Bausteine von Algorithmen Teil 4: Dokumentation, Fehlersuche und das EVA-Prinzip

Programme mit Struktogrammen dokumentieren

Wenn wir uns über Programme austauschen, dann haben wir nicht immer den Computer zur Hand. In solchen Momenten wäre es viel zu aufwendig, die bunten Blöcke von Nepo zu malen. Außerdem könnte es sein, dass jemand anderes das Programm nicht mit Blöcken, sondern mit Text in der Programmiersprache C++ aufschreiben will, also so wie der Quellcode aussieht.

Frage: Wie kann man Programme übersichtlich zu Papier bringen?

Man nutzt zur Darstellung des Ablaufs eines Computerprogramms sogenannte Struktogramme (vgl. Infobox unten), die in den 1970er Jahren von Isaac Nassi und Ben Shneidermann entwickelt wurden. Struktogramme sollen ein Computerprogramm möglichst einfach und ohne programmiersprachenspezifische Befehlssyntax abbilden. Auf diese Art und Weise lassen sich Programme auch einfach planen, bevor man sich damit beschäftigt, wie die Schritte im Einzelnen zu codieren sind.

Struktogramme erstellen

Stelle die unten abgebildeten Programme jeweils mithilfe eines Struktogramms dar.

Debugging: Fehler im Programm finden

Fehler werden in der Informatik auch als “Bugs” bezeichnet. Fehler treten beim Programmieren ständig auf und sind völlig normal. Erst nach einigem Testen läuft ein Programm völlig stabil und fehlerfrei. Das Entfernen von Fehlern wird dann auch als “Debugging” bezeichnet.

Informatiker unterscheiden zwischen zwei Fehlerarten: Syntaxfehler und logische Fehler. Logische Fehler sind dir vielleicht schon passiert und manche wurden auch schon in diesem Skript behandelt, zum Beispiel zur sonst wenn-Bedingung. Syntaxfehler entstehen, wenn man die Grammatik (Syntax) einer Programmiersprache nicht beachtet. In Nepo werden die meisten Syntaxfehler automatisch vermieden, weil die meisten Blöcke nur ineinander greifen, wenn sie syntaktisch zueinander passen.

Systematisch Fehler finden

Unten ist ein Programm mit zwei Fehlern abgebildet. Es soll die folgende Summe berechnen:

\(1 + 1,5 + 2 + 2,5 + 3 + \dots + 98,5 + 99 + 99,5 + 100.\)

Beispielprogramm zum Debuggen als Download: debugging-example.xml

Um Fehler zu finden, kann man sich die Werte von Variablen auf dem seriellen Monitor ausgeben lassen. Programmierer bauen dann häufig eine Variable DEBUG_ON ein und nutzen eine Konstruktion wie rechts abgebildet. Welchen Vorteil könnte das haben?

Öffne das oben abgebildete Programm in Nepo und nutze die Debug-Konstruktion, um die Fehler zu finden oder nachzuweisen. Korrigiere sie.

Frage deinen Lehrer, wenn du den Fehler gefunden hast, aber nicht nachvollziehen kannst, wieso sich das Programm so verhält.

Das EVA-Prinzip

In diesem Kapitel hast du bereits einige Bauteile kennengelernt, aber es gibt noch viele mehr. Um dabei nicht den Überblick zu verlieren, wären Kategorien praktisch, mit denen man Bauteile und informationsverarbeitende Systeme im Allgemeinen einordnen kann.

Frage: Wie lassen sich elektrische Bauteile und informationsverarbeitende Systeme kategorisieren?

Das EVA-Prinzip

Informationsverarbeitende Systeme lassen sich nach ihrer Funktion in drei Einheiten zerlegen: Eingabeeinheit, Verarbeitungseinheit, Ausgabeeinheit.

Mit dem EVA-Prinzip wird die grundlegende Reihenfolge der Verarbeitung von Daten charakterisiert. Dies kann sowohl auf Hardwareebene (Bauteile) als auch auf Softwareebene (Programm) geschehen.

Sensoren und Aktoren mit digitalen und analogen Signalen

Für die Eingabe von Daten werden Sensoren benötigt; für die Ausgabe hingegen Aktoren:

• Sensoren (auch Fühler genannt) sind elektrische Bauteile, die eine physikalische Größe aus der Umwelt (Temperatur, Helligkeit, Luftdruck oder auch ein mechanischer Druck mit dem Finger) in eine elektrische Größe (Widerstand, Spannung, elektrisches Potential, Stromstärke) umwandeln. Dadurch werden die physikalischen Größen aus der Umwelt einer elektronischen Verarbeitung zugänglich.
• Aktoren (auch Aktuatoren genannt) sind elektrische Bauteile, die eine elektrische Größe in eine mechanische (Bewegung, Schallwellen) oder andere Größe (Temperatur, Licht, …) umwandeln. Sie ermöglichen, dass die elektronische Verarbeitung zu Handlungen bzw. Konsequenzen führen kann.

Die Signale von Sensoren und Aktoren können digital oder analog sein:

• Digitale Signale haben nur zwei mögliche Zustände - z.B. an aus, gedrückt / nicht gedrückt oder 1 / 0.
• Analoge Signale haben unendlich viele mögliche Werte, weil sie beliebig fein eingeteilt werden können. Digitale Geräte wie der Arduino können nur quasi analoge Signale einlesen. Bei den “analogen” Eingängen A0, A1, …A5 des Arduino sind 1024 verschiedene Stufen möglich; bei “analogen” Ausgängen (Pins mit einer Tilde: \(\sim\)) sind 256 verschiedene Stufen möglich. Diese Einteilung ist für die meisten Aufgaben fein genug.

Alarmanlage mit Lichtschranke

Baue eine Alarmanlage, indem du mit einer LED (Vorwiderstand!) und einem LDR eine Lichtschranke baust . Wird diese unterbrochen, soll ein akustischer Alarm ertönen. Konfiguriere alle benötigten Bauteile als Aktoren und Sensoren.

Erweiterung: Über einen zusätzlichen Taster (mit Widerstand!) soll die Alarmanlage “scharf” gestellt bzw. wieder ausgestellt werden können. Erstelle dazu eine Wahrheitswert-Variable aktiv, deren Wert über den Taster verändert wird. Das Auslösen der Alarmanlage wird nur ausgeführt, wenn aktiv = wahr ist.

Rücklinks (öffnen in neuem Tab): Taster anschließen, LDR anschließen