Huntlosen, 6.9.89 Dies ist eine PD-Version der graphischen Programmiersprache GOLEM, programmiert von Prof. Dr. W. Ebenh”h. Sie ist dadurch eingeschr„nkt, daž keine selbsterzeugten Progamme abgespeichert werden k”nnen. Golem soll ein kommerzielles Produkt werden, dazu mssen noch einige Verbesserungen angebracht und Fehler beseitigt werden. Wer Verbesserungsvorschl„ge oder gar Kaufinteresse hat, den bitte ich um Kontaktaufnahme. Bis Ende 1989 mit Firma Trans-Data Am Forst 2 2907 Huntlosen/Hosne Tel. 04487/1406 Sp„ter auch direkt mit Prof. Dr. W. Ebenh”h Universit„t Oldenburg Fachbereich Mathematik 29 Oldenburg Tel. 0441/798 3231 (3237, 3219) Hier noch ein kurzer Ausschnitt aus der Programmbeschreibung. Die vollst„ndige Beschreibung liegt in Form eines Signum-Dokuments vor, das bei Interesse auch angefordert werden kann. (Sowohl auf Diskette als auch auf Papier fr Nicht-Signum-besitzer). Prof. Dr. Wolfgang Ebenh”h Universit„t Oldenburg, FB Mathematik In diesem Teil werden allgemeine Erkl„rungen zur graphischen Programmiersprache und Programmierumgebung GOLEM gegeben. Im zweiten Teil werden die elementaren Techniken an Hand von einfachen Beispielen vorgestellt. Der dritte Teil besteht aus einer systematischen Darstellung der Struktur von GOLEM-Programmen und der Programmerstellung mit GOLEM. Im vierten Teil sind die System-Bausteine aufgelistet, erl„utert und durch Beispiele illustriert. Der abschliežende Teil enth„lt noch mehr Beispielprogramme und kleine Anwendungen, die die andersartige Denkweise beim Programmieren mit GOLEM demonstrieren. Die kursiv gedruckten Begriffe werden im dritten Teil ausfhrlicher erl„utert und k”nnen dort nachgeschlagen werden. GOLEM soll in dieser Einfhrung Beispiel-orientiert vorgestellt werden. Der interessierte Anf„nger wird zuerst den allgemeinen, ersten Teil lesen, dann im zweiten Teil an Hand von einfachen Beispielen erfahren, "wie es gemacht wird". Gelegentliches Studium im systematischen Mittelteil sowie Betrachtung (w”rtlich) von weiteren Anwendungen sollten dem fortgeschrittenen Benutzer spezifische Fragen schnell beantworten. So wird die praktische Arbeit mit GOLEM nach einem Minimum an theoretischem Vorlauf erm”glicht und kann hoffentlich Spaž machen. 1) Eigenschaften - Einsatzbereiche von GOLEM 1.1) Arbeiten mit GOLEM ___________________________________ GOLEM ist eine vollst„ndig graphische Programmiersprache. Die Programme werden als Fluždiagramme auf dem Bildschirm konstruiert. Dadurch k”nnen sie aužerordentlich bersichtlich gestaltet werden - oder bei schlechter Programmierung auch als verworrenes Kn„uel erscheinen. Um die Progammerstellung zu erleichtern, ist GOLEM in erster Linie eine Programmierumgebung: Das Erzeugen und die Zusammenstellung von Programmteilen (Diagrammen) auf dem Bildschirm, sowie ihre Ver„nderung wird von GOLEM nicht nur untersttzt, vielmehr erfolgt die Programmierung in GOLEM gerade durch solche Arbeiten. Die fertigen Programme werden interpretiert, GOLEM kompiliert also nicht, sondern es agiert als Interpreter der Informationsfluž-Diagramme. Die Diagramme sind "das Programm", sie werden von GOLEM durchlaufen und dabei ausgefhrt. Da GOLEM in PASCAL geschrieben wurde, ist es etwa 3-5 mal langsamer als PASCAL. Unvermeidlich ist das Erlernen von GOLEM mit einer erheblichen Umgew”hnung verbunden, wenn man mit anderen Programmiersprachen aufgewachsen ist. Doch gibt es unter den Programmierern viele Žsthetiker - gerade die werden sich durch GOLEM angesprochen fhlen, da sie mit dieser Programmiersprache nicht nur funktionelle sondern auch „užerlich sch”ne Programme gestalten k”nnen. 1.2) GOLEM fr die mathematische Modellierung _____________________________________________________________________ GOLEM ist fr sehr allgemeine Aufgabenstellungen verwendbar. Es wurde jedoch besonders fr Probleme der mathematischen Modellierung, fr die Simulation dynamischer Systeme, seien es technische Regelungssysteme oder z.B. ™kosystemmodelle, geschaffen. Solche Systeme werden oft mathematisch in Form von Rekursionsformeln oder Differentialgleichungen beschrieben. Diese sind mit GOLEM wirkungsvoll und bequem darzustellen. Da sich Programmteile rekursiv aufrufen lassen, kann GOLEM auch gut fr die Simulation von Fraktalen verwendet werden. GOLEM erlaubt sowohl die top-down als auch die bottom-up Modellierung. Das heižt: man kann sich entweder von den globalen Beschreibungen zu den Einzelheiten hinunter arbeiten und dabei Subprogramme als leere Hlsen einbauen, die sp„ter gefllt werden. Oder man kann einfachere Programmteile zu immer komplexeren Prozeduren zusammenfgen. 1.3) GOLEM als Unterrichtswerkzeug ____________________________________________________ Durch die M”glichkeit, Programme oder Algorithmen zweidimensional bersichtlich darzustellen, ist GOLEM auch ein hervorragendes Werkzeug, um effektiv Programmiertechniken zu unterrichten. GOLEM fhrt ganz automatisch zu einem Programmierstil, bei dem Programmteile hinsichtlich Wiederverwendbarkeit und Unabh„ngigkeit geprft werden. Der Programmierer erzeugt Bausteine, die alle einfach zu berblicken sind und vielfach verwendet werden k”nnen. GOLEM zwingt ihn zu solchen Konstruktionen, ohne daž er den Zwang fhlt. Spagetthi-Programme sind unm”glich. Der Programmierer wird auch dahin gelenkt, zusammengeh”rige Informationen als Einheit aufzufassen (Records), und nur da aufzutrennen, wo es wirklich erforderlich ist. 1.4) GOLEM als Kommunikationshilfe ___________________________________________________ In einem GOLEM-Programm sind die oberen Ebenen, auf denen die Probleme global angegangen werden, und die Ebenen, auf denen im Detail gearbeitet wird, bis hinunter zu den arithmetischen Operationen, separiert, und ein Auf- und Absteigen durch die Hierarchie ist leicht m”glich. Gerade weil die technischen Details in tieferen Schichten versteckt werden k”nnen, und natrlich weil es in bersichtlicher Diagrammform vorliegt, eignet sich ein GOLEM-Programm sehr gut als Basis fr eine Diskussion mit Nichtprogrammierern ber das programmierte Problem. Bei einem Programm aus Buchstaben und Zeichen ist das fast unm”glich, es muž erst in ein Diagramm bersetzt werden. Bilder haben eben eine starke, auch suggestive Aussagekraft. 2) Grundstruktur von GOLEM-Programmen Ein Programm in GOLEM besteht aus Diagrammen, deren Bausteine in zweifacher Weise vernetzt sind: - Die eine Vernetzung geschieht optisch durch Linien, die die von den Bausteinen gemeinsam verwendeten und durch sie v~ er„nderlichen Informationen repr„sentieren (die Variablen), durch sie sind GOLEM-Programme Informationsfluž-Diagramme. - Die andere Vernetzung definiert die Reihenfolge, in der die Bausteine "ausgefhrt" werden. Diese Vernetzung umfažt Verzweigungen und Schleifenkonstruktionen. Ein Diagramm enth„lt - Bausteine (unterschiedlich geformte Boxen mit Eing„ngen), - Variablen (Verbindungslinien, die an den Eing„ngen ansetzen), - die Ausfhrungsreihenfolge (Numerierung und Angabe bedingter Sprnge) sowie - erl„uternde, nichtfunktionelle Informationen (III.3.9 und 10). 2.1) Bausteine ____________________ Bausteine verwerten und „ndern die ihnen zug„nglichen Informationen. Sie sind entweder einfache Operatoren ( wie + oder sin ) oder Subprogramme, die sehr komplex sein k”nnen. In diesem Fall ist der Baustein eine black box, die ge”ffnet werden kann (III.1.2): Dann erweist sich, daž er in sich ein GOLEM-Subprogramm enth„lt, ein Diagramm, das wieder aus Variablen und Bausteinen besteht. Man kann die Leiter der Bausteine (Subprogramme) immer weiter hinuntersteigen, bis entweder - nur noch elementare Operationen wie die Grundrechenarten oder die Basisfunktionen auftreten ("System-Bausteine", zu deren Innenleben der GOLEM-Benutzer keinen Zugang hat (IV) ) oder - bis man auf einen schon weiter oben in der Leiter stehenden, rekursiv verwendeten Baustein st”žt (in diesem Falle setzt sich die Leiter periodisch fort). An der Spitze der Leiter steht der ausfhrbare Programm-Baustein. Alle brigen Bausteine eines Programmes sind - wie die Prozeduren in PASCAL - in der Regel nicht selbst„ndig ausfhrbar. Sie haben Eing„nge, ber die sie die Informationen erreichen, die anderswo bereitgestellt werden, und ber die sie Informationen anderen Bausteinen zur Verfgung stellen. Der Programm-Baustein zeigt seine Selbst„ndigkeit, indem er keine solchen Eing„nge hat. Ein GOLEM-Programm ist also nicht ein Diagramm, sondern eine ganze Hierarchie von Informationsfluž-Diagrammen. Sie ist durch die Subprogrammstruktur geordnet, aber es ist kein Baum: rekursive Aufrufe sind m”glich, und das gleiche Diagramm, das heižt, der gleiche Baustein, kann an verschiedenen Stellen in der Hierarchie, in unterschiedlich tiefen Schichten erscheinen. 2.2) Variablen ___________________ Die Variablen sind die Informationstr„ger. Sie verbinden die Eing„nge der Bausteine (III.1.1). Variablen sind immer lokal, das heižt, ihre Werte gelten nur innerhalb des Bausteines, dessen Subbausteine sie verbinden. Wird der gleiche Baustein an anderen Stellen verwendet, so sind die Werte der Variablen dort unabh„ngig von der Setzung hier. Hierzu gibt es aber eine wichtige Ausnahme: Datei-Bausteine (IV.9) sollen intern oder extern festgelegte Informationen (Datenfelder) berall zug„nglich machen. Obwohl die Variablen als Verbindungslinien auftreten, haben sie von selbst keine "Richtung", in der sie die Information transportieren. Die Richtung des Informationstransportes wird durch die Reihenfolge festgelegt, in der die Bausteine die Informationen produzieren und in den Variablen (bildlich: auf den Linien) ablegen bzw. dort ablesen und intern verwenden. Die Variablen tragen eine Variablentyp, der festlegt, ob die Information aus einer Zahl oder einem String oder einem Booleschen Wert besteht, oder aus mehreren Zahlen oder aus beliebigen anderen Kombinationen der einfachen Typen Real, Integer, Boolean, Char, String. Besondere Bausteine stehen zur Verfgung (Record-Bausteine, (IV.8)), um Variablen mit kombinierten Typen (Records) ganz oder teilweise in Teilvariablen aufzutrennen bzw. aus ihnen zusammenzusetzen. Diese Bausteine werden nicht ausgefhrt sondern wirken als Žquivalenzen aužerhalb der Ausfhrungsreihenfolge. Durch Verwendung von kombinierten Variablen (Records) wird die Zahl der Verbindungslinien auf das funktionell Notwendige beschr„nkt: Es ist unn”tig, eine Linie fr die x- und eine fr die y-Koordinate eines Punktes zu ziehen, wenn die Information "Punktkoordinaten" bertragen werden soll. (Solche simplen aber fundamentalen Einsichten dr„ngen sich dem GOLEM-Programmierer schnell auf - darin liegt der didaktisch- methodische Wert von GOLEM). 2.3) Ausfhrungsreihenfolge _______________________________________ Die ausfhrbaren Bausteine tragen eine Nummer, wobei die Numerierung in jedem Teildiagramm bei 1 beginnt. Deshalb treten immer nur kleine Zahlen auf - meistens wird 10 nicht berschritten, selten 20. GOLEM-Programme sind auch gerade dadurch sehr bersichtlich, daž jede Ebene der Diagrammhierarchie nur eine geringe, sofort berschaubare Anzahl von Bausteinen mit m”glichst wenigen Verbindungslinien enth„lt, oder vielmehr enthalten sollte. Wird ein Diagramm zu verworren, dann ist fast stets eine st„rkere Strukturierung m”glich und vorzuziehen. Die normale Ausfhrungsreihenfolge entlang dieser Nummern kann durch Schleifenkonstruktionen, durch bedingte Sprnge, durchbrochen werden (III.1.5 und IV.5). Dazu tragen die Bausteine durch Festlegung des Programmierers gegebenenfalls einen weiteren Hinweis, der angibt, bei welchem Baustein die Ausfhrung fortgesetzt wird, falls eine vorgegebene Bedingung erfllt ist. Die Schleifenkonstruktionen mit GOLEM sind sehr flexibel und - wenn man sich erst einmal daran gew”hnt hat - sehr bequem, denn eine Reihe von verschiedenen Hilfsbausteinen (Flaggen-Bausteine) erm”glicht Strukturen analog zu repeat, while, loop und do. GOLEM gibt mehr Freiheit fr den Zeitpunkt, an dem die Bedingung abgefragt wird, die zur Beendigung der Wiederholungen erfllt sein muž. Weil die Ausfhrungsreihenfolge vom Programmierer vorgegeben wird, ist GOLEM zu den prozeduralen Sprachen zu z„hlen. In einer zuknftigen Version von GOLEM wird jeder Baustein von selbst wissen, wann er seine Aufgabe erfllen soll oder darf. Besonders im Hinblick auf eine parallele Berechnung von Teilaufgaben w„re das wnschenswert. Als Zwischenl”sung wird das gegenw„rtige GOLEM durch eine flexiblere Festlegung der Ausfhrungsreihenfolge dahin erweitert werden, daž die Stellen, in denen parallele Berechnung m”glich ist, vom Programmierer angegeben werden k”nnen. 2.4) Nichtfunktionelle Hinweise ____________________________________________ Die GOLEM-Programme sind bersichtliche Diagramme, trotzdem mssen sie beschriftet werden. Da in GOLEM Variablen-Namen nicht funktionell sind, sollten die wichtigsten Variablen informell auf dem Diagramm benannt werden. Dann kann man die Formel angeben, um die Aktion des Bausteins zu beschreiben. Immer sollte mit grožen Buchstaben der Baustein-Name aufgefhrt werden. Erst durch eine geschickte Dokumentation gewinnt ein Diagramm die volle Aussagekraft.