Introduktion til programmering. Uge 36 Intro Kap 0 og 2 i Computer science

Transkript

1 Introduktion til programmering Uge 36 Intro Kap 0 og 2 i Computer science

2 Plan Personer og kompetencer Studieportalen Kususplan Formål Eksamen Computerens historie Computeren som tegnbærer. Maskinarkitektur Python

3 Personer og kompetencer Forelæsninger: Peter Bøgh Andersen Professor i Informationsvidenskab pba@imv.au.dk Kontor: Wiener bygningen, 1 sal Har arbejdet med computeren som medium i 20 år og anvendt mange programmeringssprog (Algol, Simula, Pascal, C++, Hypertalk, Lingo) Startede med Python for et par år siden Arbejder forskningsmæssigt med simuleringer: hvordan kan man buge IT til at gøre folk klogere? Øvelser og terminaltimer Peter B. Vahlstrup Informationsvidenskab Afleverede den bedste multimedieproduktion jeg har set peter@vahlstrup.com

4 AULA Fælles netportal for uddannelser ved Århus Universitet Opret jer som brugere af aula Tilmeld jer til Introduktion til programmering(ito) Adgang til semesterplanen Fra Aula: et link til Direkte: Indeholder en kursusplan Hvad skal læses til hver gang? Pds-filer der kan downloades: Øvrig litteratur Programmer Øvelsesopgaver til onsdag eftermiddag.

5 Kursusplanen Emne Litteratur Øvelser Kan downloades

6 Kursusplan I 3/9 Kursets struktur, IT-teknologiens historie, Modellering, Maskinarkitektur Databaser Python 10/9 Relationelle databaser, ER-diagrammer, normalisering 17/9 SQL databaser 24/9 Python I: værdier, tildelinger og sammenligninger, dynamiske typer, string, list, tupler, filer 1/10 Python II: sætninger, udtryk, sandhedsværdier, kontrolstrukturer, funktioner, kommentarer 8/10 Web-sider. Uge 42: Efterårsferie

7 Kursus plan II Python 22/10 Netværk og operativsystemer 29/10 Algoritmer og datastrukturer, korrekthed, kompleksitet, søgning, iteration, rekursion 5/11 Formelle sprog, historik, procedurale, funktionelle (lambda, apply), objektorienterede og, logiske sprog, grammatik, compilering og fortolkning 12/11 UML 19/11Moduler og objekter i Python Web-programmering 26/11 CGI Slutspurt 3/12 Afslutning

8 Formål I Introducere nogle centrale værktøjer og teknikker i arbejdet med computeren som medie. Specielt vil der være en introduktion til programmering Introducere til analyse og modellering af data.. Basale principper vedr. computerens opbygning og funktion, samt til programmering og databaser. Del-og-hersk metoden. Teknikker og metoder, der vil bringe sammenhæng mellem teori og praksis. De basale principper er den robuste del. Python dør på et tidspunkt. Men Principperne kan ikke forstås uden handson praksis!

9 Opgaver De fleste opgaver behandler dele af det system I skal lave til jul

10 Opgaver 1. ER-diagram. Gruppe. Afleveres 17/9 2. SQL database Gruppe. Afleveres 24/9 3. CPR-nummer.Individuel. Afleveres 1/10 4. CPR-nummer. Individuel 8/10 5. Fremvisning af resultatet af databaseforspørgsler som en html-tabel. Individuel 22/10.6. Brug af netværk og MySQLdb. Individuel 19/10 7. Avancerede sql-kald Individuel 29/10 8. Rekursion Individuel 5/11 9. Klasser, objekter og sql-tabeller. Individuel 19/11 Semesteropgave. Gruppe. Aflevering af samlet system 20/12.

11 Computerens historie Kap 0 i Computer science

12 I store linjer. Computeren som automat og talknuser (1945 ) Computeren som værktøj (1975-) Computeren som medium (1990-) Computeren som omgivelse (2000-) pervasive computing

13 Charles Babbage Konstruerede en general purpose computer i 1830 erne Analytical engine (dampdrevet) Bestod af 5 dele: The store (hukommelsen) The Mill (regneenheden) The Input The output abbage!

14 John von Neumann Von Neumann arkitektur, 1945 Aritmetisk-logisk enhed Kontrolenhed Hukommelse Både data og program In/output Bus, dataveje

15 Allan Turing Udgangspunkt i Hilberts Entschidungsproblem Findes der en metode eller proces, med hvilken det kan afgøres om en given matematisk proces kan bevises? En mekanisk metode En maskine der kunne udføre denne metode - Turingmaskinen

16 Anden verdenskrig Kodebrydning Tyskernes Enigmamaskine (mekanisk) Turing som kodebryder

17 Fra Mainframe til PC Mark I 1944 ENIAC 1950 Electrical Numerical Integrator and Computer Personlig computer 1976 Apple, Steve Jobs & Stephen Wozniak hobbyfolket

18 Computeren som tegnbærer Kap 0 i Computer Science

19 Peirce s tegnbegreb I lettere vulgær udformnin Interpretant Vane eller regel: trafikreglerne Reaktion: kør eller brems Umiddelbart indtryk: farvenuancer Repræsentamen Et trafiklys: grøn, gul, rød Objekt Kør, giv agt, stands

20 Computerbaserede tegn Interfacetegn: angiver hvad man har gjort, kan gøre, og ikke kan gøre Modalitet: er tilfældet, er muligt, er umuligt Repræsentamen + Kant, +farver, - kant, + farver - kant, - farver Interpretant Vane eller regel: interfacestandard Reaktion: klik eller ikke klik Umiddelbart indtryk: farvenuancerne Objekt: operationen er Valgt Kan vælges Kan ikke vælges

21 Menneskelig tegndannelse Interpretant Anvendelsesområdet (brugen) Interpretant Registrere salg og indkøb Repræsentamen systemet Objekt problemområdet Repræsentamen Lagerstyringssystem Objekt Lager

22 Maskinel tegndannelse Interpretant udførelse >>> def helloworld(): print 'hello world' >>> helloworld <function helloworld at 0x016F2530> Repræsentamen Navne i Python Objekt dataobjekt Interpretant Print Hello World >>> helloworld() hello world helloworld() s interpretant er at udføre det objekt navnet helloworld repræsenterer () betyder at Python skal fortolke objektet som en proces og udføre den Repræsentamen helloworld Objekt 0x00F46230 >>> x = 1 >>> x 1 X s interpretant er at fremfinde det objekt X repræsenterer

23 Maskinel tegndannelse Opsummering: Python-navne repræsenterer altid objekter Interpretanten består i at udføre objektet hvis det er udførbart; ellers i at fremfinde objektet

24 Databaser firstname lastname address city gender phone insurance hasfather hasmother hasdoctor Jeppe Boegh Lotte Boegh Andersen Andersen Thorsgade 20 Thorsgade 20 Stine Jacobsen Thorsgade dreng Baltica pige Baltica pige baltica

25 OO modellering Repræsenterer En klassifikation af ting i problemområdet En definition af handlinger i problemområdet Forskel på menneskelig og maskinenel interpretant Et hospitalssystem Mennesket: en patient overføres fra medicinsk til kirurgisk afdeling Systemet: en patient udskrives fra medicinsk og indlægges på kirurgisk afdeling

26 OO modellering class Person: def init (self,name,address, cpr): self.name = name self.address = address self.cpr = cpr def changename(self, newname): self.name = newname def changeaddress(self,newcpr): self.cpr = newcpr def printperson(self): print 'cpr = '+ self.cpr print 'name = '+ self.name print 'address = '+ self.address class Patient(Person): def init (self,name,address,cpr): Person. init (self,name,address, cpr) self.ward = '' self.hospital = '' def admit(self,ward, hospital): if self.ward == '': self.ward = ward self.hospital = hospital else: print self.name + ' is already admitted' def discharge(self): if self.ward!= '': self.ward = '' self.hospital = '' else: print self.name + ' is not admitted yet' def printpatient(self): self.printperson() print 'ward = ' + self.ward print 'hospital = ' + self.hospital

27 OO Modellering >>> from semiotik import * >>> patient = Patient('Karl','Vestergade 10',' ') >>> patient.admit('p5','skejby') >>> patient.printpatient() cpr = name = Karl address = Vestergade 10 ward = P5 hospital = Skejby >>> patient.admit('p6','skejby') Karl is already admitted >>> patient.discharge() >>> patient.admit('p6','skejby') >>> patient.printpatient() cpr = name = Karl address = Vestergade 10 ward = P6 hospital = Skejby

28 OO Modellering Interpretant Holde systemet ajour med problemområdet Repræsentamen Patient Admit Ward Objekt En patient Indskrive patient Den afdeling der har ansvaret for patienten

29 Konsekvenser af synspunktet IT-systemer er fortolkninger af virkeligheden De anlægger et bestemt perspektiv Kode har altid tre interpretanter: Hvad maskinen skal gøre når den eksekverer koden Hvad udvikleren har til hensigt koden skal repræsentere i problemområdet Den måde brugeren fortolker en udførelse på. Det gælder om at de tre fortolkninger ikke er i modstrid men det er svært

30 Algoritmer Programmørens opfattelse En algoritme er en sekvens af entydige udførbare trin som definerer en proces der ender med et resultat Et program kan være et tegn der repræsenterer en algoritme. En algoritme kan repræsenteres af mange forskellige programmer Et program realiseres i mange forskellige typer af materiale Elektronisk: en file eller RAM Papir: en brugsanvisning Lyd: en mundtlig instruktion

31 Muslingetilberedning for mennesker Så længe der er muslinger i spanden: Tag en musling op af spanden Hvis muslingen er lukket så: Smid den i gryden Ellers: Smid den i affaldsposen Kog muslingerne i 5 min Så længe der er muslinger i gryden Tag en musling op af gryden Hvis muslingen er åben så: Læg den på fadet Ellers: Smid den i skraldespanden

32 Muslingetilberedning for maskiner (Python) # Spanden indeholder muslinger. 0 betyder lukket, 1 betyder åben spand = [1,0,0,1,0,1,0,0] # gryde og affaldspose er tomme i starten gryde = [] affaldspose = [] # sålænge der er muslinger i spanden while spand <> []: # tag en musling op enmusling = spand[0] del spand[0] # hvis muslingen er lukket if enmusling == 0: #så smide den i gryden gryde.append(enmusling ) # ellers else: #smid den i affaldsposen affaldspose.append(enmusling ) Kommentarer til menneskelig fortolkning

33 Tegndannelses Maskinens handlinger og tilstande repræsenterer virkelige handlinger og tilstande i problemområdet for brugerne og programmøren Repræsentation [1,0,0,1,0,1,0,0] [] spand <> []: enmusling = spand[0] del spand[0] Virkeligt Objekt En spand med muslinger En tom gryde Spanden er ikke tom Tag en musling op af spanden

34 Sammenligning Samme algoritme, forskellige programmer Menneskelig versus maskinel fortolker Computerprogrammer skal læses af både mennesker og maskiner Kommentarer Interpretanten er under forhandling ved menneskelige fortolkere, ikke ved maskinelle Alle laver fejl når de programmerer. Lær at læse en fejlmeddelelse og at finde fejlen. Naturlige sprog udvikler sig kontinuerligt Computersprog er stabile i perioder og udvikler sig i versioner (Python 2.4) Abstraktion Indkapsling Muslinger er repræsenteret ved én egenskab: lukket eller åben En muslingesorteringsautomat kan arbejde selv og vi behøver ikke forstå hvordan den bærer sig ad, kun hvordan den skal betjenes

35 Fejlmeddelser >>> def findaarstal(cpr): return cpr[0:6] >>> findaarstal(' ') '311245' >>> findaarstal( ) Traceback (most recent call last): File "<pyshell#16>", line 1, in <module> findaarstal( ) File "<pyshell#14>", line 2, in findaarstal return cpr[0:6] TypeError: 'long' object is unsubscriptable

36 Hvad betyder det? Et program kan repræsentere Det område programmet handler om ( problemområdet ) Men også Et andet program En del af den fysiske computer Muslingeprogrammet repræsenterer problemområdet, dets genstande og begivenheder. Repræsentamen Muslingeprogrammerne Interpretant 1. Python 2. Tolkningsregler Objekt Problemområdet (muslinger, beholdere, tage op, lægge i)

37 Hvad betyder det? Databaser repræsenterer hændelser, tilstande, personer, ting og strukturer i organisationen. Forbindelse til organisationsanalyse

38 Maskinarkitektur Kap 2 i Computer Science

39 Computerens opbygning Gemme operation

40 Binær kode Maskinens sprog som den reagerer fysisk på

41 Binærkode Load R1 C1 Kopier indholdet af celle C1 ind i register R1 Load R1 B Kopier bitmønstret B ind i register R1 Store R1 C1 Gem indeholdet af R1 i celle C1 Add R1 R2 R3 Adder indeholdet af registre R2 og R3 og gem resultatet i R1 Jump R1 C1 Hvis indholdet af R1 er 0, så hop til den instruktion som er gemt i celle C1, dvs sæt programtælleren til at referere til denne celle. Ellers fortsæt med næste instruktion.

42 Repræsentationer 1, 4. Programtælleren repræsenter den celle hvor næste instruktion ligger 2-3. Man kan referere til en værdi ved at referere til den celle der indeholder værdien. 00 repræsenterer da værdien Men man kan også gøre det indirekte ved at referere til en celle der refererer til den celle der indeholder værdien. 00 repræsenterer da værdien 45

43 Maskinel tegndannelse Et program kan referere til sig selv Selv-reference er hemmeligheden bag ITteknologien Interpretant Udførelse af en flytning af data fra C1 til R1 eller dele af den fysiske maskine Repræsentamen Load R1 C1 Objekt Indholdet af celle C1 Registret R1 Flytning af data

44 Pythons referencer Hvordan refererer Python? a = [1,2,3,4] b = a Direkte? I så fald burde b ikke påvirkes hvis vi ændrer på a

45 Pythons referencer a = [1,2,3,4] b = a Indirekte? I så fald burde b ændre sig hvis a gør det.

46 Python refererer indirekte Python refererer til objekter >>> a = [1,2,3,4] >>> b = a >>> del a[2] >>> a [1, 2, 4] >>> b [1, 2, 4]

47 Maskincyclussen Gentag indtil stop Hent næste instruktion fra lageret, læg det i instruktionsregistret og forøg programtælleren Dekod bitmønstret i instruktionsregistret Udfør handlingen som instruktionsregistret repræsenterer

48 Assembler Samme som maskinsprog, men med mnemotekniske forkortelser LD R5, Pris LD R6, Skat ADD R0, R5, R6 ST R0, Ialt HLT Problem: programmet handler om maskinens fysiske dele: Store R1 C1 eller om programmet selv: Jump R1 C1 Det er svært at tolke programmet som en repræsentation af problemområdet

49 Problemet Maskinkode er svær at tolke som andet end fysiske processer i maskinen Men vi er interesserede i om den repræsenterer hændelser i problemområdet korrekt!

50 Høj-niveausprog Alle programmeringssprog med et højere abstraktionsniveau end assembler kaldes højniveausprog. Algol, Simula, Pascal, C++, Java, Basic, Smalltalk, Lingo. Python Disse sprog er lettere at tolke som udsagn om problemområdet Nemmere at finde fejl Nemmere at forstå hvad programmet gør

51 Muslingeprogrammet igen Muslingeprogrammet kan tolkes som udsagn om hvordan man tillaver muslinger givet bestemte tolkningsregler spand = [1,0,0,1,0,1,0,0] #spand = en spand med muslinger gryde = [] #den gryde vi vil kode muslingerne i affaldspose = [] #den affaldspose vi smider de dårlige muslinger i while spand <> []: # spanden er ikke tom enmusling = spand[0] # tag en musling op del spand[0] if enmusling == 0: #muslingen er lukket gryde.append(enmusling ) #læg den i gryden else: affaldspose.append(enmusling ) #læg den i affaldspose

52 Muslingeprogrammet igen igen Tolkningsregler En liste tolkes som en kontainer EN tom liste tolkes som en tom kontainer 0,1 tolkes som muslinger i en bestemt tilstand Enmusling tolkes som den musling jeg har i hånden Slettelse af et element fra en liste tolkes som det at tage noget op af en kontainer Tilføjelse af et element til en liste tolkes som det at lægge noget ned i kontaineren. Interpretant Sprogets semantik + tolkningsregler Repræsentamen Høj-niveausprog Objekt Objekter og hændelser i anvendelsesområdet

53 Tolkning er central Maskinen tolker et program som instruktioner om at skifte tilstand Programmøren tolker et program som Instruktioner til maskinen om at skifte tilstand En beskrivelse af genstande og hændelser i problemområdet Brugeren tolker en programudførelse som en beskrivelse af genstande og hændelser i problemområdet

54 Kompilering En compiler er et program der læser et andet program og producerer assembler kode Udnytter at program og data er af samme slags (von Neumann) Assemblerkode oversættes til maskinkode og sættes sammen med forskellige hjælpefiler (linkning) til objektkode. Objektkoden kan tolkes og udføres af den mikrokodede processor.

55 Kompilering De forskellige interpretanter (af regeltypen) udgøres selv af udførbare programmer Interpretant, repræsentamen og objekt kan alle være programmer Analogi: Jeg køber et samlesæt med en fransk brugsanvisning (text) Jeg køber en fransk-dansk ordbog (text) Jeg oversætter brugsanvisningen (text) til dansk ved hjælp af den franske ordbog (text) Jeg oversætter den danske version til handlinger ved hjælp af mit kendskab til dansk Interpretant: Compilerens regler Interpretant: Linkerens regler Interpretant Processorens regler Repræsentamen Objekt Repræsentamen Objekt Repræsentamen Objekt Program Assembler Objektkode Databehandlingsprocesser

56 Programmer der laver programmer def lavprogram(navn): return 'def hello():\n\tprint "' + navn + '"\n' + 'hello() etprogram = lavprogram('peter') print etprogram def hello(): print "Peter" hello() exec etprogram Peter

57 Pjat? Eksemplet kan forekomme pjattet. Men: Hele IT-teknologien hviler på denne tryllekunst Eksempel: dynamiske web-sider som I selv kommer til at lave.

58 En symbolbehandlende maskine Tekster der repræsenterer tekster ved hjælp af tekster!!! Web-programmering

59 En python tekst der laver en html-tekst def makestart(): return '' <!DOCTYPE HTML PUBLIC "-//W3C//DTD HTML 4.01 Transitional//EN"> <html> <head> <title>untitled Document</title> <meta http-equiv="content-type" content="text/html; charset=iso "> </head> <body>\n''' def makeending(): return '' </body> </html>'''

60 Dele af den producerede htmlkode <!DOCTYPE HTML PUBLIC "-//W3C//DTD HTML 4.01 Transitional//EN"> <html> <head> <title>untitled Document</title> <meta http-equiv="content-type" content="text/html; charset=iso "> </head> <body> <table width="75%" border="1"> <tr> <td>cpr</td> <td>firstname</td> <td>lastname</td> <td>address</td> <td>city</td> <td>gender</td> <td> </td> <td>phone</td> <td>insurance</td> <td>hasfather</td> <td>hasmother</td> <td>hasdoctor</td> </tr> <tr>. <tr> <td> </td> <td>stine</td> <td>jacobsen </td> <td>thorsgade 20</td> <td>8410</td> <td>pige</td> <td></td> <td> </td> <td>baltica</td> <td></td> <td> </td> <td> </td> </tr> </table> </body> </html>

61 Html-koden repræsenterer en webside når den fortolkes af en browser

62 Tekster der refererer til tekster

63 Fortolkning Fortolkere er programmer der læser højniveauprogrogrammer og udfører dem (oversætter dem evt. til objektkode, kaldet JIT, just in time) Skriptsprog som Python, Hypercard, Lingo, LISP. Interpretant: Fortolker Repræsentamen Program Objekt Databehandlingsprocesser

64 Python Python er et fortolket sprog der kan afvikles på (næsten) alle maskiner Windows, Mac, UNIX, Palm, etc Udbredt som scriptsprog til fremstilling af hjemmesider, men er et komplet programmeringssprog til alle typer af udvikling Google er skrevet i Python

65 Databaser Første øvelsestime bruges til en introduktion til en SQL-server. Fakultetets server er desværre ustabil. Derfor vil Peter installere en sql-server på jeres maskiner. Hvis fakultetsserveren er oppe: hvordan man opretter sig. Prøve at lave nogle simple tabeller til næste uge.