Языки программирования. Системы программирования

Языки и системы программирования

Понятие о машинном языке

Машинный язык - система команд, непосредственно понимаемых аппаратурой данной электронно-вычислительной системы. Как следствие этого, машинный язык однозначно определяется системой команд процессора и архитектурой компьютера.

Набор команд процессора содержит:

· арифметико-логические команды - команды арифметических действий над двоичными числами и логических действий над двоичными векторами;

· команды управления - команды перехода, ветвлений, повторений, и некоторые другие команды;

· команды пересылки данных - команды, с помощью которых обмениваются данными ОЗУ и ЦП;

· команды ввода-вывода данных - команды, с помощью которых обмениваются данными ЦП и внешние устройства.

Каждая команда содержит код операции, ею выполняемой и информацию об адресах данных, над которыми эта операция выполняется. Кроме этого, команда (непосредственно - команды управления и косвенно - другие команды) содержит информацию об адресе команды, которая будет выполняться следующей. Таким образом, любая последовательность команд, размещенная в ОЗУ, фактически представляет из себя алгоритм, записанный в системе команд процессора - машинную программу.

Наиболее распространенной сейчас является архитектура ЭВМ с общей шиной. Общая шина - это центральная информационная магистраль, связывающая внешние устройства с центральным процессором. Она состоит из шины данных, шины адреса и шины управления. Шина данных предназначена для обмена данными между ОЗУ и внешними устройствами. По шине адреса передаются адреса данных. Эта шина однонаправлена. Шина управления служит каналом обмена управляющими сигналами между внешними устройствами и центральным процессором.

Таким образом, машинный язык (язык процессора) - это набор команд, каждая из которых описывает некоторое элементарное действие по преобразованию информации, представленной в двоичном коде. Универсальное использование двоичного кода представления информации самых разнообразных форм приводит к тому, что программа решения даже достаточно простой задачи содержит сотни машинных команд. Написать такую программу, используя машинные команды, весьма непросто даже квалифицированному программисту. Реальные программы состоят из десятков и сотен тысяч машинных команд. Поэтому любая технология проектирования программы должна опираться на приемы, характерные для человеческого мышления, оперировать привычными для человека понятиями из той предметной области, которой принадлежит задача.

Иными словами, программист (проектировщик алгоритмов) должен иметь возможность сформулировать свой алгоритм на языке привычных понятий; затем специальная программа должна выразить эти понятия с помощью машинных средств, осуществляя перевод (трансляцию) текста алгоритма на язык машины.

Эта необходимость и привела к появлению языков программирования высокого уровня как языков записи алгоритмов, предназначенных для исполнения на ЭВМ.

Машинно-ориентированные языки

Предшественниками языков высокого уровня стали так называемые машинно-ориентированные языки или языки автокодов. Одним из самых ярких представителей машинно-ориентированных языков является Ассемблер. Ассемблер очень близок к машинному языку, большинство его инструкций является точным символическим представлением машинных команд. Преимущество состоит в том, что уже нет необходимости помнить числовые коды команд процессора, достаточно знать их символическое представление. Кроме этого, впервые в машинно-ориентированных языках появляется понятие переменной, как именованной области памяти для хранения данных, а вместе с ним и понятие типа данных. В программах на машинно-ориентированном языке появляется возможность использовать как числовую так и текстовую информацию в привычной для человека форме.

Несмотря на явные преимущества машинно-ориентированных языков перед сугубо машинным языком, написание программ на этих языках по прежнему сопряжено со значительными трудностями. Программы получаются очень громоздки и трудно читаемы.

Языки программирования высокого уровня

Языки программирования высокого уровня играют роль средства связи между программистом и машиной, а также между программистами. Это обстоятельство накладывает на язык многие обязательства:

Язык должен быть близок к тем фрагментам естественных языков, которые обеспечивают конкретную предметную область деятельности человека; (Язык, ориентированный на деловые сферы применений, должен содержать понятия, используемые в этом виде деятельности: документ, счет, база данных и т.п.).

Все средства языка должны быть формализованы в такой степени, чтобы их можно было реализовать как машинные программы.

Язык программирования - нечто большее, чем средство описания алгоритмов: он несет в себе систему понятий, на основе которых человек может обдумывать свои задачи, и нотацию, с помощью которой он может выразить свои соображения по поводу решения задачи.

Модели трансляции программ. Трансляторы

Вообще ЭВМ не рассчитана на то, чтобы понимать языки программирования высокого уровня. Аппаратура распознает и исполняет только машинный язык, программа на котором представляет из себя не более чем последовательность двоичных чисел.

Появление языков программирования было связано с осознанием того факта, что перевод алгоритма, написанного на “почти” естественном (алгоритмическом) языке, на машинный язык может быть автоматизирован и, следовательно, возложен на плечи машины. Здесь важно различать язык и его реализацию. Сам язык - это система записи, регламентируемая набором правил, определяющих его лексику и синтаксис. Реализация языка - это программа, которая преобразует эту запись в последовательность машинных команд в соответствии с семантическими правилами, определенными в языке.

Имеются два основных способа реализации языка: компиляторы и интерпретаторы. Компиляторы транслируют весь текст программы, написанной на языке программирования, в машинный код в ходе одного непрерывного процесса. При этом создается полная программа в машинных кодах, которую затем можно исполнять без участия компилятора.

Интерпретатор в каждый момент времени распознает и выполняет по одному предложению (оператору) программы, по ходу дела превращая обрабатываемое предложение в машинную программу. Разница между компилятором и интерпретатором подобна разнице между синхронным переводом устной речи и письменным переводом текста.

В принципе любой язык может быть и компилируем, и интерпретируем, однако в большинстве случаев у каждого языка есть свой, предпочтительный способ реализации. По видимому, такое предпочтение - нечто большее, чем дань традиции. Выбор определен самим языком. Fortran, Pascal, Modula-2 в основном компилируют. Такие языки как Logo, Fort почти всегда интерпретируют. BASIC и Lisp широко используется в обеих формах.

По типу выходных данных различают два основных вида компиляторов:

· компилирующие окончательный выполнимый код;

· компилирующие интерпретируемый код, для выполнения которого требуется дополнительное программное обеспечение.

Окончательным выполнимым кодом являются приложения, реализованные как EXE-файлы, DLL-библиотеки, COM-компоненты. К интерпретируемому коду можно отнести байт-код JAVA-программ, выполняемый посредством виртуальной машины JVM.

Объектный код, создаваемый компилятором, представляет собой область данных и область машинных команд, имеющих адреса, которые в дальнейшем "согласуются" редактором связи (иногда называемым загрузчиком). Редактор связи размещает в едином адресном пространстве все по отдельности откомпилированные объектные модули и статически подключаемые библиотеки.

В дельнейшем будем называть выполнимой формой программы код, получаемый в результате компиляции исходной программы.

Процесс трансляции (компиляции)

Программу, написанную на языке программирования высокого уровня, называют исходной программой, а каждую самостоятельную программную единицу, образующую данную программу, - программным модулем. Для преобразования исходной программы в ее выполняемую форму (выполнимый файл) транслятор выполняет некоторую последовательность действий. Эта последовательность зависит как от языка программирования, так и от конкретной реализации самого транслятора. В ходе трансляции важно не просто откомпилировать программу, а получить при этом достаточно эффективный код.

В процессе трансляции выполняется анализ исходной программы, а затем синтез выполнимой формы данной программы. В зависимости от числа просмотров исходной программы, выполняемых компилятором, трансляторы разделяются на однопроходные, двухпроходные и трансляторы, использующие более двух проходов.

К достоинствам однопроходного компилятора можно отнести высокую скорость компиляции, а к недостаткам - получение, как правило, не самого эффективного кода.

Широкое распространение получили двухпроходные компиляторы. Они позволяют при первом проходе выполнить анализ программы и построить информационные таблицы, используемые при втором проходе для формирования объектного кода.

На рисунке представлены основные этапы, выполняемые в процессе трансляции исходной программы.

Фаза анализа программы состоит из:

· лексического анализа;

· синтаксического анализа;

· семантического анализа.

При анализе исходной программы транслятор последовательно просматривает текст программы, представимой как набор символов, выполняя разбор структуры программы.

На этапе лексического анализа выполняется выделение основных составляющих программы – лексем. Лексемами являются ключевые слова, идентификаторы, символы операций, комментарии, пробелы и разделители. Лексический анализатор не только выделяет лексемы, но и определяет тип каждой лексемы. При этом на этапе лексического анализа составляется таблица символов, в которой каждому идентификатору сопоставлен свой адрес. Это позволяет при дальнейшем анализе вместо конкретного значения (строки символов) использовать его адрес в таблице символов.

Процесс выделения лексем достаточно трудоемок и требует применения сложных контекстно-зависимых алгоритмов.

На этапе синтаксического анализа выполняется разбор полученных лексем с целью получения семантически понятных синтаксических единиц, которые затем обрабатываются семантическим анализатором. Так, синтаксическими единицами выступают выражения, объявление, оператор языка программирования, вызов функции.

На этапе семантического анализа выполняется обработка синтаксических единиц и создание промежуточного кода. В зависимости от наличия или отсутствия фазы оптимизации результатом семантического анализа может быть оптимизируемый далее промежуточный код или готовый объектный модуль.

К наиболее общим задачам, решаемым семантическим анализатором, относятся:

· обнаружение ошибок времени компиляции;

· заполнение таблицы символов, созданной на этапе лексического анализа, конкретными значениями, определяющими дополнительную информацию о каждом элементе таблицы;

· замена макросов их определениями;

· выполнение директив времени компиляции.

Макросом называется некоторый предварительно определенный код, который на этапе компиляции вставляется в программу во всех местах указания вызова данного макроса.

На фазе синтеза программы производится:

· генерация кода;

· редактирование связей.

Процесс генерации кода состоит из преобразования промежуточного кода (или оптимизированного кода) в объектный код. При этом в зависимости от языка программирования получаемый объектный код может быть представлен в выполнимой форме или как объектный модуль, подлежащий дальнейшей обработке редактором связей.

Так, процесс генерации кода является неотъемлемой частью фазы синтеза программы, а необходимость выполнения редактора связей зависит от конкретного языка программирования. Следует учесть, что на практике термин «генерация кода» часто применяют ко всем действиям фазы синтеза программы, ведущим к получению выполнимой формы программы.

Редактор связей приводит в соответствие адреса фрагментов кода, расположенных в отдельных объектных модулях: определяются адреса вызываемых внешних функций, адреса внешних переменных, адреса функций и методов каждого модуля. Для редактирования адресов редактор связей использует специальные, создаваемые на этапе трансляции, таблицы загрузчика. После обработки объектных модулей редактором связей генерируется выполнимая форма программы.

Язы́к программи́рования - формальная знаковая система, предназначенная для записи компьютерных программ. Язык программирования определяет набор лексических, синтаксических и семантических правил, задающих внешний вид программы и действия, которые выполнит исполнитель (компьютер) под её управлением.

Со времени создания первых программируемых машин человечество придумало более двух с половиной тысяч языков программирования. Каждый год их число увеличивается. Некоторыми языками умеет пользоваться только небольшое число их собственных разработчиков, другие становятся известны миллионам людей. Профессиональные программисты иногда применяют в своей работе более десятка разнообразных языков программирования.

Создатели языков по-разному толкуют понятие язык программирования. К наиболее распространённым утверждениям, признаваемым большинством разработчиков, относятся следующие:

· Функция: язык программирования предназначен для написания компьютерных программ, которые применяются для передачи компьютеру инструкций по выполнению того или иного вычислительного процесса и организации управления отдельными устройствами.

· Задача: язык программирования отличается от естественных языков тем, что предназначен для передачи команд и данных от человека к компьютеру, в то время как естественные языки используются для общения людей между собой. Можно обобщить определение «языков программирования» - это способ передачи команд, приказов, чёткого руководства к действию; тогда как человеческие языки служат также для обмена информацией.

· Исполнение: язык программирования может использовать специальные конструкции для определения и манипулированияструктурами данных и управления процессом вычислений.

· Системой программирования называется комплекс программ, предназначенный для автоматизации программирования задач на ЭВМ. Система программирования освобождает проблемного пользователя или прикладного программиста от необходимости написания программ решения своих задач на неудобном для него языке машинных команд и предоставляют им возможность использовать специальные языки более высокого уровня. Для каждого из таких языков, называемых входными или исходными, система программирования имеет программу, осуществляющую автоматический перевод (трансляцию) текстов программы с входного языка на язык машины. Обычно система программирования содержит описания применяемых языков программирования, программы-трансляторы с этих языков, а также развитую библиотеку стандартных подпрограмм. Важно различать язык программирования и реализацию языка.

Язык – это набор правил, определяющих систему записей, составляющих программу, синтаксис и семантику используемых грамматических конструкций.

Реализация языка – это системная программа, которая переводит (преобразует) записи на языке высокого уровня в последовательность машинных команд.

Имеется два основных вида средств реализации языка: компиляторы и интерпретаторы.

Компилятор транслирует весь текст программы, написанной на языке высокого уровня, в ходе непрерывного процесса. При этом создается полная программа в машинных кодах, которую затем ЭВМ выполняет без участия компилятора.

Интерпретатор последовательно анализирует по одному оператору программы, превращая при этом каждую синтаксическую конструкцию, записанную на языке высокого уровня, в машинные коды и выполняя их одна за другой. Интерпретатор должен постоянно присутствовать в зоне основной памяти вместе с интерпретируемой программой, что требует значительных объемов памяти.

Следует заметить, что любой язык программирования может быть как интерпретируемым, так и компилируемым, но в большинстве случаев у каждого языка есть свой предпочтительный способ реализации. Языки Фортран, Паскаль в основном компилируют; язык Ассемблер почти всегда интерпретирует; языки Бейсик и Лисп широко используют оба способа.

Основным преимуществом компиляции является скорость выполнения готовой программы. Интерпретируемая программа неизбежно выполняется медленнее, чем компилируемая, поскольку интерпретатор должен строить соответствующую последовательность команд в момент, когда инструкция предписывает выполнение.

В то же время интерпретируемый язык часто более удобен для программиста, особенно начинающего. Он позволяет проконтролировать результат каждой операции. Особенно хорошо такой язык подходит для диалогового стиля разработки программ, когда отдельные части программы можно написать, проверить и выполнить в ходе создания программы, не отключая интерпретатора.

По набору входных языков различают системы программирования одно- и многоязыковые. Отличительная черта многоязыковых систем состоит в том, что отдельные части программы можно составлять на разных языках и помощью специальных обрабатывающих программ объединять их в готовую для исполнения на ЭВМ программу.

Для построения языков программирования используется совокупность общепринятых символов и правил, позволяющих описывать алгоритмы решаемых задач и однозначно истолковывать смысл созданного написания. Основной тенденцией в развитии языков программирования является повышение их семантического уровня с целью облегчения процесса разработки программ и увеличения производительности труда их составителей.

По структуре, уровню формализации входного языка и целевому назначению различают системы программирования машинно-ориентированные и машинно-независимые.

Машинно-ориентированные системы программирования имеют входной язык, наборы операторов и изобразительные средства которых существенно зависят от особенностей ЭВМ (внутреннего языка, структуры памяти и т.д.). Машинно-ориентированные системы позволяют использовать все возможности и особенности машинно-зависимых языков:

высокое качество создаваемых программ;
возможность использования конкретных аппаратных ресурсов;
предсказуемость объектного кода и заказов памяти;
для составления эффективных программ необходимо знать систему команд и особенности функционирования данной ЭВМ;
трудоемкость процесса составления программ (особенно на машинных языках и ЯСК), плохо защищенного от появления ошибок;
низкая скорость программирования;
невозможность непосредственного использования программ, составленных на этих языках, на ЭВМ других типов.

Машинно-ориентированные системы по степени автоматического программирования подразделяются на классы:

1.Машинный язык. В таких системах программирования отдельный компьютер имеет свой определенный Машинный Язык (далее МЯ), ему предписывают выполнение указываемых операций над определяемыми ими операндами, поэтому МЯ является командным. Однако, некоторые семейства ЭВМ (например, ЕС ЭВМ, IBM/370/ и др.) имеют единый МЯ для ЭВМ разной мощности. В команде любого из них сообщается информация о местонахождении операндов и типе выполняемой операции. В новых моделях ЭВМ намечается тенденция к повышению внутренних языков машинно-аппаратным путем реализовывать более сложные команды, приближающиеся по своим функциональным действиям к операторам алгоритмических языков программирования.

2.Система Символического Кодирования. В данных системах используются Языки Символического Кодирования (далее ЯСК), которые так же, как и МЯ, являются командными. Однако коды операций и адреса в машинных командах, представляющие собой последовательность двоичных (во внутреннем коде) или восьмеричных (часто используемых при написании программ) цифр, в ЯСК заменены символами (идентификаторами), форма написания которых помогает программисту легче запоминать смысловое содержание операции. Это обеспечивает существенное уменьшение числа ошибок при составлении программ. Использование символических адресов – первый шаг к созданию ЯСК. Команды ЭВМ вместо истинных (физических) адресов содержат символические адреса. По результатам составленной программы определяется требуемое количество ячеек для хранения исходных промежуточных и результирующих значений. Назначение адресов, выполняемое отдельно от составления программы в символических адресах, может проводиться менее квалифицированным программистом или специальной программой, что в значительной степени облегчает труд программиста.

3.Автокоды. Существуют системы программирования, использующие языки, которые включают в себя все возможности ЯСК, посредством расширенного введения макрокоманд – они называются Автокоды. В различных программах встречаются некоторые достаточно часто использующиеся командные последовательности, которые соответствуют определенным процедурам преобразования информации. Эффективная реализация таких процедур обеспечивается оформлением их в виде специальных макрокоманд и включением последних в язык программирования, доступный программисту. Макрокоманды переводятся в машинные команды двумя путями – расстановкой и генерированием. В постановочной системе содержатся «остовы» – серии команд, реализующие требуемую функцию, обозначенную макрокомандой. Макрокоманды обеспечивают передачу фактических параметров, которые в процессе трансляции вставляются в «остов» программы, превращая её в реальную машинную программу. В системе с генерацией имеются специальные программы, анализирующие макрокоманду, которые определяют, какую функцию необходимо выполнить и формируют необходимую последовательность команд, реализующих данную функцию. Обе указанных системы используют трансляторы с ЯСК и набор макрокоманд, которые также являются операторами автокода. Развитые автокоды получили название Ассемблеры. Сервисные программы и пр., как правило, составлены на языках типа Ассемблер.

4.Макрос. В таких системах язык, являющийся средством для замены последовательности символов описывающих выполнение требуемых действий ЭВМ на более сжатую форму – называется Макрос (средство замены). В основном, Макрос предназначен для того, чтобы сократить запись исходной программы. Компонент программного обеспечения, обеспечивающий функционирование макросов, называется макропроцессором. На макропроцессор поступает макросопределяющий и исходный текст. Реакция макропроцессора на вызов – выдача выходного текста. Макрос одинаково может работать, как с программами, так и с данными.

Машинно-независимые системы программирования – это средство описания алгоритмов решения задач и информации, подлежащей обработке. Они удобны в использовании для широкого круга пользователей и не требуют от них знания особенностей организации функционирования ЭВМ. В таких системах программы, составляемые языках, имеющих название высокоуровневых языков программирования, представляют собой последовательности операторов, структурированные согласно правилам рассматривания языка (задачи, сегменты, блоки и т.д.). Операторы языка описывают действия, которые должна выполнять система после трансляции программы на МЯ. Таким образом, командные последовательности (процедуры, подпрограммы), часто используемые в машинных программах, представлены в высокоуровневых языках отдельными операторами. Программист получил возможность не расписывать в деталях вычислительный процесс на уровне машинных команд, а сосредоточиться на основных особенностях алгоритма.

В самом общем случае для создания программы на выбранном языке программирования нужно иметь следующие компоненты.

1.Текстовый редактор. Специализированные текстовые редакторы, ориентированные на конкретный язык программирования, необходимы для получения файла с исходным текстом программы, который содержит набор стандартных символов для записи алгоритма.

2.Исходный текст с помощью программы-компилятора переводится в машинный код. Исходный текст программы состоит, как правило, из нескольких модулей (файлов с исходными текстами). Каждый модуль компилируется в отдельный файл с объектным кодом, которые затем требуется объединить в одно целое. Кроме того, системы программирования, как правило, включают в себя библиотеки стандартных подпрограмм. Стандартные подпрограммы имеют единую форму обращения, что создает возможности автоматического включения таких подпрограмм в вызывающую программу и настройки их параметров.

3.Объектный код модулей и подключенные к нему стандартные функции обрабатывает специальная программа – редактор связей. Данная программа объединяет объектные коды с учетом требований операционной системы и формирует на выходе работоспособное приложение – исполнимый код для конкретной платформы. Исполнимый код это законченная программа, которую можно запустить на любом компьютер, где установлена операционная система, для которой эта программа создавалась.

4. В современных системах программирования имеется еще один компонент – отладчик, который позволяет анализировать работу программы во время ее исполнения. С его помощью можно последовательно выполнять отдельные операторы исходного текста последовательно, наблюдая при этом, как меняются значения различных переменных.

5. В последние несколько лет в программировании (особенно для операционной среды Windows) наметился так называемый визуальный подход. Этот процесс автоматизирован в средах быстрого проектирования. При этом используются готовые визуальные компоненты, свойства и поведение которых настраиваются с помощью специальных редакторов. Таким образом, происходит переход от языков программирования системного уровня к языкам сценариев.

Эти языки создавались для различных целей, что обусловило ряд фундаментальных различий между ним. Системные разрабатывались для построения структур данных и алгоритмов “с нуля”, начиная от таких примитивных элементов, как слово памяти компьютера. В отличие от этого, языки описания сценариев создавались для связывания готовых программ. Их применение подразумевает наличие достаточного ассортимента мощных компонентов, которые требуется только объединить друг с другом. Языки системного уровня используют строгий контроль типов данных, что помогает разработчикам приложении справляться со сложными задачами. Языки описания сценариев не используют понятие типа, что упрощает установление связей между компонентами, а также ускоряет разработку прикладных систем.

Языки описания сценариев основаны на несколько другом наборе компромиссов, чем языки системного уровня. В них скорость исполнения и строгость контроля типов ставятся в шкале приоритетов на более низкое место, но зато выше цениться производительность труда программиста и повторное использование. Это соотношение ценностей оказывается все более обоснованным по мере того, как компьютеры становятся быстродействующими и менее дорогими, чего нельзя сказать о программистах. Языки системного программирования хорошо подходят для создания компонентов, где основная сложность заключена в реализации алгоритмов и структур данных, тогда как языки описания сценариев лучше приспособлены для построения приложении из готовых компонентов, где сложность состоит в налаживании межкомпонентных связей. Задачи последнего рода получают все большее распространение, так что роль языков описания сценариев будет возрастать.

СИСТЕМЫ И ЯЗЫКИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

1. Системы программирования

Системы программирования - это комплекс инструментальных программных средств, предназначенный для работы с программами на одном из языков программирования. Системы программирования предоставляют сервисные возможности программистам для разработки их собственных компьютерных программ.

В настоящее время разработка любого системного и прикладного программно обеспечения осуществляется с помощью систем программирования, в состав которых входят:

трансляторы с языков высокого уровня;

средства редактирования, компоновки и загрузки программ;

макроассемблеры (машинно-ориентированные языки);

отладчики машинных программ.

Системы программирования, как правило, включают в себя

текстовый редактор (Edit), осуществляющий функции записи и редактирования исходного текста программы;

загрузчик программ (Load), позволяющий выбрать из директория нужный текстовый файл программы;

запускатель программ (Run), осуществляющий процесс выполнения программы;

компилятор (Compile), предназначенный для компиляции или интерпретации исходного текста программы в машинный код с диагностикой синтаксических и семантических (логических) ошибок;

отладчик (Debug), выполняющий сервисные функции по отладке и тестированию программы;

диспетчер файлов (File), предоставляющий возможность выполнять операции с файлами: сохранение, поиск, уничтожение и т.п.

Ядро системы программирования составляет язык.

Широкое распространение среди разработчиков программ, а также при обучении программированию, получили системы программирования «Турбо» (Turbo) фирмы Borland, ядром которых являются трансляторы с языков программирования Бейсик, Паскаль, Си, Пролог и др. Интерфейс Турбо-оболочки для любых систем программирования внешне совершенно одинаков и предоставляет пользователю стандартный набор функций и команд.

Технология разработки программ с использованием популярной системы программирования Турбо-Паскаль 7 будет рассмотрена позже. В подобных интегрированных системах программирования сделана попытка предоставить разработчику программ максимум сервисных возможностей.

2. Классификация языков программирования

На заре компьютерной эры машинный код был единственным средством общения человека с компьютером. Огромным достижением создателей языков программирования было то, что они сумели заставить сам компьютер работать переводчиком с этих языков на машинный код.

Существующие языки программирования можно разделить на две группы: процедурные и непроцедурные (см. рис. 1).

Процедурные (или алгоритмические) программы представляют из себя систему предписаний для решения конкретной задачи. Роль компьютера сводится к механическому выполнению этих предписаний.

Процедурные языки разделяют на языки низкого и высокого уровня.

Разные типы процессоров имеют разные наборы команд. Если язык программирования ориентирован на конкретный тип процессора и учитывает его особенности, то он называется языком программирования низкого уровня. Имеется в виду, что операторы языка близки к машинному коду и ориентированы на конкретные команды процессора.

Языки низкого уровня (машинно-ориентированные) позволяют создавать программы из машинных кодов, обычно в шестнадцатеричной форме. С ними трудно работать, но созданные с их помощью высококвалифицированным программистом программы занимают меньше места в памяти и работают быстрее. С помощью этих языков удобнее разрабатывать системные программы, драйверы (программы для управления устройствами компьютера), некоторые другие виды программ.

Языком низкого уровня (машинно-ориентированным) является Ассемблер , который просто представляет каждую команду машинного кода, но не в виде чисел, а с помощью условных символьных обозначений, называемыхмнемониками.

С помощью языков низкого уровня создаются очень эффективные и компактные программы, так как разработчик получает доступ ко всем возможностям процессора.

Языки программирования высокого уровня значительно ближе и понятнее человеку, нежели компьютеру. Особенности конкретных компьютерных архитектур в них не учитываются, поэтому создаваемые программы на уровне исходных текстов легко переносимы на другие платформы, для которых создан транслятор этого языка. Разрабатывать программы на языках высокого уровня с помощью понятных и мощных команд значительно проще, а ошибок при создании программ допускается гораздо меньше.

Основное достоинство алгоритмических языков высокого уровня - возможность описания программ решения задач в форме, максимально удобной для восприятия человеком. Но так как каждое семейство ЭВМ имеет свой собственный, специфический внутренний (машинный) язык и может выполнять лишь те команды, которые записаны на этом языке, то для перевода исходных программ на машинный язык используются специальные программы-трансляторы.

Работа всех трансляторов строится по одному из двух принципов: интерпретация или компиляция.

Интерпретация подразумевает пооператорную трансляцию и последующее выполнение оттранслированного оператора исходной программы. В связи с этим можно отметить два недостатка метода интерпретации: во-первых, интерпретирующая программа должна находиться в памяти ЭВМ в течение всего процесса выполнения исходной программы, т.е. занимать определенный объем памяти; во-вторых, процесс трансляции одного и того же оператора повторяется столько раз, сколько раз должна исполняться эта команда в программе, что резко снижает производительность работы программы.

Несмотря на указанные недостатки, трансляторы-интерпретаторы получили достаточное распространение, так как они удобны при разработке и отладке исходных программ.

При компиляции процессы трансляции и выполнения разделены во времени: сначала исходная программа полностью переводится на машинный язык (после чего наличие транслятора в оперативной памяти становится ненужным), а затем оттранслированная программа может многократно исполняться. Следовательно, для одной и той же программы трансляция методом компиляции обеспечивает более высокую производительность вычислительной системы при сокращении требуемой оперативной памяти.

Большая сложность в разработке компилятора по сравнению с интерпретатором с того же самого языка объясняется тем, что компиляция программы включает два действия: анализ, т.е. определение правильности записи исходной программы в соответствии с правилами построения языковых конструкций входного языка, и синтез - генерирование эквивалентной программы в машинных кодах. Трансляция методом компиляции требует неоднократного "просмотра" транслируемой программы, т.е. трансляторы-компиляторы являются многопроходными: при первом проходе они проверяют корректность синтаксиса языковых конструкций отдельных операторов независимо друг от друга, при последующем проходе - корректность синтаксических взаимосвязей между операторами и т.д.

Полученная в результате трансляции методом компиляции программа называется объектным модулем , который представляет собой эквивалентную программу в машинных кодах, но не "привязанную" к конкретным адресам оперативной памяти. Поэтому перед исполнением объектный модуль должен быть обработан специальной программой операционной системы (редактором связей – Link) и преобразован взагрузочный модуль , т.е. программный модуль с относительными адресами.

Наряду с рассмотренными выше трансляторами-интерпретаторами и трансляторами-компиляторами на практике используются также трансляторы интерпретаторы-компиляторы, которые объединяют в себе достоинства обоих принципов трансляции: на этапе разработки и отладки программ транслятор работает в режиме интерпретатора, а после завершения процесса отладки исходная программа повторно транслируется в объектный модуль (т.е. уже методом компиляции). Это позволяет значительно упростить и ускорить процесс составления и отладки программ, а за счет последующего получения объектного модуля обеспечить более эффективное исполнение программы.

Рис. 1. Общая классификация языков программирования

Классическое процедурное программирование требует от программиста детального описания того, как решать задачу, т.е. формулировки алгоритма и его специальной записи. При этом ожидаемые свойства результата обычно не указываются. Основные понятия языков этих групп - оператор и данные. При процедурном подходе операторы объединяются в группы - процедуры. Структурное программирование в целом не выходит за рамки этого направления, оно лишь дополнительно фиксирует некоторые полезные приемы технологии программирования.

Принципиально иное направление в программировании связано с методологиями (иногда говорят «парадигмами») непроцедурного программирования. К ним можно отнести объектно-ориентированное и декларативное программирование. Объектно-ориентированный язык создает окружение в виде множества независимых объектов. Каждый объект ведет себя подобно отдельному компьютеру, их можно использовать для решения задач как «черные ящики», не вникая во внутренние механизмы их функционирования. Из языков объектного программирования, популярных среди профессионалов, следует назвать прежде всего Си++, для более широкого круга программистов предпочтительны среды типа Delphi и Visual Basic

При использовании декларативного языка программист указывает исходные информационные структуры, взаимосвязи между ними и то, какими свойствами должен обладать результат. При этом процедуру его получения («алгоритм») программист не строит (по крайней мере, в идеале). В этих языках отсутствует понятие «оператор» («команда»). Декларативные языки можно подразделить на два семейства - логические (типичный представитель - Пролог) и функциональные (Лисп).

Охарактеризуем наиболее известные языки программирования.

Фортран (FORmula TRANslating system - система трансляции формул); старейший и по сей день активно используемый в решении задач математической ориентации язык. Является классическим языком для программирования на ЭВМ математических и инженерных задач

Бейсик (Beginner"s All-purpose Symbolic Instruction Code – универсальный символический код инструкций для начинающих); несмотря на многие недостатки и изобилие плохо совместимых версий - самый популярный по числу пользователей. Широко употребляется при написании простых программ.

Алгол (ALGOrithmic Language - алгоритмический язык); сыграл большую роль в теории, но для практического программирования сейчас почти не используется.

ПЛ/1 (PL/1 Programming Language - язык программирования первый); многоцелевой язык; сейчас почти не используется.

Паскаль (Pascal - назван в честь ученого Блеза Паскаля); чрезвычайно популярен как при изучении программирования, так и среди профессионалов. Создан в начале 70-х годов швейцарским ученым Никлаусом Виртом. Язык Паскаль первоначально разрабатывался как учебный, и, действительно, сейчас он является одним из основных языков обучения программированию в школах и вузах. Однако, качества его в совокупности оказались столь высоки, что им охотно пользуются и профессиональные программисты. Не менее впечатляющей, в том числе и финансовой, удачи добился Филип Кан, француз, разработавший систему Турбо-Паскаль. Суть его идеи состояла в объединении последовательных этапов обработки программы - компиляции, редактирования связей, отладки и диагностики ошибок - в едином интерфейсе. Версии Турбо-Паскаля заполонили практически все образовательные учреждения, программистские центры и частные фирмы. На базе языка Паскаль созданы несколько более мощных языков (Модула, Ада, Дельфи).

Кобол (COmmon Business Oriented Language - язык, ориентированный на общий бизнес); в значительной мере вышел из употребления. Был задуман как основной язык для массовой обработки данных в сферах управления и бизнеса.

АДА ;является языком, победившим (май 1979 г.) в конкурсе по разработке универсального языка, проводимым Пентагоном с 1975 г. Разработчики - группа ученых во главе с Жаном Ихбиа. Победивший язык окрестили АДА, в честь Огасты Ады Лавлейс. Язык АДА - прямой наследник языка Паскаль. Этот язык предназначен для создания и длительного (многолетнего) сопровождения больших программных систем, допускает возможность параллельной обработки, управления процессами в реальном времени и многое другое, чего трудно или невозможно достичь средствами более простых языков.

Си (С - «си»); широко используется при создании системного программного обеспечения. Наложил большой отпечаток на современное программирование (первая версия - 1972 г.), является очень популярным в среде разработчиков систем программного обеспечения (включая операционные системы). Си сочетает в себе черты как языка высокого уровня, так и машинно-ориентированного языка, допуская программиста ко всем машинным ресурсам, чего не обеспечивают такие языки, как Бейсик и Паскаль.

Си++ (С++);объектно-ориентированное расширение языка Си, созданное Бьярном Страуструпом в 1980 году. Множество новых мощных возможностей, позволивших резко повысить производительность программистов, наложилось на унаследованную от языка Си определенную низкоуровневость.

Дельфи (Delphi); язык объектно-ориентированного «визуального» программирования; в данный момент чрезвычайно популярен. Созданный на базе языка Паскаль специалистами фирмыBorlandязыкDelphi, обладая мощностью и гибкостью языков Си и Си++, превосходит их по удобству и простоте интерфейса при разработке приложений, обеспечивающих взаимодействие с базами данных и поддержку различного рода работ в рамках корпоративных сетей и сети Интернет.

Ява (Java); платформенно-независимый язык объектно-ориентированного программирования, чрезвычайно эффективен для создания интерактивных веб-страниц. Этот язык был создан компаниейSunв начале 90-х годов на основе СИ++. Он призван упростить разработку приложений на основе Си++ путем исключения из него всех низкоуровневых возможностей.

Лисп (Lisp) - функциональныйязык программирования. Ориентирован на структуру данных в форме списка и позволяет организовать эффективную обработку больших объемов текстовой информации.

Пролог (PROgramming in LOGic – логическое программирование). Главное назначение языка - разработка интеллектуальных программ и систем. Пролог - это язык программирования, созданный специально для работы с базами знаний, основанными на фактах и правилах (одного из элементов систем искусственного интеллекта). В языке реализован механизм возврата для выполнения обратной цепочки рассуждений, при котором предполагается, что некоторые выводы или заключения истинны, а затем эти предположения проверяются в базе знаний, содержащей факты и правила логического вывода. Если предположение не подтверждается, выполняется возврат и выдвигается новое предположение. В основу языка положена математическая модель теории исчисления предикатов.

Языки программирования для Интернета:

HTML . Общеизвестный язык для оформления документов. Он очень прост и содержит элементарные команды форматирования текста, добавления рисунков, задания шрифтов и цветов, организации ссылок и таблиц.

PERL . Он задумывался как средство эффективной обработки больших текстовых файлов, генерации текстовых отчетов и управления задачами. По мощностиPerlзначительно превосходит языки типа Си. В него введено много часто используемых функций работы со строками, массивами, управление процессорами, работа с системной информацией.

Tcl / Tk . Этот язык ориентирован на автоматизацию рутинных процессов и состоит из мощных команд. Он независим от системы и при этом позволяет создавать программы с графическим интерфейсом.

VRML . Создан для организации виртуальных трехмерных интерфейсов в Интернете. Он позволяет описывать в текстовом виде различные трехмерные сцены, освещение и тени, текстуры.

Из универсальных языков программирования сегодня наиболее популярны:

Бейсик – для освоения требует начальной подготовки;

Паскаль – требует специальной подготовки;

Си++, Ява – требуют проффесиональной подготовки.

Для каждого из этих языков программирования сегодня имеется немало систем программирования, выпускаемых различными фирмами и ориентированных на различные модели ПК и операционной системы. Наиболее популярны следующие визуальные среды быстрого проектирования программы для Windows:

Basic: Microsoft Visual Basic

Pascal: Borland Delphi

C++: Borland C++Bulider

Java: Symantec Cafe

Для разработки серверных и распределенных приложений можно использовать систему программирования MicrosoftVisualC++, продукты фирмыInpriseпод маркойBorland. Практически любые средства программирования наJava.

Выбор языка программирования зависит от многих факторов: назначения, удобства написания исходных программ, эффективности получаемых объектных программ и т.п. Разнотипность решаемых компьютером задач и определяет многообразие языков программирования. По все видимости, в программировании наилучший результат достигается при индивидуальном подходе, исходящем из класса задачи, уровня и интересов программиста.

Тема 8. Языки программирования высокого уровня

Семестр

Программа – это логически упорядоченная последовательность команд, необходимых для управления компьютером (выполнения им конкретных операций), поэтому программирование сводится к созданию последовательности команд, необходимой для решения определенной задачи.

Процессор компьютера – это большая интегральная микросхема. Все команды и данные он получает в виде электрических сигналов, которые можно представить как совокупность нулей и единиц. Поэтому реально программа, с которой работает процессор, представляет собой последовательность двоичных чисел, называемую машинным кодом . Самому написать программу в машинном коде весьма сложно, причем эта сложность резко возрастает с увеличением размера программы и трудоемкости решения нужной задачи. Поэтому сегодня практически все программы создаются с помощью языков программирования .

Однако с помощью языка программирования создается не готовая программа, а только ее текст (исходный код ), описывающий ранее разработанный алгоритм. Чтобы получить работающую программу, надо этот текст с помощью специальных служебных приложений, называемых трансляторами , либо перевести в машинный код, либо исполнить.

Существуют трансляторы трех видов: компиляторы, интерпретаторы и ассемблеры.

Компиляторы полностью обрабатывают весь исходный код: просматривают его в поисках синтаксических ошибок (иногда несколько раз), выполняют определенный смысловой анализ и затем автоматически переводят (транслируют) на машинный язык – генерируют машинный код.

Интерпретатор берет очередной оператор языка исходного кода программы, анализирует его структуру и затем сразу исполняет оттранслированную команду. Только после того как текущий оператор успешно выполнен, интерпретатор перейдет к следующему причем, если один и тот же оператор должен выполняться в программе многократно, интерпретатор всякий раз будет выполнять его так, как будто встретил впервые. При этом исполняемый файл не создается. Разрабатывать интерпретаторы проще, чем компиляторы, но работает интерпретируемая программа, как правило, медленнее скомпилированной.

Ассемблеры предназначены для перевода программы, написанной на языке ассемблера, в машинный код.

Языки программирования – искусственные языки. От естественных они отличаются ограниченным числом «слов» и очень строгими правилами записи команд (операторов). Совокупность подобных требований образует синтаксис языка программирования, а смысл каждой команды и других конструкций языка – его семантику. Нарушение формы записи программы приводит к тому, что транслятор не может понять назначение оператора и выдает сообщение о синтаксической ошибке . Правильно написанное, но не отвечающее алгоритму использование команд языка, приводит к семантическим ошибкам , называемым еще логическими ошибками или ошибками времени выполнения.

Процесс поиска ошибок в программе называется тестированием, процесс устранения ошибок – отладкой.

Классификация языков программирования, их эволюция

Разные типы процессоров имеют разные наборы команд. Если язык программирования ориентирован на конкретный тип процессора и учитывает его особенности, т.е. является машинно-зависимым, он называется языком программирования низкого уровня. В данном случае «низкий уровень» не значит «плохой». Имеется в виду, что операторы языка близки к машинному коду и ориентированы на конкретные команды процессора.

Языками низкого уровня являются все языки ассемблеров, которые представляет каждую команду машинного кода, не в виде чисел, а с помощью условных символьных обозначений, называемых мнемониками. Однозначное преобразование одной машинной инструкции в одну команду ассемблера называется транслитерацией. Так как наборы инструкций для каждой модели процессора отличаются, конкретной компьютерной архитектуре соответствует свой язык ассемблера, и написанная на нем программа может быть использована только в этой среде.

С помощью языков низкого уровня создаются очень эффективные и компактные программы, так как разработчик получает доступ ко всем возможностям процессора, но при этом:

Требуется очень хорошо понимать устройство компьютера,

Затрудняется отладка больших приложений,

Результирующая программа не может быть перенесена на компьютер с другим типом процессора.

Подобные языки обычно применяют для написания небольших системных приложений, драйверов устройств, модулей стыковки с нестандартным оборудованием, когда важнейшими требованиями становятся компактность, быстродействие и возможность прямого доступа к аппаратным ресурсам.

Языки программирования это формальная знаковая система, предназначенная для описания алгоритмов в форме, которая удобна для исполнителя.

Классификация языков программирования

Программа - это детальное и законченное описание алгоритма средствами языка программирования. Исполнителем программы является компьютер. Для выполнения компьютером программа должна быть представлена в машинном коде - последовательности чисел, понимаемых процессором. Написать программу в машинных кодах вручную достаточно сложно. Поэтому сегодня практически все программы создаются с помощью языков программирования, которые по своим синтаксису и семантике приближены к естественному человеческому языку. Это снижает трудоемкость программирования. Однако, текст программы, записанный с помощью языка программирования, должен быть преобразован в машинный код. Эта операция выполняется автоматически с помощью специальной служебной программы, называемой транслятором . Интерпретатор переводит на язык машинных кодов поочередно каждый оператор исходной программы, проверяет правильность записи оператора и немедленно выполняет его. В отличие от интерпретатора компилятор осуществляет перевод на машинный язык всей исходной программы.

Примерами служебных программ - интерпретаторов являются GW Basic, Лого, школьный алгоритмический язык, многие языки программирования баз данных. Компиляторами являются Turbo Pascal, С++, Delphi.

По способу разработки программ можно выделить два подхода:

процедурное программирование - это программирование, при котором выполнение команд программы определяется их последовательностью, командами перехода, цикла или обращениями к процедурам;

объектно-ориентированное программирование – программирование, при котором формируются программные объекты, имеющие набор свойств, обладающие набором методов и способные реагировать на события, возникающие как во внешней среде, так и в самом объекте (нажатие мыши, срабатывание таймера, превышение числовой границы и т.д.). Таким образом, выполнение той или иной части программы зависит от событий в программной системе.

Объектно-ориентированное программирование (ООП) не исключает, а охватывает технологию процедурного программирования.

Основные языки программирования

Из универсальных языков программирования наиболее популярны следующие: Basic; Pascal; C++; Java.

Для языка Basic существует много версий, реализованных и как интерпретаторы и как компиляторы. В России Basic традиционно используется в курсе информатики средней школы. Среда визуального программирования Microsoft Visual Basic используется как программная поддержка приложений MS Office.

Язык Pascal является компилируемым и широко используется как среда для обучения программированию в ВУЗах. RAD-средой, наследующей его основные свойства, является среда Borland Delphi.

Для языка C++ RAD-средой является Borland C++ Builder. Этот компилируемый язык часто используется для разработки программных приложений, в которых необходимо обеспечить быстродействие и экономичность программы.

Язык Java - интерпретируемый язык - позволяет создавать платформно-независимые программные модули, способные работать в компьютерных сетях с различными операционными системами. RAD-средой для него является Symantec Cafe.

Система программирования - это система для разработки новых программ на конкретном языке программирования.

Современные системы программирования обычно предоставляют пользователям мощные и удобные средства разработки программ. В них входят:

компилятор или интерпретатор ;

интегрированная среда разработки;

средства создания и редактирования текстов программ;

обширные библиотеки стандартных программ и функций;

отладочные программы , т.е. программы, помогающие находить и устранять ошибки в программе;

"дружественная" к пользователю диалоговая среда;

многооконный режим работы;

мощные графические библиотеки; утилиты для работы с

библиотеками

встроенный ассемблер ;

встроенная справочная служба;

другие специфические особенности.

Популярные системы программирования - Turbo Basic , Quick Basic , Turbo Pascal , Turbo C . В последнее время получили распространение системы программирования, ориентированные на создание Windows-приложений :

пакет Borland Delphi (Дельфи) - блестящий наследник семейства компиляторов Borland Pascal, предоставляющий качественные и очень удобные средства визуальной разработки. Его исключительно быстрый компилятор позволяет эффективно и быстро решать практически любые задачи прикладного программирования.

пакет Microsoft Visual Basic - удобный и популярный инструмент для создания Windows-программ с использованием визуальных средств. Содержит инструментарий для создания диаграмм и презентаций .

пакет Borland C++ - одно из самых распространённых средств для разработки DOS и Windows приложений.