta memoria se precisa... 1 Byte: Bloque de bits. Es la unidad de medida de la capacidad de la memoria o de los discos 1Kilobyte(KB o K) = 1,024 bytes. Desde el punto de vista de un computador es un número redondo (Los computadores representan información en base 2, y 1024 es 2^10. Como las personas pensamos en base 10, solemos redondear un k a 1000 bytes. Un disco con 360KB de datos, puede representar unos caracteres. 1 Megabyte (MB or M) es un kilobyte al cuadrado (1,024 veces 1,024), o aproximadamente un millón de bytes. Un disco con una capacidad de 1.44MB puede contener caracteres. 1.44MB es un tamaño estándar para los discos de 3 pulgadas de doble densidad. 1 Gigabyte y Terabyte El termino gigabyte (GB or G) significa un kilobyte al cubo (1,024 * 1,024 * 1,024), o aproximadamente mil millones de bytes. El termino terabyte (TB o T) significa un kilobyte a la cuarta (1,024^4), más de un billón de bytes. Por ahora no hay en el mercado discos duros de tamaño de terabyte a precio razonable. Cuanta memoria se precisa?: Hace unos pocos años los computadores se vendían de serie con 1MB de RAM. Hoy se ofrecen con 500 MB, 1 GB... o más. Los discos duros están en cientos de gigabytes. Una página de texto típico contiene entre 2,500 y 3,000 caracteres. 1MB equivale aproximadamente a 400 paginas de texto. Tema 1. Conceptos Básicos de Programación 09/09/

19 Cuestiones generales sobre el software Estilo de Programación Programación imperativa Lenguajes orientados a instrucciones Programas = Receta Se encadenan de forma explicita las instrucciones. Influenciado por la arquitectura de la máquina VARIABLES: Direcciones de memoria. Datos INSTRUCCIÓN BASICA: Asignación. Acción. (Dar valor a una variable) COMPOSICIÓN SECUENCIAL DE ACCIONES. Tema 1. Conceptos Básicos de Programación 09/09/

20 Cuestiones generales sobre el software Metodología de Programación Programación Estructurada Conjunto de ideas gestadas en torno al grupo de trabajo WG2.3 (Programming Methodology) de IFIP: Utilización de mecanismos de abstracción (funcional y de datos) como herramienta para dominar la complejidad. Utilización de una metodología de diseño descendente o por refinamientos sucesivos (abstracción funcional) Reducido número de estructuras de control: Composición secuencial Composición condicional Composición iterativa Énfasis en los mecanismos de estructuración de datos. Se introduce la idea de tipo abstracto de dato: Separación de los aspectos ligados a la especificación de un tipo de los de la implementación. Definición de métodos que garanticen la corrección de programas (verificación formal) Notación independiente del lenguaje de programación. Programas = Algoritmos + Estructuras de datos Estructuras de datos = Abstracciones de la realidad que nos permiten representar el conjunto de situaciones esperables al resolver el problema. Algoritmos = Esquemas de composición de instrucciones que permiten representar de forma no ambigua el flujo de control (El orden en el que se ejecutarán las instrucciones) Tema 1. Conceptos Básicos de Programación 09/09/

21 Lenguajes de Programación Jerarquía de Niveles de lenguajes de programación Ejemplo del Procesador Tractor Oruga MI A R MD A R Avanza 1 m Retrocede 1 m Gira Derecha 90 º Gira Izquierda Tema 1. Conceptos Básicos de Programación 09/09/

22 Procesador tractor oruga Problema El tractor se encuentra en A, mirando al norte, y tengo que llevarlo a B Algoritmo Sigue recto hasta el fondo Gira a la derecha Sigue recto hasta el fondo Programa MI A R MD A R Lo lleva a I Lo direcciona hacia B Lo lleva a B Tema 1. Conceptos Básicos de Programación 09/09/

23 Lenguaje de Maquina Es farragoso programar a nivel MAQUINA Para facilitar la programación nos inventamos: Nemotécnicos AV Avanza GD Giro Derecha RE Retrocede GI Giro Izquierda Programa AV AV GD AV AV AV AV AV AV Lo lleva a I Lo direcciona hacia B Lo lleva a B Esquemas de composición Programa Avanza 2 Derecha 1 Avanza 6 Avanza x AV x Derecha x GD x Izquierda x GI x Retrocede x RE x Hemos mejorado en ABSTRACCION pero nos hemos alejado de lo que interpreta la maquina. NECESIDAD DE TRADUCCION Tema 1. Conceptos Básicos de Programación 09/09/

24 Lenguaje Maquina Supongamos otro procesador: Una maquina con un único motor que puede: Avanzar 1 m 0 1 Retroceder 1 m 1 0 Girar Izquierda Problema: El mismo Algoritmo: El mismo Programa: DISTINTO Pero el programa, en alto nivel, puede ser el mismo, basta con el traductor adecuado Programa Avanza 2 Derecha 1 Avanza Código para el primer tractor Código para el tractor con Un solo giro Tema 1. Conceptos Básicos de Programación 09/09/

25 Lenguaje Máquina / CPU / Memoria ENSAMBLADOR LENGUAJE MÁQUINA Tema 1. Conceptos Básicos de Programación 09/09/

26 Lenguaje Máquina / CPU / Memoria < Tema 1. Conceptos Básicos de Programación 09/09/

27 Lenguaje Máquina / CPU / Memoria < Tema 1. Conceptos Básicos de Programación 09/09/

28 Lenguaje Máquina / CPU / Memoria < Tema 1. Conceptos Básicos de Programación 09/09/

29 Lenguaje Máquina / CPU / Memoria < Tema 1. Conceptos Básicos de Programación 09/09/

30 Niveles de lenguajes de programacion Alto Nivel Mas fáciles de programar Independencia de la maquina Necesidad de traductores compiladores Menor coste de desarrollo Mas fácilmente mantenibles Detección de errores Transportables Son un compromiso entre eficiencia y manejabilidad Bajo Nivel Programas específicos para un tipo de máquina Pueden permitir hacer cosas de forma más eficiente. Maquina Tema 1. Conceptos Básicos de Programación 09/09/

31 Lenguajes de Programación FORTRAN (1965): FORmula TRANslator. Calculo científico. COBOL (1959). Ideal para gestión: Pocas estructuras de control, muchas capacidades de manejo de dato. ALGOL (1960): Primer intento de formalizar la resolución de problemas. Programas estructurados con tipos de datos. Lisp (1960): Sigue en uso. Estructura de datos simple (La lista). Tratamiento simbólico de la información. Su éxito se debe a que soporta más estrategias de descomposición modular que cualquier otro lenguaje. BASIC (1965): Beginners All Purpose Symbolic Language. Lenguaje interpretado, sin énfasis en tipos de datos. PASCAL (1971): Desciende de ALGOL. Paradigma de la programación estructurada. C (1972): Desarrollado por Dennis Ritchie de AT&T Bell Laboratories para ofrecer un lenguaje de alto nivel en el cual se pudiera programar UNIX. Lenguajes orientados a objetos (C++, Eiffel, C#, ): A la hora de organizar el software se focaliza en las abstracciones de datos en lugar de en la funcionalidad. JAVA: Lenguaje orientado a objeto, que se puede ejecutar en cualquier máquina! Idea de máquina virtual. Tema 1. Conceptos Básicos de Programación 09/09/

32 Lenguajes Interpretados/Compilados Ejecución interpretada del programa fuente Se iteran los siguientes pasos 1. Obtención de la siguiente instrucción a ejecutar del código fuente 2. Análisis de la instrucción y determinación de las acciones a ejecutar 3. Ejecución de las correspondientes acciones Ejecución del programa compilado Se realiza previamente la compilación del programa fuente en la versión equivalente del programa en lenguaje máquina. Esta versión se conoce como programa objeto. El programa objeto se une, eventualmente, con los subprogramas de biblioteca descritos en el programa fuente para obtener el programa ejecutable. Esta operación se denomina edición de uniones (link en inglés). Tema 1. Conceptos Básicos de Programación 09/09/

33 Java, código objeto que se ejecuta en cualquier máquina Un applet es un programa escrito en Java que anima una porción de la página Web El usuario puede interaccionar con un applet, gracias a que se trata de un programa. Un applet se ejecuta completamente en el cliente: Una vez transmitido la velocidad de la interacción no depende de la red Si es necesario el applet se puede comunicar con el servidor Tema 1. Conceptos Básicos de Programación 09/09/

34 Java, código objeto que se ejecuta en cualquier máquina Una aplicación java debe poderse ejecutar en una amplia gama de plataformas con diferentes SO y procesadores. Las aplicaciones Java se almacenan en un código intermedio independiente de la plataforma (el byte-code) Applet java Compilador de java Bycodes Verificador de Bytecode Cargador de clase Almacén de Applets Servidor Intérprete de Java (JVM) Plataforma Cliente MacOS UNIX Windows etc. Tema 1. Conceptos Básicos de Programación 09/09/

35 Elementos de un Lenguaje Los elementos que definen un lenguaje son: SIMBOLOS Palabras clave = {IF, THEN, WHILE, } Caracteres = { a,.. z, A.. Z, #,?,. } Dígitos = {0,..,9} Otros símbolos = {.,,, ;, } SINTAXIS Conjunto de reglas sintácticas Notaciones para expresar las reglas: Backus-Naur Grafo Sintáctico Tema 1. Conceptos Básicos de Programación 09/09/

36 Sintaxis Grafos Sintácticos Backus-Naur A1 letra digito B2 <letra>::= A I B I I Z digito Z alternativa <digito>::= 0 I 1 I I 9 9 identificador letra digito _ 0 o más veces <identificador>::= <letra> {<letra> I <digito> I _ } Ejemplos identificadores válidos: P3Q NUMERO_PI Ejemplo identificadores no válidos: 3PQ _numero Tema 1. Conceptos Básicos de Programación 09/09/

37 Sintaxis sentencia IF IF expresión booleana THEN sentencia ELSE sentencia <Sentencia IF> ::= IF <expresion booleana> THEN <sentencia> [ELSE <sentencia>] 0 o 1 vez sentencia WHILE WHILE expresión booleana DO sentencia <Sentencia WHILE> ::= WHILE <expresion booleana> DO <sentencia> Tema 1. Conceptos Básicos de Programación 09/09/

38 Sintaxis entero sin signo digito numero sin signo entero sin signo. digito E + - entero sin signo expresion constante constante + - identificador constante numero sin signo ' caracter ' Tema 1. Conceptos Básicos de Programación 09/09/

39 Propiedades de los algoritmos Condiciones Necesarias Finitud No ambigüedad Propiedades deseables Generalidad Eficiencia Independencia de la máquina Tema 1. Conceptos Básicos de Programación 09/09/

40 Sistema Operativo Sistema Operativo Conjunto de programas que tienen por misión facilitar la utilización del computador Acceso a los usuarios autorizados Edición de ficheros de texto Puesta a punto y ejecución de programas Seguridad y protección Facturación y contabilidad de uso de recursos Etc. Gestión óptima de la máquina Gestión de memoria Control de dispositivos periféricos Acceso a ficheros Asignación de recursos y ordenación de tareas Etc. Tema 1. Conceptos Básicos de Programación 09/09/

41 Entorno de programación Entorno de trabajo: Programa cuya misión es facilitar el desarrollo de programas utilizando un determinado lenguaje Integra herramientas: Edición e programas fuente (C, C++, Java, Pascal, Ada,...) Compilación de programas fuente Depuración de programas Ejecución y prueba de programas Construcción de programas ejecutables y bibliotecas Tema 1. Conceptos Básicos de Programación 09/09/