Задания к контрольной работе

В рамках данной контрольной работы предлагается осуществить формирование требований, проектирование, реализацию и тестирование программы. Типовые темы заданий приводятся ниже для десяти вариантов. Возможен выбор темы, отличающейся от типовой. Выбор темы из приводимого ниже списка альтернативных тем производится без согласования с преподавателем. При согласовании с преподавателем допускается выбор собственной темы, отличающейся от типовой или альтернативной из списка.

Общий для всех вариантов и тем план выполнения работ разбит на следующие этапы:

1. Формирование требований. Представьте себя заказчиком и потенциальным пользователем программы, которая решала бы задачу Вашего варианта. Сформируйте требования пользователя к ней. Можно использовать как неформальное описание на естественном языке (русском, английском), так и какой-либо формальный язык для спецификаций. В любом случае важен не объем текста (это может быть, например, всего 0.5-2 страницы), а содержательное описание функций с обоснованием их выбора.

2. Проектирование
2.1. Выберите и обоснуйте аппаратную платформу, ОС, язык программирования и компилятор для него (или некоторую интегрированную среду разработчика). При необходимости, также  можно выбрать какую-либо заемную библиотеку функций. Выбор производится, исходя из сформированных в задании 1 требований, имеющихся у Вас аппаратных ресурсов, знания языков программирования и имеющегося набора программного обеспечения. В данном разделе желательно избегать подробное изложение достоинств выбираемых сред, которые не относятся непосредственно к обоснованию их выбора (достаточно указания ссылок на печатные или электронные материалы).

2.2. Нарисуйте в виде блок-схемы алгоритм работы программы.

2.3. Если использован объектно-ориентированный подход, перечислите все классы, их атрибуты и методы, отношение наследования (в виде текста на естественном языке или текста на выбранном языке программирования, поддерживающем объектно-ориентированное программирование, или в виде диаграммы классов).

2.4. Нарисуйте диаграмму с набором модулей, на которые будет разбита программа. Стрелками для каждого модуля укажите, какие модули используются данным модулем.

3. Реализация

3.1. Программирование

По результатам проектирования реализуйте программу на выбранной платформе и на выбранном языке.

В процессе реализации для устранения ошибок пользуйтесь отладчиком. Для этого соберите программу в отладочном варианте. Если Вы выбрали GNU C/C++, то командная строка для сборки может быть такой: gcc –g –o program.bin program.c. Запустите собранный бинарный файл в отладчике. Пример для GCC и GDB приведен в гл. 6.

Результат выполнения задания 3 – все тексты программы и использовавшаяся для ее компиляции команда. Тексты программы оформляются в соответствии с рекомендациями по стилю, которые приведены в гл. 4 конспекта лекций данного курса.

3.2. Документирование – разработка модели. Возьмите за основу модель документации из приложения 2. Предложите измененную версию модели, которая на Ваш взгляд была бы удобна для описания программ, подобных построенной в задании 3. Для каждого добавленного, измененного и исключенного пункта объясните причину, почему это было необходимо сделать.

3.3. Документирование. На основе полученной в предыдущем пункте модели документации, составьте документацию для программы, реализованной в этом задании (п. 3.1).

4. Оценка производительности. Проведите измерение времени выполнения получившейся в задании 4 программы зависимости от объема данных. Если Вы выбрали в качестве языка программирования C/C++, то для замеров можно воспользоваться функциями из файла benchmark.1.c (или benchmark.2.c). При этом функция main будет иметь такой вид:
main(){
	benchmark_start();
	…
	рrintf(“duration = %d\n”, benchmark_stop());
}

Сделайте это для нескольких вариантов, изменив флаги для компилятора, которые отвечают за уровни оптимизации. Можно попробовать и флаги, включающие и выключающие отдельные виды оптимизации. Если Вы выбрали GNU C/C++, то минимальный рекомендуемый набор вариантов для тестирования таков:
gcc –o program.bin program.c
gcc –O2 –o program.bin program.c
gcc –O3 –o program.bin program.c
gcc –O4 –o program.bin program.c

Постройте графики, где по ось X задана в соответствии с Вашим вариантом, а ось Y – время выполнения программы в миллисекундах.

Выполнение этапов 1, 2.1, 2.2., 3.1. и 3.3. - обязательно. Выполнение остальных этапов желательно. Важность их выполнения варьируется в зависимости от выбранной темы.

Типовые темы заданий для десяти вариантов.

Вариант 0. Конвертор для текстов, переводящий буквенные символы из заглавных в строчные или наоборот. В минимальном виде конвертор – это утилита, которой в качестве параметров передается имя входного файла, имя выходного файла, режим перекодировки: перевод в строчные, перевод в заглавные. Утилита 1) считывает входные параметры и проверяет их корректность, 2) открывает исходный и результирующий файл, обрабатывая возможные ошибочные ситуации, 3) производит конвертацию текста, 4) закрывает файлы и завершает работу.

Для задания 4 ось X – размер входного файла с текстом.

Вариант 1. Калькулятор для выражений с постфиксной (польской) формой записи. В минимальном виде калькулятор – это утилита, которой в качестве параметров передается имя входного файла, содержащего выражение. Утилита 1) считывает входные параметры и проверяет их корректность, 2) открывает исходный, обрабатывая возможные ошибочные ситуации, 3) производит вычисление результата выражения, 4) печатает и завершает работу.

Выражение для калькулятора– это:
·	десятичная константа;
·	выражение -
·	выражение выражение +
·	выражение выражение *
·	выражение выражение /
·	выражение sin
·	выражение cos

Для задания 4 ось X – размер входного файла со строкой выражения.

Вариант 2. Калькулятор для выражений с инфиксной формой записи. В минимальном виде калькулятор – это утилита, которой в качестве параметров передается имя входного файла, содержащего выражение. Утилита 1) считывает входные параметры и проверяет их корректность, 2) открывает исходный, обрабатывая возможные ошибочные ситуации, 3) производит вычисление результата выражения, 4) печатает и завершает работу.

Выражение для калькулятора– это:
·	десятичная константа;
·	(выражение)
·	-выражение
·	выражение + выражение
·	выражение - выражение
·	выражение * выражение
·	выражение / выражение
·	sin(выражение)
·	cos(выражение)

Для задания 4 ось X – размер входного файла со строкой выражения.

Вариант 3.  Поиск пути в лабиринте. Лабиринт описывается двумерным массивом с кодами в ячейках: 0 - проход, 1 - стена, 2 - проход, начальная точка, 3 - проход, конечная точка, 4 - проход, часть пути. Минимальный набор функций - редактирование описания лабиринта, поиск пути, показ лабиринта и пути в нем.

Вариант 4. Шестнадцатеричный калькулятор для выражений с инфиксной формой записи. В минимальном виде калькулятор – это утилита, которой в качестве параметров передается имя входного файла, содержащего выражение. Утилита 1) считывает входные параметры и проверяет их корректность, 2) открывает исходный, обрабатывая возможные ошибочные ситуации, 3) производит вычисление результата выражения, 4) печатает и завершает работу.

Выражение для калькулятора– это:
·	беззнаковая шестнадцатиричная константа;
·	(выражение)
·	выражение + выражение
·	выражение - выражение
·	выражение * выражение
·	выражение / выражение
·	not(выражение) – операция побитовой инверсии
·	and(выражение, выражение) – операция побитового И
·	or(выражение, выражение) – операция побитового ИЛИ
·	xor(выражение, выражение) – операция исключающего побитового ИЛИ

Для задания 4 ось X – размер входного файла со строкой выражения.

Вариант 5. Симулятор клеточного автомата с игрой Конуэйя ”Жизнь”

Автомат для игры ”Жизнь” можно представить двумерным массивом 1-битовых значений. Нуль интерпретируется как ”мертвая” клетка, один – как ”живая”. Новое значение каждой клетки вычисляется как функция от клеток ее окрестности 3 на 3. Вычисляется сумма восьми соседей клетки. Для мертвой клетки значение остается нулем для всех значений получившейся суммы, исключая – 3, что называется рождением клетки. Для живой клетки происходит переход в 0, если сумма меньше 2 (гибель от одиночества) или больше 3 (гибель от перенаселенности). В остальных случаях клетка остается в состоянии 1.

На каждом шаге моделирования новые значения клеток сначала вычисляются и сохраняются в некотором буфере, а потом одновременно записываются в массив. Такое синхронное исполнение можно реализовать, например, имея две копии массива. На четных шагах идет запись в одну копию, а на нечетных – в другую. Или можно, например, использовать списки для организации буфера.

В минимальном виде симулятор – это утилита, которой в качестве параметров передается имя входного файла c исходной конфигурацией массива и число шагов , имя выходного файла с результирующей строкой, имя файла с правилами. Утилита 1) считывает входные параметры и проверяет их корректность, 2) открывает исходный файл и файл с правилами, обрабатывая возможные ошибочные ситуации, 3) производит поиск и применение подстановок, 4) записывает результат в результирующий файл и завершает работу.

Вариант 6. Конвертор для преобразования бинарных файлов в шестнадцатиричные дампы и обратно. В минимальном виде конвертор – это утилита, которой в качестве параметров передается имя входного файла, имя выходного файла, вид требуемой перекодировки: преобразование бинарного файла в шестнадцатеричный формат, преобразование из шестнадцатиричного формата в бинарный. Утилита 1) считывает входные параметры и проверяет их корректность, 2) открывает исходный и результирующий файл, обрабатывая возможные ошибочные ситуации, 3) производит конвертацию в нужный формат, 4) закрывает файлы и завершает работу.

Для задания 4 ось X – размер входного файла.

Вариант 7. Конвертор для русских текстов между кодировками KOI-8, CP1251, DOS (также можно UNICODE). В минимальном виде конвертор – это утилита, которой в качестве параметров передается имя входного файла, имя выходного файла, кодировка входного файла, кодировка выходного файла. Утилита 1) считывает входные параметры и проверяет их корректность, 2) открывает исходный и результирующий файл, обрабатывая возможные ошибочные ситуации, 3) производит конвертацию текста, 4) закрывает файлы и завершает работу.

Для задания 4 ось X – размер входного файла с текстом.

Вариант 8. Калькулятор для выражений с префиксной формой записи. В минимальном виде калькулятор – это утилита, которой в качестве параметров передается имя входного файла, содержащего выражение. Утилита 1) считывает входные параметры и проверяет их корректность, 2) открывает исходный, обрабатывая возможные ошибочные ситуации, 3) производит вычисление результата выражения, 4) печатает и завершает работу.

Выражение для калькулятора– это:
·	десятичная константа;
·	(выражение)
·	-(выражение)
·	+(выражение, выражение)
·	-(выражение, выражение)
·	*(выражение, выражение)
·	/(выражение, выражение)
·	sin(выражение)
·	cos(выражение)
·	tan(выражение)
·	logn(выражение)
·	log10(выражение)

Для задания 4 ось X – размер входного файла со строкой выражения.

Вариант 9. Словарь для изучающего иностранный язык. Минимальный набор функций: 1) занесение записи в словарь (пары слов - одно на русском языке, другое - на иностранном), 2) поиск иностранного слова по русскому слову. вводимому пользователем, 3) поиск русского слова по иностранному слову, вводимому пользователем. Желательно добавить возможность формирования нескольких словарей, режим обучения, режим проверки. В минимальном варианте можно использовать консольный интерфейс, но желательно применить GUI (например, GTK или QT).

Альтернативные темы заданий
(не требуют согласования с преподавателем, любая из них может выбираться самостоятельно вместо стандартной темы для Вашего варианта)

Тема 1. Интерпретатор языка LISP. Минимальный набор функций - car, cdr, cons, defun, cond, print (печать на консоль), read (чтение с консоли), загрузка фрагмента программы из файла.

Тема 2. Симулятор нормальных алгоритмов Маркова – реализует обработку текстовой строки (обрабатываемая строка) по набору правил. Число правил – произвольное, правила упорядочены. Каждое правило определяет текстовую подстановку и состоит из двух строк. Первая (левая) строка определяет заменяемую подстроку. Вторая (правая) строка задает, на какую она заменяется. Исполнение происходит до неприменимости, т.е. того момента, когда в обрабатываемой строке нет ни одной подстроки, которая совпадает с одной из строк из левых частей правил. Применение правила заключается в поиске вхождения его левой части в обрабатываемую строку и замена соответствующей подстроки на правую часть правила. Если таких вхождений несколько, то заменяется только первое вхождение. Если вхождений нет, то правило – неприменимо. Применение правил идет следующим образом. Берется первое правило и пытается примениться. Если оно неприменимо, берется следующее правило. И так происходит либо до выхода по неприменимости, либо до первого применимого правила. После того, как применимое правило сработало, все начинается сначала – с первого правила.

Пример:

Обрабатываемая строка:
AAAAEEabbbb

Правила:
AE -> ggg
A -> b
bg -> X

Промежуточные и конечный результаты будут такими:
1.	AAAgggEabbbb
2.	bAAgggEabbbb
3.	bbAgggEabbbb
4.	bbbgggEabbbb
5.	bbXggEabbbb

В минимальном виде симулятор – это утилита, которой в качестве параметров передается имя входного файла c исходной строкой, имя выходного файла с результирующей строкой, имя файла с правилами. Утилита 1) считывает входные параметры и проверяет их корректность, 2) открывает исходный файл и файл с правилами, обрабатывая возможные ошибочные ситуации, 3) производит поиск и применение подстановок, 4) записывает результат в результирующий файл и завершает работу.

Набор правил, синтаксис их записи и вид исходной строки выбирается по собственному усмотрению.

Для задания 4 ось X – размер входного файла с обрабатываемой строкой. Все измерения нужно проводить с одним набором правил.

Тема 3. Симулятор нормальных алгоритмов Маркова на бинарных строках. Вариант аналогичен теме 2. Но: 1) вместо текстовых строк в качестве преобразуемой строки берутся произвольные бинарные (т.е. такие, где байты могут иметь любые значения от 0 до 255), 2) в правилах вместо символов используются шестнадцатеричные коды.

Пример:

Обрабатываемая строка в шестнадцатеричном представлении:

00 ff ff fe 80 80 79 32

Правила:
ff ff -> fe fe fe
fe fe fe fe -> 00
00 00 -> 01
01 -> 02

Промежуточные и конечный результаты будут такими:
1.	00 fe fe fe fe 80 80 79 32
2.	00 00 80 80 79 32
3.	01 80 80 79 32
      4.	02 80 80 79 32

Тема 4. Интерпретатор языка REFAL.

Тема 5. Локальная фильтрация изображений. Минимальный набор функций - загрузка изображения в формате bmp truecolor, сохранение изображения в формате bmp truecolor, задание значений коэффициентов локального фильтра, проведение фильтрации загруженного изображения. Желательный дополнительный набор функций: показ изображения, откат к предыдущему изображению, создание библиотеки фильтров, занесение фильтра в библиотеку фильтров, выбор фильтра из библиотеки для проведения фильтрации.