Введение ……………………………………………………………………....2
1 Язык и система программирования – понятие, сущность ……………….4
2 Классификация языков программирования……………………………….6
2.1 Машинно – ориентированные языки ………………………………....6
2.1.1 Машинные языки ………………………………………………...6
2.1.2 Языки символического кодирования …………………………...7
2.1.3 Автокоды …………………………………………………………8
2.1.4 Макрос …………………………………………………………….9
2.2 Машинно – независимые языки ………………………………………..9
2.2.1 Машинно – независимые языки …………………………………10
2.2.2 Универсальные языки ……………………………………………10
2.2.3 Диалоговые языки ………………………………………………...11
2.2.4 Непроцедурные языки ……………………………………………12
3 Современные языки и системы программирования ………………………13
3.1 Basic ………………………………………………………………………13
3.2 Pascal ……………………………………………………………………...14
3.3 Delphi ……………………………………………………………………..15
3.4 Fortran …………………………………………………………………….17
3.5 СиС++ …………………………………………………………………...18
3.6 Java………………………………………………………………………..20
Заключение ……………………………………………………………………..22
Список использованных источников...............................................................23
Введение
Прогресс компьютерных технологий определил процесс появления новых разнообразных знаковых систем для записи алгоритмов – языков программирования. Смысл появления такого языка – оснащенный набор вычислительных формул дополнительной информации, превращает данный набор в алгоритм. Язык программирования служит двум связанным между собой целям: он дает программисту аппарат для задания действий, которые должны быть выполнены, и формирует концепции, которыми пользуется программист, размышляя о том, что делать. Первой цели идеально отвечает язык, который настолько "близок к машине", что всеми основными машинными аспектами можно легко и просто оперировать достаточно очевидным для программиста образом. Второй цели идеально отвечает язык, который настолько "близок к решаемой задаче", чтобы концепции ее решения можно было выражать прямо и коротко. Связь между языком, на котором мы думаем/программируем, и задачами и решениями, которые мы можем представлять в своем воображении, очень близка. По этой причине ограничивать свойства языка только целями исключения ошибок программиста в лучшем случае опасно. Как и в случае с естественными языками, есть огромная польза быть, по крайней мере, двуязычным. Язык предоставляет программисту набор концептуальных инструментов, если они не отвечают задаче, то их просто игнорируют. Например, серьезные ограничения концепции указателя заставляют программиста применять вектора и целую арифметику, чтобы реализовать структуры, указатели и т.п. Хорошее проектирование и отсутствие ошибок не может гарантироваться чисто за счет языковых средств.Может показаться удивительным, но конкретный компьютер способен работать с программами, написанными на его родном машинном языке. Существует почти столько же разных машинных языков, сколько и компьютеров, но все они суть разновидности одной идей простые операции производятся со скоростью молнии на двоичных числах. Персональные компьютеры IBM используют машинный язык микропроцессоров семейства 8086, т.к. их аппаратная часть основывается именно на данных микропроцессорах. Можно писать программы непосредственно на машинном языке, хотя это и сложно. На заре компьютеризации(в начале 1950-х г.г.), машинный язык был единственным языком, большего человек к тому времени не придумал. Для спасения программистов от сурового машинного языка программирования, были созданы языки высокого уровня (т.е. немашинные языки), которые стали своеобразным связующим мостом между человеком и машинным языком компьютера. Языки высокого уровня работают через трансляционные программы, которые вводят "исходный код" (гибрид английских слов и математических выражений, который считывает машина), и в конечном итоге заставляет компьютер выполнять соответствующие команды, которые даются на машинном языке. Существует два основных вида трансляторов: интерпретаторы, которые сканируют и проверяют исходный код в один шаг, и компиляторы, которые сканируют исходный код для производства текста программы на машинном языке, которая затем выполняется отдельно.
1 Язык и система программирования – понятие, сущность
В настоящее время наблюдается стремительное развитие научной дисциплины, называемой программированием. При этом появляются не просто новые языки, появляются новые идеи, увеличивающие мощность и эффективность языков. Можно, не вдаваясь в подробности любого из существующих или только разрабатываемых языков, отметить следующую тенденцию: развитие языков идет в сторону повышения выразительности исходного текста программы. Это способствует сокращению размера программы и повышению ее надежности.
Для повышения выразительности языка необходимо, чтобы язык содержал средства для выражения абстрактных понятий. Это помогает сделать большие программы более простыми для понимания. Поэтому поддержка абстракций является обязательным условием для любого современного языка программирования. При этом базис языка (множество предоставляемых языком возможностей, смысловых конструкций) должен иметь минимальную мощность.
К наиболее общим понятиям, которыми оперирует программист при использовании конкретного языка программирования, относятся понятия программы и виртуальной машины. Программа должна удовлетворять требованиям (спецификациям) конкретного языка программирования и служит контейнером для хранения последовательности действий и множества данных. Виртуальная машина выступает в роли интерпретатора основных понятий, используемых в языке программирования и является средой существования программы. Все остальные абстракции, рассматриваемые в статье, группируются вокруг этих базовых абстракций.
В ряде случаев можно рассматривать процесс программирования как процесс моделирования. При этом создается программа-модель, способная реализовывать поведение оригинала, описываемого в постановке задачи. Поэтому в дальнейшем заменителем для понятия программа будет выступать понятие модель, а для понятия виртуальная машина - понятие моделирующая среда.
2 Классификация языков программирования
2.1 Машинно – ориентированные языки
Машинно – ориентированные языки – это языки, наборы операторов и изобразительные средства которых существенно зависят от особенностей ЭВМ (внутреннего языка, структуры памяти и т.д.). Машинно –ориентированные языки позволяют использовать все возможности и особенности Машинно – зависимых языков:
Высокое качество создаваемых программ (компактность и скорость
выполнения);
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
Низкая скорость программирования;
Невозможность непосредственного использования программ,
составленных на этих языках, на ЭВМ других типов.
Машинно-ориентированные языки по степени автоматического программирования подразделяются на классы.
2.1.1 Машинный язык
Как я уже упоминал, в введении, 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 моднлях ЭВМ намечается тенденция к повышению внутренних языков машинно – аппаратным путем реализовывать более сложные команды, приближающиеся по своим функциональным действиям к операторам алгоритмических языков программирования.
2.1.2 Языки Символического Кодирования
Продолжим рассказ о командных языках, Языки Символического Кодирования (далее ЯСК), 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 на символы (идентификаторы), 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.
2.1.3Автокоды
Есть также языки, включающие 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, реализующих требуемую функцию, обозначенную макрокомандой. Макрокоманды обеспечивают передачу фактических параметров, которые в процессе трансляции вставляются в «остов» программы, превращая её в реальную машинную программу.
Система программирования (СП) - совокупность программных средств, облегчающих написание, отладку диалоговой программы и автоматизирующих её многоэтапное преобразование в исполняемую программу и загрузку в память для выполнения. Ныне СП трансформировались в интегрированные среды разработки программ (Integrated Development Environment , IDE), позволяющие визуально разрабатывать пользовательский интерфейс и организовывать связь с базами данных.Создание сложного программного средства осуществляется в среде программной инженерии. Согласно ГОСТ Р ИСО/МЭК 14764-2002 она представляет собой «набор автоматических инструментальных средств, программно-аппаратных и технических средств, необходимых для выполнения объёма работ по программной инженерии». К автоматизированным инструментальным средствам относятся, в частности, компиляторы, компоновщики загрузочных операционных систем, отладчики, средства моделирования , средства документирования и системы управления базами данных.
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.
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.
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 , 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.
Среди машинно-независимых систем программирования следует выделить:
1. Процедурно-ориентированные системы . Входные языки программирования в таких системах служат для записи алгоритмов (процедур) обработки информации, характерных для решения задач определенного класса. Эти языки , должны обеспечить программиста средствами, позволяющими коротко и четко формулировать задачу и получать результаты в требуемой форме. Процедурных языков очень много, например: Фортран, Алгол – языки, созданные для решения математических задач; Simula, Слэнг - для моделирования; Лисп, Снобол – для работы со списочными структурами.
2. Проблемно-ориентированные системы в качестве входного языка используют язык программирования с проблемной ориентацией. С расширением областей применения вычислительной техники возникла необходимость формализовать представление постановки и решение новых классов задач.
Необходимо было создать такие языки программирования, которые, используя в данной области обозначения и терминологию, позволили бы описывать требуемые алгоритмы решения для поставленных задач. Эти языки, ориентированные на решение определенных проблем, должны обеспечить программиста средствами, позволяющими коротко и четко формулировать задачу и получать результаты в требуемой форме. Программы, составленные на основе этих языков программирования, записаны в терминах решаемой задачи и реализуются выполнением соответствующих процедур.
3. Диалоговые языки . Появление новых технических возможностей поставило задачу перед системными программистами – создать программные средства, обеспечивающие оперативное взаимодействие человека с ЭВМ их назвали диалоговыми языками. Создавались специальные управляющие языки для обеспечения оперативного воздействия на прохождение задач, которые составлялись на любых раннее неразработанных (не диалоговых) языках.
Разрабатывались также языки, которые кроме целей управления обеспечивали бы описание алгоритмов решения задач. Необходимость обеспечения оперативного взаимодействия с пользователем потребовала сохранения в памяти ЭВМ копии исходной программы даже после получения объектной программы в машинных кодах. При внесении изменений в программу система программирования с помощью специальных таблиц устанавливает взаимосвязь структур исходной и объектной программ. Это позволяет осуществить требуемые редакционные изменения в объектной программе.
4. Непроцедурные языки . Непроцедурные языки составляют группу языков, описывающих организацию данных, обрабатываемых по фиксированным алгоритмам (табличные языки и генераторы отчетов), и языков связи с операционными системами. Позволяя четко описывать как задачу, так и необходимые для её решения действия, таблицы решений дают возможность в наглядной форме определить , какие условия должны выполнятся, прежде чем переходить к какому- либо действию. Одна таблица решений, описывающая некоторую ситуацию, содержит все возможные блок-схемы реализаций алгоритмов решения. Табличные методы легко осваиваются специалистами любых профессий. Программы, составленные на табличном языке, удобно описывают сложные ситуации, возникающие при системном анализе.
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.
Со временем разработчики компиляторов постарались облегчить труд пользователей, предоставив им все необходимое множество программных модулей в составе одной поставки компилятора. Теперь компиляторы поставлялись уже вкупе со всеми необходимыми сопровождающими техническими средствами. Кроме того, были унифицированы форматы объектных файлов и файлов библиотек подпрограмм. Теперь разработчики, имея компилятор от одного производителя, могли в принципе пользоваться библиотеками и объектными файлами, полученными от другого производителя компиляторов.
Для написания командных файлов компиляции был предложен специальный командный язык язык Makefile. Он позволял в достаточно гибкой и удобной форме описать весь процесс создания программы от порождения исходных текстов до подготовки ее к выполнению. Это было удобное, но достаточно сложное техническое средство, требующее от разработчика высокой степени подготовки и профессиональных знаний, поскольку сам командный язык Makefile был по сложности сравним с простым языком программирования. Язык Makefile стал стандартным средством, единым для компиляторов всех разработчиков.
Такая структура средств разработки существовала достаточно долгое время , а в некоторых случаях она используется и по сей день (особенно при создании системных программ). Ее широкое распространение было связано с тем, что сама по себе вся эта структура средств разработки была очень удобной при пакетном выполнении программ на компьютере, что способствовало ее повсеместному применению в эпоху mainframe.
Следующим шагом в развитии средств разработки стало появление так называемой интегрированной среды разработки. Интегрированная среда объединила в себе возможности текстовых редакторов исходных текстов программ и командный язык компиляции. Пользователь (разработчик исходной программы) теперь не должен был выполнять всю последовательность действий от порождения исходного кода до его выполнения, от него также не требовалось описывать этот процесс с помощью системы команд в Makefile. Теперь ему было достаточно только указать в удобной интерфейсной форме состав необходимых для создания программы исходных модулей и библиотек. Ключи, необходимые компилятору и другим техническим средствам, также задавались в виде интерфейсных форм настройки.
После этого интегрированная среда разработки сама автоматически готовила всю необходимую последовательность команд Makefile, выполняла их, получала результат и сообщала о возникших ошибках при их наличии. Причем сам текст исходных модулей пользователь мог изменить здесь же, не прерывая работу с интегрированной средой, чтобы потом при необходимости просто повторить весь процесс компиляции.
Создание интегрированных сред разработки стало возможным благодаря бурному развитию персональных компьютеров и появлению развитых средств интерфейса пользователя (сначала текстовых, а потом и графических). Их появление на рынке определило дальнейшие развитие такого рода технических средств. Пожалуй, первой удачной средой такого рода можно признать интегрированную среду программирования Turbo Pascal на основе языка Pascal производства фирмы Borland. Ее широкая популярность определила тот факт, что со временем все разработчики компиляторов обратились к созданию интегрированных средств разработки для своих продуктов.
Развитие интегрированных сред несколько снизило требования к профессиональным навыкам разработчиков исходных программ. Теперь в простейшем случае от разработчика требовалось только знание исходного языка (его синтаксиса и семантики). При создании прикладной программы ее разработчик мог в простейшем случае даже не разбираться в архитектуре целевой вычислительной системы.
Дальнейшее развитие средств разработки также тесно связано с повсеместным распространением развитых средств графического интерфейса пользователя. Такой интерфейс стал неотъемлемой составной частью многих современных ОС и так называемых графических оболочек. Со временем он стал стандартом де-факто практически во всех современных прикладных программах.
Это не могло не сказаться на требованиях, предъявляемых к средствам разработки программного обеспечения. В их состав были сначала включены соответствующие библиотеки , обеспечивающие поддержку развитого графического интерфейса пользователя и взаимодействие с функциями API (application program interface, прикладной программный интерфейс операционных систем). А затем для работы с ними потребовались дополнительные средства, обеспечивающие разработку внешнего вида интерфейсных модулей. Такая работа была уже более характерна для дизайнера, чем для программиста.
Для описания графических элементов программ потребовались соответствующие языки. На их основе сложилось понятие ресурсов (resources) прикладных программ .
Ресурсами прикладной программы будем называть множество данных , обеспечивающих внешний вид интерфейса пользователя этой программы, и не связанных напрямую с логикой выполнения программы. Характерными примерами ресурсов являются: тексты сообщений, выдаваемых программой; цветовая гамма элементов интерфейса; надписи на таких элементах , как кнопки и заголовки окон ит.п.
Для формирования структуры ресурсов в свою очередь потребовались редакторы ресурсов, а затем и компиляторы ресурсов, обрабатывающие результат их работы. Ресурсы, полученные с выхода компиляторов ресурсов, стали обрабатываться компоновщиками и загрузчиками.
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.
Интерпретаторы и компиляторы.
Трансляция программ и сопутствующие процессы.
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.
Транслятор - это программа, которая переводит исходную программу в эквивалентную ей объектную программу. Исходная программа пишется на некотором исходном языке , объектная программа формируется на объектном языке. Выполнение программы самого транслятора происходит во время трансляции.
Если исходный язык является языком высокого уровня, например таким, как ФОРТРАН, C и Паскаль, и если объектный язык - ассемблер или некоторый машинный язык, то транслятор называется компилятором. Машинный язык иногда называют кодом машины, поэтому и объектная программа иногда называется объектным кодом .
Трансляция исходной программы в объектную происходит во время компиляции, а фактическое выполнение объектной программы происходит во время выполнения готовой программы.
Ассемблер - это программа, которая переводит исходную программу, написанную на автокоде или на языке ассемблера, на язык вычислительной машины. Автокод (ассемблер) очень близок к машинному языку ; действительно, большинство автокодных инструкций является точным символическим представлением команд машины. Более того, автокодные инструкции обычно имеют фиксированный формат, что позволяет легко их анализировать. В автокоде, как правило, отсутствуют вложенные инструкции, блоки и т. п.
Интерпретатор для некоторого исходного языка принимает исходную программу, написанную на этом языке, как входную информацию и выполняет ее. Различие между компилятором и интерпретатором состоит в том, что интерпретатор не порождает объектную программу, которая затем должна выполняться, а непосредственно выполняет ее сам. Для того чтобы выяснить , как осуществить выполнение инструкций исходной программы, чистый интерпретатор анализирует ее всякий раз, когда она должна быть выполнена. Конечно же, это не эффективно и используется не очень часто.
При программировании интерпретатор обычно разделяют на две фазы . На первой фазе интерпретатор анализирует всю исходную программу, почти также, как это делает компилятор, и транслирует ее в некоторое внутреннее представление. На второй фазе это внутреннее представление исходной программы интерпретируется или выполняется. Внутреннее представление исходной программы разрабатывается для того, чтобы свести к минимуму время, необходимое для расшифровки или анализа каждой инструкции при ее выполнении.
Как указывалось выше, сам компилятор - это не что иное, как программа , написанная на некотором языке, для которой входной информацией служит исходная программа, а результатом является эквивалентная ей объектная программа. Исторически сложилось так, что компиляторы писались на автокоде вручную. Во многих случаях это был единственный доступный язык. Однако, сейчас компиляторы разрабатываются на языках высокого уровня (поскольку при этом уменьшается время, затрачиваемое на программирование и отладку, а также обеспечивается удобочитаемость программы компилятора, когда работа завершена).
Кроме того, теперь мы имеем много языков, разработанных специально для составления компиляторов. Эти так называемые "компиляторы компиляторов " являются некоторым подмножеством в "системах построения трансляторов " (СПТ).
Язык программирования – формальный язык, предназначенный для связи человека с вычислительной машиной. На языке программирования задаются информация и алгоритм обработки данных. Электронная вычислительная машина (ЭВМ) непосредственно воспринимает программу, представленную на машинном языке, программирование на котором весьма неудобно для человека.
Развитие вычислительной техники обусловило появление языков программирования. Назначение такого языка – в оснащении набора вычислительных формул дополнительной информацией, которая превращает этот набор в алгоритм. В дальнейшем под языком программирования понимается язык для составления программ, т.е. язык, на котором записывается алгоритм для решения задачи на ЭВМ.
Программирование для ЭВМ первого поколения велось исключительно на машинном языке. Машинный язык представляет собой свод правил кодирования в числовом виде определенных действий (в большинстве арифметических). Для всех машин понятна только двоичная система счисления, которая, однако, для сокращения записи программистами заменялась восьмеричной.
Под системой счисления обычно понимается совокупность приемов наименования и обозначения чисел. Обычная система записи чисел представляет собой позиционную десятичную систему счисления в соответствии с тем, что от позиции, занимаемой любой из используемых в этой системе цифр, зависит ее числовое значение. Двоичная система счисления является простейшей, так как в ней используются только две цифры: 0 и 1, а восьмеричная система счисления удобна тем, что основание ее, а именно числовое значение 8, является степенью основания двоичной системы счисления 2. Например, десятичное число 65 можно представить
· в десятичной системе счисления:
6 × 101 + 5 × 100 = 65;
· в восьмеричной системе как
1 × 82 + 0 × 81 + 1 × 80 = 101;
· и в двоичной системе счисления в виде
1 × 26 + 0 × 25 + 0 × 24 + 0 × 23 + 0 × 22 + 0 × 2l + 1 × 20 = 100 001.
Каждое действие, которое должно быть выполнено ЭВМ, на машинном языке задается в виде команды. Команда – это информация, представленная в форме, позволяющей ввести ее в машину, и определяющая действия ЭВМ в течение некоторого отрезка времени. Таким образом, каждая команда определяет, вообще говоря, некоторую элементарную часть процесса обработки информации, называемую машинной операцией. Исходная информация для обработки поставляется, как правило, набором конкретных значений, называемых обычно данными. Исходные данные для выполнения любого действия, в том числе и машинной операции, будем называть операндами.
В команде в общем случае должны быть указаны вид действия, место хранения в машине (адрес) исходной информации, над которой производится машинная операция, адрес результата, а также следующая команда, которая должна быть выполнена после данной. Для арифметических действий (или операций) исходная информация задается, как правило, в виде двух чисел, следовательно, в команде для нее должны быть указаны два адреса. Таким образом, команда должна содержать код операции, задающий вид выполняемой машинной операции, и четыре адреса: два адреса операндов, адрес результата и адрес следующей команды. Как правило, необходимое число адресов в команде меньше четырех.
В ЭВМ с трехадресными командами не указывается адрес следующей команды, а автоматически выполняется команда из следующей ячейки памяти (с номером, на единицу большим, который и является адресом следующей команды). Например, если принять для операции сложения код 01, то для сложения двух чисел из ячеек с номерами 2051 и 2052 с результатом, помещаемым в ячейку с номером 2345, в трехадресной машине команда будет выглядеть так:
01 2051 2052 2345 26
Первым усовершенствованием процесса программирования явилось введение символических адресов, позволившее составление команд и распределение памяти выполнять раздельно. Сущность этого приема заключается в разбиении оперативной памяти машины на массивы, число ячеек в которых заранее не известно, а номера ячеек массива задаются буквенно-числовыми обозначениями типа ai + 1, ai + 2, . . ., называемыми символическими адресами. Распределение памяти осуществляется приписыванием всем ai числовых значений уже после составления программы. Последний процесс является чисто механическим и может быть автоматизирован, т.е. присвоение истинных адресов может быть поручено самой вычислительной машине.
Такое усовершенствование процесса программирования вскоре привело к созданию языков символического программирования, или автокодов. Такой язык отличается от машинного языка лишь тем, что вместо числовых значений, выражающих код операции команды и ее адреса, используются символические (буквенные) обозначения. Поэтому в первых автокодах существовало взаимно однозначное соответствие между операциями, записанными на языке символического программирования (или кодирования), и командами в машинном языке, на что указывал символ 1: 1, который записывался после наименования языка. Например, АВТОКОД 1:1 – АВТОматическое Кодирование один к одному.
Дальнейшее совершенствование автокодов выражалось в появлении дополнительных средств, устанавливающих по обычным правилам порядок действий в арифметических формулах или обеспечивающих в необходимых условиях разветвление вычислительного процесса, циклическое повторение участков программы и другие операции, вытекающие из условия задачи. Так, постепенно автокоды утратили приставку 1: 1, а их входные языки стали не чисто машинными, а машинно-ориентированными. Машинная ориентированность означает, что в основе этих языков продолжала лежать система команд какой-либо конкретной вычислительной машины. Первые машинно-ориентированные языки в целом были несовершенны. У одних языков описание последовательности вычислений было оторвано от самих формул, другие имели сложную символику, мало наглядную или слишком специализированную, третьи были приспособлены лишь для решения ограниченного круга задач. Основной же недостаток заключался в привязанности языка к данной машине.
С появлением машин второго поколения возникла потребность создания языков, целиком ориентированных на особенности задач и не зависящих от конкретной машины. Это требование усугублялось еще и тем, что ЭВМ разных марок быстро сменяли одна другую или использовались совместно. Символом второго поколения ЭВМ стали проблемно-ориентированные языки программирования. Их развитие все в большей степени определялось спецификой задач, а не особенностями машин. На первый план выступило то общее, что было в различных задачах, а это сближало разные языки, созданные в эпоху господства вычислительных задач. Эти языки принято называть формальными алгоритмическими или просто алгоритмическими языками.
От формального алгоритмического языка требуется многое. Во-первых, он должен быть наглядным, что может быть достигнуто использованием существующей математической символики и других легко понимаемых изобразительных средств. Во-вторых, гибким, чтобы любой алгоритм мог быть описан без излишнего усложнения, связанного с недостаточностью изобразительных средств. В-третьих, от языка требуется однозначность – запись любого алгоритма, выполненная с соблюдением всех правил языка, не должна допускать различных толкований. В-четвертых, многоступенчатость – сложный алгоритм может быть описан в виде сочетания более простых алгоритмов. И, наконец, язык должен быть единым – с одной стороны, число изобразительных средств не должно быть слишком большим, и, с другой стороны, необходимо чтобы одни и те же средства можно было применять для выражения одних и тех же или родственных понятий в разных (по их назначению) частях алгоритма. Такой язык служит:
· средством мышления – логическое несовершенство предполагаемого метода решения задачи часто выявляется в процессе записи этого метода средствами алгоритмического языка;
· средством общения между людьми – описание процесса, выполненное одним человеком, должно быть доступно другим;
· посредником между человеком и машиной – при этом перевод с алгоритмического языка на язык машины выполняется самой машиной с помощью специальной программы – транслятора.
Одним из первых и наиболее удачных языков такого рода стал Фортран, разработанный фирмой IBM. В 1954 г. группа американских специалистов в области программирования опубликовала первое сообщение о языке Фортран. Название языка происходит от словосочетания FORmulae TRANslation – преобразование формул. Язык Фортран не только просуществовал до наших дней, но и уверенно удерживает первое место в мире по распространенности. Среди причин такого долголетия можно отметить простую структуру как самого Фортрана, так и предназначенных для него трансляторов. Программа на Фортране записывается в виде последовательности предложений, или операторов (под оператором понимается описание некоторого преобразования информации), и оформляется по определенным правилам. Эти правила накладывают ограничения, в частности, на форму записи и расположения частей оператора в строке бланка для записи операторов. Программа, записанная на Фортране, представляет собой один или несколько сегментов (подпрограмм) из операторов. Сегмент, управляющий работой всей программы в целом, называется основной программой.
Фортран был задуман для использования в сфере научных и инженерно-технических вычислений. Однако на этом языке легко описываются задачи с разветвленной логикой (моделирование производственных процессов, решение игровых ситуаций и т.д.), некоторые экономические задачи и особенно задачи редактирования (составление таблиц, сводок, ведомостей и т.д.).
Модификация языка Фортран, появившаяся в 1958 г., получила название Фортран II и содержала понятия подпрограммы и общих переменных для обеспечения связи между сегментами.
К 1962 г. относится появление языка, известного под названием Фортран IV и ставшего наиболее употребительным в настоящее время. К этому же времени относится и начало деятельности комиссии при Американской Ассоциации Стандартов (ASA), которая выработала (к 1966 г.) два стандарта – языки Фортран и базисный (основной) Фортран (Basic FORTRAN). Эти языки приблизительно соответствуют модификациям IV и II, однако базисный Фортран является подмножеством Фортрана, в то время как Фортран II таковым для Фортрана IV не является.
Язык Фортран до сих пор продолжает развиваться и совершенствоваться, оказывая влияние на создание и развитие других языков. Например, Фортран заложен в основу диалогового языка Бейсик и его расширения Бейсик-плюс, широко распространенных языков во всех системах с режимом разделения времени, языков для обучения навыкам использования алгоритмических языков в практике программирования. Эти языки реализованы в частности на персональных компьютерах. В настоящее время создан новый стандарт – Фортран 77.
Вскоре после создания Фортрана (1957 г.) появился язык Алгол (ALGOritmic Language – алгоритмический язык), созданный на основе широкого международного сотрудничества. В 1960 г. было опубликовано официальное сообщение об алгоритмическом языке, названном Алгол-60, где число 60 означает год утверждения языка.
Алгол-60 создавался после разработки и практического применения Фортрана, поэтому характеризуется как введением новых конструкций, так и обобщением понятий, имеющихся в Фортране. Например, если в Фортране операторы с функциональной точки зрения подразделяются на исполняемые и неисполняемые, то в Алголе такого деления нет, а роль неисполняемых операторов Фортрана выполняют конструкции, называемые описаниями.
Имеются и другие отличия. Однако общим для Фортрана и Алгола является то обстоятельство, что в основе обоих языков лежит понятие выражения, практически совпадающее с понятием математического выражения, использующего лишь алгебраические операции и элементарные функции. Простейшие объекты, из которых составляются выражения, – это целые и приближенные вещественные числа и логические значения.
Алгол повсеместно признан как весьма удобное средство для публикации алгоритмов и для обучения основам программирования.
И Фортран, и Алгол-60 до недавнего времени по праву заслуживали название универсальных языков, так как обеспечивали программирование основной массы научно-технических задач (преимущественно вычислительных). Но ни один из этих языков, конечно, не позволял описать все без исключения возникающие задачи. Поэтому примерно в то же время появились алгоритмические языки с другой ориентацией, отвечающие нуждам тех новых направлений науки и техники, которые стали интенсивно развиваться в последующие годы.
Примером могут служить экономические задачи – задачи учета материальных ценностей, выпущенной продукции, личного состава, финансов и т.д. предприятия или отрасли. Для таких задач основными действиями являются операции ввода и вывода при относительно небольшом количестве несложных вычислений, а также последовательная обработка массивов данных. Описание действий такого рода может быть осуществлено на языке Кобол (COmmon Business Oriented Language), предложенном фирмой IBM в 1959 г.
Задачи обработки символьной информации возникают преимущественно в области научных исследований. Это, например, преобразование формул, решение уравнений (не численное, а в аналитическом виде), анализ и синтез текстов на искусственном или естественном языке (в частности, автоматическое программирование и машинный перевод) и т.п.
Из языков для обработки символьной информации очень популярным, главным образом среди представителей физико-математических наук, является язык Лисп, созданный группой исследователей в 1960 г. в Массачусетсском технологическом институте. В этом языке вся находящаяся в обработке информация, в том числе и сама программа, организуется в так называемые списки – последовательности элементов. Элемент может быть первичным (буквенным обозначением или числом) или в свою очередь списком. Так могут возникать сколь угодно сложные структуры.
Другой язык – Снобол – применяется в основном для машинного анализа текстов, написанных на естественных языках. В нем основным понятием является строка – произвольная последовательность букв, цифр и других знаков. Главная операция – это поиск в строке части строки, построенной по заданному образу, и замена этой части другой строкой. Как образ, так и заменяющие его строки составляются из отдельных элементов простого вида. Исход поиска определяет последовательность дальнейших действий. Язык Снобол очень прост для изучения.
Основное достоинство проблемно-ориентированных, машинно-независимых алгоритмических языков в том, что они были построены с максимальным учетом представлений человека если не о существе, то о форме решаемой задачи, с максимальным приближением к той форме, в которой человек привык описывать эти задачи, и с учетом тех логических связей, которые он научился выделять в исследуемых явлениях.
Для Алгола, например, характерно приближение к привычной математической символике. Фортран же, в отличие от Алгола, ближе к машинному языку, чем к языку человека. Для Лиспа характерно использование аппарата так называемых рекурсивных описаний, широко применяемого в математической логике, в исследованиях по основаниям математики и т.п.
Обилие алгоритмических языков, появившихся в период второго поколения ЭВМ, с одной стороны, во многом объясняется модой, с другой стороны – невозможностью ни одним из предложенных языков удобно описывать все возникавшие задачи. Третье поколение ЭВМ поставило на повестку дня выработку нового подхода к созданию действительно универсального алгоритмического языка.
Одной из попыток такого рода является создание фирмой IBM алгоритмического языка ПЛ/1 (Programming Language/1 – язык программирования один). Он основан на языках Фортран и Кобол, ряд изобразительных средств и понятий взят из Алгола и других языков, в частности языков для обработки символьной информации. Затем последовательно было опубликовано несколько версий языка, которые сильно отличались друг от друга, но постепенно язык стабилизировался, и теперь новые публикации отличаются от предыдущих лишь редакционными поправками, устранением неточностей или усовершенствованием отдельных элементов.
Основными элементами программы, написанной на языке ПЛ/1, являются операторы, с помощью которых описываются как данные, так и операции их обработки. По аналогии с Фортраном исходная программа представляет собой совокупность основной программы и подпрограмм, имеющих форму блока. Понятие блока в ПЛ/l базируется на концепциях блока в языке Алгол-60. Таким образом, этот язык построен в целом на базе понятий существующих алгоритмических языков и в их традициях.
Другая попытка связана с дальнейшим развитием Алгола. В 1968 г. опубликован документ с изложением основ нового универсального алгоритмического языка, получившего название Алгол-68. В этом языке число основных понятий сведено к разумному минимуму с целью добиться высокой изобразительной силы языка, обеспечив свободу сочетания и взаимодействия этих понятий между собой.
Язык Алгол-68 традиционен, поскольку проявляется стремление обеспечить всех пользователей готовыми средствами для описания их алгоритмов. До сих пор этот подход не мог предотвратить появления все новых специализированных языков. Так, в 1971 г. был опубликован алгоритмический язык Паскаль, названный в честь великого французского ученого XVII века, сумевшего первым в мире изобрести автоматическое устройство, позволяющее складывать числа. Язык Паскаль является преемником Алгола-60, он имеет конструкции, аналогичные существующим в ПЛ/l и Алголе-68, однако Паскаль более лаконичен. Язык Паскаль почти так же прост, как и Бейсик, однако Паскаль способствует внедрению современной технологии программирования, основанной на постепенном построении программы, состоящей из небольших четко определенных процедур, т.е. последовательно проводятся в жизнь идеи структурного программирования. Другой существенной особенностью Паскаля является концепция структуры данных как одного из фундаментальных понятий, лежащих, наряду с понятием алгоритма, в основе программирования.
На основе языка Паскаль в конце 70-х годов был создан язык Ада, имеющий очень широкую сферу применения. Язык назван так по имени первой женщины-программиста Ады Лавлайс. Алгоритмический язык Ада претерпел определенные изменения в процессе эволюции и теперь имеет все отличительные признаки языка-стандарта. Это существенно структурированный язык, особенно он подходит для разработки систем реального времени. Однако язык Ада слишком громоздкий, многословный и не предоставляет программисту достаточной свободы.
В отличие от перечисленных языков высокого уровня, появившихся в начале 80-х годов, язык программирования Си является языком сравнительно низкого уровня. Но это не значит, что этот язык недостаточно мощный. Язык Си – универсальный язык, тесно связанный с популярной операционной системой UNIX (на языке Си написаны и система UNIX и ее программное обеспечение). Алгоритмический язык Си достаточно полно отражает возможности современных компьютеров, позволяя писать весьма эффективные программы, не прибегая к языкам Ассемблера, главным образом за счет простых, последовательных конструкций потоков управления. Предлагаются проверки, циклы, группирование и подпрограммы, но не мультипрограммирование, параллельные операции, синхронизация и сопрограммы – непременные атрибуты мощных языков (Ада, ПЛ/1, Алгол-68).
В последнее время проявляется тенденция к созданию так называемых расширяемых универсальных языков. Основная идея такого направления – не избегать специализированных языков-диалектов, а создать общую основу «программистских диалектов».
Расширяемый язык должен располагать средствами для грамматического разбора текстов любого из расширений, чтобы выяснить, какие тексты являются грамматически правильными для данного диалекта и какой структурой они обладают. Такой язык должен дать будущим его потребителям целый ряд важных возможностей: например, строить семантические модели (т.е. вводить новые термины в описывать выражаемые ими понятия, их взаимосвязь с некоторыми основными, исходными понятиями и с понятиями, введенными ранее), описывать реализацию расширений – способы их наиболее целесообразного представления с помощью средств, которыми располагают современные ЭВМ. Можно отметить и другие характерные черты расширяемых языков.
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 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.
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.
