Программирование на языке с нуля

Основа основ

Добро пожаловать в мир языка C. В этой главе показывается, как создать вашу первую программу на языке C, затем скомпилировать её в исполняемый файл и в итоге выполнить.

• Введение
• Зачем изучать программирование с помощью языка C?
• Стандартные библиотеки языка С
• Установка компилятора
• Написание первой программы
  • Функции внутри заголовочного файла
• Компилирование программы
• Понимание процесса компилирования
• Заключения к Введению

Введение

— это компактный компьютерный язык программирования общего назначения, часто называемый процедурным, созданный Деннисом Макалистером Ритчи (Dennis MacAlistair Ritchie) для операционной системы Unix на компьютере Digital Equipment Corporartion PDP-11 в 1972-м году.

Этот новый язык программирования был назван C (читается по русски как "си") в честь его предшественника — языка В(читается по русски как "би"), представленного в 1970-м году.

Операционная система Unix и фактически все её приложения написаны на языке C. Однако C не ограничивается определенной платформой, поэтому программы с его использованием можно создавать на любой машине, поддерживающей этот язык, в том числе и на платформе Windows.

Гибкость и переносимость языка C сделали его очень популярным, этот язык был формализован Национальным Американским Институтом Стандартизации (American National Standards Institute, ANSI). Стандарт ANSI однозначно определил все аспекты языка, избавив нас от сомнений о его точном синтаксисе.

ANSI C стал узнаваемым стандартом языка C. В этой книге рассматривается и описывается именно он.

Зачем изучать сейчас именно C ?

Несколько веских причин, почему изучение языка программирования C является важной основой для любого, кто стремится стать квалифицированным программистом или погрузиться в мир разработки программного обеспечения, приведены ниже:

• Изучать другие языки высокого уровня напрямую, не изучая C, нелегко. Многие языки, такие как C++, Java и Python, заимствовали свой синтаксис из C. Поэтому его считают их базовым языком.
• Его достаточно просто учить, так как основан на английском, широко используемом в мире и простом для понимания языке.
• Программы, которые вы пишете на C, компилируются и выполняются гораздо быстрее, чем на других языках. Это связано с тем, что он не записывает мусорные значения, не проверяет границы индексов массивов, не выполняет проверки типов во время выполнения, не обрабатывает исключений и других дополнительных накладных расходов. С компилируемый язык, а компилятор значительно быстрее интерпретатора.
• Он портативен, поскольку его программы можно легко перенести на компьютеры с другими архитектурами. Он является аппаратно-независимым по своей природе.
• Не смотря на то, что современные Микроконтроллеры управляются встроенными программами, написанными на разных языках, в профессиональной среде и в промышленности: Роботы, компьютеры и автоматизация используют эти микроконтроллеры с программами на С, так как язык тесно взаимодействует с аппаратным обеспечением.
• Благодаря своей скорости многие операционные системы и системные программы написаны на C, такие как UNIX. Также он используется для разработки игр благодаря своей хорошей скорости.

Существует сходство между изучением языка C и английского языка. Когда мы учим английский, мы сначала изучаем символы или алфавит, а затем комбинируем алфавит, чтобы сформировать слово. Кроме того, сочетание слов образует предложение, а затем набор предложений формирует абзац, следуя грамматическим правилам. Аналогично, в C сначала мы изучаем символы, а затем эти символы образуют токены (переменные, константы, ключевые слова и так далее). Кроме того, эти токены образуют инструкции, операторы или команды, и эти операторы объединяются вместе, чтобы создать утверждения, а из них строятся программы.

Зачем изучать программирование с помощью языка C?

Программы, написанные на языке C двадцать лет назад, в наши дни выполняются так же успешно, как и в те времена. - Майк МакГрат

Язык C существует уже долгое время, он застал создание новых языков программирования вроде Java, C++ и C#. Многие из них основаны на языке C, по крайней мере, отчасти, и при этом более громоздкие. C, как более компактный язык, лучше подходит для того, чтобы начать программировать, поскольку изучить его проще.

Как только вы освоите основные принципы программирования на языке C, вы сможете переключиться на изучение более новых языков программирования. Например, язык C++ является расширением языка C. C++ может быть труден в изучении с нуля, если вы сперва не освоите программирование на C.

Однако не стоит обольщаться, С невероятно мощный и развитый язык, и чтобы стать экспертом программистом на С потребуется постоянная практика.

На С можно писать быстрые графические приложения, обработку многоканального аудио и работу с цифровыми музыкальными инструментами с помощью таких библиотек как SDL, SFML, RayLib и др. На современных компьютерах возможно генерировать тысячи кадров в секунду в графических приложениях и сотни кадров в секунду в видео-играх.

Несмотря на дополнительные возможности, доступные в новых языках, C остаётся популярным, поскольку он гибок и эффективен. Сегодня он используется на большом количестве платформ, начиная с микроконтроллеров и заканчивая продвинутыми научными системами. Программисты по всему миру используют язык C, поскольку он позволяет им получить максимальный контроль над выполнением программ, а также повышает их эффективность. Многие современные языки программирования, с целью ускорения вычислений сложных математических вычислений, поддерживают встраивание кода на С внутрь их кода.

С даже можно применять для обработки алгоритмов внутри Веб-страниц. С помощью проекта Web-Assembly, код на C преобразуется в быстрый вэб-ассемблер, вызывается командами языка JavaScript и запускается на машине пользователя. Естественно, скорость работы таких приложений высочайшая и сопоставима с настольными приложениями написанными на С/С++, но работающих в окне вашего обозревателя интернета.

С - главный язык программирования микроконтроллеров, а благодаря мощным компиляторам - размер программы на С сжимается многократно, что критически важно при ограниченных объёмах памяти в микроконтроллере.

Практически все драйверы устройств вычислительных систем пишут на С/С++.

У С есть и своя специфика:

• Алгоритмический язык

  В чистом виде, С не поддерживает Объектно-ориентированную парадигму программирования(ООПП). Это значит, что программы написанные на С это императивные инструкции(инструкции написанные программистом указывают что конкретно делать процессору шаг за шагом - строка за строкой исходного кода) и функции состоящие из таких инструкций - чётко и напрямую манипулирующие данными в памяти машины. С это логический, структурный язык. См. далее.

• Типы Данных

  Программист должен уделять особое внимание размеру данных. См. далее.

• Язык среднего уровня

  На С пишут программы аппаратного уровня, т.е. код программы по ходу её выполнения, манипулирует процессором и памятью. С занимает место между Ассемблером и языками высокого уровня(С++, Java и др.). Вся ответственность по контролю за выполнением операций с памятью и данными полностью лежит на программисте. См. далее.

• Язык очень простой

  Простые вещи - мало кода. Сложные вещи - много кода.

• Сначала изучите С

  Перед тем как изучать другой язык Высокого уровня, крайне желательно понять как работает "железо" вычислительной машины на уровне языка С.

Стандартные библиотеки языка С

Функция — это фрагмент кода (набор инструкций), который может быть повторно использован в программе на языке C. Наборы функций объединяют в библиотеки. Каждая функция имеет свой заголовок, по этому такие библиотеки часто называют заголовочными файлами.

Для ANSI C определены несколько стандартных библиотек, содержащие опробованные и протестированные функции, которые могут быть использованы в ваших собственных программах, написанных на языке C.

Библиотеки содержатся в заголовочных файлах (англ. header - заголовок), каждый из которых имеет расширение .h Названия стандартных заголовочных файлов и их краткие описания приведены ниже. Интерфейс стандартной библиотеки C определяется следующей коллекцией заголовочных файлов:

Здесь можно узнать о текущем состоянии библиотек ANSI C

Библиотеки устаревшие в стандарте С23 будут встречаться вам в программах написанных до 2023 года ещё очень долго. Вы даже можете попробовать работоспособность этих библиотек написав и скомпилировав программу с их подключением в исходный код на современном компиляторе. В зависимости от вашей дальнейшей деятельности как программиста, знать устаревающие библиотеки всё-таки нужно, так как в профессиональной среде программисты часто и долго поддерживают программное обеспечение написанное до них.

Кроме Стандартных Заголовочных Файлов существуют и не стандартные, обычно такие файлы называют пользовательскими, такие пользовательские заголовочные файлы содержат функции написанные для решения специфических задач, например для работы с графикой, звуком и т.п..

Установка компилятора

При установке компилятора устанавливаются стандартные заголовочные файлы (указанные в таблице выше и множество дополнительных ресурсов).

Программы на языке C изначально создаются как простые текстовые файлы, сохраняемые с расширением .c . Они могут быть написаны в любом текстовом редакторе, даже в программе Блокнот (Notepad) операционной системы Windows — никакого специального программного обеспечения не требуется.

Однако, чтобы выполнить программу, написанную на языке C, необходимо её скомпилировать в байт-код, который компьютер сможет понять. Компилятор языка C считывает оригинальную текстовую версию программы и переводит её во второй файл, имеющий исполняемый байтовый формат, который и сможет распознать компьютер.

Если текст программы содержит синтаксические ошибки, компилятор об этом сообщает, и исполняемый файл не будет построен.

Один из наиболее популярных компиляторов языка C — GNU C Compiler (GCC) — доступен бесплатно под лицензией General Public License (GPL). Он включен во все дистрибутивы операционной системы Linux. GNU C Compiler был использован для компилирования в исполняемый код всех примеров этой книги.

GNU является рекурсивным акронимом для фразы Gnu's Not Unix (Gnu — это не Unix) и произносится как «ГЭ-ЭН-У». Более подробную информацию вы можете найти, перейдя по адресу https://www.gnu.org/.

Если вы ранее были знакомы с программированием, то чтобы определить, имеет ли ваша операционная система компилятор GNU C Compiler, наберите в командной строке gcc -v и нажмите ENTER. Если компилятор доступен, он выведет на экран информацию о своей версии.

В операционной системе Windows, с помощью следующих шагов загрузим пакет Minimalist GNU for Windows (MinGW), который содержит компилятор GNU C Compiler посредством пакета MSYS2.

1. Скачайте Visual Studio Code https://code.visualstudio.com/Download
2. Установите Visual Studio Code
3. Скачайте MSYS2 https://www.msys2.org/
4. После установки MSYS2 введите команду pacman -S mingw-w64-ucrt-x86_64-gcc и нажмите ENTER
5. Откройте Visual Studio Code
6. Установите расширения C/C++ для VS Code от Корпорации Microsoft. Вы можете установить расширения C/C++, выполнив поиск по запросу "C/C++" в представлении "Расширения"(англ. EXTENSIONS) .
   • C/C++ IntelliSense, debugging, and code browsing.
   • C/C++ Extension Pack
   • C/C++ Themes

   

7. Подключите MSYS2 к Visual Studio Code согласно инструкции на странице https://code.visualstudio.com/docs/cpp/config-mingw
8. Проверьте установку MinGW, откройте командную строку и введите по очереди команды, нажимая Enter после каждой:
   • gcc --version
   • g++ --version
   • gdb --version
   • gcc -v

   

9. Если никаких ошибок и проблем не возникло, напишем первую программу:

Написание первой программы

В языке программирования C утверждения(инструкции), которые должны быть выполнены, располагаются внутри функций, определяемых с использованием следующего синтаксиса:

<тип-данных> <имя-функции> (){
   <утверждения-которые-нужно-выполнить>;
}

После того, как функция вызывается с целью выполнения утверждений, которые в ней содержатся, она может вернуть значение вызывающей стороне. Это значение должно иметь тип, указанный перед именем функции.

Программа может содержать одну или несколько функций, при этом в ней должна присутствовать функция, которая называется main(). Функция main() — это стартовая точка всех программ, написанных на языке C, и компилятор не будет компилировать код, если не найдет внутри программы функцию main().

Другим функциям программы можно давать любые имена, содержащие буквы, цифры и символы подчеркивания, но следует иметь в виду, что имя функции не должно начинаться с цифры. Также следует избегать использования в качестве имён функций ключевых слов языка C, приведенных в конце книги.

Круглые скобки (), следующие за именем функции, могут содержать значения, которые используются функцией. Эти значения имеют вид разделённого запятыми списка и называются аргументами функции.

Фигурные скобки {} содержат утверждения, которые должны быть выполнены при вызове функции. Каждое утверждение обязано заканчиваться точкой с запятой ; .

Традиционно при изучении языка программирования в первую очередь пишут программу, выводящую на экран сообщение Hello World :

1. Откройте Проводник Windows и Создайте Папку с именем Learn_C на любом диске

   

2. Внутри Папки с именем Learn_C создайте папку с именем hello

   

3. Откройте Visual Studio Code

   

4. Нажмите вверху слева File

   

5. Нажмите Open Folder

   

6. Укажите местоположение папки с именем hello

   

7. Нажмите кнопку снизу справа в окне проводника "Выбор Папки"

   

8. Может появится предупреждение о доверии автору содержимого внутри папки с именем hello

   

9. Так как Автор - вы, то смело ставим галочку и жмём синюю кнопку "Yes, I trust the authors", тем самым подтверждаем доверие к содержимому в папке.

   

10. Вверху слева видно, что вы находитесь внутри папки с именем hello

    

11. Создадим наш текстовый файл исходного кода на языке С с именем hello.c . Файл автоматически будет создан внутри папки с именем hello :
    • Нажмите на иконку "New File"

      

    • Появилось поле ввода: введите имя файла и через точку его расширение

      

    • Введём hello.c

      

    • Жмём ENTER

      

    • В текстовое поле ввода исходного кода справа напечатаем первую строку кода:

#include <stdio.h>

Программа начинается с инструкции (препроцессора) для компилятора C, которая указывает подключить (англ. include - включить в состав) файл стандартной библиотеки функций ввода и вывода данных <stdio.h> (англ. standard in and out). Это сделает доступными в программе все функции, описанные внутри этого файла. Подходящее название данной инструкции — инструкция препроцессора или директива препроцессора, она всегда должна быть написана в начале страницы, до того, как будет обработан сам код программы ниже её.

Функции внутри заголовочного файла

На примере заголовочного файла <stdio.h> заглянём в часть его содержимого, любые другие заголовочные файлы устроены похожим образом:

Пропустите две строки после инструкции препроцессора и добавьте пустую(без аргументов в круглых скобках) функцию main() :

int main(){

}

Такое объявление функции определяет, что после её выполнения функция должна будет вернуть значение типа int (подробнее о типах данных далее).

Внутри фигурных скобок вставьте строку кода, которая вызывает одну из функций, определённых в стандартной библиотеке ввода-вывода <stdio.h> , ставшую теперь доступной после написания инструкции препроцессора #include :

printf("Hello World!\n");

Внутри круглых скобок функции printf() определяется один строковой аргумент. В языке программирования C строки должны быть заключены в двойные кавычки "". Эта строка содержит текст Hello World! и управляющую последовательность \n, которая автоматически переводит каретку печатания символов в консоли к левому краю следующей(ниже) строки.

Внутри скобок вставьте последнюю строку кода, возвращающую число 0, это требуется для того, чтобы сообщить Операционной Системе (которая вызвала к выполнению нашу программу), что программа завершена без ошибок:

return 0;

Проверьте, что код программы выглядит в точности так же, как и в листинге, приведенном внизу, а затем добавьте последний символ новой строки (нажмите клавишу ENTER после закрывающей фигурной скобки) и сохраните программу под именем hello.c :

#include <stdio.h>

int main(){
   printf("Hello World!\n");
   return 0;
}

Возле названия файла hello.c отображается белый кружок - это значит что текст исходного кода в файле не сохранён. Нажмите комбинацию горячих клавиш Ctrl+S чтобы сохранить файл, перед его компиляцией. Или нажмите вверху слева File - Save

Итак, теперь программа в текстовом формате готова к компилированию в понятный для машины байтовый формат.

Компилирование программы

Напомню, что файл исходного кода hello.c , созданный с помощью указанных выше шагов, сохраняется в директории hello, ожидая запуска компилирования, компиляция создаст исполняемый файл в формате байт-кода с расширением .exe .

Находясь в Visual Studio Code, нажмите комбинацию горячих клавиш Ctrl+~(клавиша буквы Ё) чтобы открыть консоль:

В консоли можно ввести команду gcc --help и нажать ENTER для просмотра списка всех опций компилятора:

Самая простая команда для компиляции нашего файла записывается в таком синтаксисе:

Где:

• передать исходный файл на компиляцию компилятору gcc,
• имя и расширение исходного файла - <имя_исходного_файла>.c,
• сделать выходной файл - -o,
• выходной файл с именем и расширением - <имя_выходного_файла>.exe

В нашем случаи записываем в консоль так:

И жмём ENTER

Если компиляция прошла успешно, без ошибок и предупреждений, то внутри нашей папки с именем hello будет создан файл hello.exe.

Запустим скомпилированный файл в консоли Visual Studio Code для его исполнения, с помощью простой команды:

./hello.exe

И жмём ENTER

Понимание процесса компилирования

При создании исполняемого файла из оригинального файла исходного кода на языке C процесс компилирования проходит через четыре отдельных этапа, каждый из которых генерирует новый файл.

• Предварительная обработка

  препроцессор заменяет все директивы препроцессору в оригинальном коде на языке C на код библиотек, которые реализуют эти директивы. Например, подобная замена выполняется для директив #include. Сгенерированный файл, содержащий замены, имеет текстовый формат, и как правило расширение .i .

• Преобразование (трансляция)

  компилятор транслирует высокоуровневые инструкции файла с расширением .i в низкоуровневые инструкции языка Ассемблера. Сгенерированный файл, содержащий транслированные инструкции, имеет текстовый формат и, как правило, расширение .s .

• Сборка

  сборщик преобразует текстовые инструкции языка Ассемблера в файле с расширением .s в машинный код. Сгенерированный файл объекта имеет двоичный формат и, как правило, расширение .o .

• Связывание

  компоновщик связывает полученные двоичные объектные файлы с расширением .o в единый исполняемый файл. Сгенерированный файл имеет двоичный формат и, как правило, расширение .exe .

Вкратце, компилирование представляет собой первые три вышеописанных этапа работы с одним файлом исходного кода, из которого создаётся один двоичный объектный файл. Если исходный код программы содержит синтаксические ошибки, например, отсутствует или лишняя в нужном месте точка с запятой или круглые скобки, компилятор сообщит о них в консоль и компиляция не завершится.

Компоновщик, с другой стороны, способен работать с несколькими объектами и по окончании своей работы сгенерирует один исполняемый файл. Это позволяет создавать большие программы из отдельных файлов, и каждый из них может содержать повторно используемые функции. Если компоновщик находит функцию, имя которой уже встречалось в другом файле, он сообщит об ошибке и исполняемый файл не будет создан.

Компоновщик, иногда называют линковщик/линкер от англ. to link - соединять, связывать воедино.

Обычно временные файлы, созданные во время промежуточных шагов процесса компилирования, удаляются автоматически, но их можно восстановить с помощью дополнительной опции -save-temps, переданной в команде компилятору.

1. В консоли введите команду
   gcc hello.c -save-temps -o hello.exe
   , а затем нажмите клавишу ENTER, чтобы повторно скомпилировать программу и сохранить временные файлы.

   

   

2. Откройте файл hello.i здесь в Visual Studio Code - кликните на него. Ваш исходный код окажется в самом конце файла, а перед ним будет располагаться код библиотеки <stdio.h>.

   

3. Теперь откройте файл hello.s , чтобы увидеть ваш исходный код на С, преобразованный к низкоуровневым инструкциям Ассемблера. Обратите внимание, насколько менее дружелюбным он кажется по сравнению с кодом на языке C.

   

Программы, написанные на языке Ассемблера, потенциально могут исполняться быстрее, чем те, которые написаны на языке C, но их гораздо сложнее писать и обслуживать(вы должны в совершенстве знать архитектуру вычислительной машины: процессор, память и множество других электронных компонентов и т.п.). Для традиционного программирования - язык C приоритетнее. Всю оптимизацию вашего исходного кода С, вместо вас сделает компилятор. По мере совершенствования знания языка С, вы сможете напрямую в коде С указывать вычислительной машине как использовать архитектурные особенности процессора и памяти и компилятор сделает это для вас.

Заключения к Введению

• Национальный Американский Институт Стандартов создал стандарт для языка программирования C - ANSI C.
• Другие языки программирования, например C++ и C#, как минимум частично созданы на базе языка C.
• Язык программирования C имеет несколько стандартных библиотек, содержащих проверенные годами функции, которые могут быть использованы в любой программе.
• Библиотеки языка C содержатся в заголовочных файлах, чьи имена имеют расширение .h .
• Программы на языке C создаются как простые текстовые файлы, чьи имена имеют расширение .с, их можно написать даже в простом Блокноте, в специальном же редакторе кода - процесс написания и отладки кода происходят гораздо комфортнее.
• Популярный компилятор GNU C Complier (GCC)( Minimalist GNU for Windows (MinGW)) можно установить с помощью пакета MSYS2.
• Добавление к системному пути каталога, где располагается компилятор, позволит последнему запускаться из любой директории.
• Программы могут иметь одну или более функций, содержащих утверждения, которые должны быть выполнены при вызове функции.
• Каждая программа, написанная на языке C, обязана иметь функцию main().
• Объявление функций начинается с указания типа данных значения, которое должно быть возвращено после выполнения функции. Если мы указали тип int, то и с помощью команды return 0; этот int и возвращаем.
• Утверждения, которые следует выполнить, содержатся в фигурных скобках { }, каждое утверждение обязано заканчиваться точкой с запятой ; .
• Инструкции препроцессора располагаются в начале исходного кода листинга программы и, как правило, будут заменены кодом библиотек.
• Компилятор GNU C Compiler запускается с помощью команды gcc, могущую включать в себя опцию -o, вместе с которой передается имя исполняемого файла.
• Временные файлы, созданные в процессе компилирования(компиляции), могут быть получены с помощью опции команды компилятора -save-temps. По умолчанию промежуточные файлы удаляются.

Решение проблем с помощью Программирования

• Введение
• Подход к решению проблем
• Техники решения проблем
• Языки программирования
• Трансляторы или обработчики языка
• Процесс компиляции и выполнения
• Синтаксические и логические ошибки в компиляции
• Разные файлы, создаваемые при написании, компиляции и выполнении программы на C
• Заключение
• Важные моменты
• Важные вопросы

Введение

В этой главе мы изучим основные аспекты решения задач в контексте компьютерного программирования. Мы рассмотрим различные техники решения проблем и поймем роль языков программирования в выражении наших решений. Более того, мы узнаем о Трансляторах или Обработчиках языка, которые облегчают преобразование кода, удобного для человека, в инструкции, выполняемые машиной. Кроме того, мы исследуем процесс компиляции и выполнения программ и получим представления о том, как справляться с синтаксическими и логическими ошибками во время компиляции. К концу этой главы у вас будет прочная основа для начала вашего пути в программировании и уверенности в решении различных задач.

Цель главы заключается в том, чтобы обеспечить понимание концепций решения проблем и программирования. Она охватывает подходы и техники решения проблем, языки программирования, трансляторы языков, процессы компиляции и выполнения, обработку синтаксических и логических ошибок, а также файлы, создаваемые при написании, компиляции и выполнении программ на C. Цель состоит в том, чтобы предоставить читателям навыки, позволяющие уверенно подходить к задачам программирования и писать эффективные, безошибочные программы на C.

Подход к решению проблем

Решение проблемы — это процесс выяснения того, что необходимо сделать чтобы решить проблему. Он начинается с описания проблемы и заканчивается нахождением наилучшего способа её исправления. Прежде чем можно будет найти решение, проблему необходимо правильно определить, а затем превратить в чёткие, выполнимые шаги, которые будут понятны всем. В этих шагах используются различные операторы для получения необходимого решения.

Логическое и численное решение задач включает в себя следующие основные шаги для решения любой проблемы:

1. Проанализируйте проблему: это процесс понимания проблемы. Чтобы лучше понять проблему, вам нужно знать, какие входные данные, а какие будут их возможные результаты. Это просто означает знание требований для решения проблемы и её возможного решения. Также проверяется осуществимость решения проблемы, чтобы выяснить, можно ли решить проблему с существующими технологиями или нет.
2. Разделите сложную проблему на небольшие, простые задачи: если проблема сложная и большая, то сначала разделите её на разные модули. Решите отдельные модули и объедините их для окончательного решения. (Это необязательный шаг.)
3. Разработайте план решения проблемы: на этом этапе разрабатывается план решения проблемы. Он включает в себя запись проблемы в виде псевдокода, блок-схемы или в виде алгоритма. Псевдокод, блок-схемы и алгоритм представляют собой вашу пошаговую стратегию для разрешения проблемы. Этот шаг даёт логику для решения проблемы.
4. Реализуйте план: он преобразует алгоритм или псевдокод в программу (актуальный код) с использованием подходящего языка программирования, такого как C, C++, Python и т.д. Введите программу в компьютер. Компьютер генерирует результат в выходных данных на основе программы и входных данных. Эти выходные данные можно использовать для принятия правильных решений.
5. Обратное отслеживание: как только вы получите результат в выходных данных, вы можете вернуться назад и внести некоторые изменения в программу или план для дальнейшего улучшения результата. Вы можете подумать о том, чтобы решить проблему другим способом для получения лучших результатов. Этот шаг часто называется этапом тестирования и отладки.

Решение логических проблем

Давайте решим классическую логическую задачу: задачу о ёмкостях с водой. Допустим, вам поручено отмерять 4-ре литра воды с помощью двух кувшинов. Объём первого кувшина 3-и литра, а второго - 5-ть литров. Необходимо выполнить следующие шаги:

1. Анализ проблемы: Сначала проверим, доступны ли нам все необходимые ингредиенты, такие как источник воды, кувшины и так далее, которые будут служить исходными данными. Решением же является возможность получения 4-ёх литров воды - это выходные данные.
2. Разделение сложной проблемы на небольшие, простые задачи: Наша проблема довольно простая, поэтому нет необходимости делить её на простые задачи(пропустим этот шаг.)
3. Разработать план: Псевдокод ниже представляет пошаговый план достижения решения проблемы с помощью описания её простыми словами:
   1. Наполните 5-литровый кувшин до краев.
   2. Перелейте воду из 5-литрового кувшина в 3-литровый, в 5-литровом кувшине останется 2-а литра.
   3. Опустошите 3-литровый кувшин.
   4. Перелейте оставшиеся 2-а литра воды из 5-литрового кувшина в 3-литровый.
   5. Снова наполните 5-литровый кувшин до краев.
   6. Осторожно перелейте воду из 5-литрового кувшина в 3-литровый до заполнения 3-литрового кувшина. Вылили 1 литр.
   7. В 5-литровом кувшине останется ровно 4 литра воды.
4. Реализовать план: Преобразуйте алгоритм или псевдокод в программу (реальный код) с использованием подходящего языка программирования, например C. Введите программу в компьютер, и вы получите желаемый результат.
5. Обратное отслеживание: Предположим, что после нескольких шагов вы обнаружите, что распределение воды не приводит к ожидаемому результату в 4-е литра в 5-литровом кувшине. Вместо того, чтобы сдаваться, вы возвращаетесь к предыдущему шагу, где у вас были другие варианты выбора (например, какой из кувшинов наполнять, когда наливать воду и так далее). Затем вы пробуете другой вариант алгоритма, чтобы увидеть, приведёт ли это к желаемому результату.

Решение численных проблем

Чтобы было легче понять концепцию решения, давайте рассмотрим пример с числами. Необходимо сложить два числа. Будем следовать логическим шагам решения численных задач:

1. Проанализируем проблему: здесь мы должны взять три переменные: две для входных данных и одну для сохранения выходного результата. Пусть числа A и B являются входными данными, а C — выходными переменными. Итак, мы можем записать это следующим образом: Входные числа: Целые числа A и B. Выходное число: Целое число C.
2. Разделим сложную задачу: Эта задача простая, поэтому нет необходимости делить её на мелкие модули.
3. Разработаем план: Псевдокод - представление плана решения простым языком. Псевдокод для сложения двух чисел, A и B, и сохранение результата(суммы) в третье число, C, записывается следующим образом:
   1. Сумма двух чисел. Это Название(суть решения) задачи.
   2. Ввод: целые числа A и B.
   3. Вывод: целое число C.
   4. C = A + B.
   5. Печать C.
   6. Конец.
4. Выполните план: теперь этот псевдокод может быть преобразован в язык программирования C:

   #include <stdio.h>
   
   int main(void)
   {
      int A = 0;
      int B = 0;
      int C = 0;
      printf("Enter two numbers A and B:\n");
   
      scanf("%d %d", &A, &B);
   
      C = A + B;
      printf("Summation of A and B is: %d\n", C);
   
      return 0;
   }
               

5. Обратное отслеживание: Как только вы получили результат в качестве выхода, вы можете попробовать альтернативные методы решения. Обычно, в первую очередь альтернативные методы решения ищут если вывод(результат) не соответствует ожидаемому. Тогда вернитесь к плану и проверьте код: возможно допущена какая-то ошибка, устраните её, чтобы получить правильный вывод. Только после того как выполнение программы гарантированно выдаёт ожидаемый результат, можно заниматься следующими этапами улучшения исходного кода, а именно: переписывать исходный код с целью увеличения его скорости выполнения, или с целью уменьшения требуемого объёма памяти машины(подробнее читайте далее в учебнике).

Техники решения проблем

Алгоритмы, псевдокод и блок-схемы являются основными методами или инструментами для решения проблемы с использованием компьютера. Более того, они преобразуются в реальные компьютерные программы с использованием языков программирования.

Алгоритм

План, как решать проблему шаг за шагом без использования аппаратного и программного обеспечения, называется алгоритмом. Затем эти шаги записываются на языке программирования в виде программы. Так создаётся программа. Другими словами, алгоритм — это план для компьютерной программы.

Опишем Характеристики алгоритма:

• Конечность: После определённого количества шагов алгоритм должен всегда завершаться.
• Однозначность или чёткость: Каждый из его шагов, а также входные и выходные данные должны быть легко понятны и приводить лишь к одному значению.
• Ввод: Он должен иметь чёткий способ предоставления входных данных.
• Вывод: Алгоритм должен чётко обозначать, каков будет результат.
• Эффективность: Каждый шаг должен быть необходимым.
• Независимость от языка: Он может быть написан на любом языке программирования.

Некоторые простые примеры алгоритмов:

• Алгоритм для сложения двух чисел, A и B, и сохранение суммы в число C:
  1. Объявите три целых числа A, B и C.
  2. Введите значение A и B.
  3. Сложите значения A и B.
  4. Сохраните результат Шага 4 в C.
  5. Выведите C.
  6. Конец
• Алгоритм для нахождения большего из двух чисел:
  1. Объявите два целых числа A и B.
  2. Введите значения A и B.
  3. Если A > B, выведите "A больше".
  4. Иначе, если B > A, выведите "B больше".
  5. В противном случае выведите "Числа равны".
  6. Конец
• Алгоритм для определения, является ли число чётным или нечётным:
  1. Объявите целое число A.
  2. Введите значение A.
  3. Если A % 2 == 0, тогда "выведите число ЧЁТНОЕ".
  4. Иначе "выведите число НЕ ЧЁТНОЕ".
  5. Конец
• Алгоритм для обмена значений двух чисел:
  1. Объявите три целых числа A, B и T.
  2. Введите значения A и B.
  3. Установите T = A.
  4. Установите A = B.
  5. Установите B = T.
  6. Выведите A и B.
  7. Конец

Блок-схема

Блок-схема — это диаграмма, которая показывает шаги для решения проблемы в виде алгоритма. Она используется для визуальной демонстрации того, как работает алгоритм. Это графическое представление алгоритма. Иными словами, это ещё одна техника представления проблемы, как алгоритма но в виде диаграммы или рисунка. В ней используются различные фигуры, которые связаны друг с другом линиями. Линии связей показывают, как, от куда и куда протекают информация и управление. Ниже представлены фигуры, которые используются в этом учебнике при изображении блок-схем:

Все фигуры для построения блок-схем

Фигура(Изображение)	Название	Применение	Пример
	Старт	Обычно так обозначается точка входа в главную функцию main() или Название алгоритма - какую задачу он решает.
	Завершение программы	Обычно так обозначается выход из главной функции main()
	Утверждение	Любое утверждение на языке С
	Условный оператор	Ветвление программы по условию либо в ветку 1(true/истина/да) либо в ветку 0(false/ложь/нет). Для простоты понимания - рекомендуется применять слова "ДА" и "НЕТ", как в ответах на вопросы в обычной жизни.
	Переключатель варианта	Выбирает один из вариантов выражения
	Вариант переключателя	Вариант, соответствующий значению утверждения в Переключателе
	Объявление Функции	Объявление Функции. Точка входа в функцию
	Вызов функции	Вызов функции. Перейти в функцию по её имени/адресу
	Комментарий	Добавление комментария. Обычно справа/сверху от фигуры, но может быть и вертикально по линии.
	Процедура	Асинхронная внешняя процедура, блок кода, модуль и т.п. - без возможности управления ею. Пока процедура не вернёт "завершение", "значение" или "ошибку" - Главная функция ждёт.
	Параметры	Формальные параметры необходимые для запуска кода. Инструкции препроцессора и т.п. данные необходимые до Главной функции.
	Структура	Своего рода "полка", у которой сверху указывается её название, а снизу список элементов данных содержащиеся в ней.
	Начало цикла	Сжатое визуальное представление начальной конструкции циклов(for, while, do-while)
	Конец цикла	Сжатое визуальное представление конечной конструкции циклов(for, while, do-while)
	Отправить параметр	Обычно обозначает отправку параметра/ов(снизу) какому либо получателю(сверху)
	Получить параметр/ры	Обычно обозначает получение параметра/ов(снизу) от какого либо получателя(сверху)
	Отправить	Чаще всего обозначают печать в консоль
	Получить	Чаще всего обозначают ввод данных пользователем из консоли
	Часы	Инициирование выполнения утверждения в заданный момент реальной даты/времени
	Длительность	Выполнение утверждения/ий в течении заданного промежутка времени
	Таймер	Подождать заданное время, прежде чем выполнить утверждение
	Параллелизм	Запустить два или более параллельных потока(веток) кода одновременно
	Управление Параллельным фоновым процессом	Запустить/Приостановить/Продолжить/Завершить независимый Параллельный фоновый процесс. Главная функция продолжает выполняться далее - не ждёт пока Выполняющийся фоновый процесс вернёт своё "завершение" или "ошибку"
	Соединитель	Буквенно-Цифровой индекс соединителя линии/ий алгоритма указывает на такой же соединитель на другом листе/странице

Блок-схемы условно делят на три типа по степени сложности:

1. Простая линейная - Состоит из нескольких базовых фигур, с помощью которых изображают простейшие алгоритмы. Обычно не имеет ветвления. Каждое действие идёт строго вертикально сверху вниз - шаг за шагом. Обычно с такой блок-схемы начинается проектирование программы.
2. Средняя линейная - Содержит в себе не большое количество фигур ветвления потока выполнения программы и один-два цикла. Как правило с помощью такой блок-схемы изображают детально работу конкретного алгоритма.
3. Крупная не линейная - Может размещаться на одном большом или нескольких листах/экранах/страницах посредством разбиения схемы на модули, блоки, процедуры и т.п. Содержит множество фигур ветвлений потока, циклов, функций и т.д. Состоит из Простых и Средних блок-схем.
4. Полная - Может размещаться на десятках и сотнях больших листах/экранах/страницах посредством разбиения схемы на модули, блоки, процедуры и т.п. Содержит множество фигур ветвлений потока, циклов, функций и т.д. Состоит из Простых и Средних и Крупных блок-схем.

Пример Простой линейной блок-схемы:

Пример Средней линейной блок-схемы:

Пример Крупной не линейной блок-схемы:

Псевдокод

Псевдокод используется для написания шагов решения конкретной задачи. Это краткая форма алгоритма. Она убирает ненужные слова из алгоритма. Псевдокод - это неформальный способ написания программы на структурированном родном языке программиста. Он концентрируется на логике алгоритма и не углубляется в детали синтаксиса какого либо языка программирования. Позже его можно напрямую преобразовать в программу на конкретном языке программирования. Тем не менее, сам по себе псевдокод не является компьютерной программой. Он только представляет алгоритм программы на обычном языке и математических обозначениях. Они обычно используются в учебниках и научных статьях для демонстрации сути алгоритма. Некоторые примеры псевдокода приведены далее.

Пример псевдокода на английском языке для сложения двух чисел:

1. START
2. INPUT: Integer A and B
3. C = A + B
4. Print C
5. END

Пример псевдокода на русском языке для сравнения двух чисел - какое больше, или равны ли два числа:

1. Начало
2. Ввести: Целые числа A и B
3. Если А больше В, тогда Печать "А больше В"
4. Иначе Если А равно В, тогда Печать "А равно В"
5. Иначе Печать "В больше А"
6. Конец

Пример псевдокода на английском языке для определения является ли число чётным или нечётным:

1. START
2. INPUT: Integer A
3. IF (A % 2) == 0 THEN Print "The number is EVEN"
4. ELSE Print "The number is ODD"
5. END

Пример псевдокода на русском языке для перестановки значений двух чисел:

1. Начало
2. Ввести: Целые числа A и B
3. Числу Т присвоить число А
4. Числу А присвоить число В
5. Числу В присвоить число Т
6. Конец

В таблице объясняется разница между Блок-Схемой, Алгоритмом и Псевдокодом:

Языки программирования

Чтобы проинструктировать компьютер как выполнять задачу, требуется язык программирования. Он используется для общения с компьютером путём написания компьютерной программы (набор инструкций/команд/утверждений). Существует три основных типа языков программирования:

1. Машинный уровень или низкоуровневый язык (НУЯП): Этот язык имеет только два символа, 0 и 1 (бинарные числа). Все данные и инструкции (программа) должны быть написаны в двоичном коде. Компьютер может непосредственно понимать код, написанный на этом языке, так как он может понимать только двоичный язык. Он также известен как машинный язык. Он не требует транслятора (компилятора, интерпретатора) для преобразования в другую форму, так как он непосредственно понятен компьютеру. Он очень близок к компьютеру, так как компьютер понимает только 0 или 1. Каждый компьютер имеет свой собственный машинный язык, поэтому он зависит от машины и запустить на другой не такой же машине его не получится. Писать программу на этом языке сложно, и ещё сложнее найти ошибки в ней. Вот пример того как такие низкоуровневые программы выглядят для программиста:
   • Гипотетическая программа для сложения двух чисел в двоичном формате. Следующая программа состоит только из трёх команд, записанных в двоичном виде:

     01010111 11010101
     11010101 10101011
     10101010 10101011

   • Чаще всего, программы на машинном уровне пишутся в восьмеричной или шестнадцатеричной системе счисления:

     57 D5
     D5 AB
     AA AB

2. Язык ассемблера: он использует символы для написания программы. Эти символы называются мнёмониками, например такие ADD, SUB, MUL и DIV, которые гораздо легче запомнить чем шестнадцатеричные коды. Эти мнёмоники написаны на основе сокращения английских слов. Его также называют языком среднего уровня, потому что он использует как естественный язык, так и символы. Он обладает характеристиками языков высокого уровня (ВУЯП) и языков низкого уровня (НУЯП). Компьютер не понимает их напрямую. Программе, написанной на Ассемблере, для выполнения требуется транслятор, который так и называется ассемблер (англ. Assembler - Сборщик), для преобразования из языка ассемблера в язык низкого уровня (НУЯП). Все инструкции, написанные на языке Ассемблера, различаются в зависимости от машины, поэтому они зависят от машины(машино-зависимые, аппаратно-зависимые, архитектурно-зависимые); то есть программа, написанная на одном типе компьютера, не будет выполняться на компьютере другого типа. Этот язык очень близок к компьютеру, так как он зависит от машины. Писать программу на этом языке легче, и отладка (удаление ошибок) значительно проще по сравнению с языком низкого уровня (НУЯП), но сложнее по сравнению с каким либо языком высокого уровня (ВУЯП). Вот пример кода на языке низкого уровня (НУЯП) для сложения двух чисел:

   LOAD A
   ADD B
   STORE C

   Как вы уже знаете язык C скорее ближе к языкам Среднего Уровня чем к Высокоуровневым. Так что условно можно определять язык С, как значительно более удобная версия низкоуровневого языка но на основе синтаксиса как у высокоуровневых языков. Так, выполнение сложения двух чисел на C записывается крайне просто:

   C = A + B;

3. Язык высокого уровня (ЯПВУ): Он упрощает программирование, используя естественный язык, такой как английский, для написания программы. Его легко изучить, так как он использует естественный язык. Компьютеры не могут напрямую понять код, написанный на этом языке, так как компьютер может понимать только двоичный язык. Поэтому требуется переводчик, чтобы преобразовать ЯВУ в ЯНУ, например, компилятор, интерпретатор и так далее. Он очень близок к человеку, потому что человек может легко его понять. Он не зависим от машины и портативен, поэтому его программу можно запустить на любом компьютере. Написать программу на этом языке очень просто, и отладка (удаление ошибок) также очень проста. Примеры ЯВУ: C, C++, JAVA, FORTRAN, PYTHON, PROLOG и так далее. Следующая программа на ЯПВУ. Пример: Программа на C для сложения двух чисел, которые машина запрашивает у пользователя через консоль(терминал):

   #include <stdio.h>
   
   int main()
   {
      int A;
      int B;
      int Sum = 0;	
      printf("Enter two numbers A and B : \n");	
      scanf("%d %d", &A, &B);	
      Sum = A + B;	
      printf("Sum of A and B is: %d", Sum);	
   
      return 0;	
   }

Трансляторы или обработчики языка

Языковые трансляторы или обработчики переводят или конвертируют программы, написанные на одном языке, на другой, например, из высокого уровня в низкий уровень. Программа, написанная на языке программирования, известна как исходный код; когда она транслируется на машинный язык, она становится объектным кодом. Простой механизм языковой трансляции показан на рисунке:

Существует в целом три типа языковых трансляторов:

1. Компилятор: Это программа, которая преобразует высокоуровневый язык в низкоуровневый. Она принимает полную программу в качестве входных данных и превращает её в низкоуровневый код. Исходный код — это программа, написанная на высокоуровневом языке. Когда она преобразована в низкоуровневый код, она становится объектным кодом. Таким образом, компилятор превращает исходный код во что-то, что называется объектным кодом. Как только объектный код был получен, он выполняется для получения результата. Это преобразование называется компиляцией.

   

   Функции компилятора

   Основная задача заключается в преобразовании языков высокого уровня в языки низкого уровня. Найти ошибки в исходном коде в соответствии с синтаксисом (грамматикой) языка. Отобразить ошибки, чтобы программист мог их устранить. Выделяет пространство для программы в основной памяти. Генерирует объектный код.

   • Интерпретатор: он преобразует программу на высокоуровневом языке в программу на низкоуровневом языке построчно; то есть одно выражение за раз переводится и сразу же выполняется. Программные выражения напрямую переводятся построчно в машинный язык без генерации объектного кода. В отличие от компилятора, интерпретатор - это простая программа, занимающая меньше места в памяти. Интерпретация программы занимает больше времени по сравнению с компиляцией, потому что в интерпретаторе каждое выражение должно быть переведено по отдельности. Таким образом, процесс компиляции занимает меньше времени, чем интерпретация.
   • Ассемблер: Программное обеспечение, которое преобразует программу на языке ассемблера в машинный или низкоуровневый язык, называется ассемблером(сборщиком). Программа, написанная на языке ассемблера, известна как исходный код, а выходные данные ассемблера известны как объектный код. После получения объектного кода он выполняется, чтобы получить результат. Функции ассемблера:
     • Основная задача заключается в том, чтобы преобразовать ассемблер в низкоуровневый код.
     • Найти ошибку в исходном коде в соответствии с синтаксисом (грамматикой) языка.
     • Вывести сообщение ошибки, чтобы программист мог её устранить.
     • Выделить место для программы в основной памяти.
     • Сгенерировать объектный код.

     Кроме выше упомянутых программ, следующие программы также поддерживают написание и выполнение программы:

     • Редактор: программа, которая предоставляет платформу для написания, изменения и редактирования исходного кода или текста. Этот текстовый редактор имеет свои собственные команды для написания, изменения и редактирования исходного кода или текста.
     • Компоновщик: Он создает исполняемый файл с расширением .exe, комбинируя объектные файлы, сгенерированные компилятором или ассемблером, и дополнительные куски кода. Компоновщик ищет и добавляет все библиотеки, необходимые для создания исполняемого файла, в объектный файл. Он объединяет два или более файлов в один файл, например, объектный код нашей программы и объектный код библиотечных функций, в один исполняемый файл.
     • Загрузчик: Это программа, которая загружает исполняемый код от компоновщика, помещает его в основную память и подготавливает его к выполнению на компьютере. Она выделяет программному коду память в основной памяти.

     В настоящее время все ранее упомянутые инструменты объединены в один программный пакет, который называется средой разработки (IDE). Некоторые примеры IDE включают Turbo C, CodeBlocks, Visual Studio, Microsoft Visual C++, Eclipse и так далее.

Процесс компиляции и выполнения

Существует несколько основных этапов, связанных с переводом программы на языке C(исходный код) в исполняемый файл, вот они:

1. Напишите программу в редакторе, которая является исходным кодом с расширением .c.
2. Исходный код передаётся компилятору, и компилятор генерирует объектный код с расширением .o. Если возникает какая-либо ошибка(синтаксическая ошибка), программист снова открывает исходный код в редакторе, находит ошибку, устраняет её и компилирует код снова.
3. Компоновщик связывает объектный код с некоторыми дополнительными файлами, такими как библиотечные файлы и другие куски кода, необходимые для выполнения программы. Компоновщик генерирует бинарный исполняемый файл с расширением .exe. Если возникает ошибка при компоновке, скажем, компоновщик не может связать файлы с объектным кодом, это называется ошибкой компоновки.
4. Этот исполняемый файл загружается в основную память машины загрузчиком.
5. После этого программа выполняется, и создается вывод в форме результата. Если возникает какая-либо ошибка (ошибка времени выполнения), программист снова открывает исходный код в редакторе, находит ошибку и устраняет её.

Изобразим визуально процесс Компиляции и Выполнения исходного кода в виде блок-схемы:

Синтаксические и логические ошибки в компиляции

Язык программирования имеет набор правил для написания утвердительных предложений(утверждений). Этот набор правил известен как грамматика языка. Грамматика имеет два типа ошибок:

1. Синтаксические ошибки: возникают, если программист нарушает правила грамматики при написании операторов. Например, отсутствие точки с запятой в конце оператора, использование не объявленных переменных в программе, неправильное написанных ключевых слов и так далее. Компилятор выявляет это во время компиляции. Изучите следующую программу:

   #include <stdio.h>
   void main()
   {
      int A = 2, B = 3, C;
      C = A + B
      printf("Sum is %d", C);
      getcha();
   }

   Напишите этот код, сохраните его и выполните. Какие ошибки компиляции сообщил Компилятор?

2. Логические или семантические ошибки: они возникают, когда логика программы неверна. Это связано со смысловым значением утверждения. Например, если программист ставит знак минус вместо знака плюс, то такая ошибка не выявляется на этапе компиляции(так как синтаксис утверждения верный). Но она выявится во время выполнения, когда программа выдаст неверные результаты. Например:

   A + B = C;
   A = B / 0;
               

   Напишите и выполните программу ниже, где допущена логическая ошибка?:

   #include <stdio.h>
   int main()
   {
      int A = 6;
      int B = 3;
      int C;
      C = A + B / 2;
      printf("Average of A = %d and B = %d is: %d", A, B, C);   
   
      return 0;
   }

Разные файлы, создаваемые при написании, компиляции и выполнении программы на C

Итак, повторим основные три типа файлов создаваемые при написании программ на языке С и запомним чем они отличаются:

1. Исходный код: Когда мы пишем программу, её необходимо сохранить с расширением .c. Процесс сохранения программы генерирует файл. Например, создаётся и сохраняется файл с именем sum.c. Этот файл и есть исходный код.
2. Объектный код: Исходный код передаётся компилятору, а компилятор генерирует другой файл, известный как объектный код. Он имеет расширение .o, например, sum.o. Входными данными для компилятора является исходный код, а выводом компилятора является объектный код.
3. Исполняемый код: с помощью компоновщика объектный код связывается с некоторыми дополнительными файлами, такими как библиотечные файлы и другие куски кода, необходимые для выполнения программы. Компоновщик генерирует бинарный исполняемый файл с расширением .exe, известный как исполняемый код. Например, объектный код sum.o преобразуется в sum.exe.

После успешного выполнения все три файла хранятся в рабочем каталоге C(в папке). Полный процесс показан на блок-схеме выше.

Заключение

В этой главе мы сосредоточились на методах решения проблем с помощью программирования, а также на различных подходах, используемых в решении проблем, таких как блок-схемы, алгоритмы и псевдокод. Кроме того, обсудили несколько уровней компьютерных языков, таких как высокоуровневые, низкоуровневые и язык ассемблера, а также инструменты, используемые для преобразования между этими уровнями, такие как компилятор, интерпретатор и ассемблер. Также изучили процесс, который будет использоваться для превращения алгоритма решения проблемы в настоящую программу.

Следующая глава будет посвящена введению и истории языка программирования C. Это необходимо, для понимания стратегии создания программ, т.е. как написать компьютерную программу имея лишь стратегию решения проблемы. Кроме того, мы обсудим основные компоненты программы на языке C и метод её выполнения.

Важные моменты

• Решение проблем — это процесс определения того, что необходимо сделать для решения проблемы.
• Шаги в решении логических и численных задач включают в себя анализ проблемы, разделение сложной задачи на небольшие простые задачи, разработку плана для решения проблемы, выполнение плана и обратный подход.
• Тремя основными инструментами для решения задач являются алгоритмы, блок-схемы и псевдокоды.
• Алгоритм — это план того, как шаг за шагом решить проблему без компьютерного оборудования и программного обеспечения.
• Блок-схема — это диаграмма, которая показывает шаги для решения проблемы, на основе алгоритма.
• Псевдокод — это неформальный способ написания программы на структурированном обычном человеческом языке(на вашем родном). Он сосредоточен на логике алгоритма и не углубляется в детали синтаксиса конкретного языка программирования.
• Чтобы задать компьютеру выполнение задачи, требуется язык, который называется языком программирования.
• Самый Низко-Уровневый Язык программирования (LLL) имеет только два символа, 0 и 1. Это машинный код.
• Высоко-Уровневый ЯП (HLL) использует естественный язык, такой как английский, для написания программы.
• Ассемблерный язык использует символы для написания программ. Эти символы называются мнёмониками, которые легко запомнить, такие как ADD, SUB, MUL и DIV.
• Трансляторы(Переводчики, обработчики) языка транслируют(переводят или конвертируют) программу, написанную на одном языке, на другой, например, с высокоуровневого языка на низкоуровневый.
• Компилятор — это программа, которая преобразует языки высокого уровня (HLL) в языки низкого уровня (LLL). Она принимает полный HLL программный код на вход и преобразует его в LLL.
• Ассемблер - это программа, которая преобразует программу на ассемблере в машинный код или LLL.
• Редактор кода — это программа, которая предоставляет платформу для написания, изменения и редактирования исходного кода или текста.
• Компоновщик ищет и добавляет все библиотеки, необходимые для того, чтобы сделать файл исполняемым в объектном файле.
• Загрузчик - это программа, которая загружает исполняемый код из компоновщика, помещая его в основную память и подготавливает к выполнению на компьютере.
• Синтаксическая ошибка возникает, если программист нарушает грамматические правила при написании утверждений.
• Логические или семантические ошибки возникают, когда логика(смысл) программы неверна.
• Когда мы пишем программу, её необходимо сохранить с расширением .c. Процесс сохранения программы генерирует файл исходного кода.
• Исходный код передаётся компилятору, и компилятор генерирует другой файл, известный как объектный код.
• Компоновщик генерирует бинарный исполняемый файл с расширением .exe, известный как исполняемый код, связывая необходимые файлы с объектным кодом.

Важные вопросы

1. Что вы имеете в виду под решением проблем? Напишите различные техники для этого с их преимуществами и недостатками.
2. Опишите различные шаги, используемые в решении логических и числовых задач.
3. Опишите различные этапы, используемые для решения реальной проблемы. Объясните их, взяв подходящий пример.
4. Напишите алгоритм, блок-схему и псевдокод для задачи нахождения наибольшего из трех чисел.
5. Напишите алгоритм, блок-схему и псевдокод для нахождения корней квадратного уравнения.
6. Что такое язык программирования? Объясните его разные типы с их преимуществами и ограничениями.
7. Что вы имеете в виду под языковыми трансляторами(переводчиками или обработчиками)? Объясните их различные типы.
8. Опишите и обсудите процесс компиляции и выполнения.
9. Опишите разницу между синтаксическими и логическими ошибками.
10. Опишите разницу между компилятором и интерпретатором.
11. Объясните разные файлы, генерируемые при написании, компиляции и выполнении программы на языке C.

Электронная Вычислительная Машина

• Введение
• Блок-схема функциональных единиц/компонентов компьютера
• Данные и информация
• Классификация компьютеров
  • Классификация по поколениям или историческому развитию
  • Классификация по назначению
  • Классификация по используемой технологии
  • Классификация по количеству пользователей
• Характеристики компьютера
  • Автоматичность
  • Быстродействие
  • Точность
  • Многофункциональность
  • Усердие
  • Нулевой уровень интеллекта
  • Память
  • Экономичность
• Преимущества компьютера
• Ограничения компьютера
• Применения компьютера
• Заключение
• Важные моменты
• Важные вопросы

Введение

Эта глава исследует основные аспекты компьютеров. Понимание ключевых компонентов и концепций компьютеров является важным в цифровую эпоху. В этой главе будут рассмотрены строительные блоки компьютера, отличия между различными типами компьютеров и ключевые характеристики, которые делают компьютеры незаменимыми в нашей жизни. Мы углубимся в преимущества и ограничения разнообразных применений этих электронных устройств и подведём итоги ключевых моментов главы и важных вопросов для дальнейшего изучения. Давайте начнём путешествие в мир компьютеров.

Глава этой книги направлена на предоставление всестороннего понимания компьютеров и их неотъемлемых компонентов. Мы исследуем данные, классификацию компьютеров, их основные характеристики, а также преимущества и ограничения этих машин. Рассмотрим их разнообразные области применения, подведём итоги и предоставим ключевые выводы и зададим важные вопросы для более глубокого понимания темы.

Термин компьютер происходит от слова вычисление(англ. compute - высчитывать, вычислять, считать). Компьютер — это электронное устройство, которое принимает данные и набор инструкций в качестве входных данных от пользователя, обрабатывает данные и выдает информацию в качестве результата. Этот полный цикл известен как цикл ввода-обработки-вывода, как показано на схеме:

Схема ниже показывает базовые компоненты любой вычислительной машины:

Блок-схема функциональных единиц/компонентов компьютера

В общем базовом случае, ЭВМ состоит из четырех функциональных блоков, которые соединены между собой, образуя компьютер:

Все Блоки соединены друг с другом через системные шины(провода) и в целом определяют архитектуру машины. На сегодня количество различных архитектур ЭВМ огромно. Существует три основных шины:

• Шина Данных - осуществляет передачу данных от одного Блока к другому;
• Шина Управления - передает управляющие сигналы, сгенерированные Блоком Управления;
• Шина Инструкций - передает инструкции(команды).

Блок Ввода

Получает данные или программу от пользователя или других носителей (устройств). Отвечает за считывание ввода. Функции устройств ввода выполняются различными устройствами, такими как:

• клавиатура
• мышь
• джойстик
• сенсорный экран
• сканер
• и т. д.

Устройство Ввода обычно выполняет три основные функции, которые заключаются в следующем:

• принимает ввод от пользователей в читаемой для человека форме, которая написана на английском языке(чаще всего);
• преобразует ввод от пользователей в формат, читаемый компьютером (двоичный язык);
• предоставляет преобразованные данные компьютерной системе для дальнейшей обработки.

Блок Вывода

Устройство Вывода принимает обработанный результат от компьютера и делает его доступным для конечного пользователя. Функции устройств вывода выполняются различными устройствами, такими как:

• монитор
• принтер
• динамики
• плоттер
• и т. д.

Устройство Вывода как правило, выполняет три основных функции:

• принимает обработанные результаты от компьютера в формате, читаемом компьютером (двоичные данные - это форма сигнала);
• преобразует формат, читаемый компьютером, в формат, читаемый человеком (английский, русский, аудио, видео и т. д.);
• поставляет преобразованный результат конечным пользователям.

Устройства Вывода условно можно разделить на три типа:

• Генерирующих сенсорную информацию воспринимаемую человеком через органы чувств - Эти устройства создают электронную версию вывода. Например, монитор генерирует изображение на экране, динамик генерирует звуковые сигналы, вибро-моторы генерируют вибрации в джойстике, и т.п.
• Выполняющие физическую запись данных в файлы, которые хранятся на жестком диске, флэш-накопителях и т.п.,
• Создающие или изменяющие физические предметы - Печать на бумаге, 3-Д принтеры, прожиг оптических дисков и т.п.

Блок Центрального Процессора

Обычно говорят просто Процессор или Центральный Процессор. Это блок обработки процесса выполнения операций над данными согласно командам и данным от пользователя. Центральный процессор (ЦП) работает как единый блок обработки в компьютере. Он выполняет вычисления и операции обработки данных, введённых через устройства ввода. Его также называют мозгом компьютера. Основные компоненты ЦП следующие:

• Арифметико-логическое устройство (АЛУ) - отвечает за выполнение арифметических и логических функций. Например арифметических:
  • сложение,
  • вычитание,
  • умножение,
  • деление,
  • и так далее.
  Пример логических функций:
  • И,
  • ИЛИ,
  • ИНВЕРСИЯ,
  • и др.
• Управляющее устройство (УУ), (тоже самое - Устройство Управления, Блок Управления) - действует как центральная нервная система компьютера. Генерирует управляющие сигналы, которые управляют и контролируют все компоненты компьютера.
• Набор Регистров - это самая быстрая память, которая только доступная Процессору. Состоит из минимального объёма памяти. Размер Регистров измеряется количеством бит, которые они могут хранить; например, 8-битный регистр, 16-битный регистр, 32-битный регистр, 64-битный регистр и так далее.

Блок Памяти

Его задача - хранить данные и инструкции/программы. ЦП обращается к данным и программам в памяти и обрабатывает их. Если генерируется какой-либо промежуточный результат, он сохраняется в памяти, и окончательный результат также сохраняется в памяти. Память разбита на ячейки. Каждая ячейка имеет собственный адрес. ЦП обращается к памяти, генерируя адрес ячейки. Работа памяти с ЦП показана на рисунке:

Компьютерная память условно делится на три типа:

• Первичная/Основная/Внутренняя Память. Основная память является временным хранилищем и также известна как рабочая память. Процессор напрямую обращается к этой памяти. Она хранит все временные данные/инструкции, пока компьютер работает. Примеры основной памяти:
  • Память Случайного Доступа, она же RAM - Random Access Memory, она же ОЗУ - Оперативное Запоминающее Устройство(Оперативная память),
  • Память только для чтения, она же ROM - Read Only Memory, она же ПЗУ - Постоянное Запоминающее Устройство.
• Вторичная/Вспомогательная/Внешняя Память. Вторичная память не подключена напрямую к ЦП. Сначала ЦП обращается к ОЗУ(поэтому её и называют первичной памятью). Затем осуществляется доступ ко вторичной памяти. Вторичная память является постоянной. Постоянная - означает, что память хранит данные, даже когда питание машины отключено. Она сохраняет данные постоянно. Обычно её используют для резервного (постоянного) хранения данных, чтобы их можно было использовать в будущем. Вторичная память значительно медленнее первичной памяти; данные, хранящиеся в основной памяти, доступны за наносекунды (1/1 000 000 000 сек - одна миллиардная секунды), а данные из вторичной памяти могут быть доступны за миллисекунды (1/1000 сек - одна тысячная секунды). Примеры вторичной памяти:
  • жесткий диск (HDD)
  • флеш-накопитель
  • компакт-диск (CD)
  • цифровой универсальный диск (DVD)
  • твердотельный накопитель (SSD)
  • и др.
• Стоит упомянуть, что кроме Регистров, внутри ЦП ещё есть и так называемая КЭШ-память. Это своего рода личное ОЗУ Процессора. В современных процессорах и уже в микроконтроллерах, КЭШ (англ. cash - наличные деньги при себе) встраивают несколько уровней КЭШ-памяти. И дают им определения как L1, L2, L3 - ( англ. Level - уровень) . L3 - самая медленная, но она быстрее ОЗУ. L2 - быстрее L3, а L1 - быстрее L2. Регистры быстрее L1. Доступ к КЭШу и Регистрам возможен за десятые наносекунды (1/10 000 000 000 сек - одна десяти-миллиардная секунды).

На рисунке показано подключение первичной и вторичной памяти к ЦП:

Стоит уточнить, что сами по себе Первичная и Вторичная носители памяти не умеют изменять, отправлять, получать данные - всеми этими процедурами управляет Процессор.

Данные и информация

Слово данные происходит от слова данное, которое является единственным числом. Данные состоят из сырых фактов и цифр, предоставленных компьютеру в качестве входных данных. Компьютер обрабатывает данные и преобразует их в информацию. Следовательно, информация определяется как обработанные данные. Например, оценки студентов – это данные; когда они обрабатываются, они становятся результатом, который является информацией. Ещё один пример: имена студентов в классе могут рассматриваться как данные, когда они обрабатываются и упорядочиваются в алфавитном порядке - тогда они становятся информацией. На рисунке показаны взаимосвязи между данными и информацией:

Данные состоят из чисел, букв и символов. Например, следующие символы используются при создании данных:

• 1, 2, 3...
• A, B, C...
• a, b, c...
• +, -, @...

Основная цель преобразования данных в информацию заключается в получении полезной информации, используемой для принятия решений. Очень сложно принимать решения, основываясь на сырых данных. Мы можем различать данные и информацию, как показано в таблице:

Классификация компьютеров

Компьютеры можно классифицировать по различным параметрам, таким как время, назначение, количество пользователей, используемые технологии, размер(объём) памяти.

Классификация по поколениям или историческому развитию

Поколения компьютеров основаны на временной шкале, начиная с того момента, когда компьютеры были разработаны или построены. Каждое поколение имеет промежуток времени существования: от 10 до 20 лет, и включает различные технологии, используемые для разработки компьютеров, за исключением нулевого поколения. На текущий момент можно говорить о шести поколениях:

Ведутся исследования в области Квантовых и Оптических компьютеров. И те и другие считаются следующим шагом после эры транзисторов - после 5 поколения.

Классификация по назначению

В зависимости от назначения компьютеры можно разделить на две категории:

• Специализированные - Они также известны как специальные компьютеры. Эти компьютеры предназначены для обработки некоторых специальных задач пользователей. Они разработаны для выполнения определённых задач и не могут выполнять другие задачи. Они не универсальны по своей природе. Например, банкоматы, системы управления светофорами и симуляторы прогнозирования погоды - это устройства специального назначения, которые выполняют конкретные задачи.
• Общего назначения - Эти компьютеры могут быть использованы для всех видов нужд пользователей. Это универсальные компьютеры, способные выполнять различные задачи. Персональные компьютеры (ПК) относятся к этой категории. Некоторые из общих задач включают игры, прослушивание музыки, просмотр в интернете, редактирование текста, создание документов и т.п.

Классификация по используемой технологии

В зависимости от используемой технологии вычисления, компьютеры делятся на три категории:

• Аналоговые
• Цифровые
• Гибридные

Классификация на основе технологии может быть представлена в виде диаграммы:

Аналоговые - Это специализированные компьютеры. Эти компьютеры используются для измерения аналоговых сигналов. На рисунке ниже показана зависимость аналогового сигнала от времени. Аналоговый сигнал может имеет разное значение с течением времени. Например, такие электрические параметры как: сила тока, напряжение, сопротивление, ёмкость заряда, сила магнитного поля, и др. являются аналоговыми параметрами. Они представляют собой измеренные параметры таких физических величин как например: Скорость движения, скорость ускорения, расстояние одного объекта до другого объекта, температура, влажность, количество пыли в камере, угол поворота рычага и многие другие параметры. Следовательно аналоговый сигнал не имеет какого-то одного или нескольких фиксированных уровней значения.

Итак, компьютеры, которые измеряют эти сигналы, известны как аналоговые компьютеры. Например, скорость измеряется компьютером, известным как спидометр; амперметр измеряет силу электрического тока; вольтметр измеряет напряжение; давление измеряется барометром и т.п.

Цифровые - Это универсальные компьютеры. Цифровые компьютеры используются для обработки цифровых (дискретных) сигналов, то есть сигнал может либо отсутствовать - 0 или присутствовать - 1. Хотя пользователь вводит данные в виде десятичных чисел или в виде символов, внутри компьютера они всегда преобразованы в цифровую форму нулей и единиц. Примеры цифровых компьютеров - персональные компьютеры, ноутбуки, смарфоны и так далее.

Гибридные - Это сочетание цифровых и аналоговых компьютеров. Они обрабатывают как аналоговые, так и цифровые сигналы. Они используют аналого-цифровые преобразователи(АЦП - преобразует аналоговый сигнал в цифровой) и цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП - преобразует цифровой сигнал в аналоговый).

Типичными примерами аналого-цифровых преобразователей являются всевозможные датчки: пожарные датчики дыма, датчики объёма топлива в баке автомобиля, датчики давления воды в насосе, и т.п. - т.е. когда параметры окружающей среды или свойства(характеристики) предмета переводятся из аналогового вида в цифровой(дискретный).

Типичными примерами цифро-аналоговых преобразователей являются: Аудио-карта в вашем компьютере, Монитор компьютерный или Экран ноутбука,- каждый пиксель которых состоит из трёх точек: красного, синего и зелёного цвета. Цифро-аналоговые преобразователи в них преобразуют цифровые данные о каждом цвете в их непосредственную интенсивность свечения, и на выходе мы видим разноцветное аналоговое изображение. преобразователи частоты заданной в цифровом виде преобразуют в скорость вращения электро-мотора, преобразователи угла заданного в цифровом виде преобразуют в положение заслонки подачи газовой смеси в камеру, и т.п. - т.е. когда цифровое значение(числовое) сохранённое внутри компьютера преобразуется в свойства(характеристики) предмета или окружающей среды в аналоговом виде.

Кроме того, условно, цифровые компьютеры можно поделить на следующие четыре типа:

• Микрокомпьютеры: они используют микропроцессор (чип(микросхема), содержащий все компоненты процессора) в качестве своего процессора. Эти компьютеры предназначены для одного пользователя, малы по размеру, имеют небольшую память и выполняют простые задачи. Примеры: ПК и ноутбуки в базовой комплектации.
• Мини-компьютеры: Мини-компьютеры быстрее и мощнее, чем микрокомпьютеры. Эти компьютеры предназначены для работы как с одиночными пользователями, так и с многопользовательскими системами. Однако количество пользователей ограничено. Эти компьютеры являются компьютерами среднего класса и стоят дороже, чем микрокомпьютеры. У этих компьютеров больше памяти, чем у микрокомпьютеров, и они выполняют сложные задачи. Примеры: ПК и ноутбуки многокомпонентной сборки - несколько процессоров, сотни гигабайт ОЗУ, несколько видеокарт, специальное сетевое и серверное оборудование, специализированное ПО и т.п.
• Мэйнфреймы: Мэйнфреймы мощнее мини-компьютеров. Как правило, их используют в качестве серверов. Эти многопользовательские компьютеры обладают большей мощностью обработки и памятью, чем мини-компьютеры. Их используют в крупных организациях, таких как университеты, банки, железнодорожные и авиакомпании, где большое количество пользователей часто получает доступ к их базам данных. Примеры: серверы, IBM S/390, Amdahl 58 и так далее.
• Суперкомпьютеры: Эти компьютеры являются самыми быстрыми, мощными и дорогими среди всех компьютеров. Суперкомпьютеры обрабатывают большое количество данных и используются для решения научных задач, где требуются быстрые вычисления. Они используются в области мониторинга климата и прогнозирования погоды, и т.п.

Классификация по количеству пользователей

В зависимости от количества пользователей, взаимодействующих с компьютером одновременно, компьютеры классифицируются на две категории:

• Однопользовательские машины: В этих компьютерах один пользователь может взаимодействовать с компьютером в одно время и выполнять свои задачи. Примеры включают ноутбуки, настольные компьютеры, карманные компьютеры, смартфоны и т.д.
• Мультипользовательские компьютеры: они способны одновременно выполнять задачи многих пользователей. Примеры: серверы, мэйнфреймы и суперкомпьютеры.

Характеристики компьютера

Сегодня современные компьютеры обладают следующими характеристиками:

• Автоматичность

  Компьютеры по своей сути автоматические, поскольку могут выполнять задачи без вмешательства пользователя. Пользователям нужно только задать задачу компьютеру, после чего он автоматически завершает её в соответствии с инструкциями программы, хранящимися в нём, и выдает окончательный результат.

• Быстродействие

  Компьютер – это очень быстрая вычислительная машина. Он может выполнять миллионы, сотни миллионов и миллиарды операций в секунду. Скорость компьютера обычно измеряют в:
  • миллионах инструкций в секунду (MIPS - Million Instructions Per Second)
  • операциях с плавающей запятой в секунду (FLOPS - FLoating-point Operations Per Second)
  • циклах на инструкцию (CPI - Cycles Per Instruction)
  • инструкциях в секунду (IPS - Instructions Per Second)
  • и т.п.

• Точность

  Компьютеры обеспечивают 100% правильные результаты, при условии, что правильные данные и программы вводятся в систему. Это работает по принципу "если мусор на входе - то мусор и на выходе" (GIGO - Garbage In Garbage Out), что означает, что если вы вводите мусор(неправильные данные или программу) в компьютер, вы получите мусор(неправильный результат) на выходе в виде информации. Из принципа "если мусор на входе - то мусор и на выходе"(GIGO) ясно, что выходные данные, производимые компьютером, полностью зависят от вводимых данных и программы.

• Многофункциональность

  Роль компьютеров в нынешнюю эпоху многообразна(многофункциональна). Они могут выполнять множество задач, например, в расчётах, развлекательной деятельности, бизнесе, играх, обучении и симмуляциях. Таким образом, это многофункциональная машина.

• Усердие

  Машина может выполнять одну и ту же задачу неоднократно, не уставая от этого как человек, с такой же степенью точности и надёжности, как и в первый раз. Поэтому, в отличие от человека, она никогда не утомляется, не теряет концентрацию и свободна от эмоций.

• Нулевой уровень интеллекта

  IQ компьютера равен нулю, потому что он не может выполнять никакие задачи самостоятельно и не обладает способностью сопоставления решений. Тем не менее, люди пытаются сделать компьютеры умными с помощью концепций искусственного интеллекта.

• Память

  Компьютер может хранить данные без их потери в течение нескольких лет во вторичной памяти. Сохранённые данные могут извлекаться и использоваться по мере необходимости. Он не теряет данные, пока его не попросят это сделать. Те же данные можно получить через несколько лет в том же виде и содержании, как и в день их ввода в память.

• Экономичность

  Компьютеры могут приносить большую ценность, в отношении к своей стоимости как изделия, если их правильно использовать для экономии времени, денег и энергии. Например, если мы хотим отправить письмо или документ обычной почтой, это займет больше времени, ресурсов и энергии, чем электронное письмо, которое отправляется мгновенно по сети.

Преимущества компьютера

Отметим некоторые преимущества компьютеров, компьютеры могут:

• Простое копирование данных в цифровом виде
• Выполнять сложные вычисления очень быстро
• Хранить полезную информацию продолжительное время
• Выполнять задачи самостоятельно, то есть автоматически, по предоставленным данным и программам
• Выдавать пользователям информацию в понятном им виде
• Выполнять однотипную работу очень быстро
• Сортировать, организовывать и искать большие объёмы данных и информации
• Экономить много времени, выполняя задачи невероятно быстро по сравнению с людьми
• Увеличивает количество способов связи и каналов взаимодействий, то есть посредством интернета, телефона, сотовой сети и т.п.

Ограничения компьютера

Однако, есть у электронных вычислительных машин и недостатки:

• Нет здравого смысла, так как у него нулевой IQ
• Не может принимать решения самостоятельно
• Не может исправить неправильно написанную программу
• Полностью зависит от человеческих программ
• Постоянная угроза неавторизованного доступа к информации с какой-либо незаконной целью
• Безопасность данных и информации является серьезной проблемой
• Вирусы и хакерские атаки позволяют красть или повредить вашу информацию без вашего ведома
• Увеличивает уровень рисков киберпреступности внутри организаций
• Долгое(более 5-ти часов в день) сидение за компьютером вызывает проблемы со здоровьем, такие как ухудшение зрения, боли в шее, спине, головные боли, защемление нервов в руках, позвоночнике, ногах, стресс, низкое давление, инсульты и т.п.
• В виду того, что Информационные Технологии постоянно развиваются - программист должен непрерывно учиться и переучиваться, что бы обладать актуальными знаниями в своей сфере деятельности и в смежных областях. Однако с возрастом у человека интеллектуальные способности ухудшаются из-за старения организма и поддерживать непрерывность самообразование становится сложнее.
• Непрерывное потребление электрической энергии и как следствие уничтожение ископаемых(извлекаемых из недр планеты) природных ресурсов-энергоносителей таких как: нефть, уголь, газ, ядерное топливо, вода и т.п.
• Непрерывное развитие и инновации в электронной промышленности ведут к необходимости добывать ископаемые и не ископаемые материалы природных ресурсов таких как: вода, редкие металлы, полимеры и пластик, стекло, газы и т.п.
• После срока службы, электронный мусор - все компоненты вычислительных устройств выбрасывают в окружающую среду - на свалку. Но так как внутри этих компонентов находятся выше описанные материалы, а извлечь их обратно для применения в электронной промышленности крайне тяжело, то встал вопрос о развитии технологий переработки электронного мусора. На текущий момент, полноценно работающих перерабатывающих циклов не существует, поэтому накопление электронного мусора на планете растёт, а количество ископаемых материалов заканчивается. Многие материалы вредны для человека, животных, растений, воды и грунта - и вызывают болезни. Такие материалы как металлы, стекло, пластики практически не разлагаются и будут лежать в грунте тысячелетиями или дольше.

Применения компьютера

В настоящее время компьютер является универсальной машиной. Вот некоторые из областей человеческой деятельности, где используются компьютеры постоянно:

• Редактирование и обработка текстов - Одним из основных приложений компьютеров является текстовый процессор. Он создает, организует, читает и пишет документы Word. Некоторые программы для обработки текста - это MS Office, PDF-ридер и так далее.
• Банковские услуги - Компьютер является основой банковской системы, поскольку мир движется к безналичному обществу. Человек может выполнять все виды транзакций, не посещая банк физически, через электронное банкинг в любое время и в любом месте. Ваши деньги всегда остаются с вами круглосуточно.
• Развлечения - Сегодня компьютер не ограничивается расчетами. Он также используется для развлечений. Некоторые примеры включают компьютерные игры, просмотр фильмов и прослушивание песен и так далее.
• Наука и технология - Компьютер очень полезен для выполнения научных расчетов с быстротой и точностью. Он используется для научных экспериментов, сбора и анализа данных и так далее. Компьютер также используется в симуляции для обучения и тестирования.
• Образование и обучение - Сегодня компьютер является необходимостью как для учителя, так и для студента. Компьютер помогает студентам как в классе (умных классах), так и вне его эффективно усваивать концепции. Некоторые из применений компьютеров в образовании — это онлайн-библиотеки, электронные книги, образовательные сайты, электронное обучение, видео-лекции, видеодемонстрации и так далее.
• Электронная коммерция - Электронная коммерция также известна как электронная торговля. Это процесс покупки и продажи товаров через интернет (онлайн). Покупатель может приобрести товары онлайн, не выходя на рынок физически, а продавец может продавать свой товар, не открывая магазин/рынок. Средства переводятся с помощью электронного банкинга, то есть онлайн-банкинга/кредитной карты/дебетовой карты и так далее.
• Автоматизация предприятий - Робот — это машина, управляемая компьютером, которая используется для автоматического выполнения задач в экстремальных условиях, таких как высокая температура и высокое давление, без вмешательства человека. Логистика и Склады хранения, учёта, сортировки и отправки товаров.
• Научные исследования - Для проведения исследований компьютер является обязательным устройством. Он используется для всех исследовательских действий, таких как определение проблемы, обзор литературы, сбор образцов, проектирование исследования, анализ данных и проведение экспериментов.
• Коммуникационные технологии и связь - В современном мире компьютер используется для быстрой передачи наших данных с помощью различных сетей. Некоторые из способов общения включают: электронную почту, голосовые и видео звонки, в социальных сетях происходит обмен текстами, изображениями и видео, и так далее.
• Хранение данных и доступ к информации через Интернет - Видео-хостинги, хостинги изображений, трансляции видео и аудио информацией.
• Автоматизация окружающей среды - Интернет Вещей, Интернет Всего - эти технологии строятся на микро- и нано-компьютерах(на основе микроконтроллеров), позволяющих собирать данные от датчиков размещаемых в окружающей среде и на устройствах и предметах. Полученные данные обрабатываются и выдаётся информация о необходимости выполнения определённых действий. Например: системы противопожарной защиты зданий(пожарные сигнализации), охранные сигнализации, системы охранного видео наблюдения, мониторинг состояния влажности почвы, радио-сети обмена сообщениями без интернета.
• Искусственный Интеллект - Развивающаяся область информационных технологий вобравшая в себя практически все выше описанные применения компьютеров.

Заключение

Эта глава кратко разъяснила вам основные компоненты компьютеров, которые включают в себя фундаментальные составляющие компьютера, такие как блок ввода, блок вывода, устройства памяти и процессор. Также было удалённо внимание работе компьютеров и их компонентов, компьютерным приложениям и ограничениям. Рассмотрена детальная классификация компьютеров по времени, историческому развитию, назначению, используемой технологии и количеству пользователей. Также обсуждены различные характеристики компьютера, такие как быстродействие, многофункциональность, автоматичность и др.

Теперь вы знаете что такое центральный процессор и его компоненты, память и её типы. Узнали о том как инструкции/команды/выражения извлекаются из памяти и выполняются процессором. Получили представление об иерархии памяти, её размерах и скорости работы.

Важные моменты

Вспомните следующие важные моменты, и подумайте о них:

• Компьютер — это электронное устройство, которое принимает данные и команды (инструкции) в качестве входных данных от пользователя, обрабатывает данные и производит информацию в качестве выхода.
• Компьютер следует циклу «вход-обработка-выход». Компьютерные блоки соединены через системные шины (провода).
• Существует три основные шины: шина данных, шина управления и шина инструкций.
• ЦП известен как мозг компьютера.
• Устройство Управления действует как центральная нервная система компьютера.
• Регистр — это мгновенно доступная память внутри ЦП.
• Основная память хранит все текущие временные данные/инструкции во время работы компьютера.
• Вторичная память используется для резервного хранения (постоянного хранения) данных, чтобы они могли быть использованы в будущем.
• Данные — это сырые факты и цифры, состоящие из символов, таких как числа и буквы алфавита. Они неорганизованны по своей природе.
• Информация производится из данных.
• Компьютеры нулевого поколения были механическими компьютерами.
• Компьютеры первого поколения использовали много вакуумных трубок для вычислений.
• Компьютеры второго поколения использовали транзисторы для вычислений.
• Компьютеры третьего поколения использовали интегральные схемы для вычислений.
• Аналоговые компьютеры используются для измерения аналоговых сигналов.
• Цифровые компьютеры используются для обработки цифровых сигналов, то есть 0 и 1.
• Гибридные компьютеры являются комбинацией цифровых и аналоговых компьютеров.
• Микрокомпьютеры используют микропроцессоры (чип, содержащий все компоненты ЦП) в качестве своего ЦП.
• Мини-компьютеры быстрее и мощнее микрокомпьютеров.
• Мейнфреймы мощнее мини-компьютеров.
• Суперкомпьютеры самые быстрые, самые мощные и самые дорогие среди всех компьютеров.
• В однопользовательских компьютерах один пользователь может взаимодействовать с компьютером в одно время.
• Многопользовательские компьютеры способны выполнять/обрабатывать задачи многих пользователей одновременно.
• Быстродействие компьютера можно измерять в терминах MIPS, FLOPS, CPI, IPS и так далее.
• Компьютеры предоставляют 100% правильные результаты, при условии, что корректные данные и программы введены в систему.
• Компьютеры универсальны. Вот почему они могут выполнять разноплановые задачи.
• IQ компьютера равен нулю.
• Компьютеры следуют принципу "мусор на вводе - мусор на выводе"(GIGO).

Важные вопросы

Дайте ответы на вопросы ниже, если затрудняетесь - прочитайте ещё раз текст выше:

1. Что такое компьютер? Объясните из чего он состоит. Приведите области его применения.
2. В чём различие между данными и информацией. Что более полезно для человека?
3. Чем отличаются первичная и вторичная память.
4. Что такое шина? Сколько типов шин вы уже знаете. Объясните назначение каждой шины.
5. Какие различные вычислительные устройства использовались в разных поколениях? Объясните главные их отличия.
6. Что такое ИС - Интегральная Схема? Укажите различные их типы.
7. Объясните поколения компьютеров. Сравните поколения между собой. Какое из них лучше и почему?
8. Классифицируйте компьютеры на основе их исторического развития, назначения, использованной технологии, числа пользователей и размера.
9. Обсудите разницу между микро-компьютерами и мини-компьютерами.
10. Сравните супер-компьютеры и мейнфреймы. Также опишите их области применения.
11. Опишите основные характеристики компьютера.
12. Что такое концепция "мусор на вводе - мусор на выводе"(GIGO)? Объясните её.

Центральный Процессор и Память

• Введение
• Процессор
  • Из чего состоит Процессор
  • Арифметико-Логический Блок
  • Блок Управления
  • Регистры Процессора
• Инструкции внутри Процессора: Работа Процессора
  • Пошаговое выполнение одной инструкции
• Быстродействие Процессора
  • Частота тактового сигнала
• Общее количество ядер процессора
• КЭШ-память процессора
• Блок Памяти
  • Главная (Внутренняя) Память
    • Оперативное Запоминающее Устройство
    • Постоянное Запоминающее Устройство
  • Вторичная (Внешняя) Память
    • Последовательный доступ к памяти: магнитная лента
    • Полу-свободный доступ к памяти
  • Иерархия памяти
  • Измерение памяти
    • Примеры преобразования единиц памяти
• Заключение
• Важные моменты
• Важные вопросы

Введение

Эта глава углубится в суть компьютерных систем — Центрального процессора (ЦП) и его ключевую роль в выполнении инструкций. Мы раскроем сложные механизмы работы ЦП, шаги, которые он предпринимает для выполнения одной инструкции, и важность скорости ЦП. Кроме того, мы исследуем единицы памяти, от быстрой основной памяти до объёмной вторичной памяти, и как они формируют основу иерархии памяти компьютера.

Цель этой главы - предоставить полное понимание основных компонентов аппаратного обеспечения компьютера и их взаимодействия. Читатели получат представление о Центральном Процессорном Устройстве (ЦП) и процессе выполнения его инструкций, поймут значение скорости ЦП, изучат различные единицы памяти, осознают иерархию памяти и научатся эффективно измерять и управлять компьютерной памятью.

Процессор

Процесс обработки данных в соответствии с командой, заданной пользователем, называется обработкой. Центральный процессор (CPU) работает как единица обработки в компьютере. Он выполняет вычисления и операции обработки данных на данных, введённых с помощью устройства ввода. Его также называют мозгом компьютера.

Из чего состоит Процессор

Основные компоненты ЦП следующие:

• Арифметико-логическое устройство (АЛУ)
• Блок Управления
• Регистры Процессора
• КЭШ-память процессора

Арифметико-Логический Блок

Арифметико-логическое устройство отвечает как за арифметические, так и за логические функции. Арифметические функции включают сложение, вычитание, умножение, деление и т.д., а логические операции - И, ИЛИ, НЕ и т.д.

Блок Управления

Управляющее устройство служит нервной системой компьютера. Оно генерирует управляющие сигналы, которые управляют и контролируют все компоненты компьютера. Например, чтобы сложить два числа, оно выполняет следующую операцию:

• Извлекает (получает) числа для сложения из памяти.
• Извлекает инструкцию из памяти (в данном случае инструкция – сложение).
• Декодирует инструкцию.
• Запрашивает АЛУ выполнить операцию согласно инструкции.
• Сохраняет итоговый результат в памяти.

Регистры Процессора

Регистры - это малогабаритная, быстро доступная память внутри ЦП. Они состоят из небольшого количества быстрой памяти. Размер регистров измеряется количеством бит, которые они могут содержать, например, 8-битный регистр, 16-битный регистр, 32-битный регистр, 64-битный регистр и так далее. Компьютер с большим количеством регистров может обрабатывать больше информации и наоборот. Регистры могут быть сгруппированы на две группы, которые следующие:

• Регистры Общего Назначения: могут хранить данные и адреса. Регистр Данных может хранить только данные, а Регистр Адреса может хранить только адрес. Регистры Общего Назначения – это регистры, которые можут хранить и то, и другое.
• Регистры Специального Назначения: - это регистры, предназначенные для некоторых специальных целей. Обычно они хранят состояние программы, например:
  • Регистры счетчика команд: Адрес следующей инструкции, которая должна быть выполнена, хранится в этом Регистре Счётчика.
  • Регистры адресов памяти: Эти регистры хранят адреса области памяти, из которой извлекаются или в которую сохраняются данные.
  • Регистры данных памяти: Они работают как буфер между памятью и ЦП.
  • Аккумулятор: он взаимодействует с АЛУ и хранит результаты ввода/вывода.
  • Регистр инструкций: он содержит текущую выполняемую инструкцию.

Инструкции внутри Процессора: Работа Процессора

Основная функция компьютера — выполнять программу (набор инструкций). Формат инструкции показан ниже. Согласно архитектуре компьютера по модели фон Неймана или концепции хранения программы, данные и инструкции (программа) хранятся в памяти. ЦП должен выполнить следующие два шага для обработки инструкции:

1. В цикле выборки процессор читает (извлекает) инструкцию из памяти.
2. Инструкция выполняется процессором в цикле исполнения.

Инструкция состоит из двух частей:

1. Код операции(Опкод)
2. Операнды

<Код_операции> <Операнд>

Опкод указывает, что должно быть сделано, например, сложение, умножение, деление и так далее. Он обозначает код операции. Операнды указывают данные/адрес, к которым будет применен опкод. Рассмотрим следующее арифметическое выражение:

a = b + c

Здесь a, b, c являются операндами, а +, = кодами операций. Инструкция выполняется процессором с помощью цикла инструкций или машинного цикла. Машинный цикл состоит из следующих двух циклов:

1. Цикл выборки
2. Цикл выполнения

Рассмотрим работу машинного цикла на блок-схеме:

Пошаговое выполнение одной инструкции

Когда ЦП выполняет инструкцию, он должен следовать ряду шагов, которые представлены на рисунке. Давайте рассмотрим инструкцию сложения двух чисел. Здесь инструкция - ADD, а данные - 50 и 60. ЦП извлекает и выполняет одну инструкцию с каждым тактом тактового генератора. Если ЦП завершает один машинный цикл за одну секунду, это называется одним герцем. Для выполнения одной инструкции выполняются следующие шаги:

1. Извлечь инструкции и данные из основной памяти
2. Декодировать инструкцию.
3. Выполнить команду, то есть ADD(Сложение двух операндов).
4. Сохранить результат в основной памяти.

Быстродействие Процессора

Скорость ЦП измеряется в IPS( англ. instructions per second ), что означает "инструкций в секунду". Это указывает на то, сколько инструкций выполняется процессором за одну секунду. Существует три основных фактора, влияющих на скорость выполнения инструкций ЦП:

1. Тактовая частота,
2. Количество используемых ядер,
3. КЭШ-память.

Частота тактового сигнала

Тактовая частота относится к скорости, с которой ЦП может выполнять инструкции. Она измеряется в герцах(Гц). Тактовый генератор управляет работой ЦП. ЦП извлекает и выполняет одну инструкцию с каждым тактом тактового генератора. Циклы в секунду являются единицей измерения скорости тактовой частоты, и один герц равен одному циклу в одну секунду. Когда тактовая частота ЦП выше, он может обрабатывать инструкции с более высокой скоростью. Процессор с тактовой частотой 5,0 ГигаГерц(ГГц) выполняет 5 миллиардов циклов в секунду.

Общее количество ядер процессора

ЦП состоит из элемента, известного как ядро. Обычно ЦП состоит из одноядерного процессора. Большинство современных центральных процессоров имеют два, четыре и больше ядер. Например, двухъядерный ЦП содержит два ядра, в то время как четырёхъядерный ЦП содержит четыре ядра. Одноядерный процессор может извлекать и выполнять только одну инструкцию за раз, тогда как двухъядерный процессор может извлекать и выполнять две инструкции за раз. ЦП с четырьмя ядрами может выполнять ещё больше инструкций за то же время, чем процессор только с двумя ядрами.

КЭШ-память процессора

Кэш - это память небольшого размера, которая работает на очень высокой скорости и расположена в ЦП. Он содержит данные и инструкции, которые используются снова и снова. Чем больше кэш, тем быстрее часто используемые инструкции и данные могут быть переданы в процессор и использованы. Это связано с тем, что для их хранения в кэше выделяется больше места.

Блок Памяти

Ячейки памяти отвечают не только за хранение данных, но и за хранение инструкций(программы). Данные и программа извлекаются из памяти центральным процессором (ЦП), который затем выполняет над ними операции (обрабатывает их). Если есть какие-либо промежуточные результаты, они также сохраняются в памяти. Финальный результат, который генерируется ЦП, сохраняется в памяти.

Итак, память делиться на два основных типа

• Первичная/Основная/Внутренняя/Оперативная память
• Вторичная/Вспомогательная/Внешняя/Архивная память.

Главная (Внутренняя) Память

Оперативная память является временным хранилищем, также известным как рабочая память или основная память. Эта память напрямую (в первую очередь) доступна ЦП, и поэтому она известна как основная память. Она хранит все текущие временные данные/инструкции во время работы компьютера. Оперативная память дополнительно делится на следующие три части:

• ОЗУ(RAM)
• ПЗУ(ROM)
• КЭШ(Cache)

В общем, ОЗУ считается основной памятью. Она является энергозависимой - данные стираются, когда компьютер выключен. Вторичная память не подключена напрямую к ЦП. Она также называется вспомогательной памятью или третичной памятью.

Оперативное Запоминающее Устройство

ОЗУ - это сокращение от Оперативное Запоминающее Устройство. Оно хранит данные и инструкции перед обработкой их процессором и также хранит результат этой обработки. Оно известно как память с произвольным доступ (сокр.англ. - RAM - Random Accesses Memory - Память со случайным доступом), потому что сохраненное содержимое может быть напрямую получено из любого места произвольно или в любом порядке. Данные, которые в данный момент используются процессором, находятся в нём. Оно временно хранит данные или инструкции, так как данные стираются, когда отключается питание. Оно требует постоянно подключенного источника питания для хранения данных. Чтобы запустить данные или программу на компьютере, они сначала должны быть загружены в ОЗУ. Если памяти ОЗУ слишком мало, она не может удержать все необходимые данные или программы, которые нужны процессору. Когда это происходит, процессору приходится получать необходимые данные из вторичной памяти, что очень медленно и замедляет работу компьютера. Чтобы решить эту проблему, достаточно увеличить размер ОЗУ в компьютере. Существует два типа ОЗУ:

• Статическая оперативная память (Static RAM): Основными компонентами, используемыми для хранения данных в SRAM, являются транзисторы. Чипы SRAM используются в качестве кэш-памяти в компьютере. SRAM быстрее, чем DRAM. SRAM стоит дороже, чем DRAM. SRAM занимает больше места, чем DRAM. Следовательно, плотность данных в SRAM ниже по сравнению с DRAM. Генерирует больше тепла по сравнению с ROM и DRAM. Утечка заряда не происходит в SRAM; следовательно, обновление не требуется, как в DRAM.
• Динамическая оперативная память (Dynamic RAM): основными компонентами, используемыми для хранения данных в DRAM, являются конденсаторы. Поскольку конденсатор со временем теряет заряд(разряжается), его нужно постоянно подзаряжать; эта концепция известна как обновление(и это процесс динамический). Таким образом, необходимо постоянное обновление ячеек памяти в DRAM. Обновление делает DRAM медленнее, чем SRAM. DRAM используется в качестве оперативной памяти в компьютере. DRAM дешевле, чем SRAM. Плотность хранения данных в DRAM больше, чем в SRAM. Следовательно, она занимает меньше места. Обычно выделяет меньше тепла по сравнению с SRAM.

Постоянное Запоминающее Устройство

ПЗУ означает энергонезависимую память и относится к основной памяти(англ. - Read Only Memory - Постоянное Запоминающее Устройство). Это энергонезависимая память, поскольку она сохраняет данные даже при отключении питания. Она не требует постоянного источника питания для хранения данных. Это постоянная память. ПЗУ сохраняет фиксированные инструкции загрузки, используемые для процесса загрузки (для включения компьютера при подаче питания). ПЗУ можно только читать, его нельзя записывать или стирать пользователем компьютера. Запись осуществляется только один раз. Производитель компьютера хранит инструкции загрузки в ПЗУ. Компьютеры содержат небольшое количество ПЗУ, которое хранит такие программы, как базовая система ввода-вывода (англ. BIOS - Base Input Output System), используемая для загрузки компьютера при его включении. В процессе загрузки операционная система копируется из вторичной памяти(например с SSD(англ. Solid State Drive - Накопитель Твёрдого Состояния(твердотельный(не механический) накопитель))) в основную память(ОЗУ).

Изначально, ПЗУ (память только для чтения) была действительно памятью только для чтения. Поэтому, чтобы обновить программу, хранящуюся в них, чипы ПЗУ приходилось извлекать и заменять другими обновленными ПЗУ с новыми программами. Но сегодня чипы ПЗУ уже не только для чтения. Их можно стирать или обновлять, доступны Программируемые ПЗУ(ППЗУ), они бывают следующих типов:

• Программируемое ROM (PROM - Programmable Read-Only Memory). Также известно как одноразовая программируемая ПЗУ. ПЗУ записывается/программируется с помощью специального устройства, известного как программатор ПЗУ. В ПЗУ данные программируются сразу и не могут быть обновлены или удалены. Работа ПЗУ похожа на CD-ROM, где данные записываются на CD-ROM с помощью CD-привода. Записанные данные могут читаться множество раз, но записаны только один раз. Поэтому программирование ПЗУ также называется 'прожигом', так же как CD-R. PROM широко используется в ПК для запуска программ и настроек BIOS. Программы хранимые в PROM известны как встроенное ПО или прошивки(прошивка - прожигается элемент высоким напряжением, на его месте образуется отверстие, которое не проводит ток - и при опросе этого участка памяти в ответ выдаётся логический 0, так же если элемент остался целый - не прожжённый, проводник остаётся целым и при опросе - выдаёт логическую 1).
• Стираемое Программируемое ПЗУ (EPROM - Erasable Programmable Read-Only Memory): Она может быть стерта и перепрограммирована/перезаписана. Чип(микросхему) EPROM можно стереть, поместив его под ультрафиолетовый свет, обычно на десять или более минут, а затем её можно записать с помощью процесса прожига, который требует высокого напряжения. EPROM более полезен, чем PROM. Его можно сравнить с CD-RW, который является многоразово-перезаписываемой памятью. EPROM широко используется в встроенных и специальных системах. EPROM также используется для хранения данных в научных инструментах. EPROM также известен как Ультрафиолетовое EPROM (UV-EPROM - Ultraviolet EPROM).
• Электрически Стираемое Программируемое ПЗУ (EEPROM) (EEPROM - Electrically Erasable Read-Only Memory): Его можно стереть и переписать с помощью электричества. Процесс записи во встроенную программируемую память EEPROM известен как "флеширование"*. Также иногда обозначается как E²PROM. Это также форма энергонезависимой памяти.

  *Флэш-память - это тип EEPROM, в котором данные стираются под контролем программного обеспечения. Это наиболее гибкая память среди ПЗУ, так как данные можно легко стирать и записывать. Она используется как память флеш-накопителей в MP3-плеерах, внутренней памяти смартфонов, цифровых фото-камерах, картах памяти, SSD и во множестве устройств переносной электроники.

  Несмотря на то, что современная флэш-память надёжна, перезапись в ней осуществляется с помощью электричества большего напряжения чем чтения, и по этому возможен выход из строя(поломка) ячейки хранения. Для компенсации вышедших из строя ячеек используются специальные контроллеры внутри накопителей флеш-памяти, которые реализуют алгоритмы отключения повреждённых ячеек. Т.е. со временем флеш-память может дойти до такого состояния когда количество повреждённых ячеек может стать критичным, и тогда скорость её работы либо сильно замедляется или и вовсе становится не возможной.

Вторичная (Внешняя) Память

Вторичная память — это постоянная память, которая хранит данные и программы, которые в текущий момент не используются. Она обеспечивает долгосрочное хранение. Она хранит данные или программы, которые могут быть использованы в будущем. Она используется для хранения данных и программ с целью их резервного копирования. Она хранит данные даже когда компьютер выключен, так как она является энергонезависимой.

Вторичная память не подключена напрямую к центральному процессору (ЦП). Сначала процессор обращается к первичной памяти(поэтому её и называют первичной памятью). Если данные не найдены в первичной памяти, ЦА обращается к вторичной памяти. Вторичная память значительно медленнее первичной памяти, т.о. данные, хранящиеся в основной памяти, доступны за наносекунду, а данные из вторичной памяти могут быть получены за миллисекунду(в тысячу раз медленнее). Вторичную память можно классифицировать двумя типами:

• Память с Последовательным доступом — На основе различных магнитных лент, проволок; оптических плёнок.
• Память с Произвольным доступом — На основе различных магнитных дисков; оптических дисков; твердотельных накопителей и микросхем DRAM/SRAM.

Некоторые вторичные запоминающие устройства являются переносными-устройствами — это устройства, на которых данные записываются и физически удаляются или отключаются от компьютера, например, CD, DVD, магнитная лента и так далее. Встроенная-память не может быть физически удалена или отключена от компьютера, например, ОЗУ, ПЗУ и т.п. Широкая классификация компьютерной памяти может быть представлена на схеме ниже:

Последовательный доступ к памяти: магнитная лента

Предоставляет собой последовательный доступ к данным из носителя памяти; например, если нам нужно получить доступ к N-му месту данных, то нам сначала нужно пройти через все предыдущие N–1 места. Магнитная лента является хорошим примером носителя памяти с последовательным доступом. Магнитная лента состоит из барабана и собственно ленты, которая покрыта слоем магнитного материала. Магнитные ленты доступны в виде кассет, катушек и картриджей.

Информационная ёмкость магнитной ленты = плотность записи данных * длина ленты

Количество данных, которые могут быть сохранены на определенной длине ленты, называется плотностью записи данных. Этот параметр измеряется в bpi (англ. bits per inch - бит на дюйм). Магнитный ленточный накопитель читает и записывает данные на магнитную ленту. Механизм чтения и записи состоит из головки чтения/записи и головки стирания. Предварительно записанные данные стираются головкой стирания и записываются/читаются головкой записи/чтения.

Магнитная проволока и Оптическая Лента, принципиально по принципу работы ничем не отличаются. Разница лишь в конструкции механизмов чтения/записи/стирания.

Полу-свободный доступ к памяти

Используется как последовательный доступ, так и метод произвольного доступа к данным. Поэтому магнитные (жесткий диск, дискета) и оптические (CD и DVD) устройства являются носителями с полу-произвольным доступом к памяти. Диск разделён на дорожки и сектора. Концентрические круги это дорожки. Секторы представляют собой области в форме дуги, отделённые условными линиями. Данные хранятся на поверхности диска и строго позиционируются в дорожках и секторах.

Оптический диск: Оптические диски используют луч лазерного света для чтения и записи данных на плоском круглом диске, покрытом специальным материалом (часто алюминием). Запись данных на диск называется прожигом диска, потому что лазерный свет сжигает материал, покрывающий диск, во время записи данных на диск. Данные хранятся в виде канавок (двоичной единицы или «включено» (из-за отражения)) и впадинок (двоичного нуля или «выключено» (отсутствие отражения)) на поверхности диска, формируемой лазерным лучом. Рисунок показывает поверхность оптического диска с канавками и впадинками.

Иерархия памяти

В современном компьютере взаимодействие памяти с ЦП основано на так называемой иерархии памяти, для повышения производительности и снижения стоимости компьютера. Иерархия памяти означает размещение её на разных уровнях в компьютере в зависимости от дальности размещения от Центрального Процессора.

Иерархию памяти можно представить в виде пирамиды, где скорость и стоимость памяти постепенно уменьшаются к основанию пирамиды, но увеличивается её объём. Так например 10 ГБ основной памяти дороже, чем 10 ГБ вторичной памяти. Время доступа ЦП к КЭШу гораздо меньше, чем к основной памяти, а размер увеличивается, т.о. размер КЭШа несоизмеримо мал по сравнению с размером основной памяти.

Память более высокого уровня (на вершине пирамиды) - ближе к ЦП(находится прямо внутри ЦП), она быстрее и дороже, однако её объём крайне мал. В то время как на более низком уровне (максимально далеко от ЦП) память очень медленная и дешёвая, а вот её объём огромный.

Память наивысшего уровня в иерархии включает в себя РЕГИСТРЫ Центрального Процессора, потом КЭШ-память, потом основную память и так далее(вниз к основанию пирамиды).

Память более низкого уровня включает в себя Вторичную память, то есть магнитные и оптические диски, магнитные ленты, "флешки" и так далее.

Триггеры или Защёлки отвечают за хранение одного бита данных, и могут хранить его состояние либо в 1-це, либо в 0-ле. Триггеры являются ключевым компонентом для создания регистров ЦП. Регистры ЦП расположены внутри ЦП и, следовательно, непосредственно доступны Процессору. Регистры ЦП хранят данные в виде так называемых битовых слов данных размером в 8, 16, 32, 64 бита и так далее.

КЭШ расположен между ультра-быстрыми регистрами и основной памятью. Он хранит часто используемые данные, которые нужно использовать Процессору снова и снова. КЭШ состоит из чипов SRAM. Хранение повторно необходимых данных позволяет избегать запроса доступа к данным в более медленной памяти (DRAM — основной памяти) со стороны Процессора, что увеличивает производительность компьютера, так как SRAM быстрее, чем чипы DRAM. Кэш-память обычно делится на уровни:

• L1 КЭШ: всегда находится на чипе процессора (внутренний кэш).
• L2 КЭШ: обычно находится на чипе процессора (внутренний кэш). Его размер больше, чем у L1.
• L3 КЭШ: обычно находится на чипе процессора (внутренний кэш). L3 больше, чем L1 и L2 кэш, но быстрее основной памяти.

Размеры КЭШа в современных Процессорах суммарно уже измеряются в МегаБайтах или десятках МегаБайт.

Размеры ОЗУ в современных компьютерах уже измеряются в десятках ГигаБайт.

Размеры Вторичной памяти в современных компьютерах суммарно уже измеряются в ТераБайтах или десятках ТераБайт.

Измерение памяти

Наименьшая единица измерения памяти — это бит. Один бит означает либо 0 либо 1. Комбинация четырёх битов известна как ниббл, а комбинация восьми битов — как байт.

Приведём сравнительную таблицу объёма памяти и название значений исчисляемые в байтах:

Примеры преобразования единиц памяти

Компьютер использует слова для хранения информации. Слова, такие как байт, представляют собой определённое количество бит, которые обрабатываются одновременно. Размер слова варьируется от компьютера к компьютеру. Например, существуют 8-битные, 16-битные, 32-битные, 64-битные компьютеры и т.п.

1. Сколько байт в 8 МБ? Объяснение: (8) × (1024) × (1024) байт = 8,388,608 байт.
2. Сколько бит в 1 гигабайте? Объяснение: (1,024) × (1,024) × (1,024) × 8 бит = 8,589,934,592 бит
3. Сколько бит в 8 гигабайтах? Объяснение: ((8) × (1,024) × (1,024) × (1,024) байт) × 8 бит = 68,719,476,736 бит
4. 20 гигабайт = (20) × (1,024) Мегабайт
5. Один миллиард символов = 1 Гигабайт. Объяснение: 1 гигабайт = 10⁹ байт = один миллиард байт, где один байт эквивалентен одному символу.
6. Если один гигабайт равен 2³⁰ байтам данных, то скольким битам равно 1,024 терабайт данных? Объяснение: 1 терабайт = 2⁴⁰ байт. Тогда 1,024 терабайт = 2⁴⁰ × 1,024 байт, следовательно 1,024 терабайт = 2⁴⁰ × 1,024 байт × 8 бит = 9,007,199,254,740,992 бит = 2⁵³ бит. Т.е. 2¹⁰ байт × 2⁴⁰ байт × 2³ бит = (степени с одинаковым основанием суммируются при умножении) = 2⁵³ бит.
7. Если у вас есть устройство хранения объёмом 16 гигабайт, сколько файлов по 32 килобайта вы сможете поместить на этом устройстве? Объяснение: Переведём 16 гигабайт в Килобайты = 2³⁰ × 16 / 1024 = 16,777,216 килобайт. 16,777,216 килобайт / 32 килобайта = 524,288 файлов = 2¹⁹ файлов. Т.е. 16 гигабайт / 32 килобайта = (2⁴ × 2³⁰) / (2⁵ × 2¹⁰), при деление чисел в степени с одинаковым основанием, их степени вычитаются: (2³⁴) / (2¹⁵) = 2^34-15 = 2¹⁹.
8. В памяти мы имеем 22,000 килобайт свободного пространства — примерно, сколько это мегабайт? Объяснение: Достаточно поделить 22,000 килобайт на 1024(т.е. один килобайт) = 21.484375 мегабайт, т.е. около 21 мегабайта.
9. Какой степени двойки эквивалентно 8 гигабайт в байтах? Объяснение: 2³ × 2³⁰ = 2³³ байт.
10. У одного человека 1700 мегабайт данных на флешке, а у другого человека на флешке 1500 мегабайт данных. Поместятся ли на флешку третьего человека эти файлы, если размер флешки 4 гигабайта? Объяснение: Суммируем файлы первого и второго человека так: 1700 + 1500 = 3300 мегабайт. Разделим суммарный объём на 1024 и получим 3.22 гигабайта. 3.22 меньше 4 - значит все файлы поместятся.
11. Сколько 3 мегабайтных фотографий поместится на флешке объёмом 30 гигабайт? Объяснение: Переведём 30 гигабайт в мегабайты и разделим на размер фотографии в 3 мегабайта так: (30 × 2³⁰) / (3 × 2²⁰) = 10 × 2¹⁰ = 10 × 1024 = 10,240 фотографий.
12. Ранжируйте объёмы памяти от наибольшего к наименьшему:
    • 512 мегабайт
    • 8 килобайт
    • Один миллиард байт
    • 1 терабайт
    Для этого проще всего привести все значения к единой единице измерения, т.е. наименьшей - это килобайт. Приведите все значения к килобайтам так:
    • 512 мегабайт = (2⁹ × 2²⁰) / 2¹⁰ = 2¹⁹ килобайт
    • 8 килобайт
    • Один миллиард байт(не указанно в стандартном символьном обозначении, значит это число десятичное) = ~10⁹ / ~10³ = ~10⁶ килобайт
    • 1 терабайт = 2⁴⁰ / 2¹⁰ = 2³⁰ килобайт
    Порядок от наименьшего объёма к наибольшему такой:
    • 8 килобайт
    • 512 мегабайт = (2⁹ × 2²⁰) / 2¹⁰ = 2¹⁹ килобайт
    • Один миллиард байт(не указанно в стандартном символьном обозначении, значит это число десятичное) = ~10⁹ / ~10³ = ~10⁶ = ~2²⁰ килобайт
    • 1 терабайт = 2³⁰ килобайт

Заключение

Мы всесторонне осветили Центральный Процессор и Память компьютерной системы. Мы исследовали внутренние процессы ЦП, включая его инструкции и поэтапное выполнение одной инструкции. Понимание того, как работает ЦП, имеет решающее значение для понимания общей работы компьютерной системы. Мы также обсудили концепцию скорости ЦП, подчеркивая её значимость в определении эффективности и производительности компьютера. Мы рассмотрели основные и вторичные блоки памяти, которые играют важные роли в хранении и извлечении данных.

Кроме того, мы изучили концепцию иерархии памяти, которая заключается в организации памяти на разных уровнях в зависимости от её скорости, размера и ёмкости. Наконец, мы рассмотрели методы измерения памяти, которые позволяют нам количественно оценивать и анализировать ёмкость хранения компьютерных систем. Эта глава создала прочную основу для понимания основных компонентов компьютерной системы и их взаимодействия, проложив путь для дальнейшего изучения в следующих главах.

В следующей главе будет обсуждаться компьютерное программное обеспечение и его классификация по различным параметрам. Также будет дано основное введение в операционные системы и их классификации по таким параметрам, как выполнение программы, количество пользователей и интерфейс. Кроме того, мы исследуем понятие вредоносных программ.

Важные моменты

• ЦП обрабатывает данные от устройств ввода. Это мозг компьютера.
• Арифметико-логическое Устройство(или Блок) выполняет арифметические и логические операции.
• Блок Управления(или Устройство Управления) выступает в роли центральной нервной системы компьютера, генерируя управляющие сигналы для управления и контроля всех компонентов.
• Регистры — это быстрая, доступная память внутри ЦП, хранящая небольшое количество данных, измеряемое количеством бит, которые она может сохранить.
• Регистры Счётчика Команд хранят адрес следующей инструкции.
• Регистр Адреса Памяти хранит адрес данных или инструкций, которые необходимо извлечь из основной памяти или записать в нее.
• Регистр Данных работает как буфер между памятью и ЦП.
• Аккумулятор взаимодействует с АЛУ и хранит результаты ввода/вывода.
• Текущая выполняемая инструкция хранится в Регистре Инструкций.
• Машинный цикл = Цикл выборки + Цикл выполнения.
• Тактовая частота относится к скорости выполнения инструкций ЦП и измеряется в Гц (герцах).
• Двухядерный процессор содержит два ядра (элемента обработки).
• КЭШ — это быстрая память, расположенная между ЦП и основной памятью.
• Первичная память — это быстрая и быстро изменяемая память, к которой ЦП имеет прямой доступ.
• Основные компоненты, используемые для хранения данных в SRAM, — это транзисторы.
• Основные компоненты, используемые для хранения данных в DRAM, — это конденсаторы.
• ПЗУ(ROM) — это акроним для постоянной памяти.
• ППЗУ(PROM) — это акроним для программируемой постоянной памяти.
• СППЗУ(EPROM) — это акроним для стираемой программируемой постоянной памяти.
• ЭСППЗУ(EEPROM) означает электрически стираемую PROM и часто используется во флэш-памяти, картах памяти, флеш-накопителях, смартфонах, цифровых камерах и многом другом.
• Вторичная память является постоянной.
• Магнитный диск состоит из круглой пластины (диска), покрытой магнитным материалом.
• Жёсткий диск — это набор магнитных дисков, сгруппированных на вращающемся шпинделе.
• Оптические диски используют лазерный луч для чтения и записи данных на плоском круглом диске, покрытом светочувствительным материалом, обычно алюминием.
• Распределение памяти с ЦП для улучшения производительности и снижения затрат называется иерархией памяти.
• Триггеры или Защёлки отвечают за хранение одного бита данных, который может быть либо 1, либо 0.
• Наименьшая единица измерения памяти — это бит.

Важные вопросы

• Что такое процессор? Опишите его компоненты - из чего он состоит.
• Какова цель наличия регистров в ЦП? Обсудите регистры разного назначения, которые обычно имеются в процессоре.
• Что такое тактовая частота? Каковы её единицы измерения?
• Что такое одноядерные, двухядерные и четырёхядерные и т.д. процессоры?
• Опишите цикл инструкций. Также подробно опишите циклы выборки и выполнения.
• Запишите части форматов инструкций.
• Что именно вы имеете в виду под компьютерной памятью? В чём разница между первичной и вторичной памятью.
• Что такое Иерархия памяти? Почему она существует?
• Что такое BIOS? Какой тип памяти в нём предпочтителен и почему?
• Что такое оперативная память (ОЗУ - RAM)? В чём разница между статической оперативной памятью (SRAM) и динамической оперативной памятью (DRAM).
• Как Процессор обращается к ячейке в памяти? Объясните на примере циклов выборки и выполнения.
• Объясните, как работает магнитный диск.
• Как данные хранятся на оптических дисках?
• Что такое флеш-накопитель? Напишите о его применении.
• Кратко объясните важность КЭШа Процессора.
• Что такое ПЗУ? Объясните его типы.
• Обсудите разные типы оптических запоминающих устройств.
• Как бы вы рассчитали объём информации хранимой на магнитной ленте?

Компьютерное программное обеспечение

• Введение
• Программное Обеспечение (ПО)
  • Примеры системного ПО
• Классификация программного обеспечения в зависимости от прав собственности
• Операционные Системы (ОС)
  • Структура ОС UNIX
  • Операционная система как менеджер ресурсов
  • Классификация операционных систем
  • Последовательное выполнение программы(серийная обработка)
  • Операционная Система пакетной обработки
  • Многопрограммная операционная система
  • Многозадачность ОС осуществляемая посредством разделения во времени
  • Многопоточная операционная система
  • МногоПроцессорная операционная система
  • Распределённая операционная система
  • Сетевая операционная система
  • Операционная система реального времени
    • Трансляторы языков
    • Вредоносное ПО
• Заключение
• Важные моменты
• Важные вопросы

Введение

Изучим компьютерное программное обеспечение и операционные системы, которые являются основой современного вычисления. Обсудим классификации программного обеспечения и роль операционной системы как менеджера ресурсов. Рассмотрим различные типы операционных систем, трансляторы языков программирования и угрозы вредоносного ПО. Понимание этих тем поможет нам более эффективно ориентироваться в мире Информационных Технологий.

Эта глава направлена на предоставление всестороннего понимания компьютерного программного обеспечения и операционных систем. Она охватывает примеры системного программного обеспечения, его классификации и критическую роль операционной системы как менеджера ресурсов. Кроме того, рассматривается угроза вредоносного ПО и его потенциальные риски для компьютерных систем.

Программное Обеспечение (ПО)

Программное обеспечение — это группа компьютерных программ, которые указывают компьютеру, что, когда и как делать для выполнения поставленной задачи.

Программа — это набор компьютерных инструкций или команд, написанных на языке программирования, таком как C, C++, Java и так далее.

Программное обеспечение в широком смысле делится на две категории:

• Прикладное программное обеспечение: разработано для решения конкретной проблемы или задачи. Оно берет задачу пользователя и программирует её с помощью аппаратного обеспечения и системного программного обеспечения. Примеры прикладного программного обеспечения: MS Office, WordPad, блокнот, калькулятор, веб-браузеры и так далее. Каждое из них предназначено для выполнения конкретной задачи.
• Системное программное обеспечение: предназначено для работы в качестве интерфейса между прикладным программным обеспечением и аппаратным обеспечением. Оно предоставляет платформу для запуска прикладного программного обеспечения. Оно управляет и контролирует все ресурсы компьютера, такие как ЦП, память, устройства ввода-вывода и так далее. Системное программное обеспечение включает в себя драйверы устройств, компиляторы, интерпретаторы, линковщики и загрузчики, BIOS компьютера и операционные системы, такие как Windows, Linux, UNIX и так далее. На рисунке ниже показана взаимосвязь между прикладным и системным программным обеспечением:

Примеры системного ПО

Вот некоторые примеры системного программного обеспечения: драйверы устройств, компиляторы, интерпретаторы, компоновщики, загрузчики, BIOS и Операционные Системы(ОС). Наиболее известные ОС: Windows, Linux, UNIX и др. Опишем назначение различного Системного ПО:

• BIOS:(в разговорной речи - биос ) базовая система ввода-вывода позволяет компьютеру управлять аппаратным обеспечением, которое либо подключено к нему в данный момент, либо встроено в него. Он хранится в микросхеме ПЗУ. Также он известен как встроенное ПО(в разговорной речи - прошивка, микропрограмма, файл конфигурации). Это небольшие программы, отвечающие за запуск компьютера (загрузку) и выполнение самотестирования при включении (англ. POST - Power-On Self-Test - Тестирование при включении). В тесте POST компьютер проверяет все подключенные устройства.
• Драйвер устройства: работает как переводчик между подключенным аппаратным устройством и компьютером. Он управляет конкретным устройством, для которого предназначен. Драйверы устройств встроены в операционную систему для многих типов устройств. Например, мышь, клавиатура, джойстик, видеокарта и так далее. Когда мы подключаем устройство к компьютеру, операционная система начинает искать его драйверы, устанавливает их и использует. Такие устройства называются подключи и работай(англ. plug-and-play). Для некоторых типов устройств нам нужно вручную установить драйверы, такие как принтеры, сканеры и так далее.
• Утилитное программное обеспечение: предназначено для анализа, мониторинга, настройки и оптимизации параметров компьютера. Это программное обеспечение может использоваться прикладным программным обеспечением. Некоторые утилиты приведены ниже:
  • Дефрагментаторы дисков
  • Антивирусы
  • ПО резервного копирования
  • Очистка диска
  • Мониторинг обновления ПО
  • Контроль температуры ЦП
  • и множество других утилит
• Прошивки: Они встроены в аппаратное обеспечение (англ. firmware ). Это также известно как программное обеспечение для аппаратного обеспечения. Они хранятся в устройствах с энергонезависимой памятью, таких как ПЗУ, СППЗУ или флеш-память. Примеры прошивок: загрузчики, команды BIOS и т.п.

Классификация программного обеспечения в зависимости от прав собственности

• Открытое программное обеспечение: позволяет пользователю копировать, изменять, использовать или удалять код программного обеспечения без разрешения разработчика (англ. Open-source software ). Примеры: Linux, Firefox и Open Office.
• Закрытое программное обеспечение: не позволяет пользователю копировать, изменять, использовать или удалять код программного обеспечения (исходный код) без разрешения разработчика. Также известно как проприетарное программное обеспечение(англ. Closed source software ). Примеры: MS Windows, UNIX, Internet Explorer, Opera и Safari.
• Бесплатное программное обеспечение: доступно бесплатно для всех пользователей, но не позволяет пользователю копировать, изменять, использовать или удалять код программного обеспечения (исходный код) без разрешения разработчика(англ. Freeware ). Пример: Adobe Acrobat Reader. Большинство разработчиков программного обеспечения предлагают бесплатное ПО в модели freemium или shareware, чтобы побудить пользователей купить более мощную или полную версию.
• Условно бесплатное программное обеспечение: это бесплатное программное обеспечение, но не позволяет пользователю копировать, изменять, использовать или удалять код программного обеспечения (исходный код) без разрешения разработчика(англ. Freemium). За дополнительные, более мощные функции этого ПО нужно платить.
• Временно бесплатное программное обеспечение: Вначале он доступен бесплатно но не позволяет пользователю копировать, изменять, использовать или удалять код программного обеспечения (исходный код) без разрешения разработчика. Пользователям рекомендуется делиться с другими пользователями его копией в течение ограниченного времени(англ. Shareware). После этого пользователь должен заплатить за дальнейшее использование. Примеры принципов ограничения пользования(монетизация):
  • Рекламно-бесплатное программное обеспечение: Это программное обеспечение, поддерживаемое рекламой. Оно распечатывает рекламу пользователям, отображает её и генерирует доход от этого(англ. Adware).
  • Демо-версия программное обеспечение: Программное обеспечение, которое используется для демонстрации функции продукта, но имеет ограничения. Оно либо истечёт через установленное время, либо будет иметь ограниченную функциональность(англ. Demoware).
  • Испытательный срок программное обеспечение: она может быть запущена в течение ограниченного времени до истечения срока действия. Например, 30-дневная пробная версия программного обеспечения истекает через 30 дней. После этого вам необходимо купить полную версию(англ. Trialware).
  • Пожертвования-версия программное обеспечение: Это полностью функционирующее программное обеспечение для пользователей, которое предлагает пользователям делать добровольные пожертвования программисту или любому третьему лицу бенефициару по желанию. Это один из типов бесплатного программного обеспечения(англ. Donationware).
  • Урезанный функционал программное обеспечение: программное обеспечение, функциональность которого была ограничена с единственной целью — побудить пользователя купить его. Оно повреждает документы, вставляя логотип или водяной знак. Это программное обеспечение может быть не полностью функциональным, но позволяет пользователю понять, как оно работает(англ. Crippleware).

Операционные Системы (ОС)

Это системное программное обеспечение, которое работает как интерфейс между аппаратным обеспечением и пользователем и позволяет запускать другое прикладное программное обеспечение. Оно также выполняет функцию менеджера ресурсов, поскольку управляет ресурсами компьютера, такими как ЦП, память, файлы, устройства ввода-вывода и так далее. Примеры операционных систем (ОС): Linux, UNIX, Windows, Android и другие. Рисунок ниже показывает положение операционной системы в компьютере:

Структура ОС UNIX

Это многослойная структура. Структура операционной системы состоит из ядра(англ. Kernel) и командного интерпретатора(англ. Shell - оболочка):

• Ядро: это самый важный компонент операционной системы. Обычно ядро отвечает за управление памятью, управление процессами, управление ЦП и так далее. Оно принимает команды от оболочки и сообщает аппаратному обеспечению, что нужно выполнять.
• Оболочка: она принимает команду от пользователя и передает её ядру. Это интерфейс между ядром и пользователями. Диаграмма компонентов операционной системы представлена ниже, и показывает компоненты ОС UNIX:

Операционная система как менеджер ресурсов

Операционная система управляет всеми аппаратными ресурсами, такими как ЦП, память, устройства ввода-вывода и тому подобное, а также программными ресурсами, такими как программы, файлы, процессы, потоки и т. д. Именно поэтому её называют менеджером ресурсов. Рассмотрим, как операционная система управляет ресурсами:

• Управление процессором(ЦП): Операционная система отвечает за следующие виды управления ЦП:
  • отслеживает состояние процессора, свободен он или занят;
  • распределяет и освобождает задания для ЦП;
  • решает, какое задание должно использовать процессор и сколько времени выделить для задачи.
• Управление памятью: Операционная система отвечает за следующие действия по управлению памятью:
  • выделение и освобождение памяти;
  • отслеживание свободных и используемых пространств(адресов) памяти.
• Управление файлами: Операционная система отвечает за следующие действия по управлению файлами:
  • Создание и удаление файлов;
  • Защита файла;
  • Установка разрешений для файла на чтение-запись и выполнение.
• Управление процессами: Операционная система отвечает за следующие виды деятельности по управлению процессами:
  • Создание, удаление, приостановка и возобновление процесса;
  • Обработка синхронизации процессов и взаимных блокировок.
• Управление устройствами ввода-вывода: Операционная система отвечает за следующие действия по управлению устройствами ввода-вывода:
  • Когда компьютерная система запускается, операционная система идентифицирует и распознает все подключенные устройства ввода-вывода.
  • Скрывает от пользователя все внутренние механизмы работы устройств ввода и вывода.
  • Операционная система общается с устройством с помощью драйвера устройства, который представляет собой программный модуль, который действует как посредник, переводя команды операционной системы высокого уровня в специфические для устройства команды на уровне аппаратной реализации.
  • Операционная система выделяет и освобождает задачи для устройств ввода-вывода.

Классификация операционных систем

Классификация операционных систем может быть выполнена на основе различных критериев, включая пользовательский интерфейс, количество поддерживаемых пользователей, их функции, назначение, способ выполнения программ и среду, в которой они работают. Вот некоторые распространенные классификации:

• На основе пользовательского интерфейса: В зависимости от интерфейса, с которым пользователь взаимодействует с компьютером, его классифицировали на две категории:
  • Символьный пользовательский интерфейс или командный пользовательский интерфейс (не интерактивный): В этом типе операционной системы пользователь взаимодействует с компьютером с помощью клавиатуры, вводя различные команды для выполнения некоторых задач или операций. Сегодня большинство компьютеров используют графический пользовательский интерфейс GUI (англ. GUI - graphical user interface), а не CUI (англ. CUI - command user interface или character user interface). Примером операционной системы с CUI является MS-DOS.
  • Графический пользовательский интерфейс (GUI) (интерактивный): В этом типе операционной системы пользователь взаимодействует с компьютером, используя графику, которая включает иконки, значки, панель навигации, изображения и так далее. Мышь может использоваться для щелчка или взаимодействия с этими графическими элементами интерфейса. GUI использует как мышь, так и клавиатуру для выполнения операций. Он очень прост в использовании по сравнению с CUI. Примеры операционных систем с GUI: Windows, Android и Linux.
• На основе количества пользователей: В зависимости от числа пользователей, операционная система имеет следующие категории:
  • Операционная система для одного пользователя: только один пользователь может взаимодействовать с компьютером одновременно.
  • Много-пользовательская операционная система: в этой операционной системе более одного пользователя могут взаимодействовать одновременно через несколько терминалов или сеть.
• На основе выполнения программы: Он выполняет программы последовательно. Операционная система в однопользовательской среде или в базовой системе пакетной обработки выполняет программы последовательно, причём каждое задание завершается перед началом следующего. Многопрограммная среда позволяет нескольким программам или процессам работать одновременно. Многопрограммное выполнение используется в современных операционных системах, таких как Windows, macOS и Linux, для эффективного управления множеством задач. На основе способа выполнения программ операционная система имеет категории, обсуждаемые в далее.

Последовательное выполнение программы(серийная обработка)

Эта операционная система выполняет одну программу или задачу за раз. После завершения одной программы она берется за другую. Она последовательно выполняет программы, одну за другой, и по одной за раз. Она выполняет программу по принципу "первый пришел — первый вышел" (FIFO). Программа, которая поступила первой, выполняется первой, а программа, которая поступила позже, будет выполнена позже.

Перфокарты использовались в основном для этой разновидности операционной системы. Все задания готовились и сохранялись сначала на карте, а затем передавались машинам одна за другой.

Например, у нас есть четыре программы P1, P2, P3 и P4. P1 и P3 одного типа, а P2 и P4 - другого типа. Пусть максимальное время, выделенное ЦП для каждого процесса составит 2 секунды, и 2 секунды требуется для загрузки среды(окружения) для выполнения. Например, для программы на языке C нам нужно загрузить окружение для языка C, а для программы на языке JAVA нам нужно загрузить окружение языка JAVA.

Предположим, что они передаются системе в последовательности P1, P2, P3 и P4. Общее время, необходимое для завершения всех процессов, составит 16 секунд, как показано на диаграмме времени ниже. У нас есть два ресурса: ЦП и устройство ввода-вывода:

Операционная Система пакетной обработки

Пакет - это коллекция похожих программ. В системе пакетной обработки создаются разные пакеты и обрабатываются последовательно.

Данные и программы (окружение), которые необходимо обработать, группируются в пакет и выполняются вместе. MS-DOS — это пакетная операционная система. В этом случае задания P1, P2, P3 и P4 делятся на два пакета: P1 и P3 в пакете #1, а P2 и P4 в пакете #2. Эти два пакета выполняются последовательно. Общее время завершения всех процессов составит 12 секунд, как показано на диаграмме времени ниже:

Многопрограммная операционная система

В случае последовательной и пакетной обработки есть проблема, она возникает когда программа обращается к устройствам ввода-вывода, и ЦП остаётся в состоянии ожидания(в простое).

В многопрограммных ОС несколько программ хранятся в памяти одновременно.

На схеме ниже представлена память многопрограммной машины. Когда одна программа покидает ЦП(выгружается) и обращается к устройству ввода-вывода, другая программа сразу же загружается из памяти(подгружается), и ЦП выполняет её, и так далее:

При последовательном выполнении программ, когда P1 выполняет свой ввод-вывод, центральный процессор остаётся в простое. Только после завершения P1, в процессор загружается P2. Общее время завершения для всех задач в приведённом примере, при последовательном выполнении, составит 12 секунд, как показано на диаграмме времени ниже:

В многопрограммной ОС, когда P1 обращается к устройствам ввода-вывода, P2 загружается в ЦП, а когда P2 обращается к ввода-вывода, P3 загружается в ЦП и так далее. Общее время завершения для всех процессов для предыдущего примера при выполнении в многопрограммной ОС сокращается и составит 10 секунд, как показано на диаграмме времени ниже:

При таком планировании выполнения программ, ЦП никогда не остаётся в неактивном состоянии. Многопрограммность направлена на то, чтобы ЦП и устройства ввода-вывода, были занятыми постоянно, что приводит к максимально эффективному их использованию. Такие Операционные Системы как Microsoft Windows и Apple Mac OS являются Мультипрограммными.

Многопрограммность использует концепцию переключения контекста, которая заключается в сохранении и размещении состояния одного процесса в память и загрузке другого процесса из памяти. Таким образом непрерывно происходит переключение с одного процесса на другой.

Многозадачность ОС осуществляемая посредством разделения во времени

Многозадачная операционная система является логическим продолжением многопрограммности. Она использует как концепции многопрограммности, так и разделения во времени. Как следует из названия, одновременно выполняются несколько задач или программ. Например, возможно прослушивание музыки, в то время как вы вводите текст в WordPad и просматриваете интернет-страницу.

В системе с временным разделением на одном ЦП, каждому процессу выделяется временной промежуток(квант, срез), т.е. максимальное время, в течение которого процесс может выполняется на ЦП, скажем, четыре наносекунды (нс).

По истечении четырёх наносекунд процесс покидает ЦП, начинается обработка другого процесса, который и занимает ЦП. Этот цикл продолжается до тех пор, пока все процессы, которые выполняются, не исчерпают свой временной интервал.

Переключение между процессами происходит так быстро, что у пользователей создаётся впечатление, что они работают на отдельной системе и имеют собственный выделенный компьютер(в многопользовательской системе). На рисунке ниже показана реализация многозадачности на машине имеющей один центральный процессор:

Давайте рассмотрим три процесса: P1, P2 и P3, время обработки P1 = 2 нс, P2 = 4 нс и P3 = 6 нс. При этом временной квант составляет 2 нс. В первом цикле выполняются P1, P2 и P3. Во втором цикле выполняются P2 и P3, поскольку P1 завершён. Этот цикл продолжается до тех пор, пока все процессы не будут завершены. График Ганта представлен ниже:

Итак, Многозадачность = Многопрограммность + Разделение времени

Многозадачность использует концепцию переключения контекста, что означает замену задачи в ЦПУ, когда её время исполнения (максимально отведённое время) истекает, то внедряется следующая задача.

Многопоточная операционная система

Один процесс может иметь несколько независимых подпроцессов, работающих одновременно. Эти подпроцессы известны как потоки. Потоки могут рассматриваться как дочерние процессы, которые используют ресурсы родительского процесса, но работают они независимо.

Например, когда мы получаем доступ к интернету через веб-браузеры, веб-браузеры работают в многопоточном режиме. Они создают несколько потоков в зависимости от требований пользователя; то есть один поток отображает контент, другой принимает ввод с клавиатуры, третий отправляет данные на сервер, получает данные с сервера и так далее.

Веб Обозреватель - это процесс П1, который может содержать несколько потоков, таких как ПП1.1, ПП1.2, ПП1.3, ПП1.4 и так далее. Многопоточность аналогична многозадачности, поскольку она позволяет обрабатывать несколько потоков одновременно, а не несколько процессов.

На рисунке ниже показано функционирование многопоточной операционной системы:

МногоПроцессорная операционная система

Все выше упомянутые типы операционных систем использовали один ЦП. Выполнение программ осуществлялось путём переключения выполнения ЦП между ними. МногоПроцессорная(Мультипроцессорная) же операционная система имеет два и более ЦП. В мультипроцессорной системе, если сложная программа делится на подпрограммы, то эти подпрограммы выполняются одновременно несколькими процессорами параллельно.

Предположим, что процессы П1, П2, П3 и П4 ожидают выполнения. Если это двухъядерный процессор (два процессора), то два подпроцесса могут выполняться одновременно, и система будет работать вдвое быстрее, чем однопоточный процессор (один процессор).

Четырехъядерный ЦП (четыре процессора) позволяет выполнять четыре задачи параллельно, что делает систему в четыре раза быстрее, чем однопроцессорная. Многопроцессорные системы можно классифицировать на два типа:

• Симметричная многопроцессорная система: в этой системе все процессоры по сути идентичны и выполняют идентичные функции. Они разделяют общую память и операционную систему, которая также известна как тесно связанная система. На рисунке показана симметричная многопроцессорная система:

  

• Асимметричная многопроцессорная система: в этой системе все процессоры не идентичны и выполняют разные задачи. Супервизор или главный ЦП назначает задание подчинённым ЦП. Главный ЦП является самым мощным ЦП среди подчинённых ЦП. На рисунке показана асимметричная многопроцессорная система:

  

Распределённая операционная система

В распределённой ОС данные хранятся и обрабатываются в нескольких разных местах или локализациях, соединённых через сеть. Все компьютеры, подключенные через сеть, имеют одну и ту же операционную систему. Распределённая операционная система (англ. DOS - Distributed operating system) направлена на улучшение управления аппаратными ресурсами. В сетевой операционной системе операционные системы на каждом компьютере могут быть разными, но в распределённой системе они одинаковы. Некоторые примеры DOS включают Solaris, Micros и Mach. На рисунке ниже показана распределённая операционная система:

Сетевая операционная система

Эта система соединяет компьютеры в разных местах через сеть. Все компьютеры, подключенные к сети, могут иметь свою собственную операционную систему. В отличие от распределённой операционной системы, Сетевая операционная система может быть одинаковой или различной. Сетевая операционная система (англ. NOS - Network operating system) предназначена для обслуживания нескольких клиентов удалённо. Примеры NOS: Windows NT, Novell, UNIX и т.д.

Сетевые операционные системы используются в гетерогенных компьютерах и известны как слабо связанные системы. С другой стороны, Распределённые операционные системы представляют собой тесно связанные системы, которые обычно используются в однородных компьютерах или многопроцессорных системах.

Компьютеры, на основе Распределённых операционных систем, могут общаться друг с другом через общую память или сообщения. Однако Сетевая операционная система использует передачу файлов для упрощения общения между компьютерами.

В отличие от Распределённой операционной системы, которая обрабатывает ресурсы, такие как память, ЦП и так далее, глобально, Сетевая операционная система заботится об этих ресурсах на каждом компьютере индивидуально. На рисунке показана Сетевая операционная система:

Операционная система реального времени

Система реального времени – это система с жёсткими временными рамками, которая имеет временные ограничения для завершения процессов в системе. Операционная система должна завершить процесс в пределах заданного временного ограничения. В противном случае система выйдет из строя. Эта операционная система предназначена для приложений реального времени. Компьютер симулирует все временные события с той же скоростью, что и в реальной жизни.

Программное обеспечение реального времени, например, будет отображать объекты, перемещающиеся по экрану компьютера с той же скоростью, с какой они перемещались бы в реальной жизни. В целом, операционные системы реального времени (англ. RTOS - Real-time operating system) бывают двух типов:

• Жёсткие операционные системы реального времени: В жёсткой операционной системе реального времени все процессы должны быть завершены в рамках заданных временных ограничений; в противном случае система потерпит сбой. Например, если пользователь ожидает результат через 5 секунд, система должна обработать и выдать результат именно через 5 секунд, а не через 6 или 4 секунды. В жёсткой системе реального времени соблюдение временного ограничения является обязательным. Если оно не будет соблюдено, эффективность работы системы потерпит неудачу, и полезность результата станет нулевой после истечения срока. Примерами жестких операционных систем реального времени являются системы запуска ракет, игры, системы ядерных реакторов, авиационная промышленность, оборона, робототехника и так далее.
• Мягкая операционная система реального времени: В мягкой операционной системе реального времени, даже если система не успевает уложиться в срок, это не считается неудачей. Конечный результат не является бесполезным. Значение результата не рассматривается как ноль, даже если срок прошёл. Например, если некоторые биты теряются во время аудиовизуальной трансляции, это не будет значительной проблемой, но если потеряно слишком много, пострадает качество трансляции, но трансляция всё равно будет продолжаться.

Трансляторы языков

Это Переводчики или Обработчики языков, они переводят или конвертируют программу с одного языка программирования, на другой. Например, с языка высокого уровня (англ. HLL - high-level language) на язык низкого уровня (англ. LLL - low-level language). На рисунке ниже показан процесс работы переводчика языка:

Программа, написанная на языке программирования, известна как исходный код; когда она переводится на машинный язык, она становится объектным кодом. Языковой транслятор преобразует исходный код в объектный код.

В общем виде существуют три типа языковых переводчиков, а именно:

1. Компилятор: это программа, которая преобразует язык высокого уровня (HLL) в язык низкого уровня (LLL). Она принимает полный HLL-программный код на вход, преобразует его в язык низкого уровня и уведомляет об ошибках и предупреждениях, если таковые имеются. (англ. Compiler)
2. Интерпретатор: Он преобразует программу из высокоуровневого языка (HLL) в низкоуровневый язык (LLL) построчно; одно выражение переводится и выполняется нёмедленно. (англ. Interpreter)
3. Ассемблер: Ассемблер - это программа, которая переводит программу из ассемблера в машинный код или LLL. (англ. Assembler)

Дополнительно существуют ещё программы помогающие в написании и выполнении программ:

• Редактор: это программа, которая предоставляет платформу для написания, изменения и редактирования исходного кода или текста программы. (англ. Editor)
• Компоновщик: В объектном файле компоновщик ищет и добавляет все библиотеки, необходимые для создания исполняемого файла. Он объединяет два или более файлов в один файл, например, объектный код от компилятора и другие библиотечные файлы, в один исполняемый файл.(англ. Linker)
• Загрузчик: Он берёт исполняемый код от компоновщика, загружает его в основную память и подготавливает для выполнения компьютером. Он выделяет в основной памяти пространство для программы.(англ. Loader)

Вредоносное ПО

Слово "вредоносное ПО" происходит от двух слов: "вредоносный" и "программное обеспечение". Это вредоносное программное обеспечение. Оно предназначено для повреждения и уничтожения компьютеров и компьютерных систем. Это не легитимное программное обеспечение. Основная концепция различных видов вредоносного ПО приведена ниже:

• Вирус: это вредоносное программное обеспечение, которое добавляется в файл или документ. Как только вирус загружен, он остаётся в неактивном состоянии, пока файл не будет открыт и использован. Он может делать копии самого себя. Вирус использует ресурсы компьютера, такие как ОЗУ, жесткий диск и процессор. (англ. Virus)
• Черви: это куски вредоносного программного обеспечения, которые быстро копируют себя и распространяются на каждое устройство в сети. Червям не нужен заражённый файл для распространения, как это требуется вирусам. (англ. Worms)
• Троян: Троянские вирусы скрыты в программах, которые призваны помочь. После загрузки вирус-троян может получить доступ к конфиденциальным данным и редактировать, блокировать или уничтожать их. В отличие от большинства вирусов и червей, троянские вирусы не созданы для саморепликации. (англ. Trojan horse virus)
• Шпионское ПО: это вредоносное программное обеспечение, которое работает в фоновом режиме и отправляет информацию удалённому пользователю. Люди часто используют шпионское ПО для кражи личной или финансовой информации, такой как пароли и т.п. (англ. Spyware)
• Вымогательское ПО: это программное обеспечение, которое проникает в компьютерную систему, находит конфиденциальную информацию, шифрует её так, чтобы пользователь не мог получить к ней доступ, а затем требует деньги за возврат данных. Когда атакующий оплачивает сумму, данные могут быть снова доступны. (англ. Ransomware)
• Наглое ПО: его также могут называть "выклянчивающим ПО" или "назойливым ПО". Оно напоминает пользователю о том, что ему нужно купить лицензию на программное обеспечение. (англ. Naggware)
• Логическая бомба: Вредоносное программное обеспечение, которое срабатывает или активируется, когда выполняется определённое логическое условие, называется логической бомбой, например, любое нажатие мыши, любое нажатие на клавиатуру и так далее. (англ. Logic bomb)
• Временная бомба: Бомба замедленного времени - это тип логической бомбы, которая взрывается или активируется в определённое время или день. (англ. Time bomb)
• Запугивающее ПО: его также называют мошенническим программным обеспечением. Это тип вредоносного ПО, которое использует социальную инженерию, чтобы заставить пользователей чувствовать себя напуганными, как будто они в опасности, чтобы они купили нежелательное программное обеспечение. (англ. Scareware)

Заключение

Мы обсудили компьютерное программное обеспечение и то, как его можно классифицировать по нескольким различным критериям. В дополнение к этому, описали основное введение в операционную систему, а также ее классификации на основе нескольких факторов, таких как выполнение программы, количество пользователей и интерфейс. Вы узнали о различных инструментах для трансляции языков программирования. Также объяснили основы вредоносных программ и различные их виды.

Важные моменты

• Программное обеспечение - это группа компьютерных программ, которые указывают компьютеру, что, когда и как это делать.
• Прикладное программное обеспечение предназначено для решения конкретной проблемы или задачи.
• Системное программное обеспечение разработано для работы в качестве интерфейса между прикладным программным обеспечением и аппаратным обеспечением.
• Операционная система также известна как менеджер ресурсов.
• Драйвер устройства работает как переводчик между аппаратным устройством и компьютером.
• BIOS предоставляет функциональность для управления и контроля аппаратного обеспечения, подключенного или встроенного в компьютер.
• Утилитарное программное обеспечение предназначено для помощи в анализе, мониторинге, настройке и оптимизации параметров компьютера.
• Прошивка встроена в аппаратное обеспечение. Она также известна как ПО для аппаратного обеспечения.
• Программное обеспечение с открытым исходным кодом позволяет пользователям вносить изменения в исходный код, тогда как программное обеспечение с закрытым исходным кодом этого не позволяет.
• Операционная система является интерфейсом между аппаратным обеспечением и пользователем.
• При последовательном выполнении программы(серийной обработке) выполняется одна программа за раз.
• Пакет - это коллекция похожих программ или задач. В системе пакетной обработки разные пакеты обрабатываются последовательно.
• Многопрограммность использует концепцию переключения контекста, которая заключается в сохранении состояния одного процесса и загрузке состояния другого процесса.
• Многозадачная операционная система является логическим продолжением многопрограммности.
• В одном процессе может быть несколько независимых подпроцессов, работающих одновременно. Эти подпроцессы известны как потоки.
• Многопоточность - это техника, схожая с многозадачностью, которая позволяет одновременно выполнять множество потоков.
• Мультипроцессорная операционная система означает, что компьютер имеет два или более ЦП.
• В распределённой операционной системе данные хранятся и обрабатываются в различных местах, которые соединены через сеть.
• В сетевой операционной системе компьютеры в разных местоположениях соединены через сеть.
• Системы реального времени должны завершать обработку в заданные временные рамки; иначе система рухнет.
• Языковые переводчики(трансляторы) переводят один язык программирования на другой.

Важные вопросы

1. Опишите разницу между аппаратным и программным обеспечение компьютера.
2. Что такое программное обеспечение? Напишите его виды.
3. Что такое операционная система? Приведите её пример.
4. Объясните роль операционной системы. Почему её называют менеджером ресурсов?
5. Приведите несколько примеров компьютерного программного обеспечения.
6. Опишите разницу между исходным кодом и объектным кодом.
7. Опишите разницу между компиляторами и интерпретаторами.
8. Что такое прикладное программное обеспечение? Приведите примеры.
9. Что такое BIOS?
10. Можете объяснить, что такое утилитарное программное обеспечение? Является ли оно необходимым программным обеспечением для установки пользователями в их компьютеры?
11. Напишите короткую заметку о различных типах операционных системах.
12. Напишите о различиях между прикладным и системным программным обеспечением.
13. Что такое вредоносное ПО? Объясните его виды.
14. Что такое языковой транслятор? Напишите краткое объяснение об этих понятиях:
    • Компилятор
    • Интерпретатор
    • Ассемблер
    • Редактор
    • Компоновщик
    • Загрузчик
15. Напишите о различиях между сетевыми операционными системами и распределенными операционными системами.
16. Что такое многозадачная операционная система?
17. Напишите о различиях между многопрограммностью, многозадачностью и многопроцессорностью в ОС.
18. Что вы понимаете под операционной системой пакетной обработки?
19. Какова разница между Символьным Интерфейсом и Графическим Интерфейсом пользователя.
20. Напишите о различиях между открытым и закрытым программным обеспечением.
21. В чем разница между вирусами, червями и троянскими программами?

Теперь мы приступим к изучению различных типов систем счисления, таких как десятичная, двоичная, восьмеричная и шестнадцатеричная. Также будет уделено внимание преобразованию одной системы счисления в другую. Будут рассмотрены и другие известные двоичные кодирования на основе ASCII, BCD, EBCDIC, Excess-3 и кодов Грея.

Представление Чисел внутри Процессора и Памяти

• Данные это Числа
  • Десятичные числа
  • Двоичные числа
  • Восьмиричные числа
  • Шестнадцатиричные числа
• Преобразование чисел из одного основания в другое
  • Преобразование Двоичных чисел в Восьмиричные
  • Преобразование Двоичных чисел в Шестнадцатиричные
  • Преобразование Десятичных чисел в Двоичные
  • Преобразование Восьмиричных чисел в Двоичные
  • Преобразование Шестнадцатиричных чисел в Двоичные
  • Преобразование Шестнадцатиричных чисел в Десятичные

Без понимания того каким образом Процессор обрабатывает числа и как эти числа хранит Память машины, не возможно писать эффективный код на С.

Самые первые шаги в освоении программирования на С, это получить ясное вами понимание, того каким образом вычислительная машина работает с данными.

В этой главе мы погрузимся в увлекательный мир систем чисел, сосредоточив внимание на двоичной системе и её преобразованиях из и в другие системы. Мы изучим различные операции с двоичными числами, а также некоторые широко используемые двоичные коды в информатике и цифровой связи. Понимание этих концепций имеет решающее значение для тех, кто интересуется программированием, цифровой электроникой и представлением данных. Давайте отправимся в это путешествие по миру систем чисел и двоичных операций.

Данные это Числа

• Десятичные числа
• Двоичные числа
• Восьмиричные числа
• Шестнадцатиричные числа

Система счисления – это метод представления чисел с помощью набора символов и правил. Каждая числовая система определяется с помощью своей основы или радикса, который представляет собой общее количество символов, используемых в числовой системе. Например, в двоичной числовой системе основание равно 2, а в десятичной системе – 10.

Десятичные числа

Основание числа - это положительное целое число с основанием N, которое содержит в своих разрядах любые цифры меньше N.

Десятичные цифры, имеют основание 10, следовательно цифрами: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 можно представить любой разряд десятичного числа.

Пример десятичных чисел:

0, 456, 12988, 67890, 45433, 9

В нашей повседневной жизни мы пользуемся десятичными числами чаще всего.

Двоичные числа

Если число имеет основание 2, тогда любой его разряд может иметь цифру либо 0 либо 1.

Пример двоичных чисел:

0, 10, 11, 111, 0101, 11001100

Восьмиричные числа

Если число имеет основание 8, тогда любой его разряд может иметь цифры 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7.

Пример восьмиричных чисел:

0, 77, 67, 125, 7654, 7437

Шестнадцатиричные числа

Если число имеет основание 16, тогда любой его разряд может иметь цифры 0,1,2,3,4,5,6,7,9,A,B,C,D,E,F.

Да, для обозначения десятичных чисел 10, 11, 12, 13, 14, 15 используют шесть первых букв латинского алфавита: A, B, C, D, E, F

Соответственно: 10 это A, 11 это B, 12 это C, 13 это D , 14 это E , 15 это F.

Пример шестнадцатиричных чисел:

1, 0C, AB77, 12FE, 125D, 9A6C5E4, 0000FFFF, F

В программе С мы можем записывать шестнадцатиричные числа так:

• AB04, FF0A, 456FEA09. Без префикса.
• 0XAB04, 0XFF0A, 0X456FEA09. С префиксом 0X.
• 0xAB04, 0xFF0A, 0x456FEA09. С префиксом 0x. Это предпочитаемый метод записи шестнадцатиричных чисел в языке С.

Преобразование чисел из одного основания в другое

• Преобразование Двоичных чисел в Восьмиричные
• Преобразование Двоичных чисел в Шестнадцатиричные
• Преобразование Десятичных чисел в Двоичные
• Преобразование Восьмиричных чисел в Двоичные
• Преобразование Шестнадцатиричных чисел в Двоичные
• Преобразование Шестнадцатиричных чисел в Десятичные

Так как человеку привычнее использовать десятичные числа, а машина оперирует только двоичными числами, очевидно, что для написания программ без ошибок, важно понимать как преобразовывать числа из одной системы счисления(с одним основанием) в числа другой системы счисления(с другим основанием).

Предположим, что мы имеем некое число с определённым основанием b. Это число состоит из нескольких разрядов:

Допустим что это Двоичное число. Преобразование данного числа в десятичное число делается по формуле:

b×2^n-1 + b×2^n-2 + ... + b×2² + b×2¹ + b×2⁰ = десятичное число

Практический пример: Необходимо двоичное число 110110 преобразовать в десятичное. Делается это так:

Согласно формуле выше - подставим степени двойки, которые являются указателями номеров разрядов двоичного числа, начиная с нулевого:

1×2⁵ + 1×2⁴ + 0×2³ + 1×2² + 1×2¹ + 0×2⁰

Тогда получим:

1×32 + 1×16 + 0×6 + 1×4 + 1×2 + 0×1

Тогда получим:

32 + 16 + 0 + 4 + 2 + 0

Ответ:

54 (десятичное число).

Преобразование Двоичных чисел в Восьмиричные

Возьмём двоичное число 11010001101011:

Разделим условно двоичные разряды на группы по три, с права на лево так:

11 010 001 101 011

Крайняя левая группа не полная, дополним слева её нулём так:

011 010 001 101 011

Теперь, преобразуем эти двоичные группы из трёх разрядов в десятичные числа:

011(3) 010(2) 001(1) 101(6) 011(3)

Мы получили восьмиричное число 32163

Преобразование Двоичных чисел в Шестнадцатиричные

Возьмём двоичное число 11010001101011:

Разделим условно двоичные разряды на группы по четыре, с права на лево так:

11 0100 0110 1011

Крайняя левая группа не полная, дополним слева её двумя нулями так:

0011 0100 0110 1011

Теперь, преобразуем эти двоичные группы из четырёх разрядов в десятичные числа:

0011(3) 0100(4) 0110(6) 1011(11 это B)

Мы получили шестнадцатиричное число 346B

Преобразование Десятичных чисел в Двоичные

Данное преобразование строится на принципе остатка от деления. Метод такой:

• Делим десятичное целое число на 2 - записываем остаток.
• Делимое снова делим на 2 - записываем остаток.
• Повторяем до тех пор пока делимое более не делится на два.

Например возьмём десятичное число 351 и преобразуем его в двоичное.

Делим 351 на 2 и получаем остаток 1 (351/2 = 175 и 1 в остатке). Это самый младший разряд нашего будущего двоичного числа, т.е. при записи двоичного числа оно будет крайним ПРАВЫМ разрядом.

Делим 175 на 2 и получаем остаток 1 (175/2 = 87 и 1 в остатке). Это следующий перед младшим СЛЕВА разряд нашего будущего двоичного числа, т.е. при записи двоичного числа оно будет ВТОРЫМ С ПРАВА разрядом.

Продолжаем деление и запись остатков пока получается делить. Когда уже нет возможности делить на 2 - тогда мы достигли нашего самого старшего двоичного разряда, т.е. при записи двоичного числа оно будет крайним СЛЕВА разрядом.

Наконец то, мы собираем все двоичные разряды с права на лево (см. изображение) согласно положению каждого разряда двоичного числа :

101011111

Преобразуйте двоичное число 111011011 в десятичное самостоятельно.

Преобразование Восьмиричных чисел в Двоичные

Это очень легко,- просто возьмите каждый разряд восьмиричного числа и преобразуйте его в двоичное число, дополняя 0 слева если необходимо, что-бы получалось двоичное число из трёх разрядов.

Пример, преобразования восьмиричного числа 763015 в двоичное:

Каждый разряд преобразуем в двоичное число:

7(111) 6(110) 3(11) 0(0) 1(1) 5(101)

Дополним нули слева:

7(111) 6(110) 3(011) 0(000) 1(001) 5(101)

Соединяем двоичные числа один рядом с другим и получаем готовое двоичное число:

111110011000001101

Преобразование Шестнадцатиричных чисел в Двоичные

Просто возьмите каждый разряд шестнадцатиричного числа и преобразуйте его в двоичное число, дополняя 0 слева если необходимо, что-бы получалось двоичное число из четырёх разрядов.

Пример, преобразования шестнадцатиричного числа 0x2AF894 в двоичное:

Каждый разряд преобразуем в двоичное число:

2(10) A(1010) F(1111) 8(1000) 9(1001) 4(100)

Дополним нули слева:

2(0010) A(1010) F(1111) 8(1000) 9(1001) 4(0100)

Соединяем двоичные числа один рядом с другим и получаем готовое двоичное число:

001010101111100010010100

Преобразуйте Шестнадцатиричное число 0xF9D76A в Двоичное самостоятельно.

Преобразование Шестнадцатиричных чисел в Десятичные

Нам снова понадобится формула, которой мы уже пользовались выше.

Пример, преобразования шестнадцатиричного числа 0xAAD9FF в двоичное:

Согласно формуле подставляем значения:

A×16⁵ + A×16⁴ + D×16³ + 9×16² + F×16¹ + F×16⁰ = Десятичное число

Заменим латинские буквы десятичными числами:

10×16⁵ + 10×16⁴ + 13×16³ + 9×16² + 15×16¹ + 15×16⁰ = Десятичное число

10×1048576 + 10×65536 + 13×4096 + 9×256 + 15×16 + 15×1 = Десятичное число

10485760 + 655360 + 53248 + 2304 + 240 + 15 = 11196927

Преобразуйте шестнадцатиричное число 0xC1E53B в десятичное самостоятельно.

Перевод Отрицательных чисел в Положительные и наоборот, методом "дополнения к двум"

• Положительные целые числа
• Форма числа - дополнение к двум
• Отрицательные целые числа (англ. negative integers)

Положительные целые числа

Эти числа также имеют название беззнаковые целые числа(англ. unsigned integer ).

Внутри памяти и процессора все числа всегда представлены в виде двоичных чисел.

Пример, положительное шестнадцатиричное число 0xFF эквивалентно десятичному числу 255, эквивалентно восьмиричному числу 0377, и все они представлены в компьютере как двоичное число 11111111.

Форма числа - дополнение к двум

Чтобы привести двоичное число к форме дополнения к двум, необходимо начать с крайнего ПРАВОГО разряда и продвигаться вперёд НАЛЕВО - к старшему разряду.

Если первая цифра 0 - пропускаем её не изменяя.

Если следующая цифра 0 - пропускаем её не изменяя.

Двигаемся в право пока не встретим 1 - пропускаем её не изменяя.

Все последующие цифры меняем на противоположные - вместо 0 ставим 1, а вместо 1 ставим 0.

Пример, преобразовать двоичное число 10101110001000 в дополненное к двум:

Ещё пример, преобразовать двоичное число 00000000000001 в дополненное к двум:

Ещё пример, преобразовать двоичное число 11111111111111 в дополненное к двум:

Отрицательные целые числа (англ. negative integers)

Представим некое отрицательное целое десятичное число N, мы уже узнали и увидели, что любое десятичное число внутри компьютера представлено в виде строки битов(последовательности разрядов двоичного числа). Т.е. все числа представлены в вычислительной машине как последовательность(строка) битов, расположенных по старшинству разрядов - с ПРАВА на ЛЕВО. Справа - самый младший разряд, Слева - самый старший.

Вот как раз форма дополнения к двум и есть способ, который применяется в цифровых устройствах(память, процессор и т.п.) для хранения целых отрицательных чисел.

Давайте представим два десятичных числа 17 и -17 в двоичном виде.

Выделим в памяти восемь двоичных разрядов - называется такая битовая строка - байт .

Для представления десятичного числа 17 нам этих бит хватает:

17 в двоичной 10001. Дополним справа нулями для целостности байта:

17 в двоичной 00010001. Всё просто.

Теперь представим десятичное целое отрицательное число -17 в двоичном виде:

Возьмём двоичное представление числа 17(целое беззнаковое), и преобразуем по форме дополнения к двум:

00010001 в дополнении к двум будет иметь вид 11101111.

Битовая строка размером восемь бит(байт) 11101111 представляет в компьютере десятичное отрицательное целое число -17.

Также можно узнать какое отрицательное целое число представлено в двоичном виде в компьютере, имеет десятичное значение.

Например, двоичная строка из восьми бит(байт) вида 11111111 - представляет некое отрицательное число. Какое?

Применим преобразование по дополнению к двум:

11111111 дополнение к двум имеет вид 00000001.

Далее преобразуем двоичное число в десятичное, это 1.

Значит двоичное целое отрицательное число вида 11111111 это -1.

Ещё пример, двоичная строка из восьми бит(байт) вида 11111001 - представляет некое отрицательное число. Какое?

Применим преобразование по дополнению к двум:

11111001 дополнение к двум имеет вид 00000111.

Далее преобразуем двоичное число в десятичное, это 7.

Значит двоичное целое отрицательное число вида 11111001 это -7.

Вы возможно задаётесь вопросом, а как компьютер отличает целые отрицательные числа от целых положительных чисел. Ведь, получается, что любое двоичное число может представлять как положительные так и отрицательные числа. Но какое именно?

Всё довольно просто - Типы данных.

Во время написания программы, программист заранее определяет Типы данных с которыми будет работать функция или утверждение.

Все Типы данных в языке С имеют свои идентификаторы типа - однозначно указывающие компилятору - с каким типом данных и какие действия будет выполнять машина. Но об этом чуть позже.

Дробные числа

• Преобразование Двоичных Дробных чисел в Десятичные Дробные
• Преобразование Десятичных Дробных чисел в Двоичные Дробные

Двоичное дробное число состоит из двух частей: числа перед десятичной точкой и числа после десятичной точки, например, 1110.101

Где, 1110 является целым числом перед десятичной точкой, а 101 является дробной частью после десятичной точки (точки).

Преобразование Двоичных Дробных чисел в Десятичные Дробные

Выполним следующие шаги преобразования:

1. Измените всю часть двоичного числа на его эквивалентное десятичное, как обычно.
2. Выполните следующие шаги, чтобы преобразовать дробную часть двоичного числа в её десятичный эквивалент:
   • Разделите каждую цифру на 2.
   • Примените инкрементальную степень, начиная с 1 до знаменателя, то есть 2^-1, слева направо.
   • Добавьте результат, чтобы получить дробную часть числа.
3. Сложите целую и дробную части десятичного числа.

Пример преобразования 10101.1101 в десятичную дробь:

1. Преобразуйте всю часть двоичного числа в её эквивалент в десятичной системе, как обычно. Число перед дробью (целое число) = 10101:

   (1) 1×24 + 0×23 + 1×22 + 0×21 + 1×20
   (2) 16 + 0 + 4 + 0 + 1 = 21
   

2. Преобразуйте дробную часть двоичного числа в десятичную. Число после дробной части(дробная часть) = 1101:

   (1) 1×2-1 + 1×2-2 + 0×2-3 + 1×2-4
   (2) 1×1/2 + 1×1/4 + 0×1/8 + 1×1/16
   (3) 1×.5 + 1×.25 + 0×.125 + 1×.0625
   (4) .5 + .25 + 0 + .0625 = .8125

3. Сложите целую и дробную части десятичного числа:

   (1) 21 + .8125
   (2) 21.8125

   Итак, Двоичная дробь 10101.1101 = Десятичной Дроби 21.8125

Преобразование Десятичных Дробных чисел в Двоичные Дробные

Десятичное дробное число состоит из двух частей, например, 45.54. Где, 45 является целым числом перед десятичной точкой, а 0.54 является дробной частью после десятичной точки.

Выполним следующие шаги:

1. Преобразуйте целую часть десятичного числа в двоичное представление, как обычно.
2. Следуйте данным шагам, чтобы преобразовать дробную часть десятичного числа в её двоичный эквивалент:
   1. Умножьте её на 2
   2. Соберите целую часть результата, то есть цифру перед точкой.
   3. Напишите цифру сверху вниз (смотрите пример).
3. Сложите целую и дробную части двоичного числа, чтобы получить окончательный результат.

Пример преобразования 45.54 в двоичное дробное число:

1. Преобразуйте целую часть десятичного числа в двоичный вид, как обычно. Число перед точкой(целое число) = 45:

   (1) 45/2 = 1 в остатке
   (2) 22/2 = 0 в остатке
   (3) 11/2 = 1 в остатке
   (4)  5/2 = 1 в остатке
   (5)  2/2 = 0 в остатке
   (6)        1 в остатке
   

   Десятичное 45 = двоичному 101101.
2. Преобразуем дробную часть в двоичное представление. Здесь сразу обозначим, чтобы преобразовать десятичную дробную часть в двоичную, необходимы выбрать предел точности преобразования. Так если мы будем брать предел точности в пять знаков после точки, то и количество шагов преобразования будет не более пяти. Число после точки(дробная часть) = .54:

   (1) .54×2 = 1.08 - Перед точкой мы получили 1, записываем её, и далее не используем.
   (2) .08×2 = 0.16 - Перед точкой мы получили 0, записываем его, и далее не используем.
   (3) .16×2 = 0.32 - Перед точкой мы получили 0, записываем его, и далее не используем.
   (4) .32×2 = 0.64 - Перед точкой мы получили 0, записываем его, и далее не используем.
   (5) .64×2 = 1.28 - Перед точкой мы получили 1, записываем её. Здесь заканчиваем преобразование.

   Десятичная дробная часть .54 = двоичной дробной части .10001
3. Сложите целую и дробную части двоичного числа числа:

   (1) 101101 + .10001
   (2) 101101.10001

   Следовательно, 45.54 приблизительно равно 101101.10001. Если вы преобразуете это двоичное дробное число в десятичное дробное вы увидите результат 45.53125, что близко к 45.54, а если увеличить точность преобразования дробной части до семи знаков так 101101.1000101, то мы получим число 45.5390625, которое значительно ближе к 45.54. Именно по этому, в цифровой технике и вычислениях так важен предел точности преобразования, чтобы результаты вычислений всегда были в допустимых пределах погрешности.

Восьмеричные дробные числа и Шестнадцатеричные дробные числа преобразуются в десятичные дробные числа также как и двоичные дробные числа, просто изменяем основание на 8 для восьмеричных и 16 для шестнадцатеричных.

Пример: Преобразуйте десятичное 139.29 в восьмеричное число.

1. Преобразуйте целую часть десятичного числа в восьмеричное, как обычно (см. преобразование из десятичной системы в восьмеричную). Число перед дробной частью (целое число) = 139:

   (1) 139/8 = 3 в остатке
   (2)  17/8 = 1 в остатке
   (3)     2 = 2 в остатке

   Следовательно 139 в десятичной = 213 в восьмеричной.
2. Преобразуйте дробную часть в восьмеричный эквивалент. Число после дроби (дробная часть) = .29:

   (1) .29×8 = 2.32 - Перед точкой мы получили 2, записываем её, и далее не используем.
   (2) .32×8 = 2.56 - Перед точкой мы получили 2, записываем его, и далее не используем.
   (3) .56×8 = 4.48 - Перед точкой мы получили 4, записываем его, и далее не используем.

   Следовательно .29 в десятичной = .224 в восьмеричной. С целью увеличения точности мы можем продолжать эти шаги.
3. Соединяем целую и дробную части восьмеричного числа:

   (1) 213 + .224
   (2) 213.224

   Итак десятичное дробное число 139.29 = 213.224 в восьмеричной системе исчисления.

Пример: Преобразуйте восьмеричное 1047.1365 в десятичное число.

1. Преобразуйте целую часть восьмеричного числа в десятичное, как обычно (см. преобразование из восьмеричную системы в десятичную). Число перед дробной частью (целое число) = 1047:

   (1) 1 × 83 + 0 × 82 + 4 × 81 + 7 × 80 + 1 × 8-1 + 3 × 8-2 + 6 × 8-3 + 5 × 8-4
   (2) 512 + 0 + 32 + 7 + 1/8 + 3/64 + 6/512 + 5/4096
   (3) 551 + .125 + .0468 + .0117 + .0012
   (4) 551.1847

   Следовательно 1047.1365 в восьмеричной = 551.1847 в десятичной.

Пример: Преобразуйте десятичное 2063.4799 в шестнадцатеричное число.

1. Преобразуйте целую часть десятичного числа в шестнадцатеричное, как обычно. Число перед дробной частью (целое число) = 2063:

   (1) 2048/16 = 15 в остатке (15 = F)
   (2)  128/16 = 0 в остатке
   (3)       8 = 8 в остатке

   Следовательно 2063 в десятичной = 80F в шестнадцатеричной.
2. Преобразуйте дробную часть в шестнадцатеричный эквивалент. Число после дробной части (дробная часть) = .4799

   (1) .4799×16 = 7.6784 - Перед точкой мы получили 7, записываем её, и далее не используем.
   (2) .6784×16 = 10.8544 - Перед точкой мы получили 10 (10 = A), записываем её, и далее не используем.
   (3) .8544×16 = 13.6704 - Перед точкой мы получили 13 (13 = D), записываем её, и далее не используем.

   Следовательно .4799 в десятичной = .DA7 в шестнадцатеричной.
3. Соединяем целую и дробную части шестнадцатеричного числа:

   (1) 80F + .DA7
   (2) 80F.DA7

   Итак десятичное дробное число 2063.4799 = 80F.DA7 в шестнадцатеричной системе исчисления.

Регистры

• Связки в Памяти
• Подробное изучение принципа хранения целых чисел в памяти
• Заключение

Регистр - это элемент создания блока данных в памяти компьютера. Регистры хранят в себе исключительно битовые строки - т.е. последовательности бит представляющих числа и ничего более.

А вот что эти числа обозначают, какой они имеют смыл - определяет программист.

Чаще всего говорят о размере регистра - что означает: количество бит, которые он может хранить в себе.

Один бит - это минимальная ячейка памяти, которая может сохранять информацию, либо 0 либо 1.

Однако все современные процессоры работают с регистром с минимальным количеством бит в нём равном восьми.

Восемь бит - один байт.

Как мы уже изучили ранее - младший бит всегда находится крайним справа. Старший бит всегда находится крайним слева. Это мы, люди, так решили визуально представлять биты в байте. Размещение настоящих электронных битов в микросхемах процессоров и памяти - для нас не имеют значения.

Но такое позиционирование имеет отношение только к битам.

Байты же позиционируется как старшие и младшие по одному из двух методов. Об этом чуть позже.

Итак, мы теперь знаем что Регистр это 8 бит или 1 байт.

Каждый байт размещён в памяти. У каждого байта есть свой адрес в памяти.

Адрес в памяти представлен в виде Шестнадцатиричного числа.

Говорят что адрес указывает на регистр/байт.

Рассмотрим два вида определения старшего и младшего байта адресов в памяти. Обычно адреса в памяти имеют размер 16-байт.

Вот наглядное представление размещения байтов данных в памяти.

Шестнадцатиричное число 0xABCDEF9012345678 размером в 8 байт(один байт - два разряда числа), записано в памяти по принципу младший байт в меньшем адресе, старший байт в большем адресе . Т.о. на картинке представлено восемь байт по восемь бит в каждом в шестнадцатиричном виде.

Если мы скажем компьютеру в нашей программе на С, что в памяти хранятся два числа по 4-ре байта каждый, какие это будут числа?

Опять же, данные записаные в памяти по принципу младший байт в меньшем адресе, старший байт в большем адресе . Т.о. на картинке представлены будут два числа по четыре байта по восемь бит в каждом в шестнадцатиричном виде. И будут иметь следующий вид: Число №1 это 0x12345678, Число №2 это 0xABCDEF90

Для Числа №1 (0x12345678) младший байт находится по меньшему адресу в памяти: По адресу 0x000000000065FE18 хранится байт 0x78, а старший байт 0x12 хранится по адресу 0x000000000065FE1B.

Для Числа №2 (0xABCDEF90) младший байт находится по меньшему адресу в памяти: По адресу 0x000000000065FE1C хранится байт 0x90, а старший байт 0xAB хранится по адресу 0x000000000065FE1F .

Определите какие числа хранятся в памяти, если мы напишем код С, в котором укажем, что в памяти хранятся беззнаковые(положительные) целые числа размером два байта? Сколько в памяти таких чисел? Преобразуйте все эти шестнадцатиричные числа в десятичные.

Определите какие числа хранятся в памяти, если мы напишем код С, в котором укажем, что в памяти хранятся целые числа со знаком(отрицательные) и размером два байта? Сколько в памяти таких чисел? Преобразуйте все эти шестнадцатиричные числа в десятичные.

Напомню вам, что программист указывает какой тип данных хранится в памяти машины. Для указания Типа данных в языке применяются идентификаторы типа. Скоро мы их изучим.

Связки в Памяти

Память составлена из некоего количества регистров хранящих данные, каждый регистр имеет собственный адрес в памяти. Для работы с адресами указывающими на данные, в памяти выделены другие регистры - регистры хранения адресов, которые указывают на регистры данных - эта концепция является одной из важнейших в языке С.

Обычно, адреса в памяти это шестнадцатиричные числа.

Подробное изучение принципа хранения целых чисел в памяти

Мы рассмотрим так называемые концепции Big-Endian, и Little-Endian.

Итак, все данные хранятся в памяти - в регистрах. Каждый регистр имеет собственный адрес в памяти.

Концепция Big-Endian - Старший байт числа первым записывается в память.

Концепция Little-Endian - Младший байт числа первым записывается в память.

Первым записывается в память - значит использует адрес меньшего значения.

Давайте рассмотрим оба варианта хранения чисел в памяти.

У нас есть некое шестнадцатиричное число 0x1245A78F.

На С это можно написать такой строкой кода:

int A = 0x1245A78F;

Сравните адреса регистров, в которых хранятся данные - число 0x1245A78F:

Самостоятельно разместите байты данных по адресам в памяти, шестнадцатиричного целого знакового 6-ти байтового числа для каждого вида хранения:

int A = 0xABCDE789AA56;

Заключение

• Выбор принципа хранения данных в памяти зависит от аппаратной архитектуры машины, и зависит от идеологии, которой руководствуются инженеры в компании производителя. Так же справедливо следует отметить, что и программист в своих программах может применять тот или иной метод хранения данных в памяти процессора и оперативной памяти. Все эти аспекты, как правило скрыты за абстракциями языка С и работы компилятора, но знать о них нужно, особенно для разработчиков ПО для микроконтроллеров.
• Вы узнали, что компьютер оперирует исключительно Двоичными числами. Но так как для человека привычнее числа Десятичные, а перевод Десятичных чисел легко осуществляется в числа Шестнадцатиричные и Восьмиричные, то в зависимости от Типа Данных, с которыми будет работать ваша программа, язык С позволяет вам записывать числа в любой из этих систем исчисления.
• Все байты хранятся в памяти в регистрах. Будь то регистры процессора или оперативной памяти.
• У каждого регистра есть свой адрес.
• Адрес указывает на регистр данных.
• Да и сами адреса также хранятся в других регистрах памяти. Это важнейшая концепция работы с памятью в языке С.
• Программист на С, редко работает с непосредственными шестнадцатиричными значениями адресов данных в памяти. Практически всегда, программист придумывает осмысленные имена для указателей адресов, и не только для них. Об этом читайте далее.

Сохранение значений переменных

• Создание переменных в программе

Здесь показывается, как сохранять, получать и манипулировать различными типами данных с использованием контейнеров переменных в программах на языке C.

Создание переменных в программе

Итак, Память компьютера разделена на ячейки (адреса памяти). Каждая ячейка имеет адрес. Переменная — это имя адреса памяти, который может содержать значение конкретного типа данных. Переменные объявляются с использованием определённого синтаксиса, включая имя переменной, тип данных и, опционально, начальное её значение.

Переменным принято давать осмысленные имена, чтобы код программы был более доступен для понимания. Для того чтобы создать переменную, необходимо просто объявить её. Объявление переменной, запускает процесс выделения ячеек в памяти машины согласно размеру указанного типа данных переменной. Объявление переменной выглядит так:

<тип-данных> <имя-переменной>;

Сразу после выполнения утверждения - объявления переменной, Операционная Система, выделяет где-то в памяти машины фрагмент памяти равный размеру обусловленного её типом. И автоматически, имени переменной присваивается младший адрес ячейки памяти с которой начинается значение переменной. Т.е. имя переменной (не очевидным образом) становится обладателем и адреса хранения значения в памяти.

При объявлении переменной вначале указывается тип данных, который будет храниться в переменной. Можно выбрать один из типов, описанных ниже. После типа данных следует пробел, а затем — выбранное имя переменной, соответствующее соглашениям, представленным выше. Как и любое другое утверждение языка C, объявление переменной должно заканчиваться точкой с запятой ; . Несколько переменных, имеющих одинаковый тип данных, могут быть объявлены одновременно в виде списка через запятую:

<тип-данных> <имя-переменной1>, <имя-переменной2>, <имя-переменной3>;

Однако для простоты чтения кода рекомендуется писать каждую переменную в отдельной строке:

<тип-данных> <имя-переменной1>; 
<тип-данных> <имя-переменной2>; 
<тип-данных> <имя-переменной3>;

В языке C существуют четыре типа данных, которые применяются чаще остальных. Они определяются с помощью ключевых слов языка C отмеченных в таблице светло-зелёным:

int a = -5;

short b = 10;

long c = 100000;

long long d = 1*pow(e, 12);

unsigned int e = 5;

unsigned short f = 20;

unsigned long g = 1*pow(e, 6);

unsigned long long h = 1*pow(e, 15);

char ch = 'C';

unsigned char uch = 255;

signed char sch = -127;

float f = 3.141592;

double d = 2.718281828;

long double ld = 1.234567e+30;

void function(void) {...}

int *ptr = &ch;

Типы данных выделяют разные объёмы машинной памяти для хранения данных. Самый малый объём — у типа char, для этого типа выделяется всего один байт памяти. Самый большой объём выделяется для типа long double — от 10 до 16 байт(в зависимости от машины, операционной системы и компилятора).

Значения типа char(одиночный символ) должны быть заключены в одинарные кавычки. Использование двойных кавычек предназначено только для строк(два и более символов).

Объявление переменных должно происходить до того, как в программе появится код, который при выполнении будет использовать переменную. Когда значение назначается переменной говорят, что переменная была инициализирована. Иногда переменная инициализируется сразу в момент её объявления. Так как при объявлении переменной, к имени переменной сразу привязывается адрес ячейки хранения значения(числа) в памяти, а в этот момент по этому адресу уже могли быть какие-то значения(называемые мусорными), то в сообществе программистов на С есть негласное правило: Инициализировать переменную сразу же после её объявления, всегда когда это возможно! Тем самым устраняя из кода мусорные данные сразу.

В примере кода, ниже, различные переменные объявляются, а затем и инициализируются подходящими значениями, что описано в комментариях к коду — описательных текстах, заключенных между символами /* и */, которые компилятор игнорирует:

int num1;          /* Объявляем целочисленную переменные */
int num2;          /* Объявляем целочисленную переменные */
char letter;       /* Объявляем символьную переменную */
float decim = 7.5; /* Объявляем и инициализируем переменную с плавающей точкой */
num1 = 100;        /* Инициализируем целочисленную переменную */
num2 = 200;        /* Инициализируем целочисленную переменную */
letter = 'A';      /* Инициализируем символьную переменную */

Кстати, Спецификация языка явно не определяет длину имени переменной. Однако большинство компиляторов C накладывают практическое ограничение на максимальную длину имени переменной, обычно от 31 до 63 символов.

Обычно рекомендуется использовать значимые и лаконичные имена переменных, которые описывают назначение переменной в программе, вместо того, чтобы использовать чрезмерно длинные имена. Это также может помочь избежать распространённых ошибок программирования, таких как опечатки или ошибки в написании имён переменных.

Значение переменной заданное числом называется константой и остаётся фиксированным на протяжении всего выполнения программы, пока мы не изменим его в программе. В утверждениях int a = 10; или float b = 12.5;, например, числа 10 и 12.5 являются целочисленной и дробной константами соответственно. Константа также известна как C-литерал. Константа бывает следующих четырёх основных видов:

• Целого числа - Может принимать только положительные или отрицательные целые значения. Не может принимать вещественные или десятичные значения с дробной частью. Примеры:
  • 256
  • -999
• Вещественного числа - Cодержит десятичные (действительные) или числа с плавающей точкой. Эти числа состоят из двух частей: перед десятичной точкой и после десятичной части, например, 58.4. Они могут быть как положительными, так и отрицательными. Примеры:
  • -156.01
  • 9.99
  • 94.00
• Символьная - Константа символа — т.е. один символ (знак), заключенный в одинарные кавычки (' '). Примеры:
  • 'B'
  • '8'
  • '='
• Строковая - Это группа символов. Строка - это коллекция(набор) символов, заключённых в двойные кавычки(" "). Примеры:
  • "C language"
  • "89"
  • "B"

  Примечание: 'B' и "B" - не одно и тоже. Так как строка(в двойных кавычках) содержит скрытый символ-терминатор конца строки \0. Писать это символ-терминатор нужно в определённых случаях, подробности далее.

Идентификаторы

Идентификаторы — это слова, определяемые пользователем. Это имя, обозначающее конкретную область памяти. Эти слова используются для именования переменных, функций, массивов, структур и т.п.. Правила для построения идентификаторов в языке C следующие:

• Имя идентификатора может содержать буквы, цифры и символы подчеркивания.
• Идентификаторы могут начинаться только с буквы или подчеркивания. Они не могут начинаться с цифры.
• Не могут содержать пробелов и специальных символов, таких как @, !, #, %, и так далее, кроме подчеркивания.
• Не могут содержать зарезервированные(ключевые) слова, такие как int, break и так далее.
• Имена идентификаторов чувствительны к регистру, потому что C различает заглавные и строчные буквы по их кодам ASCII.
• Имена идентификаторов, по длине не должны превышать ограничения компилятора(обычно это 31 и до 63 символов).
• Идентификаторы должны быть выражены в содержательном, кратком и понятном стиле. Когда имена имеют смысл - чтение кода становится более простым и прозрачным.

Операторы

Операторы — это символы, которые выполняют операции над операндами. Например, в выражении a = b + c;, 'a', 'b' и 'c' — это операнды, где '=' и '+' — это операторы. Ниже приведены примеры некоторых операторов языка С:

• Арифметические - '+', '-', '*', '/'.
• Отношения - '<', '>', '<=', '>=', '==', '!='.
• Логические - '&&', '||', '!'.
• Присваивания - '=', '+=', '-='.
• и другие...

Специальные символы

Специальные символы разделяют различные части программы или попросту обеспечивают её структурную организацию. Примеры специальных символов:

• Скобки - '()', '[]', '{}'.
• Точки и запятые - ';', ':', '.', ','.
• и другие...

Опишем основные символы языка C в виде таблицы:

Структурная организация кода на языке С

Следующие строки кода показывают общую структуру программы на C. Программа на C обычно состоит из заголовочных файлов, комментариев, типов данных, функций, операторов ввода, операторов обработки и операторов вывода. Общий синтаксис самой простой программы на C выглядит следующим образом:

/* Комментарий */
#include <имя_заголовочного_файла1>
#include <имя_заголовочного_файла2>
#include "имя_заголовочного_файла_пользователя"

void main()
{
   Объявления переменных;
   Утверждения ввода данных;
   Утверждения обработки данных;
   Утверждения вывода данных;
}

Комментарии

Комментарий является неотъемлемой частью исходного кода любой профессиональной программы написанной на любом языке программирования. Комментарии пишет программист в первую очередь для себя и своих коллег - поясняя особенности фрагментов кода.

Комментарий в С бывают однострочные и многострочные. Однострочные начинаются с символов "//". Многострочные обрамляют текст в символы "/* */":

// Комментарий в одной строке
         
/* Комментарий в одной строке, который может быть очень длинным, поясняющий особенности конкретного фрагмента кода программы, функции или чего-то что так сразу и не понять... */

/* Комментарий в несколько строк, начинается на этой строке,
   и продолжается дальше. Такой комментарий иногда называют 
   комментарий-параграф, лучше так оформлять длинные тексты, 
   чтобы было легче их читать */
      

Отображение значений переменных в консоли и не только

• Замечания
• Количество разрядов числа

Значение переменной может быть отображено с помощью функции printf(), которая уже была использована нами ранее для отображения сообщения Hello World. Формат отображения значения переменной должен быть определён как аргумент функции printf(), располагающийся в скобках — сначала следует спецификатор формата в двойных кавычках, а затем после запятой — имя переменной. Завершение утверждения - точка с запятой ;

printf("<%спецификатор-формата-печати>", <имя-переменной>);

Где: число хранимое в переменной с именем - <имя-переменной>, форматируется(преобразуется) в специально заданный вид, указываемый спецификатором форматирования(формата отображения) - <%спецификатор-формата-печати>

Обратите внимание: Единичные символы должны обрамляться в одинарные кавычки, а строки — в двойные.

Как вы видите, перед символами ставится знак процента(%), за которым следуют необязательные флаги, изменяющие формат вывода. Например, спецификатор формата %d можно модифицировать, используя следующие флаги:

• %5d - Отображает целочисленное значение в поле шириной пять символов
• %-5d - Отображает целочисленное значение в поле шириной пять символов, выровненное по левому краю

Таким образом, если мы хотим напечатать несколько значений разных переменных внутри одной строки, нам достаточно последовательно внутри строки разместить спецификаторы формата печати для каждой переменной, а после закрывающий двойной кавычки(после запятой) в той же последовательности записать через запятую список имён переменных. Переменные будут подставлены на места спецификаторов форматов печати в строке. Пример:

#include <stdio.h>

int main()
{
   int num = 123;    /* Объявили и инициализировали переменную типа int */
   float fl = 3.14;  /* Объявили и инициализировали переменную типа float */
   char ch = 'C';    /* Объявили и инициализировали переменную типа char */
   printf("num = %d, fl = %f, ch = %c\n", num, fl, ch); /* %d для num, %f для fl, %c для ch */

   return 0;
}

Так программа напечатает в консоль значения переменных согласно спецификаторам формата в строке, подставив вместо них значения переменных:

Замечания:

• Для типа данных size_t рекомендуется использовать %zu(т.е. специальное беззнаковое значение), а не %lu(произвольное беззнаковое long), для полной переносимости между 32/64-битными платформами.
• Для long long используйте %lld, %llu.
• Для указателей всегда используйте %p(от англ. pointer - указатель).
• Для вывода ptrdiff_t используйте %td, а для intmax_t — %jd.
• %i используется так же, как %d в printf(), но различается в scanf() (распознаёт систему счисления).

Не переживайте если что-то в таблицах вам сейчас не понятно. По мере обучения будут описаны все аспекты.

Количество разрядов числа

Спецификатор формата позволяет убедиться, что выходные данные займут определённый объём места при печати, если указать число сразу же после символа %. Например, чтобы убедиться, что целое число всегда будет иметь как минимум семь разрядов, следует использовать спецификатор %7d. Если необходимо заполнить всё свободное пространство нулями, между спецификатором и числом следует приписать 0. Например, чтобы убедиться, что целое число всегда будет как минимум семь разрядов, и при этом свободные разряды окажутся заполнены нулями, следует использовать спецификатор %07d .

Спецификатор точности, который представляет собой точку и число, может быть использован со спецификатором %f для указания отображаемого количества знаков после запятой. Например, чтобы отобразить только два разряда, следует использовать спецификатор %.2f . Спецификатор точности может быть использован вместе со спецификатором минимального пустого пространства, чтобы управлять как минимальным объёмом пустого места, так и количеством разрядов числа. Например, чтобы отобразить семь разрядов числа, включая два после запятой, и заполнить пустые разряды нулями, используйте спецификатор вида %07.2f .

По умолчанию пустые разряды следуют перед самим числом, соответственно, число имеет выравнивание по правому краю. Однако пустые разряды могут быть добавлены и слева. Это достигается путём добавления символа к спецификатору.

Вот пример исходного кода:

#include <stdio.h>

int main()
{    
    int num = 123;
    float fl = 3.141592; /* Объявили и инициализировали переменную типа float
      с шестью знаками после точки */
    printf("num = %d, fl = %f\n", num, fl);     /* Печать без указания модификаторов длины */
    printf("num = %07d, fl = %.2f\n", num, fl); /* Печать с модификаторами печати символов */

    return 0;
}

Так программа напечатает в консоль значения переменных согласно указанным модификаторам длины и спецификаторам формата в строке, подставив вместо них значения переменных:

1. Начните новую программу с названием vars.c с инструкции препроцессора, чтобы включить в код стандартные библиотечные функции ввода/вывода :

   #include <stdio.h>

2. Добавьте функцию main(), в которой объявляются и инициализируются две переменные :

   int main()
   {
      int num = 100;
      double pi = 3.1415926536;
   }

3. В функции main() после объявления переменных добавьте утверждения, позволяющие вывести в консоль значения переменных в разных форматах:

   printf("Integer is %d\n", num);
   printf("Values are %d and %f\n", num, pi);
   printf("%%7d displays %7d\n", num);
   printf("%%07d displays %07d\n", num);
   printf("Pi is approximately %1.10f\n", pi);
   printf("Right-aligned %20.3f rounded pi\n", pi);
   printf("Left-aligned  %-20.3f rounded pi\n", pi);

   Напоминаем, чтобы отобразить символ % с помощью функции printf(), добавьте перед ним ещё один символ %, как это показано в примере.

4. В конце функции main() добавьте финальное утверждение, которое возвращает 0, чего требует объявление функции:

   return 0;

5. Теперь сохраните файл vars.c и затем в командной строке запишите команду компилятору скомпилировать код и затем запустите программу, чтобы увидеть, как значения переменных будут выведены в разных форматах.

Ввод значений переменных в программу, пользователем из консоли

Строки — это особый случай. Работа с ними продемонстрирована в разделе, посвящённом работе с массивами, далее.

Стандартная библиотека функций ввода-вывода <stdio.h> предоставляет функцию scanf(), которая может использоваться для получения данных от пользователя. Функция scanf() требует, чтобы в неё передавали два аргумента, определяющие тип данных и адрес значения переменной в памяти, куда оно должно быть сохранено.

Первый аргумент функции scanf() должен быть одним из спецификаторов формата из таблицы, приведённой выше, он помещается в двойные кавычки. Например так, "%d", если вводится целочисленное значение. Вторым аргументом функции scanf() должно быть имя переменной, перед которым стоит символ &, если только вводится не строка. Символ & имеет несколько применений в программировании на языке C, но в этом контексте он используется как операция адресации, что значит, что вводимые данные должны храниться в том участке памяти, который был зарезервирован для этой переменной.

При объявлении переменной в памяти компьютера резервируется место(регистры) для хранения данных, записанных в эту переменную. Количество байт зависит от типа переменной. К выделенной памяти можно обратиться, используя уникальное имя этой переменной и по указателю адреса(об этом позже).

Представьте, что память компьютера — это очень длинный ряд коробок, которые приставлены одна к другой. Каждая коробка имеет уникальный номер - адрес, который записывается в шестнадцатеричном формате. Внутри каждой коробки может лежать определённый тип предмета(данные определённого типа), адрес каждого такого предмета и есть уникальный номер коробки. В программах, написанных на языке C, коробки — это адресованные ячейки, а предметы внутри — это данные, расположенные по этим адресам.

Функция scanf() может назначать значения нескольким переменным одновременно. Для этого в первый аргумент помещается несколько спецификаторов формата, разделённых пробелами, а весь список должен располагаться в двойных кавычках. Второй аргумент должен содержать разделённый запятыми список имён переменных, перед каждым из которых следует поставить символ & - операция адресации. Имена переменных следует располагать последовательно указанным спецификаторам форматов.

Обратите внимание на то, что функция scanf() прекращает считывание введённых в консоль значений, если встретит пробел.

Операция адресации & также может использоваться для того, чтобы возвращать шестнадцатеричный адрес, по которому хранится переменная.

Функции printf() и scanf() позволяют программам взаимодействовать с пользователем посредством консоли. Часто такие программы так и определяют, как консольные.

1. Начните новую программу setvars.c с инструкции препроцессора, включающей стандартную библиотеку функций ввода/вывода:

   #include <stdio.h>

2. Добавьте функцию main(), в которой объявляются три переменные:

   int main()
   {
      char letter;
      int num1, num2;
   }

3. Далее в блоке функции main() после объявления переменных добавьте утверждения, позволяющие пользователю ввести данные:

   printf("Enter any one keyboard character: ");
   scanf("%c", &letter);
   printf("Enter two integers separated by a Space: ");
   scanf("%d %d", &num1, &num2);

4. Теперь добавьте утверждения, печатающие в консоль сохранённые данные:

   printf("Numbers inputed: '%d' and '%d'\n", num1, num2);
   printf("Letter inputed: '%c' ", letter);
   printf("Stored at: %p\n", &letter);

5. В конце блока функции main() верните значение 0, чего требует объявление функции:

   return 0;

6. Сохраните файл программы setvars.c, а затем скомпилируйте и выполните программу, введя запрашиваемые программой данные:

   

Напоминаем, спецификатор формата для печати в консоль адреса ячейки памяти, где хранится значение переменной в компьютере, в шестнадцатеричном виде, это %p .

Стоит обратить ваше внимание на шестнадцатеричное значение адреса, который указывает на ячейку в памяти, где размещён введённый вами символ. Посмотрите сколько байт имеет адрес в вашем компьютере. Например результат выполнения программы на моём ПК отобразил значение адреса как 00000088E81FF9DF, что в десятичном виде это число 588 миллиардов 009 миллионов 961 тысяч 951 ! Значит ли это, что в моей машине 588 Гигабайт Оперативного Запоминающего Устройства (сокр. ОЗУ)?

Нет, не значит. Это и есть те абстракции с которыми работает компилятор и ваша программа в среде Операционной Системы машины. Это абстрактные адреса, в виртуальной памяти операционной системы. Именно по этому, программисты чаще всего управляют памятью не через эти значения, а через имена указателей адресов. Подробнее далее.

Спецификаторы типов данных

Числовая переменная типа int способна содержать положительные и отрицательные значения. Они называются знаковыми. Диапазон допустимых значений по умолчанию может определяться операционной системой как длинный или короткий.

Если переменная типа int по умолчанию создаётся как длинная (что более вероятно), она, как правило, может иметь значения в диапазоне от –2147483648 до +2147483647.

С другой стороны, если переменная типа int создаётся как короткая (что менее вероятно), она, как правило, способна иметь значения от –32768 до +32767.

Размер диапазона может быть указан явно при помощи ключевых слов спецификаторов short (англ. short - короткий) и long (англ. long - длинный) в объявлении переменной, например, так:

short int num1; /* Позволяет экономить память, например в микроконтроллере */
long int num2;  /* Позволяет работать с крупными числами */

Библиотечный заголовочный файл <limits.h> содержит определяемые реализацией размеры некоторых типов данных. Они доступны через константы. Для переменных типа int, размер которых не указан, это INT_MAX и INT_MIN. Аналогично для переменных типа short int это переменные SHRT_MAX и SHRT_MIN, для переменных типа long int — LONG_MAX и LONG_MIN.

Кстати, имена констант всегда пишутся в верхнем регистре, что позволяет визуально отличать их в коде от переменных. Само слово константа определяет переменную, которую можно лишь один раз объявить и инициализировать, но больше никогда нельзя её изменять. Даже при компиляции, компилятор, если "увидит" что в коде прописано утверждение, в котором программист пытается изменить константу, выдаст ошибку и компиляция кода не будет завершена.

Константы нужны для удобочитаемости кода. Когда дают имя константе, то имя несёт смысл программисту о том, что в ней содержится. Таким образом в программировании, пытаются избавить код от магических чисел - т.е. от чисел, которые появляются в коде по неизвестным причинам и с непонятным назначением. В целом это касается всех имён любых переменных, функций, структур и т.п. абстракций любого языка программирования, включая С. Старайтесь придумывать осмысленные имена переменным и избегайте в коде магических чисел. Подробнее об именовании переменных.

Неотрицательные беззнаковые переменные типа int могут быть объявлены с помощью ключевого слова-спецификатора unsigned в случае, только если в будущем переменная никогда не получит отрицательное значение. Переменная типа unsigned short int, как правило, будет иметь диапазон 0...65535, при этом она займёт столько же места в памяти, сколько и обычная переменная типа short int. Переменная типа unsigned long int, как правило, будет иметь диапазон 0...4294967295, при этом она займёт столько же места в памяти, сколько и обычная знаковая переменная типа long int.

Объём памяти, выделяемый для переменной типа int неопределённого размера (без спецификаторов), зависит от настроек операционной системы, но часто по умолчанию выделяется столько же памяти, сколько и для переменной типа long int.

Функция sizeof() может быть использована для того, чтобы узнать, какой объём памяти резервируется под переменные разного типа. Рекомендуется использовать минимально возможный объём памяти. Например, если заранее известно, что переменная будет содержать только положительные значения меньше 65535, предпочтительнее использовать тип данных unsigned short int, который резервирует только 2 байта памяти, вместо long int, резервирующего 4 байта. Эта рекомендация особенно важна при программировании встраиваемых систем на основе микроконтроллеров - объём ОЗУ которых часто ограничен десятками или сотнями килобайт.

1. Начните новую программу sizeof.c с инструкций препроцессора, подключающих стандартные библиотеки функций ввода/вывода и констант:

   #include <stdio.h>
   #include <limits.h>

2. Добавьте функцию main(), в которой содержатся утверждения, позволяющие вывести на экран размер и диапазон типа данных short int

   int main()
   {
      printf("Short int size: %d bytes\n", sizeof(short int));
      printf("from %d to %d\n\n", SHRT_MAX, SHRT_MIN);
   
      return 0;
   }

3. Далее добавьте утверждения, позволяющие вывести на экран раз мер и диапазон типа данных long int

   printf("Long int size: %d bytes\n", sizeof(long int));
   printf("from %ld to %ld\n\n", LONG_MAX, LONG_MIN);

4. Теперь добавьте утверждения, выводящие на экран размер типа данных char :

   printf("Char size: %d bytes\n", sizeof(char));
   printf("from %d to %d\n\n", CHAR_MAX, CHAR_MIN);

5. Типа данных float :

   printf("Float size: %d bytes\n", sizeof(float));
   printf("from %e to %e\n\n", FLT_MAX, FLT_MIN);

6. Типа данных double :

   printf("Double size: %d bytes\n", sizeof(double));
   printf("from %e to %e\n\n", DBL_MAX, DBL_MIN);

7. Типа данных long double :

   printf("Long Double size: %d bytes\n", sizeof(long double));
   printf("from %e to %e\n\n", LDBL_MAX, LDBL_MIN);

8. Добавьте финальное утверждение, чтобы вернуть значение 0, чего требует объявление функции.

   return 0;

9. Visual Studio Code выдаёт предупреждение о том, что константы для него не известны. Это значит, что предварительно читается содержимое заголовочных файлов, если это содержимое содержит необходимую информацию используемую в исходном коде ниже, то компиляция может пройти успешно. В противном случаи необходимо подключить недостающие библиотеки. Итак, проверьте исходный код на наличие ошибок и предупреждений :

   

   Так как константы для типов данных float, double и long double, с которыми мы работаем в нашей программе, не содержатся в заголовочном файле <limits.h> , а содержаться в заголовочном файле <float.h> , то его необходимо добавить как и предыдущие заголовочные файлы, как инструкцию препроцессору :

   #include <float.h>

10. Сохраните файл программы, а затем скомпилируйте и выполните программу, чтобы увидеть размеры и диапазоны типов данных.

    

    Для оформления вывода данных в консоль в более презентабельном виде, можно переписать код с помощью управляющих символов, пробелов и текста :

    Обратите внимание на то, как в данном примере используется управляющая последовательность символов табуляции \t.

11. #include <stdio.h>
    #include <limits.h>
    #include <float.h>
    
    int main(){
       printf("Size of :\n");
       printf("Short int \t%d bytes \t", sizeof(short int));
       printf("from %d to %d\n", SHRT_MAX, SHRT_MIN);
    
       printf("Long int \t%d bytes \t", sizeof(long int));
       printf("from %ld to %ld\n", LONG_MAX, LONG_MIN);
    
       printf("Char \t\t%d bytes \t", sizeof(char));
       printf("from %d to %d\n", CHAR_MAX, CHAR_MIN);
    
       printf("Float \t\t%d bytes \t", sizeof(float));
       printf("from %e to %e\n", FLT_MAX, FLT_MIN);
    
       printf("Double \t\t%d bytes \t", sizeof(double));
       printf("from %e to %e\n", DBL_MAX, DBL_MIN);
    
       printf("Long Double \t%d bytes\t", sizeof(long double));
       printf("from %e to %e\n", LDBL_MAX, LDBL_MIN);
    
       return 0;
    }

    

Опишем основные последовательности символов для оформления печати в виде таблицы:

Понятие и Использование Глобальных переменных

Фрагменты программы, в которых доступны переменные, называются областью видимости.

• Локальной называется переменная, объявленная внутри тела функции,
• Глобальной называется переменная, объявленная за пределами тела функций.
• Тело функции это утверждения внутри её фигурных скобок:

  /* Переменная объявленная вне функции и до неё, видна внутри функции - она ГЛОБАЛЬНАЯ */
  
  <data-type> <function-name> ()
  {
     /* Тело функции */
     /* Переменная объявленная здесь, не видна за пределами функции - она ЛОКАЛЬНАЯ */
  }

Локальные переменные могут быть использованы только внутри той функции, в которой они объявлены. Это поведение применяется по умолчанию, однако его можно использовать намеренно с помощью редко используемого ключевого слова auto в объявлении переменной. Такие переменные создаются в памяти во время вызова функции и, как правило, удаляются из памяти, как только функция отработает.

Глобальные переменные, с другой стороны, могут использоваться внутри любой функции программы. Они создаются в памяти во время запуска программы и существуют в течение всего времени выполнения программы.

Внешние Глобальные переменные должны быть объявлены всего один раз в начале программы. Они также должны быть объявлены внутри каждой функции, которая будет их использовать. Такое объявление должно начинаться с ключевого слова extern, что указывает, что переменная является внешней, а не локальной. Подобные объявления не следует использовать для объявления глобальных переменных.

Повсеместное использование глобальных переменных в коде может вызвать конфликты имён.

Крупные программы на языке C часто состоят из нескольких файлов исходного кода, которые компилируются вместе для создания одного исполняемого файла. Глобальные переменные обычно доступны из любой функции любого файла программы. Все функции, как правило, также доступны глобально. Но область действия функций и, что более типично, глобальных переменных может быть ограничена только тем файлом, в котором они располагаются, с помощью дописывания в объявление переменной ключевого слова static.

Постарайтесь использовать только локальные переменные. Глобальные переменные удобно использовать для получения их значений из любой функции программы, но рекомендуется избегать глобальных переменных и передавать значения между функциями как аргументы.

Обычно программа не способна использовать несколько переменных с одинаковым именем, но это становится возможным, если каждая из таких переменных объявлена с помощью ключевого слова static и является уникальной(единственной) в текущем файле исходного кода. Создание программы, использующей несколько файлов, может привести к тому, что имя одной глобальной переменной будет использоваться в двух разных файлах. Использование ключевого слова static позволяет избежать переименования одной из этих переменных в исходном коде.

Внутренние глобальные переменные также могут быть объявлены с использованием ключевого слова static. Они станут доступны только внутри функции, в которой они были объявлены, но не пропадут по завершении работы функции. Это позволяет создать перманентное(постоянное, вечное) частное хранилище внутри функции, которое будет существовать до конца работы программы.

1. Напишем новую программу global_1.c . Подключим стандартную библиотеку функций ввода/вывода.

   #include <stdio.h>

2. Объявите и инициализируйте глобальную статическую переменную, получить доступ к которой можно только из текущего файла исходного кода:

   static int sum = 100;

3. Добавьте функцию main(), в которой объявляется необходимость использовать глобальную статическую переменную, а также выводится её значение:

   int main()
   {
      extern int sum;
      printf("Sum is %d\n", sum);   
   }

4. Далее добавьте объявление второй глобальной переменной вне функции main(), а внутри функции main(), выведите её значение. Теперь исходный код выглядит так:

   #include <stdio.h>
   
   static int sum = 100;
   static int num;
   
   int main()
   {
      extern int sum;
      printf("Sum is %d\n", sum);
   
      extern int num;
      printf("Num is %d\n", num);
   }

5. Добавьте финальное утверждение, чтобы вернуть значение 0, чего требует объявление функции, а затем сохраните файл:

   return 0;

   

6. Создайте новый файл global_2.c. Внутри него объявите вторую глобальную переменную, затем сохраните этот файл:

   static int num = 200;

   

7. Скомпилируйте оба файла исходного кода в один исполняемый файл, передав имя каждого из них в команде компилирования:
   gcc global_1.c global_2.c -o global.exe
   

   

   Ключевое слово static, добавленное к объявлению переменной num, ограничило её область видимости рамками только этого файла, что привело к ошибке компиляции.

8. Исправим ошибку. Удалим ключевое слово static, добавленное к объявлению переменной num и сохраним файл global_2.c .

   

9. Снова скомпилируйте оба файла исходного кода в один исполняемый файл, передав имя каждого из них команде компилирования
   gcc global_1.c global_2.c -o global.exe
   , а затем запустите программу, чтобы увидеть на экране значения глобальных переменных.

   

Заключение

Область видимости переменных один из ключевых моментов работы с переменными не только при написании единичного файла исходного кода, но в особенности при написании программы содержащей несколько файлов, которые в последствии будут объединены в один исполняемый файл.

Размещение переменных в регистрах процессора

• Ключевое слово register
• Ключевое слово volatile
• Заключение

Ключевое слово register

Считается, что объявление переменной, которое включает в себя ключевое слово register (англ. register - регистр, реестр, подручный журнал учёта), указывает компилятору, что эта переменная будет часто использоваться в программе. Это делается для того, чтобы компилятор разместил переменные, зарегистрированные таким способом, в регистрах процессора, чтобы ускорить доступ к ним. Полезность этого действия довольно сомнительная, поскольку компиляторы могут свободно проигнорировать это указание.

С использованием ключевого слова register могут быть объявлены только внутренние локальные переменные. В любом случае, таким способом могут быть зарегистрированы только несколько переменных, и они могут иметь только определённые типы. Точные ограничения могут варьироваться от процессора к процессору.

Несмотря на возможные недостатки, использование ключевого слова register безвредно, поскольку это ключевое слово будет проигнорировано, если компилятор не сможет поместить переменные в регистры. Вместо этого переменные создаются обычным образом, как если бы ключевое слово register не было указано.

Ключевое слово volatile

Полной противоположностью ключевого слова register является ключевое слово volatile (англ. volatile - непостоянный, шаткий, неустойчивый). Это значит, что переменная не должна помещаться в регистры, поскольку её значение способно измениться в любой момент даже без участия кода, окружающего её. Это бывает важно для глобальных переменных в крупных программах, которые могут изменять переменную сразу несколькими потоками вычислений.

Использование ключевого слова register может оказаться полезным для локальных переменных, применяющихся для хранения управляющего значения в цикле. На каждой итерации(повторении) цикла происходит обращение к переменной, которая хранит управляющее значение. Хранение этого значения в регистре способно ускорить выполнение цикла. Компилятор распознаёт структуру цикла и оптимизирует его в эффективный код Ассемблера.

С другой стороны, если для хранения такого значения используется глобальная переменная, которая может быть изменена за пределами цикла, рекомендуется использовать ключевое слово volatile.

Изучение структур циклов будет дано позже, а пример, приведённый далее, показан для того, чтобы продемонстрировать повторяющиеся обращения к переменной, объявленной с помощью ключевого слова register.

Ключевые слова register и volatile описаны здесь лишь для полноты картины — в действительности они редко используются, поскольку в большинстве программ для хранения данных используются обычные переменные.

1. Напишем новую программу register.c с подключенным заголовочным файлом стандартной библиотеки функций ввода/вывода :

   #include <stdio.h>

2. Добавьте функцию main(), в которой объявляется и инициализируется переменная с использованием ключевого слова register. Эта переменная содержит управляющее значение цикла, равное 0:

   int main()
   {
       register int num = 0;
   }

3. Теперь добавьте условие, позволяющее проверить, не превысило ли управляющее значение число 5, а затем пару фигурных скобок {}:

   #include <stdio.h>
   
   int main()
   {
       register int num = 0;
       while(num < 5)
       {
           
       }
   }

   Если для переменной, объявленной с помощью ключевого слова register, использовать операцию &, компилятор разместит переменную в ОЗУ, а не в регистре процессора.

4. Между скобками цикла while (англ. while - до тех пор пока) добавьте утверждения, позволяющие в каждой итерации цикла увеличить управляющее значение и печатать его в консоль. Теперь код выглядит так:

   #include <stdio.h>
   
   int main()
   {
       register int num = 0;
       while(num < 5)
       {
           ++num;
           printf("Pass %d\n", num);
       }
   }

5. Возвратим 0 при завершении программы:

   return 0;

6. Сохраните, компилируйте и запустите файл программы, чтобы увидеть в консоли значение переменной, размещённой в регистре, на каждой итерации цикла. Теперь код выглядит так:

   #include <stdio.h>
   
   int main()
   {
       register int num = 0;
       while(num < 5)
       {
           ++num; /* тоже самое что и num = num + 1; */
           printf("Pass %d\n", num);
       }
       return 0;
   }

Возможно понятия: итерация цикла и условие вам не совсем понятны? Чтобы понять их давайте представим себе процесс работы программы визуально - в виде блок-схемы. На блок-схеме отметим фигуры и линии связывающие фигуры. Линии показывают нам какой шаг алгоритма выполнятся следующим. Линии идут с верху вниз, слева на права, и только итерация цикла обозначена линией со стрелкой идущей вверх и на лево - в начало условия.

А вот как выглядит алгоритм согласно утверждениям на языке С:

1. При первой итерации цикла, процессор проверяет условие (num < 5) , переданное как аргумент функции while() на истинность. Если (num < 5), тогда условие истинно и мы движемся по линии от условия(жёлтый ромб) влево-вниз - по линии true. Так как num = 0, значит 0 < 5. Добавляем к значению переменной единицу - ++num; и печатаем результат первой итерации в консоль. Возвращаемся к проверке условия.
2. На второй итерации проверяем условие - Если (num < 5), т.е. теперь уже 1 < 5. Условие по прежнему истинно. Добавляем единицу к переменной и печатаем это значение в консоль.
3. Тоже самое на третей и четвёртой итерациях цикла.
4. Но что будет после четвёртой итерации - когда 4 < 5, и добавляется единица к значению переменной и она становится равна 5.
5. На пятой итерации проверяем условие 5 < 5. Очевидно что условие ложно - пять не меньше пяти. Тогда говорят, что условие цикла не выполняется и управление программой передаётся на линию false, т.е. выполняется утверждение

   return 0;

   и программа завершается.

В дальнейшем мы изучим детально циклы и условия ветвления потока выполнения утверждений в программе.

Заключение

Сохранение переменных в Регистры или в Оперативную память зависит от назначения переменной. Если переменная нужна для итерации в Цикле - предпочтительнее записать её в Регистр, Если переменная нужна для общих вычислений - достаточно её сохранять в оперативную память.

Циклы и условия ветвления выполнения программы являются ключевым аспектом построения сложных программ.

Преобразование одних типов данных в другие типы данных

• Принудительное приведение типа переменной к иному типу данных

Преобразование (англ. cast - переплавлять) буквально означает - из одной формы предмет сделать предмет другой формы, но из того же самого материала. Наиболее удачная аналогия - конечно же переплавка металлических деталей в другие металлические детали. Типы данных - это формы металлических деталей, а Металл - двоичные числа в компьютере.

Компилятор будет заменять один тип данных другим без явных указаний в коде со стороны программиста, если это кажется логичным. Например, если переменной типа float назначено целочисленное значение, компилятор преобразует это целое число к типу float, пример:

#include <stdio.h>

int main()
{    
    int num = 31.41592; /* Объявили и инициализировали переменную типа int дробным числом */
    float fl = 42; /* Объявили и инициализировали переменную типа float целым числом */
    printf("num = %d, fl = %f\n", num, fl); /* Печать без указания модификаторов длины */
    
    return 0;
}

Результат печати в консоль:

Принудительное приведение типа переменной к иному типу данных

Любые данные, хранящиеся в переменной, могут быть явно записаны в переменную, имеющую другой тип данных, с помощью процесса, называемого приведением типов. При приведении типа переменной необходимо указать в круглых скобках, перед её именем тип данных, к которому переменная должна быть приведена. Также в круглых скобках можно разместить любые модификаторы, такие как unsigned, где это необходимо. Синтаксис приведения выглядит так:

<новая-переменная> = (<модификаторы> <тип-приведения>) <исходная-переменная>;

Обратите внимание — приведение типа не изменяет исходный тип данных переменной, выполняется копирование её значения в переменную, теперь уже имеющая другой тип данных.

Если переменная типа float приводится к переменной типа int, её цифры после запятой просто удаляются — никакого округления не выполняется. Например, если выполнить приведение переменной float num = 5.75 к типу int, то результатом будет значение 5, а не 6.

Если переменная типа char приводится к переменной типа int, результатом окажется её ASCII-код, который соответствует символу. Символы в верхнем регистре располагаются в диапазоне от 65 до 90, а символы в нижнем регистре — от 97 до 122 включительно. Например, если выполнить приведение типа переменной char letter = 'A'; к типу int, результатом будет значение 65. Приведение целочисленных переменных к типу char создаст соответствующий целому числу символ.

ASCII (произносится как «аски») — это акроним («American Standard Code for Information Interexchange»), он является стандартом для простого текста. Вы можете просмотреть весь диапазон стандартных ASCII-кодов в таблицах ниже.

Чтобы узнать больше о расширенных наборах ASCII кодов посетите веб-сайт https://www.ascii-code.com/ или выполните поиск по запросу ASCII во Интернете.

Довольно часто необходимо выполнить приведение целочисленных значений к типу float, чтобы выполнять точные вычисления с учётом знаков после точки — в противном случае деление может создать "урезанный" целочисленный результат. Например, если объявить переменные int x = 7, y = 5;, а затем выполнить операцию деления float z = x / y;, результатом будет 1.000000. Для получения более точного результата необходимо использовать приведение типов: (float) x / (float) y, что приведёт к получению результата 1.400000 .

Прямой слеш, /, в языке C, представляет собой операцию обычного математического деления.

Приведение длинных точных чисел с плавающей точкой от типа double к более "короткому" типу float приводит не к обрезанию длинного значения, а к его округлению в шестом знаке после запятой. Например, приведение переменной double decimal = 0.1234569; к типу float , даст округлённый результат 0.123457 .

1. Начните новую программу cast.c с инструкции препроцессора, подключающую стандартную библиотеку функций ввода/вывода:

   #include <stdio.h>

2. Добавьте функцию main(), в ней объявите и инициализируйте переменные, имеющие различные типы данных:

   int main()
   {
      float num = 5.75;
      char letter = 'C';
      int zee = 90;
      int x = 7, y = 5;
      double decimal = 0.1234569;
   }

3. Теперь добавьте утверждения, печатающие результат преобразования каждой переменной в консоль и завершите программу возвращением 0, как того требует объявление функции. Теперь код выглядит так:

   #include <stdio.h>
   
   int main()
   {
      float num = 5.75;
      char letter = 'C';
      int zee = 90;
      int x = 7, y = 5;
      double decimal = 0.1234569;
   
      printf("float cast to int:\t %d\n", (int)num);
      printf("char cast to int:\t %d\n", (int)letter);
      printf("int cast to char:\t %c\n", (char)zee);
      printf("float arithmitic:\t %f\n", (float)x/(float)y);
      printf("double cast to float:\t %d\n", (float)decimal);
   
      return 0;
   }

4. Сохраните файл программы, а затем скомпилируйте и запустите её, чтобы увидеть в консоли результат каждого приведения типа:

   

   Значения типа float, приведенные к типу int, обрезаются, а значения типа double, приведенные к типу float — округляются.

Создание Массива переменных

• Одномерный массив
• Двухмерный массив
• Трёхмерный массив
• Заключение

Массив переменных может хранить несколько элементов данных в отличие от обычных переменных, которые могут хранить только один элемент.

Элементы данных хранятся последовательно в ячейках массива, которые нумеруются начиная с 0. Первый элемент массива хранится в ячейке с номером 0, второй — в ячейке с номером 1, и т. д. Как и в системе хранения Little-Endian - младшая ячейка массива имеет наименьший порядковый номер, т.е. 0, а старшая ячейка массива имеет наибольший порядковый номер.

Массив в программе объявляется как и обычная переменная, однако в объявлении следует также указать размер массива (количество занимаемых им ячеек). Размер Массива указывается внутри квадратных скобок после имени массива, синтаксис выглядит так:

<тип-данных> <имя-массива> [<количество-элементов>];

Опционально массив может быть инициализирован при объявлении, значения каждого элемента оформляются как разделённый запятыми список элементов, обрамлённый фигурными скобками { }. Например, Массив из трёх целочисленных элементов может быть создан и инициализированный следующим образом:

int arr[3] = {1, 2, 3};

Это читается так: Массив с именем arr состоит из трёх [3] элементов, каждый элемент это число типа int. Элемент с номером 0 инициализирован числом 1, элемент с номером 1 инициализирован числом 2, элемент с номером 2 инициализирован числом 3.

К элементу массива допустимо обратиться с помощью имени массива, после которого ставятся квадратные скобки, содержащие номер элемента. Например, запись arr[0] позволит обратиться к первому элементу массива.

Кстати, часто вместо фразы "номер элемента массива" говорят просто - "по индексу" или "с индексом". И даже в циклах программисты очень любят использовать латинскую букву i в качестве переменной управляющего значения, той самой которую стоит сохранять в Регистр Процессора.

При объявлении массива, число элементов в квадратных скобках, можно не указывать, в таком случае размер массива будет автоматически подогнан в соответствии с количеством элементов, записанных в виде списка через запятую в фигурных скобках.

Одна из наиболее используемых особенностей массива при программировании на языке C заключается в том, что они могут хранить текстовые строки. Один элемент массива типа char способен хранить один символ. Добавление специального символа-терминатора \0(конец строки) в конец массива "повышает" его статус до строки. Например, строка может быть создана и инициализирована так:

char str[4] = {'C', 'a', 't', '\0'};

Использование массива символов, являющегося строкой, позволяет обратиться ко всей строке сразу с помощью только имени массива. Строка также может быть отображена с помощью функции printf() и спецификатора формата %s. Например, напечатать строку str можно так:

printf("%s", str);

1. Начните новую программу array.c с инструкции препроцессора, подключающую стандартную библиотеку функций ввода/вывода:

   #include <stdio.h>

2. Добавьте главную функцию, в которой объявляется массив из трёх целочисленных элементов:

   #include <stdio.h>
   
   int main(){
      int arr[3];
   }
   

3. Теперь добавьте утверждения, инициализирующие массив целочисленными элементами, индивидуально назначая значение каждого элемента:

   #include <stdio.h>
   
   int main(){
      int arr[3];
      arr[0] = 100;
      arr[1] = 200;
      arr[2] = 300;
   }
   

4. Теперь добавьте утверждение, создающее и инициализирующее массив символов, позволяющий хранить текстовую строку:

   #include <stdio.h>
   
   int main(){
      int arr[3];
      arr[0] = 100;
      arr[1] = 200;
      arr[2] = 300;
   
      char str[10]={'C',' ','p','r','o','g','r','a','m','\0'};
   }
   

5. Далее добавьте утверждения, позволяющие вывести все элементы целочисленного массива и строки из массива символов в консоль. Завершите программу возвращением нуля:

   #include <stdio.h>
   
   int main(){
      int arr[3];
      arr[0] = 100;
      arr[1] = 200;
      arr[2] = 300;
   
      char str[10]={'C',' ','p','r','o','g','r','a','m','\0'};
   
      printf("1st element value: %d\n", arr[0]);
      printf("2nd element value: %d\n", arr[1]);
      printf("3rd element value: %d\n", arr[2]);
      printf("String: %s\n", str);
   
      return 0;
   }
   

6. Сохраните файл программы, скомпилируйте и запустите программу, чтобы увидеть на экране значения, сохранённые в массивах переменных:

   

При создании массива, для каждого элемента, память выделяется соответственно его типу — например, один байт для каждого элемента типа char. Размер массива не может быть изменён динамически.

Многомерные массивы данных

Одномерный массив

Выше мы рассмотрели так называемый одномерный массив данных. Такой массив это набор данных, и по смыслу, "скреплённых вместе" в единый блок данных в памяти машины. Хотя можно обратиться к каждому элементу массива отдельно через его номер или индекс. Одномерными такие массивы называются потому, что это, по сути, последовательность элементов идущих один за другим. Для простоты представления, в одномерном массиве первый элемент (индекс 0) расположен крайним слева и увеличиваются индексы на единицу, на право. Запомнить такой подход просто: Читаем с лева на право, как обычный текст в книге.

Рассмотрим подробнее абстракцию понятия одномерного массива

Двухмерный массив

Многомерным массив считается если у него два и более измерений. Простейший пример - Двухмерный массив данных. Представляет собой расположение элементов в виде строк и столбцов, как таблица.

Рассмотрим подробнее абстракцию понятия Двухмерного массива

Например, в случае Двухмерного массива, приведенного выше, элемент по адресу/с индексом [1][2] содержит букву «Н». Где [1] - индекс строки, и [2] - индекс элемента в этой строке.

Двухмерные массивы годятся для хранения информации в форме сетки значений, имеющей координаты по осям X и Y. Создание трёхмерного массива, имеющего три индекса, позволит хранить трёхмерные координаты:

Трёхмерный массив

Такой массив имеет строки, столбцы и страницы. Т.е. каждый элемент имеет индекс указывающий на страницу, строку и номер элемента в строке.

Рассмотрим подробнее абстракцию понятия Трёхмерного массива представив его визуально

Каждый слой кубиков с верху вниз - это страница. Самая верхняя страница имеет индекс [0]. каждая последующая страница имеет индекс больше на единицу от предыдущей.

Каждая страница - это уже знакомый нам Двухмерный массив состоящий из строк и столбцов - каждый со своим индексом.

Каждая строка - это естественно Одномерный массив. В нём у каждого элемента свой индекс.

Рассмотрим пример Трёхмерного массива, в котором сохранены Шестнадцатиричные числа типа char т.е. значения размером в один байт:

Использование большего числа индексов позволит создавать массивы с большим количеством измерений, но в действительности массивы более чем с тремя измерениями, применяются редко, поскольку их трудно визуализировать. Чем большей многомерностью обладает массив тем более сложный абстрактный объект можно создать.

1. Напишем программу matrix.c для работы с массивами. Подключите стандартную библиотеку ввода/вывода

   #include <stdio.h>

2. Добавьте в код главную функцию и объявим двухмерный массив элементов целочисленного типа int. Указав два индекса - [2][3], мы тем самым создали двухмерный массив. Первый индекс указывает на количество строк, второй индекс указывает на количество элементов в каждой строке. Т.е. у нас две строки по три элемента в каждой.

   #include <stdio.h>
   
      int main()
   {
      int matrix[2][3] = { {'A', 'B', 'C'}, /*Это строка с индексом [0]*/
                           {1, 2, 3} }; /*Это строка с индексом [1]*/
   }
   

3. Теперь добавьте утверждения, позволяющие отобразить содержимое всех элементов строки с индексом 0 в консоль.

   #include <stdio.h>
   
      int main()
   {
      int matrix[2][3] = { {'A', 'B', 'C'},
                           {1, 2, 3} };
   
      printf("Element [0][0] contains %c\n", matrix[0][0]);
      printf("Element [0][1] contains %c\n", matrix[0][1]);
      printf("Element [0][2] contains %c\n", matrix[0][2]);
   }
   

4. Теперь добавьте утверждения, позволяющие отобразить содержимое всех элементов строки с индексом 1. Завершите программу добавив возвращение 0.

   #include <stdio.h>
   
      int main()
   {
      int matrix[2][3] = { {'A', 'B', 'C'},
                           {1, 2, 3} };
   
      printf("Element [0][0] contains %c\n", matrix[0][0]);
      printf("Element [0][1] contains %c\n", matrix[0][1]);
      printf("Element [0][2] contains %c\n", matrix[0][2]);
   
      printf("Element [1][0] contains %c\n", matrix[1][0]);
      printf("Element [1][1] contains %c\n", matrix[1][1]);
      printf("Element [1][2] contains %c\n", matrix[1][2]);
   
      return 0;
   }
   

5. Сохраните файл программы, скомпилируйте и запустите программу, чтобы увидеть все значения элементов, сохранённые в двухмерном массиве .

   

6. Подумайте, почему последние три символа отобразились как смайлики и сердечко?

Заключения

• Переменная является контейнером в программе, написанной на языке C, с помощью которого данные могут быть сохранены в памяти компьютера.
• Имена переменных должны соответствовать соглашениям языка C об именовании.
• Четыре базовых типа данных в языке C это char, int, float, double.
• Спецификаторы формата %d, %f, %c, %s, %p могут использоваться в функции printf(), чтобы отобразить на экране значения переменных разных типов.
• Данные, введённые пользователем, разрешается помещать в переменные с помощью функции scanf().
• Допустимый диапазон значений целочисленных переменных может быть явно указан с помощью ключевых слов short и long.
• Переменные, в которые никогда не будет записано отрицательное значение, разрешается пометить с помощью ключевого слова unsigned, чтобы расширить диапазон возможных положительных значений.
• Количество байт памяти, резервируемое для каждой переменной, можно узнать с помощью функции sizeof().
• Область действия описывает доступность переменных — они могут быть локальными и глобальными.
• Ключевое слово extern указывает, что переменная объявлена вне блока кода, где она используется, а ключевое слово static ограничивает доступность переменной тем файлом исходного кода, где она объявлена.
• Производительность вычислений может быть повышена с помощью ключевого слова register указывающая компилятору поместить переменную итерации цикла в регистр процессора.
• Переменные, которые не следует помещать в регистры, могут быть отмечены ключевым словом volatile.
• Компилятор способен самостоятельно неявно изменять типы данных там, где это логично, или же тип данных может быть изменён программистом явно путём выполнения операции приведения типов вручную.
• Массивы переменных могут хранить несколько элементов данных внутри своих ячеек, которые пронумерованы последовательно начиная с нуля.
• Доступ к значениям массивов можно получить, если после имени массива в квадратных скобках указать номер требуемой ячейки - её индекс.
• Массивы могут иметь несколько индексов, что позволяет создавать многомерные массивы. Массивы размерностью более 3, очень специфические и редко используются в простых программах.

Установка значений переменных

Подробно рассмотрим, как создать и использовать константные значения и типы внутри программы.

• Объявление констант в программе
• Перечисление константных значений
• Создание данных Константного типа
• Предопределение констант
• Отладка с помощью Предопределений
• Заключение

Объявление констант в программе

В случае, когда в программе требуется использовать константное значение, которое никогда не изменится, оно должно быть объявлено точно так же, как и обычная переменная, но с использованием в объявлении ключевого слова const. Например, константа, представляющая неизменяемое число «миллион», может быть объявлена и инициализирована следующим образом:

const int MILLION = 1000000;

В объявлениях констант объект всегда должен инициализироваться. Программа не способна изменить исходное значение константы. Это охраняет её от случайностей — компилятор сообщит об ошибке, если программа попытается изменить исходное значение константы.

Имена констант должны соответствовать соглашениям именования переменных, приведенных выше, но традиционно в именах констант используются символы в верхнем регистре(CAPS LOCK), что позволяет с легкостью отличить их от имён переменных при чтении исходного кода.

Ключевое слово const также может быть использовано при объявлении массива, если все его элементы не будут изменяться во время работы программы.

1. Напишем новую программу constant.c. Подключаем заголовочный файл стандартных функций ввода/вывода, главную функцию в которой объявляем константу и возвращаем 0

   #include <stdio.h>
   
   int main(){
      const float PI = 3.141593; /* по умолчанию у типа float всегда шесть знаков после точки */
      
      return 0;
   }

2. Далее в блоке функции main() добавьте утверждения, объявляющие четыре переменные типа float.

   #include <stdio.h>
   
   int main(){
      const float PI = 3.141593;
      float diameter;
      float radius;
      float circle;
      float area;
   
      return 0;
   }

3. Теперь добавьте утверждения, требующие от пользователя ввести значение переменной.

   #include <stdio.h>
   
   int main(){
      const float PI = 3.141593;
      float diameter;
      float radius;
      float circle;
      float area;
   
      printf("Enter the diameter of a circle in millimeters:\n");
      scanf("%f", &diameter); 
         /* Программа готова принимать значение типа float (формат печати в консоли %f), 
         и при получении значения сохранит его в памяти по адресу 
         (операция адрес &) хранения переменной с именем diameter */
   
      return 0;
   }

4. Добавьте утверждения, вычисляющие значения трёх остальных переменных с использованием константного значения и значения, введенного пользователем.

   #include <stdio.h>
   
   int main(){
      const float PI = 3.141593;
      float diameter;
      float radius;
      float circle;
      float area;
   
      printf("Enter the diameter of a circle in millimeters:\n");
      scanf("%f", &diameter);       
      circle = PI * diameter;          /* Длина окружности */
      radius = diameter / 2;           /* Длина радиуса */
      area = PI * (radius * radius);   /* Площадь круга */
   
      return 0;
   }

   Помните, что операция адресации & должна стоять перед именем переменной при вызове функции scanf(), предназначенной для получения значений переменных из консоли.

5. Теперь вставьте утверждения, позволяющие вывести рассчитанные значения с округлением до двух десятичных знаков.

   #include <stdio.h>
   
   int main(){
      const float PI = 3.141593;
      float diameter;
      float radius;
      float circle;
      float area;
   
      printf("Enter the diameter of a circle in millimeters:\n");
      scanf("%f", &diameter);
      circle = PI * diameter;
      radius = diameter / 2;
      area = PI * (radius * radius);
   
      printf("\n\tCircumference is %.2fmm\n", circle);
      printf("\n\tAnd the Area is %.2f sq.mm\n", area);
   
      return 0;
   }

   Этот знак *(звёздочка) в языке С является арифметической операцией умножения. Другие арифметические операции рассматриваются подробнее в следующей главе.

6. Сохранить, скомпилировать и выполнить программу:

   

   

   

Перечисление константных значений

Ключевое слово enum позволяет удобным способом создать последовательность числовых констант . Объявление последовательности может включать в себя имя, располагающееся после слова enum. Имена констант размещаются внутри скобок, списком элементов разделённых запятыми.

Каждая константа по умолчанию будет иметь значение, превосходящее предыдущее на 1. Если значение первой константы не указано, она будет иметь значение 0, следующая — 1, и т. д. Например, именованные константы дней недели могут получить числовые значения, начиная с нуля — enum {MON, TUE, WED, THU, FRI};. В этом случае константа WED будет иметь значение 2.

Константе при объявлении может быть назначено любое числовое значение, но следующая константа в списке будет иметь значение, превосходящее предыдущее на 1, если только ей также не будет назначено отдельное значение. Например, для того, чтобы начать последовательность с 0, а не с 1, назначим первой константе значение 1 — enum {MON = 1, TUE, WED, THU, FRI};. В этом случае константа WED будет иметь значение 3.

Список перечисленных констант также известен как перечисление и порой содержит повторяющиеся значения. Например, значение 0 может быть назначено константам с именами NIL и NONE.

В следующем примере перечисление представляет собой очки, начисляемые за шары при игре в бильярд. Оно содержит необязательные имена переменных, записанные ЗАГЛАВНЫМИ буквами, поскольку они являются константами.

1. Напишем новую программу enum.c. Добавьте утверждение, которое объявляет перечисление констант, чьи значения начинаются с единицы:

   #include <stdio.h>
   
   int main()
   {
      enum SNOOKER {RED=1, YELLOW, GREEN, BROWN, BLUE, PINK, BLACK};
   
      return 0;
   }
   

2. Далее объявите числовую переменную, в которой будет храниться сумма нескольких значений констант:

   #include <stdio.h>
   
   int main()
   {
      enum SNOOKER {RED=1, YELLOW, GREEN, BROWN, BLUE, PINK, BLACK};
   
      int total;
   
      return 0;
   }
   

3. Добавьте утверждения, предназначенные для печати в консоль значений некоторых перечисленных констант:

   #include <stdio.h>
   
   int main()
   {
      enum SNOOKER {RED=1, YELLOW, GREEN, BROWN, BLUE, PINK, BLACK};
   
      int total;
   
      printf("\nI potted a red worth %d\n", RED);
      printf("\nThen a black worth %d\n", BLACK);
      printf("\nFollowed by another red worth %d\n", RED);
      printf("\nAnd finally a blue worth %d\n", BLUE);
   
      return 0;
   }

4. Добавьте следующее утверждение, позволяющее рассчитать общую сумму константных значений, отображенных на предыдущем шаге:

   #include <stdio.h>
   
   int main()
   {
      enum SNOOKER {RED=1, YELLOW, GREEN, BROWN, BLUE, PINK, BLACK};
   
      int total;
   
      printf("\nI potted a red worth %d\n", RED);
      printf("\nThen a black worth %d\n", BLACK);
      printf("\nFollowed by another red worth %d\n", RED);
      printf("\nAnd finally a blue worth %d\n", BLUE);
   
      total = RED + BLACK + RED + BLUE;
   
      return 0;
   }

5. Теперь добавьте утверждение, предназначенное для вывода рассчитанной суммы значений:

   #include <stdio.h>
   
   int main()
   {
      enum SNOOKER {RED=1, YELLOW, GREEN, BROWN, BLUE, PINK, BLACK};
   
      int total;
   
      printf("\nI potted a red worth %d\n", RED);
      printf("\nThen a black worth %d\n", BLACK);
      printf("\nFollowed by another red worth %d\n", RED);
      printf("\nAnd finally a blue worth %d\n", BLUE);
   
      total = RED + BLACK + RED + BLUE;
   
      printf("\nAll together I scored %d\n", total);
   
      return 0;
   }

6. Сохраните, скомпилируйте и выполните программу, чтобы увидеть значения констант перечисления и вычисленную их сумму в консоли:

   

Инициализируйте значением 1 константу BLUE в этом примере, что перезапустит процесс инкрементирования — константа PINK будет иметь значение 2, а константа BLACK — 3. Какие значения будут иметь оставшиеся константы RED, YELLOW, GREEN, BROWN ?

Какой будет результат вывода в консоль?

Имя перечисления (в этом случае SNOOKER) является опциональным(необязательным), оно может быть опущено, код сохранится, скомпилируется и выполнится без ошибок.

Создание данных Константного типа

После того, как перечисление было объявлено, оно может быть рассмотрено как новый тип данных , его свойствами являются указанные имена констант и связанные с ними значения.

Переменные нашего типа enum могут быть объявлены точно так же, как и переменные любого другого типа данных — с помощью следующего синтаксиса:

 <тип-данных> <имя-переменной>;

В примере, приведенном выше, создаётся перечисление с именем SNOOKER, которое допустимо рассмотреть как тип данных enum SNOOKER. Поэтому переменная с именем pair может быть создана с помощью объявления enum SNOOKER pair; она способна хранить значения перечисления, определяемого этим типом.

Для того чтобы явно назначить численное значение переменной подобного типа, стандарт языка C рекомендует приводить тип данных int к типу данных enum, например, так:

pair = (enum SNOOKER) 7;

На практике это делать необязательно, поскольку перечисленные значения всегда являются числами, и потому эквивалентны типу данных int. Однако, с точки зрения удобочитаемости исходного кода вами(через некоторое время спустя) или другими программистами - важно писать код так, чтобы он сам себя объяснял.

С помощью объявления enum также можно создать переменную, указав имя переменной после последней скобки. Например, объявление enum BOOLEAN {FALSE, TRUE} flag; определяет тип данных enum и создает переменную flag этого типа.

Типы данных созданные программистом могут быть определены с помощью ключевого слова typedef и следующего синтаксиса:

typedef <определение> <имя-типа>;

Явное указание значений перечисляемого типа служит для напоминания его типа.(Хотя это необязательно).

Объявления пользовательских типов данных помогут сделать код программы более понятным. Например, если в программе часто объявляются переменные с типом unsigned short int, можно создать пользовательский тип данных, имеющий такие же модификаторы, например так:

typedef unsigned short int USINT;

Каждая переменная с типом unsigned short int USINT может быть объявлена с использованием типа данных USINT вместо unsigned short int.

1. Напишем новую программу consttype.c. Добавьте заголовочный файл ввода/вывода, главную функцию, объявим и инициализируем перечисление констант, чьи значения начинаются с единицы, и возвратим 0 в завершении программы:

   #include <stdio.h>
   
   int main()
   {
       enum SNOOKER
       {
           RED = 1,
           YELLOW,
           GREEN,
           BROWN,
           BLUE,
           PINK,
           BLACK
       };
   
       return 0;
   }

2. Далее объявите и проинициализируйте переменную определённого типа enum, а затем напечатайте её значение в консоль:

   #include <stdio.h>
   
   int main()
   {
      enum SNOOKER
      {
         RED = 1,
         YELLOW,
         GREEN,
         BROWN,
         BLUE,
         PINK,
         BLACK
      };
   
      enum SNOOKER pair = RED + BLACK;
      printf("Pair value: %d\n", pair);
   
      return 0;
   }

3. Теперь добавьте утверждение, предназначенное для создания пользовательского типа данных:

   typedef unsigned short int USINT;

4. Далее объявите и проинициализируйте переменную пользовательского типа данных и напечатайте её значение:

   USINT num = 16;
   printf("Unsigned short int value: %d\n", num);

5. Сохраните, скомпилируйте и выполните программу, чтобы увидеть значение, назначенное переменной перечисляемого типа, и значение, назначенное переменной пользовательского типа данных:

   

Пользовательские типы данных должны быть определены в программе до того, как переменные этого типа будут созданы(объявленые и инициализированные).

Предопределение констант

Директива препроцессора #define может быть использована для указания текстовых значений констант, которые впоследствии могут быть использованы в программе, с помощью следующего синтаксиса:

#define <ИМЯ-КОНСТАНТЫ> "<текстовая-строка>"

Как и #include, эта директива должна размещаться в самом начале файла с кодом программы. Все включения константы с указанным именем в коде программы перед компиляцией будут заменены препроцессором на соответствующую текстовую строку.

#ifdef #define #endif

Директива препроцессора #ifdef является условием и может быть использована для проверки того, существует ли Предопределение константы. В зависимости от результата проверки, далее, может идти директива #define, позволяющая указать значение константы. #ifdef инструкция препроцессора также называется макросом. Каждый макрос должен оканчиваться директивой #endif .

К счастью, макросы препроцессора могут проверять заранее определённые компилятором константы, чтобы определить текущую операционную систему. Значения этих констант будут варьироваться на разных компьютерах, но на платформе Windows значением константы обычно является _WIN32, а на платформе Linux — linux. Директива препроцессора #ifdef может применить соответствующую текстовую строку для определения текущей платформы.

1. Напишем новую программу define.c , начнём стандартно:

   #include <stdio.h>
   
   int main()
   {    
      return 0;
   }

2. Добавьте ещё три директивы препроцессора, которые предопределяют заменяемые текстовые строки в исходном коде:

   #include <stdio.h>
   
   #define LINE "_________________________________" /* Просто знаки подчёркивания */
   #define TITLE "C Programming form Zero to Hero"
   #define AUTOR "You are - programmer"
   
   int main()
   {    
      return 0;
   }

3. Далее добавьте условный макрос, который определяет текстовую строку, позволяющую идентифицировать платформу Windows:

   #include <stdio.h>
   
   #define LINE "_________________________________"
   #define TITLE "C Programming form Zero to Hero"
   #define AUTOR "You are - programmer"
   
   #ifdef _WIN32
       #define SYSTEM "Windows"
   #endif
   
   int main()
   {    
      return 0;
   }

4. Далее добавьте условный макрос, который определяет текстовую строку, позволяющую идентифицировать платформу Linux:

   #include <stdio.h>
   
   #define LINE "_________________________________"
   #define TITLE "C Programming form Zero to Hero"
   #define AUTOR "You are - programmer"
   
   #ifdef _WIN32
       #define SYSTEM "Windows"
   #endif
   
   #ifdef linux
       #define SYSTEM "Linux"
   #endif
   
   int main()
   {    
      return 0;
   }

5. Далее заполним функцию main(), в которой печатаем текстовую строку, подменённую препроцессором:

   #include <stdio.h>
   
   #define LINE "_________________________________"
   #define TITLE "C Programming form Zero to Hero"
   #define AUTOR "You are - programmer"
   
   #ifdef _WIN32
      #define SYSTEM "Windows"
   #endif
   
   #ifdef linux
      #define SYSTEM "Linux"
   #endif
   
   int main()
   {
      printf("\n\t%s\n\t%s", LINE, TITLE);
      printf("\n\tby\n\t%s\n\t%s\n", AUTOR, LINE);
      printf("\n\tOperating System: %s\n\n", SYSTEM);
   
      return 0;
   }

6. Сохраните файл программы, а затем скомпилируйте и выполните программу, чтобы увидеть напечатанные строки в консоли:

   

Отладка с помощью Предопределений

В качестве альтернативы можно использовать директивы препроцессора #if, #else и #elif (else if). Они позволяют использовать условное ветвление в соответствии с результатом оценки.

Константа, предопределенная директивой препроцессора #define, может быть разопределена с помощью директивы #undef. Оценка также рассматривается в случае, если константа не определена, это делается с помощью директивы препроцессора #ifndef .

Все оценки могут быть выполнены внутри блока функции, смешавшись с обычными утверждениями языка C, они могут быть вложены друг в друга. Подобные макросы довольно полезны для отладки исходного кода, поскольку целые разделы могут быть спрятаны или показаны путём простого изменения состояния макроса DEBUG.

1. Напишем новую программу debug.c:

   #include <stdio.h>
   
   int main()
   {
        return 0;
   }

2. Добавьте ещё одну директиву препроцессора, предназначенную для создания макроса:

   #include <stdio.h>
   
   #define DEBUG 1
   
   int main()
   {
        return 0;
   }

3. Далее в главную функцию добавьте директивы препроцессора, предназначенные для оценки и отчёта о состоянии макросов:

   #include <stdio.h>
   
   #define DEBUG 1
   
   int main()
   {
      #if DEBUG == 1
            printf("Debug status is 1\n");
         #elif DEBUG == 2
            printf("Debug status is 2\n");
         #else
            #ifdef DEBUG
               printf("Debug is defined!\n");
            #endif
            #ifndef DEBUG
               printf("Debug is not define!\n");
            #endif
         #endif
   
       return 0;
   }

4. Сохраните файл программы, а затем скомпилируйте и выполните программу, чтобы увидеть сообщение о состоянии макроса:

   

5. Измените значение макроса, а затем сохраните, перекомпилируйте и выполните программу снова, чтобы увидеть, что состояние макроса изменилось:

   #define DEBUG 2

   

6. Измените значение макроса, а затем сохраните, перекомпилируйте и выполните программу снова, чтобы увидеть, что состояние макроса изменилось:

   #define DEBUG 3

   

   Будьте внимательны, Каждая проверка условий с помощью препроцессора должна оканчиваться директивой #endif

7. Добавьте ещё одну директиву препроцессора в начале блока функции, а затем сохраните, перекомпилируйте и выполните программу снова, чтобы увидеть изменение:

   #undef DEBUG

   

Заключение

• Фиксированное значение, которое не будет изменяться, должно быть сохранено как константа, объявленная с помощью ключевого слова const.
• При объявлении константы всегда необходимо инициализировать её фиксированным значением.
• Ключевое слово enum создает последовательность констант, чьи значения по умолчанию начинаются с нуля.
• Любой константе в последовательности может быть назначено числовое значение, которое будет увеличиваться в последующих константах.
• Последовательность констант допустимо рассматривать как новый тип данных. Переменные такого типа могут быть созданы для хранения перечислений, определённых этим типом.
• Пользовательский тип данных может быть определён с помощью ключевого слова typedef. Переменные такого типа могут быть созданы с помощью синтаксиса, используемого для создания обычных переменных.
• Директива препроцессора #define может быть использована для указания значения константы, которое перед компиляцией будет заменено.
• Директива условия препроцессора #ifdef проверяет, существует ли заданное определение.
• Макрос — это процедура препроцессора, которая должна оканчиваться директивой #endif.
• определённые компилятором константы, например _WIN32 и linux, могут помочь в определении операционной системы.
• Выполнить проверку макросов на разные значения внутри главной функции можно с помощью директив препроцессора #if, #else, #elif
• Предопределения макросов-констант могут быть «разопределены» с помощью директивы #undef. С помощью директивы #ifndef можно проверить, определён ли заданный макрос.
• Макросы могут быть полезны при отладке исходного кода, позволяя с легкостью спрятать или показать разделы кода.

Выполнение вычислений

Изучим, как использовать операции языка С, чтобы манипулировать данными внутри программы.

• Выполнение арифметических операций
• Присваивание значений переменной
• Сравнение значений
• Логические значения
• Проверка условий
  • Визуальные представления работы Операций сравнения - они же Условные операторы
  • Опишем все фигуры для обозначения действий при составлении блок-схем в контексте языка программирования С
  • Главные правила создания блок-схем
• IF - Условный оператор ветвления потока выполнения программы
  • Вложенные IF-блоки внутрь IF-блоков с помощью else if комбинаций
• Битовые операции
• Измерение размера данных определённого типа
• Флаги
• Знакомство с приоритетами
• Заключение

Выполнение арифметических операций

В зависимости от количества операндов, операции бывают трёх типов:

1. Унарные - операция проводится только над одним операндом.
2. Бинарные - операция проводится только с двумя операндами.
3. Тернарные - операция проводится только при наличии трёх операндов.

Арифметические операторы, повсеместно используемые в программах, приведены в таблице ниже:

Операции сложения, вычитания, умножения и деления ведут себя в соответствии с вашими ожиданиями, когда у вас в операции всего два операнда.

Числа, используемые при работе с операциями для формирования выражений, называются операндами — в выражении 2 + 3 числа 2 и 3 являются операндами.

Однако для того, чтобы в коде, математические операции выполнялись верно - когда в выражениях более одной математической операции, следует использовать скобки для назначения очерёдности выполняемых операций.

Известная загадка, гуляющая по Интернету: Сколько будет 2 + 2 * 2 ?

В программировании существуют специальные правила приоритетности выполнения операций скрытых в компиляторе языка. Дабы не полагаться на догадки - Всегда используйте круглые скобки в ваших математических действиях.

В зависимости от того, что будет взято в круглые скобки - будет получен разный результат. Если запись (2+2)*2 то это 8, а если 2+(2*2) это 6.

Правило прозрачности(очевидной понятности) кода, гласит - Прозрачность важнее краткости.

a = b * c - d % e / f; /* Плохая - непрозрачная запись математической операции */
a = (b * c) - ((d % e) / f); /* Хорошая - прозрачная запись математической операции */

Операция деления с остатком, %, делит первое заданное число на второе и возвращает только остаток от деления. Это полезно для определения кратности одного числа другому числу.

Операции Инкремента, ++, и Декремента, --, изменяют заданное число на 1 и возвращают результирующее значение. Чаще всего эти операции используются для подсчета итераций цикла. Операция Инкремента увеличивает значение на 1, операция Декремента уменьшает на 1.

Операции инкремента и декремента могут быть размещены перед операндом или после него, эффект от них будет разным. Если операция размещена перед операндом (префикс), значение операнда изменится мгновенно, в противном случае (постфикс) его значение сначала записывается, а затем изменяется.

1. Напишем новую программу, стандартно, объявим и инициализируем переменные типа int:

   #include <stdio.h>
   
   int main()
   {
      int a = 4;
      int b = 8;
      int c = 1;
      int d = 1;
   
      return 0;
   }
   

2. Далее в главной функции выведите на печать в консоль результат арифметических операций, произведённых над значениями переменных:

   #include <stdio.h>
   
   int main()
   {
      int a = 4;
      int b = 8;
      int c = 1;
      int d = 1;
   
      printf("\nAddition: %d\n", a + b);
      printf("Substraction: %d\n", b - a);
      printf("Multipication: %d\n", a * b);
      printf("Division: %d\n", b / a);
      printf("Modulus: %d\n\n", a % b);
   
      return 0;
   }
   

3. Теперь в главной функции выведите результат постфиксных и префиксных операций инкремента:

   #include <stdio.h>
   
   int main()
   {
      int a = 4;
      int b = 8;
      int c = 1;
      int d = 1;
   
      printf("\nAddition: %d\n", a + b);
      printf("Substraction: %d\n", b - a);
      printf("Multipication: %d\n", a * b);
      printf("Division: %d\n", b / a);
      printf("Modulus: %d\n\n", a % b);
   
      printf("Pastfix Increment: %d\n", c++); /* Увеличение переменной на единицу 
            и сразу же сохранение значения в переменную */
      printf("Pastfix now: %d\n\n", c);
   
      printf("Prefix Increment: %d\n", ++d); /* Сохранение значения переменной без увеличения на единицу, 
            Увеличение на единицу будет совершено в следующем обращении к переменной */
      printf("Prefix now: %d\n\n", d);
   
      return 0;
   }
   

4. Сохраните файл, а затем запустите программу, чтобы увидеть результат выполнения арифметических операций:

   

   Обратите внимание на то, что значение переменной мгновенно увеличивается только при постфиксных операциях. При использовании префиксных операций операнд оказывается увеличенным только при следующем обращении к нему.

Присваивание значений переменной

Операции, для присваивания значений, перечислены в таблице ниже. Все они, помимо простой операции присваивания, =, являются краткой формой более длинного выражения, поэтому для ясности каждому из них приведён эквивалент.

Будьте бдительны! Отличайте всегда операцию присваивания =, от операции сравнения ==.

Операция += может пригодиться для того, чтобы добавить значение к уже существующему значению, которое хранится в переменной a. В табличном примере операция += сначала добавляет значение, хранимое в переменной b, к значению, хранимому в переменной a. Затем она присваивает результат этого действия переменной a.

Все остальные операции, приведенные в таблице, работают точно так же, сначала выполняя арифметические действия над двумя значениями, а затем присваивая результат первой переменной.

В случае операции %= первый операнд a делится на второй операнд b, а затем остаток от операции присваивается переменной a.

1. Стандартно напишем новую программу assign.c. Объявим две переменные:

   #include <stdio.h>
   
   int main()
   {
      int a;
      int b;
   
      return 0;
   }

2. Далее в главной функции указываем напечатать результаты работы операций присваивания, произведённых над значениями переменных:

   #include <stdio.h>
   
   int main()
   {
      int a;
      int b;
   
      printf("Assigned Variables:\n");
      printf("a = %d\n", a = 8);
      printf("b = %d\n", b = 4);
   
      printf("\nAdded & assigned: ");
      printf("\tVariable a += b (a = 8 + 4), a = %d\n", a += b);
   
      printf("\nSubtracted & assigned:");
      printf("\tVariable a -= b (a = 12 - 4), a = %d\n", a -= b);
   
      printf("\nMultiplied & assigned:");
      printf("\tVariable a *= b (a = 8 * 4), a = %d\n", a *= b);
   
      printf("\nDivided & assigned:");
      printf("\tVariable a /= b (a = 32 / 4), a = %d\n", a /= b);
   
      printf("\nVodulated & assigned:");
      printf("\tVariable a %%= b (a = 8 %% 4), a = %d\n", a %= b);
   
       return 0;
   }

   Напомним, чтобы напечатать в консоль символ %, внутри функции printf() следует использовать комбинацию символов %%.

3. Запустите программу, чтобы увидеть результат выполнения операций присваивания:

   

Сравнение значений

Операции для сравнения двух числовых значений, перечислены в таблице ниже.

Операция равенства, ==, сравнивает два операнда и возвращает 1 (true, англ. true - истина), если их значения равны, в противном случае она вернёт значение 0 (false, англ. false - ложь). Операнды равны, если содержат одинаковое число, или же, если они являются символами, они равны в случае, когда совпадает числовое значение их ASCII-кодов.

Операция неравенства, !=, поступает наоборот — возвращает 1 (true), если операнды не равны, а в случаи если операнды равны вернёт значение 0 (false).

Операция < (меньше чем) выполняет сравнение, и возвращает значение 1 (true), если значение первого операнда меньше значения второго, в противном случае она возвращает значение 0 (false).

Операция > (больше чем) сравнивает два операнда и вернёт значение 1 (true), если значение первого операнда больше второго. В противном случаи, операция вернёт значение 0 (false).

Операция <= (меньше чем или равно) выполняет сравнение, и возвращает значение 1 (true), если значение первого операнда меньше или равно значению второго, в противном случае она возвращает значение 0 (false).

Операция >= (больше чем или равно) сравнивает два операнда и вернёт значение 1 (true), если значение первого операнда больше или равно второму. В противном случаи, операция вернёт значение 0 (false).

Эти операции часто используется для проверки счетчика цикла.

Операции сравнения полезны при проверке состояния двух переменных с целью выполнения условного ветвления в программе.

1. Стандартно напишем новую программу comparison.c, и в главной функции объявим и инициализируем переменные целочисленного типа и типа символьного:

   #include <stdio.h>
   
   int main()
   {
      int zero = 0;
      int nil = 0;
      int one = 1;
   
      char upr = 'A';
      char lwr = 'a';
   
      return 0;
   }

2. Далее в главной функции выведите результат выполнения операций сравнения над переменными:

   #include <stdio.h>
   
   int main()
   {
      int zero = 0;
      int nil = 0;
      int one = 1;
   
      char upr = 'A';
      char lwr = 'a';
   
      printf("\nEquality (0 == 0): %d\n", zero == nil);
      printf("Equality (0 == 1): %d\n", zero == one);
      printf("Equality ('A' == 'a'): %d\n", upr == lwr);
   
      printf("Inequality ('A' != 'a'): %d\n", upr != lwr);
       
      printf("Greater than (1 > 0): %d\n", one > nil);
   
      printf("Less than (1 < 0): %d\n", one < nil);
   
      printf("Greater or Equal than (0 >= 0): %d\n", zero >= nil);
   
      printf("Less or Equal than (1 <= 0): %d\n\n", one <= nil);
   
      return 0;
   }

   ASCII-код для символа верхнего регистра 'A' равен 65, а для символа нижнего регистра 'a' — 97, поэтому при их сравнении будет возвращено значение 0 (false - ложь).

3. Сохраните файл программы, а затем скомпилируйте и запустите программу, чтобы увидеть результат выполнения операций сравнения:

   

Логические значения

Термин булев относится к системе логического мышления, разработанной английским математиком Джорджем Булем.

Логические операции используются для операндов, которые имеют булевы значения true или false, а также в выражениях, которые возвращают булевы значения - true или false.

Операция логического И(&&), сравнит два операнда и вернёт значение true только в том случае, если оба операнда имеют значение true. В противном случае, операция && вернёт значение false.

Эта операция используется в условном ветвлении, когда направление выполнения программы, определяется двумя условиями. Если оба условия были удовлетворены, выполнение программы продолжится в заданном направлении, в противном случае направление изменяется.

В отличие от операции И(&&), требующей, чтобы оба операнда имели значение true, операция логического ИЛИ(||), оценивает два операнда и возвращает значение true, если хотя бы один из них имеет значение true. Если ни один из операндов не имеет значения true, операция ИЛИ(||) вернёт значение false. В программе эта операция может быть полезной, если требуется проверить, было ли соблюдено хотя бы одно из условий.

Третья операция — логическое НЕТ(!), — является унарной операцией, она применяется только для одного операнда. Она возвращает инвертированное(противоположное) значение заданного операнда, поэтому, если переменная var имеет значение true, выражение !var вернёт значение false. Операция НЕТ(!) полезна при программировании, если нужно инвертировать значение переменной в успешных итерациях цикла с помощью утверждения вроде var = !var. Это гарантирует, что каждый раз значение будет инвертировано, и напоминает выключение и включение лампочки выключателем.

В языке C, 0 представляет собой значение false, а любое ненулевое значение, например, 9 — значение true.

1. Начните стандартно новую программу logic.c, и в главной функции сразу объявите и инициализируйте переменные типа int:

   #include <stdio.h>
   
   int main()
   {
      int yes = 1;
      int  no = 0;
   
      return 0;
   }

2. Далее в главной функции выведите результат выполнения логических операций над переменными:

   #include <stdio.h>
   
   int main()
   {
      int yes = 1;
      int  no = 0;
   
      printf("\nAND (no && no): %d\n", no && no);
      printf("AND (yes && no): %d\n", yes && no);
      printf("AND (yes && yes): %d\n", yes && yes);
   
      printf("OR (no || no): %d\n", no || no);
      printf("OR (yes || no): %d\n", yes || no);
      printf("OR (yes || yes): %d\n", yes || yes);
   
      printf("NOT (yes !yes): %d %d\n", yes, !yes);
      printf("NOT (no !no): %d %d\n\n", no, !no);
   
      return 0;
   }

3. Сохраните файл программы, а затем скомпилируйте и выполните программу, чтобы увидеть результат выполнения логических операций:

   

Проверка условий

Возможно, самой любимой операцией программистов, пишущих на C, является условная операция ?: , также известная как тернарная(тройная) операция. Она сначала оценивает результат выполнения выражения (true или false), а затем выполняет одно из двух заданных утверждений в зависимости от результата оценки.

Условная тернарная операция имеет следующий синтаксис:

 <выражение-для-проверки> ? <если-true-выполнить-это> : <если-false-выполнить-это>;

Эта операция может быть использована, например, для оценки того, является ли заданное число чётным или нечётным путём проверки наличия остатка от деления на 2, а затем вывода соответствующей строки:

(7 % 2 != 0) ? printf ("Чётное число") : printf("Нечётное число");

В этом примере деление числа 7 на число 2 оставляет ненулевой остаток, поэтому выражение имеет значение true, а значит, будет выполнено первое утверждение, правильно описывая число как Нечётное.

Условная тернарная операция также может быть полезна для контроля за грамматикой в тексте, выводимом на экран, когда речь идёт о единственном и множественном числе, избегая неловких фраз наподобие «Имеем пять ножницы». Такую проверку легко выполнить внутри утверждения printf():

 printf("Имеем %d %s", (num == 1 ? "ножницы" : "ножниц", num ));

В этом примере в случае, если значение выражения равно true, значение переменной num равно 1 и будет использован вариант «ножницы», в противном случае будет использован вариант «ножниц».

Условная операция также может быть использована для присвоения соответствующих значений переменной в зависимости от результата проверки. Синтаксис выражения будет выглядеть так:

<переменная> = (<проверочное-выражение>) ? <если-true-назначить-это-значение> : <если-false-назначить-это-значение>

Эта операция может использоваться, например, для того, чтобы проверить, превосходит ли одно число другое, а затем присвоить большее из них переменной a, например так:

int num;
int a = 5;
int b = 2;
num = (a > b) ? a : b;

В данном примере значение переменной a больше значения переменной b, поэтому переменной num присваивается большее значение 5.

1. Начните стандартно новую программу conditional.c, объявим и инициализируем целочисленную переменную:

   #include <stdio.h>
   
   int main()
   {
      int num = 7;
   
      return 0;
   }

2. Добавьте условное утверждение, позволяющее вывести чётность значения переменной:

   #include <stdio.h>
   
   int main()
   {
      int num = 7;
   
      (num % 2 != 0) ? printf("\n%d is add\n", num) : printf("%d is even\n", num);
   
      return 0;
   }

3. Добавьте условное утверждение, позволяющее вывести грамматически правильную фразу:

   #include <stdio.h>
   
   int main()
   {
      int num = 7;
   
      (num % 2 != 0) ? printf("\n%d is add\n", num) : printf("%d is even\n", num);
      printf("There %s ", (num == 1) ? "is" : "are");
      printf("%d %s\n", num, (num == 1) ? "apple" : "apples");
   
      return 0;
   }

4. Уменьшите значение переменной, а затем снова добавьте условное утверждение, позволяющее вывести грамматически правильную фразу:

   #include <stdio.h>
   
   int main()
   {
      int num = 7;
   
      (num % 2 != 0) ? printf("\n%d is add\n", num) : printf("%d is even\n", num);
      printf("There %s ", (num == 1) ? "is" : "are");
      printf("%d %s\n", num, (num == 1) ? "apple" : "apples");
   
      num = 1;
   
      printf("There %s ", (num == 1) ? "is" : "are");
      printf("%d %s\n\n", num, (num == 1) ? "apple" : "apples");
   
      return 0;
   }

5. Сохраните файл, а затем запустите программу, чтобы увидеть результат выполнения условных операций:

   

Условную тернарную операцию лучше всего использовать для утверждений, имеющих всего две простые альтернативы.

Но всё же, несмотря на то, что условная тернарная операция проста в применении, её использование может снизить читабельность кода.

Итак, мы изучили три типа операций:

1. Унарные - операция проводится только над одним операндом.
2. Бинарные - операция проводится только с двумя операндами.
3. Тернарные - операция проводится только при наличии трёх операндов.

Существует пять видов операций:

1. Арифметические - Математика.
2. Логические - Проверка Условий.
3. Битовые - Булева алгебра.
4. Присвоения - Краткая форма записи комбинации операции присвоения и дополнительной операции.
5. Адресации - Работа с адресами памяти.

Кроме основных операций, существует и несколько специфических операций:

Все выше перечисленные и другие операции будут рассматриваться далее в учебнике.

Визуальные представления работы Операций сравнения - они же Условные операторы

Визуально представим работу условных операторов в виде блок-схем.

Итак, выше мы узнали об условных операторах языка С, результатом выполнения сравнения двух операндов, значений или утверждений, с помощью которых, они возвращают нам либо 0 (false) - Ложь, либо 1 (true) - Истина.

Понять работу условных операторов становится очень легко, если вместо английских слов true / false использовать слова да / нет как-бы отвечая на вопросы задаваемые условными операторами.

Опишем все фигуры для обозначения действий при составлении блок-схем в контексте языка программирования С:

Все фигуры для построения блок-схем

Фигура(Изображение)	Название	Применение	Пример
	Старт	Обычно так обозначается точка входа в главную функцию main()
	Завершение программы	Обычно так обозначается выход из главной функции main()
	Утверждение	Любое утверждение на языке С
	Условный оператор	Ветвление программы по условию либо в ветку 1(true/истина/да) либо в ветку 0(false/ложь/нет)
	Переключатель варианта	Выбирает один из вариантов выражения
	Вариант переключателя	Вариант, соответствующий значению утверждения в Переключателе
	Объявление Функции	Объявление Функции. Точка входа в функцию
	Вызов функции	Вызов функции. Перейти в функцию по её имени/адресу
	Комментарий	Добавление комментария. Обычно справа/сверху от фигуры, но может быть и вертикально по линии.
	Процедура	Асинхронная внешняя процедура, блок кода, модуль и т.п. - без возможности управления ею. Пока процедура не вернётся "завершением" или "ошибкой" - Главная функция ждёт.
	Параметры	Формальные параметры необходимые для запуска кода. Инструкции препроцессора и т.п. данные До Главной функции.
	Структура	Название "полки" со списком элементов данных в ней
	Начало цикла	Сжатое визуальное представление начальной конструкции циклов(for, while, do-while)
	Конец цикла	Сжатое визуальное представление конечной конструкции циклов(for, while, do-while)
	Отправить параметр	Обычно обозначают отправку параметра/ов какому либо получателю
	Получить параметр/ры	Обычно обозначают получение параметра/ов от какого либо получателя
	Отправить	Чаще всего обозначают печать в консоль
	Получить	Чаще всего обозначают ввод данных пользователем из консоли
	Часы	Инициирование утверждения в заданный момент реальных даты/времени
	Длительность	Выполнение утверждения/ий в течении заданного промежутка времени
	Таймер	Подождать заданное время, прежде чем выполнить утверждение
	Параллелизм	Запустить два или более параллельных потока(веток) кода одновременно
	Управление Параллельным фоновым процессом	Запустить/Приостановить/Продолжить/Завершить независимый Параллельный фоновый процесс. Главная функция продолжает выполняться далее - не ждёт пока Выполняющийся фоновый процесс вернёт своё "завершение" или "ошибку".
	Соединитель	Буквенно-цифровой индекс соединителя линии/ий алгоритма указывает на такой же соединитель на другом листе/странице

Главные правила создания блок-схем

Опишем главные правила создания блок-схем, которых стоит придерживаться максимально строго и как правильно понимать блок-схемы когда мы на них смотрим:

1. Главная задача блок-схем - Сделать программу Визуально Понятной!
2. Движение по линиям идёт Сверху Вниз и Слева Направо. Исключением являются линии возврата в исходную точку условия.
3. Линия всегда заходит в фигуру Сверху.
4. Линия всегда выходит из фигуры Снизу. А для фигуры Условие обязательной является линия выходящая на право и вниз.
5. Ветвление кода всегда изображено линией идущей Вправо-Вниз.
6. На линиях ветвления по условию всегда указывайте их назначения: 1 или 0, ДА(истина) или НЕТ(ложь), true или false.
7. Предпочтительнее, На линиях ветвления по условию указывать их назначения как ДА или НЕТ.
8. Пересечение линий Запрещено!
9. Слияние линий в одну ветку Разрешено.
10. Линии со стрелками разрешены только при возврате кода в исходные точки. Такие точки всегда сверху слева или сверху справа.
11. Слева блок-схемы всегда Маршрут Приемлемой Ситуации исхода выполнения алгоритма.
12. Справа блок-схемы всегда Маршрут Худшего исхода выполнения алгоритма.
13. Алгоритм строим исключительно на основе правил бинарной логики!
14. Одинаковые Фигуры можно сливать в одну на основе правил бинарной логики!
15. В Фигуры одного типа запрещено вписывать утверждения языка С другого типа.
16. Добавляйте Фигуры "Комментарий" если считаете что блок-схема в этом месте не очевидна.

По мере составления блок-схем будем уточнять и расширять правила и особенности их создания.

Повторим изученное ранее и добавим новые знания

IF - Условный оператор ветвления потока выполнения программы

По сути if() это функция принимающая в качестве аргумента условный оператор, который возвращает либо 1 либо 0.

Как мы уже изучили: 1 - истинность условия, т.е. условие выполняется. 0 - условие не выполняется.

Читаются блоки IF-кода в вопросительное форме как в обычной речи:

Читаем блок IF-кода по человечески

IF-блок	Читается так	Код на C	Блок-схема
if(A==B)	A равно B ?	if(A == B) { /*Сюда пишем код если проверка на Равенство выполняется*/ } /*Выход из IF-блока если проверка на Равенство НЕ выполняется*/
if(A==B) else	Если A равно B то... иначе это...	if(A == B) { /*Сюда пишем код если проверка на Равенство выполняется*/ } else { /*Сюда пишем код если проверка на Равенство НЕ выполняется*/ } /*Выход из IF-блока*/
if(A!=B)	A не равно B ?	if(A != B) { /*Сюда пишем код если проверка на Не Равенство выполняется*/ } /*Выход из IF-блока если проверка на Не Равенство НЕ выполняется*/
if(A!=B) else	Если A не равно B то... иначе это...	if(A != B) { /*Сюда пишем код если проверка на Не Равенство выполняется*/ } else { /*Сюда пишем код если проверка на Не Равенство НЕ выполняется*/ } /*Выход из IF-блока*/
if(A<B)	A меньше B ?	if(A < B) { /*Сюда пишем код если проверка на Меньше чем выполняется*/ } /*Выход из IF-блока если проверка на Меньше чем НЕ выполняется*/
if(A<B) else	Если A меньше B то... иначе это...	if(A < B) { /*Сюда пишем код если проверка на Меньше чем выполняется*/ } else { /*Сюда пишем код если проверка на Меньше чем НЕ выполняется*/ } /*Выход из IF-блока*/
if(A>B)	A больше B ?	if(A > B) { /*Сюда пишем код если проверка на Больше чем выполняется*/ } /*Выход из IF-блока если проверка на Больше чем НЕ выполняется*/
if(A>B) else	Если A больше B то... иначе это...	if(A > B) { /*Сюда пишем код если проверка на Больше чем выполняется*/ } else { /*Сюда пишем код если проверка на Больше чем НЕ выполняется*/ } /*Выход из IF-блока*/
if(A<=B)	A меньше или равно B ?	if(A <= B) { /*Сюда пишем код если проверка на Меньше или Равно выполняется*/ } /*Выход из IF-блока если проверка на Меньше или Равно НЕ выполняется*/
if(A<=B) else	Если A меньше или равно B то... иначе это...	if(A <= B) { /*Сюда пишем код если проверка на Меньше или Равно выполняется*/ } else { /*Сюда пишем код если проверка на Меньше или Равно НЕ выполняется*/ } /*Выход из IF-блока*/
if(A>=B)	A больше или равно B ?	if(A >= B) { /*Сюда пишем код если проверка на Больше или Равно выполняется*/ } /*Выход из IF-блока если проверка на Больше или Равно НЕ выполняется*/
if(A>=B) else	Если A больше или равно B то... иначе это...	if(A >= B) { /*Сюда пишем код если проверка на Больше или Равно выполняется*/ } else { /*Сюда пишем код если проверка на Больше или Равно НЕ выполняется*/ } /*Выход из IF-блока*/
if(A)	Если A ? (Истина если значение А не 0 (не false))	if(A) { /*Сюда пишем код если проверка на Истинность выполняется*/ } /*Выход из IF-блока если проверка на Истинность НЕ выполняется*/
if(!A)	Если Инверсия A ? (Истина если значение А не 1 (не true))	if(!A) { /*Сюда пишем код если проверка на Ложность выполняется*/ } /*Выход из IF-блока если проверка на Ложность НЕ выполняется*/

Повторим изученное ранее и добавим новые знания. Напишите все ниже следующие программы, скомпилируйте и выполните их.

A и B - это любые переменные, значения, утверждения, условные операторы - т.е. внутрь условий можно добавлять вложенные условия. Вот примеры:

Вложенные IF-блоки внутрь IF-блоков с помощью else if комбинаций:

Пример кода запрашивающий у пользователя значение и по "лестнице условий" печатает в консоль результат:

Пример кода определяющий соответствие количества балов полученных студентом и по "лестнице условий" назначающий "Уровень" знаний студента и печатает в консоль результат:

Пример кода определяющий диапазон значений в переделах которых пользователь ввёл число и по "лестнице условий" печатает в консоль результат:

Правило №13 - Алгоритм строим исключительно на основе правил бинарной логики! Пример кода реализует логическую проверку условий применяя бинарную логическую операцию И(&&), с ней вы уже знакомы. Прочитайте исходный код и изучите блок-схему, что бы понять что делает программа:

Правило №13 - Алгоритм строим исключительно на основе правил бинарной логики! Пример кода реализует логическую проверку условий применяя бинарную логическую операцию И(&&), записанная инструкция препроцессору #include <stdbool.h> подключает заголовочный файл предоставляющий возможность применять в тексте исходного кода ключевые слова true и false. Прочитайте исходный код и изучите блок-схему, чтобы понять - что делает программа:

Правило №13 - Алгоритм строим исключительно на основе правил бинарной логики! Пример кода реализует логическую проверку условий применяя бинарные логические операции И(&&) и ИЛИ(||), записанная инструкция препроцессору #include <stdbool.h> подключает заголовочный файл предоставляющий возможность применять в тексте исходного кода ключевые слова true и false. Обратите внимание, в языке С логическая бинарная операция И(&&) имеет более высокий приоритет выполнения перед логической бинарной операцией ИЛИ(||). Прочитайте исходный код и внимательно изучите блок-схему, что бы понять, что делает программа:

Правило №13 - Алгоритм строим исключительно на основе правил бинарной логики! Пример кода реализует логическую проверку условий применяя бинарные логические операции И(&&) и ИЛИ(||), записанная инструкция препроцессору #include <stdbool.h> подключает заголовочный файл предоставляющий возможность применять в тексте исходного кода ключевые слова true и false. Обратите внимание, в языке С логическая бинарная операция И(&&) имеет более высокий приоритет выполнения перед логической бинарной операцией ИЛИ(||). Прочитайте исходный код и внимательно изучите блок-схему, что бы понять, что делает программа:

Правило №13 - Алгоритм строим исключительно на основе правил бинарной логики! Пример блок-схемы демонстрирует вложенность конструкции if...else внутри конструкции if...else.

Правило №13 - Алгоритм строим исключительно на основе правил бинарной логики! Пример блок-схемы демонстрирует вложенность двух конструкции if...else внутри конструкции if...else. В зависимости от выбранной ветки в первой конструкции if...else далее проверяется условие по одному из вложенных условий реализованных в конструкции if...else

Правило №13 - Алгоритм строим исключительно на основе правил бинарной логики! Пример программы демонстрирует вложенность двух конструкции if...else внутри конструкции if...else. В зависимости от выбранной ветки в первой конструкции if...else далее проверяется условие по одному из вложенных условий реализованных в конструкции if...else . Прочитайте исходный код и внимательно изучите блок-схему, что бы понять, что делает программа:

Подробнее рассмотрим блок-схему Тернарного условия. Ещё раз посмотрите на правильный синтаксис:

( A ) ? [ выполняется если A true ] : [ выполняется если  A false ];

Напомню, что любое значение переменной не равное 0 - является состоянием условия как TRUE, (A <> 0) == true, что тоже самое (A != 0) == true.

Внутри тернарного условия можно записывать обычное условие:

Вот эквивалентная запись тернарного условия:

(condition) ? (variable = valueTrue) : (variable = valueFalse);

и реализация его развёрнутого if...else варианта:

if(condition)
{
   variable = valueTrue;
}
else
{
   variable = valueFalse;
}

Пример блок-схемы и её код, реализующий тернарное условие. Переменная А = 7 == true:

Пример блок-схемы и её код, реализующий тернарное условие в альтернативной его записи(без блока if...else ). Переменная А = 0 == false:

Пример блок-схемы и её код, реализующий тернарное условие. Переменная А = 0 == false:

Пример блок-схемы и её код, реализующий тернарное условие в альтернативной его записи(без блока if...else ). Переменная А = 5 == true:

Обратите внимание, что при альтернативной записи тернарного условия - обязательны круглые скобки. Если вы не запишете круглые скобки - то на примере блок-схемы - у вас отсутствуют линии связи между фигурами. А вот что происходит при попытке компиляции приведённого ниже кода:

Скобки в тернарном условии так же нужно использовать если применяется вызов функций. Вот один вариант записи:

Вот другой вариант записи:

Напоминаю - прописывайте самостоятельно весь код приведённый в учебнике. Сохраняйте программы, компилируйте и запускайте их. Копирование кода из учебника в Visual Studio Code редактор - не позволяет образовываться в вашем мозге связям между нейронами отвечающими за запоминание визуальных образов(тексты, картинки) и движением пальцев рук. Когда же вы всё пишите самостоятельно то мозг запоминает гораздо лучше в процессе обучения на практике.

Вот третий вариант записи тернарного условия. Не смотря на отсутствие круглых скобок в утверждениях после знака вопроса ?, такая запись является синтаксически приемлемой и компилятор принимает её:

Далее, по мере изучения, в учебнике мы будем рассматривать блок-схемы для примеров кода.

Битовые операции

Многие программисты, использующие язык C, никогда не используют битовые операции (из-за слабого понимания битовых операций И, ИЛИ, Инвертирования, Исключающего ИЛИ, Битовый сдвиг Влево, Битовый сдвиг Вправо), однако вы должны их и знать и понимать где они используются, что может быть весьма полезно для написания эффективного кода.

Ранее мы уже изучили, что каждый байт состоит из восьми бит, каждый из которых может содержать 1 или 0. Все вместе они дают двоичное значение, представляющее десятичное число от 0 до 255. Для визуального представления, биты обозначаются в формате «справа-налево» от наименее значащего бита (Less Significant Bit, LSB) до наиболее значащего бита (Most Significant Bit, MSB). Двоичное число, приведённое ниже, представляет собой десятичное число 50.

Например, тип данных char в языке C представляет собой один байт. С помощью битовых операций возможно манипулировать отдельными его битами.

Широкое распространение битовые операции получили при программировании встроенных систем на основе микроконтроллеров, где электронные устройства имеют ограниченные аппаратные вычислительные возможности. И не смотря на то, что современные микроконтроллеры приблизились по функциональным возможностям к процессором нижнего и среднего ценового сегмента, битовые операции в них по прежнему являются важными.

Программируя на С для написания программ для компьютеров, битовые операции можно применять весьма оригинальными способами.

1. Начнём писать стандартно новую программу xor.c, объявим и инициализируем целочисленные переменные и распечатаем их значения в консоли:

   #include <stdio.h>
   
   int main()
   {
      int x = 10;
      int y = 5;
      printf("\nX = %d\nY = %d\n", x, y);
   
      return 0;
   }

2. Добавьте три утверждения ИСКЛЮЧАЮЩИЕ ИЛИ (^), чтобы поменять местами значения переменных путём битовых манипуляций, распечатайте в консоль результат битовых операций над переменными:

   #include <stdio.h>
   
   int main()
   {
      int x = 10;
      int y = 5;
      printf("\nX = %d\nY = %d\n", x, y);
   
      x = x ^ y; /* 1010 ^ 0101 = 1111 (десятичное число 15) */
      y = x ^ y; /* 1111 ^ 0101 = 1010 (десятичное число 10) */
      x = x ^ y; /* 1111 ^ 1010 = 0101 (десятичное число 5) */
      printf("\nX = %d\nY = %d\n\n", x, y); /* В результате, переменные поменялись своими значениями */
   
      return 0;
   }

3. Сохраните файл программы, а затем скомпилируйте и выполните программу, чтобы увидеть результат битовой операции ИСКЛЮЧАЮЩИЕ ИЛИ (^):

   

Не путайте битовые операции с логическими. Битовые операции оперируют двоичными значениями бит чисел, а логические - проверяют булевы значения.

Измерение размера данных определённого типа

В программировании на языке C функция sizeof() возвращает целочисленное значение, представляющее количество байт, необходимое для хранения содержимого данного операнда в памяти.

Когда операнд, переданный параметром в функцию sizeof(), является именем типа данных, например, int, он должен быть помещён в скобки () — как в примерах, выше.

В качестве альтернативы в случае, если переданный операнд является именем объекта данных, например именем переменной, скобки опционально можно опустить. Однако, это плохой тон написания программ на С. На практике многие программисты всегда помещают имя переменной параметром в функцию sizeof() внутри скобок, чтобы избежать необходимости запоминать подобное разграничение.

Простейшим хранилищем в языке C является тип данных char, который хранит один символ в одном байте памяти. Это значит, что функция вида sizeof(char) вернёт 1 (один байт).

#include <stdio.h>

int main(void)
{
   printf("\nSize of char data type is %zu byte.\n\n", sizeof(char));

   return 0;
}

Результат определения размера типа данных char:

Как правило, для типов данных int и float выделяется 4 байта машинной памяти, а для типа данных double — 8 байт, что позволит разместить весь диапазон его значений. Эти размеры не являются стандартизированными, они зависят от реализации вашей машины и компилятора и потому могут изменяться. Хорошим тоном при программировании является использование функции sizeof() для измерения размера выделенной памяти.

Стоит заметить, что современные персональные компьютеры практически все уже имеют многоядерные процессоры, 64-битные операционные системы, и более 4 Гб Оперативной Памяти. Это практически всегда гарантирует задействование компилятором - полномерных размеров типов данных, т.е. не урезанных.

НО! При программировании встроенных систем на основе микроконтроллеров - нужно наоборот стремится к минимально возможным размерам типов данных из-за ограничений объёмов Оперативной памяти и размеров хранилищ на этих системах, часто не имеющих возможности к увеличению объёма.

Объём памяти, выделенный для массивов переменных, складывается из количества байт, выделяемых для заданного типа данных, умноженного на число элементов массива. Например, выражение sizeof(int[3]), как правило, вернёт число 12 (3 элемента в массиве × по 4 байта каждый).

Особенно важно использовать функцию sizeof() для того, чтобы точно определить объём памяти, выделенный для определённых пользователем структур, которые могут иметь члены различных типов данных, поскольку часто между ними автоматически добавляется так называемая прослойка выравнивания. Это значит, что общий объём выделенной памяти может превосходить сумму объёмов памяти, выделенной для каждого члена. Логично было бы ожидать, что для структуры, содержащей переменные int score и char grade, будет выделено 5 байт (4 для int + 1 для char ), но, как правило, в таких ситуациях компилятором выделяется 8 байт. Это происходит потому, что (32 битные) компьютерные системы обычно считывают данные словами, имеющими размер 4 байта. Поэтому при выделении памяти добавляется прослойка, позволяющая дополнить объём выделяемой памяти до числа, кратного 4. Тем самым выравнивая блок памяти, и сделав его оптимальным для максимально быстрой обработки процессором.

1. Стандартно начнём писать новую программу size.c, объявим и инициализируем переменную типа int

   #include <stdio.h>
   
   int main()
   {
      int num = 123456789;
   
      return 0;
   }

2. В главной функции добавьте утверждения, позволяющие узнать объём памяти, выделенной для типа данных int (в вашей реализации), с помощью имени типа данных и имени переменной. Объявим и инициализируем переменную типа int:

   #include <stdio.h>
   
   int main()
   {
      int num = 123456789;
      printf("\nSize of 'int' data type is %d bytes", sizeof(int));
      printf("\nSize of 'num' variable is %d bytes\n", sizeof(num));
   
      return 0;
   }

3. Теперь добавьте утверждение, позволяющее вывести на экран объём памяти, который выделяется для каждого элемента массива:

   #include <stdio.h>
   
   int main()
   {
      int num = 123456789;
      printf("\nSize of 'int' data type is %d bytes", sizeof(int));
      printf("\nSize of 'num' variable is %d bytes\n", sizeof(num));
      
      printf("\nSize of an 'int' array is %d bytes\n", sizeof(int[3]));
   
      return 0;
   }

4. Определите структуру, содержащую одну переменную типа char и одну переменную типа int, а затем выведите на экран объём памяти, выделенный структуре, включая прослойку(байты) выравнивания:

   #include <stdio.h>
   
   int main()
   {
      int num = 123456789;
      printf("\nSize of 'int' data type is %d bytes", sizeof(int));
      printf("\nSize of 'num' variable is %d bytes\n", sizeof(num));
      
      printf("\nSize of an 'int' array is %d bytes\n", sizeof(int[3]));
   
      struct
      {
         int score;
         char grade;
      } result;
      printf("\nSize of a structure is %d bytes\n\n",  sizeof(result));
   
      return 0;
   }

   В этом примере приведён код для создания объекта типа struct{}, который представляет собой единый набор переменных различных типов данных. Тема структуры будет подробно рассмотрена далее, в данном же коде структура задействована для того, чтобы продемонстрировать, как можно измерить объём выделенной памяти для структуры с помощью функции sizeof().

5. Сохраните файл программы, а затем скомпилируйте и выполните её:

   

Флаги

Флагами в программировании называется переменная значение, которой изменяется в зависимости от результатов выполнения программы. Так например, при операции сложения, значение переменной может выйти за пределы размера её типа данных, тогда устанавливается Флаг обозначающий состояние переполнения. Флаг получения отрицательного результата операции, Флаг получения нулевого результата операции и множество других различных состояний программы.

Флаг считается установленным в значение 1, и сброшенным в значение 0. Бывают редкие случаи когда состояние Флага не определённое.

Благодаря наличию Флагов - можно практически мгновенно определить интересующие нас текущие состояния исполняемой программы.

До этого момента наиболее распространенным вариантом использования битовых операций было манипулирование компактным битовым полем, содержащим набор булевых битов. Такое использование памяти гораздо более эффективно, нежели хранение значений булевых флагов в отдельных переменных. Например, переменная типа char занимает всего один байт, в котором разрешается хранить целых восемь флагов, а создание восьми отдельных переменных типа char потребует использования целых восьми байт.

Исходное значение битовых флагов может быть установлено путём присвоения переменной десятичного значения, двоичный эквивалент которого имеет единицы в тех битах, которые должны установить битовый флаг. Например, десятичное число 8 имеет двоичный эквивалент 1000 (1 × 8 + 0 × 4 + 0 × 2 + 0 × 1), поэтому установленным будет четвёртый битовый флаг, если считать справа налево от наименее значащего бита.

Значения битовых флагов могут быть инвертированы с помощью битовой операции НЕ (~, ИНВЕРСИЯ), однако, следует использовать маску для нулей, идущих перед битовыми флагами, иначе каждый из них получит значение 1. По этому - маска блокирует изменение состояний тех Флагов, которые в данный момент времени ИНВЕРТИРОВАТЬ нельзя.

Например, чтобы ИНВЕРТИРОВАТЬ битовое поле из четырёх флагов, располагающееся с правой стороны байта, то к четырём левым битам должна быть применена маска. Десятичное число 15 имеет двоичное представление 00001111 (0 × 128 + 0 × 64 + 0 × 32 + 0 × 16 + 1 × 8 + 1 × 4 + 1 × 2 + 1 × 1), его разрешается использовать как маску с помощью операции И (&).

Шаблон битовых флагов также может быть изменён путём смещения флагов, имеющих значение 1, на определённое количество бит с помощью операций побитового сдвига влево (<<) и вправо (>>).

1. Напишем новую программу bitflag.c . Объявим и инициализируем переменную типа int :

   #include <stdio.h>
   
   int main()
   {
      int flags = 8; /* Двоичное представление 1000 (1×8 + 0×4 + 0×2 + 0×1) */
   
      return 0;
   }

2. Далее в главной функции назначьте переменной новое значение, чтобы значение 1 получил также второй флаг. Применим логическую битовую операцию ИЛИ(|):

   #include <stdio.h>
   
   int main()
   {
      int flags = 8; 
      flags = flags | 2; /* 1000 | 0010 = 1010 (Десятичное число 10) */
   
      return 0;
   }

3. Добавьте утверждения, позволяющие печатать в консоли значения всех битовых флагов. Применим проверку условия с помощью записи тернарного условия:

   #include <stdio.h>
   
   int main()
   {
      int flags = 8;
      flags = flags | 2;
      
      printf("\nFlag 1: %s\n", ((flags & 1) > 0) ? "ON" : "OFF");
      printf("\nFlag 2: %s\n", ((flags & 2) > 0) ? "ON" : "OFF");
      printf("\nFlag 3: %s\n", ((flags & 4) > 0) ? "ON" : "OFF");
      printf("\nFlag 4: %s\n", ((flags & 8) > 0) ? "ON" : "OFF");
   
      return 0;
   }

4. Добавьте утверждения, накладывающие маску на первые четыре бита байта, а затем инвертируйте все значения битовых флагов. Обратите внимание - приоритет логической битовой операции И(&) выше, и следовательно сначала выполнится она, а потом результат будет ИНВЕРТИРОВАН:

   #include <stdio.h>
   
   int main()
   {
      int flags = 8;
      flags = flags | 2;
      
      printf("\nFlag 1: %s\n", ((flags & 1) > 0) ? "ON" : "OFF");
      printf("Flag 2: %s\n", ((flags & 2) > 0) ? "ON" : "OFF");
      printf("Flag 3: %s\n", ((flags & 4) > 0) ? "ON" : "OFF");
      printf("Flag 4: %s\n", ((flags & 8) > 0) ? "ON" : "OFF");
   
      char mask = 15;        /* В двоичном представлении это 00001111 */
      flags = ~flags & mask; /* ~ (1010 & 1111) = 0101 */
   
      return 0;
   }

5. Добавьте утверждения, позволяющие распечатать в консоль измененные значения всех битовых флагов, а также десятичное значение, представляющее этот шаблон:

   #include <stdio.h>
   
   int main()
   {
      int flags = 8;
      flags = flags | 2;
      
      printf("\nFlag 1: %s\n", ((flags & 1) > 0) ? "ON" : "OFF");
      printf("Flag 2: %s\n", ((flags & 2) > 0) ? "ON" : "OFF");
      printf("Flag 3: %s\n", ((flags & 4) > 0) ? "ON" : "OFF");
      printf("Flag 4: %s\n", ((flags & 8) > 0) ? "ON" : "OFF");
   
      char mask = 15;
      flags = ~flags & mask;
   
      printf("\nFlag 1: %s\n", ((flags & 1) > 0) ? "ON" : "OFF");
      printf("Flag 2: %s\n", ((flags & 2) > 0) ? "ON" : "OFF");
      printf("Flag 3: %s\n", ((flags & 4) > 0) ? "ON" : "OFF");
      printf("Flag 4: %s\n", ((flags & 8) > 0) ? "ON" : "OFF");
      printf("Flags decimal value is %d\n\n", flags);
   
      return 0;
   }

6. Добавьте утверждение, позволяющее выполнить сдвиг установленных флагов на один бит влево, а затем выведите десятичное значение нового шаблона:

   #include <stdio.h>
   
   int main()
   {
      int flags = 8;
      flags = flags | 2;
      
      printf("\nFlag 1: %s\n", ((flags & 1) > 0) ? "ON" : "OFF");
      printf("Flag 2: %s\n", ((flags & 2) > 0) ? "ON" : "OFF");
      printf("Flag 3: %s\n", ((flags & 4) > 0) ? "ON" : "OFF");
      printf("Flag 4: %s\n", ((flags & 8) > 0) ? "ON" : "OFF");
   
      char mask = 15;
      flags = ~flags & mask;
   
      printf("\nFlag 1: %s\n", ((flags & 1) > 0) ? "ON" : "OFF");
      printf("Flag 2: %s\n", ((flags & 2) > 0) ? "ON" : "OFF");
      printf("Flag 3: %s\n", ((flags & 4) > 0) ? "ON" : "OFF");
      printf("Flag 4: %s\n", ((flags & 8) > 0) ? "ON" : "OFF");
      printf("Flags decimal value is %d\n\n", flags);
   
      flags = flags << 1; /* 0101 << 1 = 1010 */
      printf("Flags decimal value now is %d\n\n", flags);
   
      return 0;
   }

7. Сохраните, скомпилируйте и запустите программу:

   

Часто довольно удобно использовать заранее определённые константы, представляющие значение каждого битового флага. Например:

#define FLAG1 1
#define FLAG2 2
#define FLAG3 4
#define FLAG4 8

Более крупные битовые поля могут быть созданы с использованием переменной, резервирующей больший объём памяти. Например, переменная типа int, для которой резервируется 4 байта, может вместить 32 флага.

Знакомство с приоритетами

Приоритет операций определяет порядок их выполнения в утверждениях языка C. Например, в выражении a = 6 + b * 3 приоритет операций определяет, в каком порядке будут выполнены операции сложения и умножения.

Операция умножения, *, находится выше, чем операция сложения, +, поэтому в выражении a = 6 + b * 3 сначала выполняется операция умножения.

В следующей таблице перечислен приоритет операций в убывающем порядке. Операции, расположенные выше, имеют больший приоритет, чем операции, стоящие ниже, по этому они будут выполнены раньше. Операции из одной ячейки имеют одинаковый приоритет, поэтому по рядок их выполнения зависит только от направления ассоциативности операций. Например, при ассоциативности слева направо, операции, расположенные слева, будут выполнены раньше.

1. Напишем новую программу precedence.c, в которой проверим приоритет выполнения операций по умолчанию, и с принудительным назначением приоритета с помощью круглых скобок:

   #include <stdio.h>
   
   int main()
   {
      printf("\nDefault precedence ((2*3)+4)-5 : %d\n", 2*3+4-5);
      printf("Explicit precedence 2*((3+4)-5) : %d\n", 2*((3+4)-5));
   
      return 0;
   }

2. В главной функции выведите число-результат вычисления выражения, следующего правилам приоритета для ассоциативности слева направо, а затем результат вычисления выражения с явно определённым приоритетом:

   #include <stdio.h>
   
   int main()
   {
      printf("\nDefault precedence ((2*3)+4)-5 : %d\n", 2*3+4-5);
      printf("Explicit precedence 2*((3+4)-5) : %d\n", 2*((3+4)-5));
   
      printf("\nDefault precedence (7*3)%%2 : %d\n", 7*3%2);
      printf("Explicit precedence 7*(3%%2) : %d\n", 7*(3%2));
   
      return 0;
   }

3. Теперь выведите число-результат вычисления выражения, следующего правилам приоритета для ассоциативности справа налево, а затем результат вычисления выражения с явно определённым приоритетом:

   #include <stdio.h>
   
   int main()
   {
      printf("\nDefault precedence ((2*3)+4)-5 : %d\n", 2*3+4-5);
      printf("Explicit precedence 2*((3+4)-5) : %d\n", 2*((3+4)-5));
   
      printf("\nDefault precedence (7*3)%%2 : %d\n", 7*3%2);
      printf("Explicit precedence 7*(3%%2) : %d\n", 7*(3%2));
   
      int num = 9;
      printf("\nDefault precedence (8/2)*4 : %d\n", --num/2*sizeof(int));
       
      num = 9;
      printf("Explicit precedence 8/(2*4) : %d\n\n", --num/(2*sizeof(int)));
   
      return 0;
   }

4. Сохраните файл программы, а затем скомпилируйте и выполните программу, чтобы увидеть результаты, следующие правилам приоритета.

   

Заключение

• Арифметические операции, которые могут образовывать выражения с двумя операндами — сложение, +, вычитание, -, умножение, *, деление, /, и деление с остатком, %.
• Операции инкремента, ++, и декремента, --, изменяют значение их единственного операнда на 1.
• Операция присваивания = может быть объединена с арифметической операцией, чтобы выполнить расчёт выражения, а затем сразу присвоить результат.
• Операции сравнения могут образовывать выражения, сравнивающие два операнда с точки зрения равенства == или неравенства !=, а также проверяющие, является ли одно число больше >, меньше <, больше или равно >= или меньше или равно <= другому.
• Операции Логическое И(&&) и Логическое ИЛИ(||) образуют выражения, оценивающие два операнда и возвращающие булево значение true или false, а логическая операция НЕ(!) возвращает инвертированное булево значение одного операнда.
• Тернарная Условная операция ?: оценивает заданное булево выражение, а затем возвращает один из двух операндов в зависимости от результата.
• Функция sizeof() возвращает размер выделяемой памяти в байтах для заданного типа данных или объекта данных.
• Один байт памяти состоит из восьми бит, которые могут содержать значение 0 или 1.
• Битовые операции ИЛИ(|), И(&), НЕ(~) или ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ(^) возвращают значение после выполнения сравнения значений двух битов, а операции Побитового Сдвига Влево(<<) и Побитового Сдвига Вправо(>>) смещают значение переданных битов на заданное число позиций.
• Наиболее частое использование битовых операций заключается в том, чтобы изменить компактное поле бит, содержащее набор булевых флагов.
• В выражениях, содержащих несколько операций, операции будут выполняться в соответствии со стандартным приоритетом операций, если только порядок выполнения не определён явно путём добавления круглых скобок.

Различные Проверочные утверждения

Здесь показывается, как с помощью утверждений можно оценивать выражения, чтобы определить направление, по которому последует выполнение программы.

• Проверка значений выражений
• Ветвление кода с помощью операции switch()
• Зацикливание с помощью счётчика
• Заключение
• Зацикливание с помощью условия
• Заключение
• Цикл с условием вида do...while()
• Заключение
• Досрочный выход из циклов ключевое слово break
• Продолжение выполнения циклов ключевое слово continue
• Переход к меткам ключевое слово goto
• Заключение

Проверка значений выражений

Если код, который должен быть выполнен, содержит только одно утверждение, фигурные скобки можно опустить.

Ключевое слово if используется для выполнения простой проверки условия, которое оценивает булево значение заданного выражения. Утверждения внутри скобок выполняются только в том случае, если значение выражения равно(возвращает) true. Синтаксис проверочного утверждения if выглядит так:

if (проверочное-выражение) {утверждения-которые-следует-выполнить-если-true}

Точка с запятой ; после закрывающей фигурной скобки } не ставится.

Если значение выражения равно true, можно выполнить и несколько утверждений, каждое из них должно отделяться точкой с запятой. Иногда возникает необходимость проверить несколько выражений, чтобы определить, должны ли быть выполнены следующие далее утверждения. Этого можно достигнуть двумя способами. Операция логическое И (&&) используется для того, чтобы убедиться в том, что утверждения будут выполнены только в том случае, если оба выражения имеют значение true. Синтаксис выглядит так:

if ((условие_1) && (условие_2)) {утверждения}

Кроме того, можно использовать несколько утверждений if, вложенных друг в друга. Это также поможет убедиться в том, что последующие утверждения окажутся выполнены только в том случае, когда оба проверочных выражения будут иметь значение true, например так:

if (условие_1)
{
   /* Выполнится если условие_1 TRUE */
   if(условие_2) {
      /* Выполнится если условие_2 TRUE */
   }
}
/* Выполнится если условие_1 FALSE */

Несколько выражений сразу можно оценить, объединив утверждения if и else, например, так: if () {…} else if () {…}.

Когда одно или более выражений, оцениваемые с помощью утверждения if, имеют значение false, утверждения, расположенные внутри фигурных скобок не выполняются, и программа продолжает выполнение перескакивая к последующему коду за фигурными скобками.

Часто является предпочтительным расширять утверждение if, добавляя к нему утверждение else, указав внутри скобок утверждения, которые должны быть выполнены в случае, если проверочное выражение будет иметь значение false. Синтаксис выглядит так:

if (проверочное-выражение) /* Если TRUE ... */
   {
      утверждения-которые-следует-выполнить-если-true /* ... То */
   }
else /* Иначе ... */
   {
      утверждения-которые-следует-выполнить-если-false /* ... Это */ 
   }

Этот приём программирования является фундаментальным, он предлагает программе пойти по одному из двух направлений в зависимости от результатов проверки. Этот приём также известен как условное ветвление. С помощью создания блок-схем легко увидеть - какая ветка кода будет выполняться, в том или ином случаи - в зависимости от результата условия.

1. Напишем программу ifelse.c и изобразим её блок-схему. Прочитайте исходный код и на блок-схеме проследите какая ветка кода исполнится в том или ином случаи? Что будет напечатано в консоль?

   #include <stdio.h>
   
   int main()
   {
      if (5 > 1)
      {
         printf("Yes, 5 is greater than 1\n");
   
         if (7 > 2)
         {
            printf("5 is greater than 1 and 7 is greater than 2\n");
         }
      }
   
      if (1 > 2)
      {
         printf("1st Expression is true\n");
      }
      else if (1 > 3)
      {
         printf("2nd Expression is true\n");
      }
      else
      {
         printf("Both expressions are false\n");
      }
   
      return 0;
   }

2. Составим блок-схему алгоритма:

   

3. Сохраните, скомпилируйте и запустите программу.

Напоминаю, значение true имеет числовое представление 1, а значение false — числовое представление 0. Поэтому выражение (5 > 1) является сокращенной версией выражения (5 > 1 == 1).

Ветвление кода с помощью операции switch()

Условное ветвление, которое выполняется с помощью нескольких утверж дений if...else, можно выполнить более эффективно с помощью утверждения switch() (англ. switch - переключатель), где проверочное выражение проверяет единственное условие.

Утверждение switch() работает довольно просто. Оно получает переданное значение как параметр, а затем ищет совпадение среди некоторого количества утверждений case.

Код, который должен быть выполнен при совпадении, находится внутри каждого утверждения case.

Утверждение с меткой default стоит включать всегда, даже если оно будет использоваться только для того, чтобы вывести сообщение об ошибке.

Важно заканчивать утверждения case ключевым словом break, что позволит утверждению switch() завершиться при нахождении совпадения, а не продолжать дальнейший поиск, если только это не является необходимостью.

Опционально список утверждений case может завершаться финальным утверждением default, позволяющим указать код, который должен быть выполнен в случае, если в утверждениях case не было найдено совпадений.

Синтаксис утверждений switch() обычно выглядит так:

switch (значение)
{
case значение_1:
   утверждения-которые-нужно-выполнить-при-совпадении;
   break; /* Выйти из switch() */

case значение_2:
   утверждения-которые-нужно-выполнить-при-совпадении;
   break; /* Выйти из switch() */

case значение_3:
   утверждения-которые-нужно-выполнить-при-совпадении;
   break; /* Выйти из switch() */

default: /* Если ни одно case значение не совпало */
   утверждения-которые-нужно-выполнить-при-отсутствии-совпадений;
   /* break; сюда писать не имеет смысла */
}

Согласно стандарту ANSI C, никакие два утверждения case не могут иметь одинаковое значение.

Утверждение с меткой default не должно обязательно появляться в конце блока switch, но поместить его туда логично, поскольку в этом случае для него не потребуется утверждения break.

Когда для некоторого количества элементов нужно выполнить одинаковые утверждения, только итоговое утверждение case должно их содержать. Например, для того, чтобы вывести одинаковое сообщение при значениях 0, 1 и 2, следует использовать следующий код:

switch (num)
{
case 0:
case 1:
case 2:
    printf("Less than 3\n");
    break;
case 3:
    printf("Exactly 3\n");
    break;
default:
    printf("Greater than 3 or less than zero\n");
}

Для составления более компактного вида блок-схемы с фигурой switch применяется следующая визуальная конструкция:

1. Напишите новую программу switch.c и изучите её визуальное представление в виде блок-схемы:

   

2. Сохраните, скомпилируйте и выполните программу. Введите различные значения, чтобы увидеть соответствующее поведение функции switch():

   

В утверждениях switch ключевое слово case и значение, указанное рядом и символ двоеточия за ним, рассматриваются компилятором как уникальная метка.

1. Поставим задачу для решения которой необходимо написать С исходный код.

   Программа должна напечатать строку в консоль, соответствующую значению целочисленной переменой int.

   Программа должна напечатать строку в консоль, соответствующую символу символьной переменой char.

   Используем функцию ветвления кода switch() для обеих задач.

2. Составим блок-схему для явного визуального представления программы.
3. Отобразим все интересующие нас ветки case для функции ветвления switch()

   

4. Напишем, сохраним и выполним новую программу switchchar.c на основе блок-схемы выше:

   #include <stdio.h>
   
   int main()
   {
      int num = 2;
      char letter = 'b';
   
      switch (num)
      {
      case 1:
         printf("\nNumber is One\n");
         break;
      case 2:
         printf("\nNumber is Two\n");
         break;
      case 3:
         printf("\nNumber is Three\n");
         break;
      default:
         printf("\nNumber is Unrecognized\n");
      }
   
      switch (letter)
      {
      case 'a':
      case 'b':
      case 'c':
         printf("\nLetter is '%c'\n\n", letter);
         break;
      default:
         printf("\nLetter is Unrecognized\n\n");
      }
   
      return 0;
   }

5. Выполним программу:

   

Зацикливание с помощью счётчика

Цикл — это фрагмент кода программы, который повторяется автоматически. Однократное выполнение всех утверждений внутри цикла называется итерацией или проходом. Количество итераций цикла контролируется проверкой условия, выполняемой внутри цикла. Пока проверяемое выражение имеет значение true, цикл станет продолжаться (до тех пор, пока значение не станет false, в этот момент цикл закончится и программа продолжит своё выполнение далее).