Уровни программирования. Классификация языков программирования

Языки программирования, ориентированные на команды процессора и учитывающие его особенности, называют языками низкого уровня . «Низкий уровень» не означает плохой или неразвитый, имеется в виду, что операторы этого языка близки к уровню аппаратного обеспечения, машинный код ориентирован на команды конкретного типа процессора. Машинный код использовался в качестве языка программирования в машинах первого поколения.

Языком самого низкого уровня является ассемблер . Программа на нём представляет последовательность команд машинных кодов, но записанных с помощью символьных мнемоник. С помощью языков низкого уровня создаются компактные оптимальные программы, так как программист получает доступ ко всем возможностям процессора. С другой стороны, при этом требуется хорошо понимать устройство компьютера, а использование такой программы на компьютере с процессором другого типа невозможно. Такие языки программирования используются для написания небольших системных приложений, драйверов устройств, модулей стыковки с нестандартным оборудованием, когда важнее компактность, быстродействие, прямой доступ к аппаратным ресурсам.

Языки программирования, имитирующие естественные, обладающие укрупненными командами, ориентированные «на человека», называют языками высокого уровня . Особенности конкретных компьютерных архитектур в них не учитываются. Чем выше уровень языка, тем ближе структуры данных и конструкции, использующиеся в программе, к естественным для человека понятиям исходной задачи.

Таким образом, языки программирования высокого уровня ориентированы на решение больших содержательных прикладных задач. Разрабатывать программы на языках высокого уровня с помощью понятных и мощных команд значительно проще, число ошибок, допускаемых в процессе программирования, намного меньше.

С помощью языка программирования создается не готовая к исполнению программа, а только её текст (его называют исходным кодом - source code), описывающий разработанный алгоритм. Исходные тексты программ легко переносимы на другие платформы, для которых разработаны трансляторы этого языка. Трансляторы (программы-переводчики исходного кода в машинный) бывают двух основных типов: компиляторы и интерпретаторы.

Компилятор полностью обрабатывает весь текст программы: осуществляет поиск синтаксических ошибок, выполняет семантический анализ и только затем, если текст программы в точности соответствует правилам языка, его автоматически переводят (транслируют) на машинный язык в готовый к исполнению код (ЕХЕ-файл), который может работать под управлением операционной системы. Его можно перенести на другие компьютеры с процессором, поддерживающим соответствующий машинный код.

Интерпретатор берет очередной оператор языка из текста программы, анализирует его структуру и затем сразу исполняет. После успешного выполнения текущей команды интерпретатор переходит к анализу и исполнению следующей. Если один и тот же оператор в программе выполняется несколько раз, интерпретатор всякий раз воспринимает его так, будто встретил впервые. Поэтому программы, в которых требуется произвести большой объем повторяющихся вычислений, будут работать медленно. Кроме того, для выполнения программы на другом компьютере также должен быть установлен интерпретатор, так как без него программа работать не будет.

Основной недостаток компиляторов - трудоемкость трансляции языков программирования, ориентированных на обработку данных сложной структуры, заранее неизвестной или динамически меняющейся во время работы программы. Для таких программ в машинный код вводятся дополнительные проверки и анализ наличия ресурсов операционной системы, средства динамического захвата и освобождения памяти компьютера, что на уровне статически заданных машинных инструкций осуществить достаточно сложно, а для некоторых задач практически невозможно.

С помощью интерпретатора, наоборот, для исследования содержимого памяти допустимо в любой момент прервать работу программы, организовать диалог с пользователем, выполнить любые сложные преобразования данных и при этом постоянно контролировать программно-аппаратную среду, что и обеспечивает высокую надежность работы программы. Интерпретатор при выполнении каждой команды подвергает проверке и анализу необходимые ресурсы операционной системы, при возникающих проблемах выдает сообщения об ошибках.

ЭВОЛЮЦИЯ ЯЗЫКОВ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

Введение. Развитие вычислительной техники сопровождается созданием новых и совершенствованием существующих средств общения программистов с ЭВМ - языков программирования (ЯП).

Под ЯП понимают правила представления данных и записи алгоритмов их обработки, которые автоматически выполняются ЭВМ. В более абстрактном виде ЯП является средством создания программных моделей объектов и явлений внешнего мира.

К настоящему времени созданы десятки различных ЯП от самых примитивных до близких к естественному языку человека. Чтобы разобраться во всем многообразии ЯП, нужно знать их классификацию, а также историю создания, эволюцию и тенденции развития. Настоящая лекция и посвящена рассмотрению этих вопросов.

Движущие силы эволюции ЯП

Чтобы понимать тенденции развития ЯП, нужно знать движущие силы их эволюции. Для выяснения этого вопроса будем рассматривать ЯП с различных точек зрения.

Во-первых, ЯП является инструментом программиста для создания программ. Для создания хороших программ нужны хорошие ЯП. Поэтому одной из движущих сил эволюции ЯП является стремление разработчиков к созданию более совершенных программ .

Во-вторых , процесс разработки программы можно сравнивать с промышленным производством, в котором определяющими факторами являются производительность труда коллектива программистов, себестоимость и качество программной продукции. Создаются различные технологии разработки программ (структурное, модульное, объектно-ориентированное программирование и другие), которые должны поддерживаться ЯП. Поэтому второй движущей силой эволюции ЯП является стремление к повышению эффективности процесса производства программной продукции.

В-третьих , программы можно рассматривать как аналог радиоэлектронных устройств обработки информации, в которых вместо радиодеталей и микросхем используют конструкции ЯП (элементная база программы). Как и электронные устройства, программы могут быть простейшими (уровня детекторного приемника) и очень сложными (уровня автоматической космической станции), при этом уровень инструмента должен соответствовать сложности изделия. Кроме того, человеку удобнее описывать моделируемый объект в терминах предметной области, а не языком цифр. Поэтому третьей движущей силой, ведущей к созданию новых, специализированных, ориентированных на проблемную область и более мощных ЯП, является увеличение разнообразия и повышение сложности задач, решаемых с помощью ЭВМ.

В-четвертых, совершенствование самих ЭВМ приводит к необходимости создания языков, максимально реализующих новые возможности ЭВМ.

В-пятых, программы являются интеллектуальным продуктом, который нужно накапливать и приумножать. Но программы, как и технические изделия, обладают свойством морального старения, одной из причин которого является их зависимость от типа ЭВМ и операционной среды. С моральным старением программ борются путем их модернизации и выпуска новых версий, однако при высокой динамике смены типов ЭВМ и операционных сред разработчики будут только тем и заниматься, что модернизировать старые программы. Поэтому, ЯП должен обеспечивать продолжительный жизненный цикл программы, и стремление к этому является пятой движущей силой развития ЯП.

Уровни языков программирования

Если язык программирования ориентирован на конкретный тип процессора и учитывает его особенности, то он называется языком программирования низкого уровня . “Низкий уровень” – это значит, что операторы близки к машинному коду и ориентированы на конкретный тип процессора. Языком самого низкого уровня является язык Ассемблера, который представляет каждую машинную команду в виде символьных условных обозначений, называемых символьными мнемониками . Программа, написанная на языке низкого уровня, может быть использована только в такой среде, в которой она была создана. С помощью языков низкого уровня создаются очень эффективные и компактные программы, так как разработчик получает доступ ко всем возможностям процессора.

Языкипрограммирования высокого уровня ближе и понятнее человеку, чем компьютеру. В программах, созданных на языках высокого уровня, особенности компьютерных систем не учитываются, перенос программ на уровне исходных текстов на другие платформы не создает трудностей, если в них создан транслятор этого языка. Программы разрабатывать на языках высокого уровня проще, а ошибок допускается меньше.

Классификация и обзор языков программирования

Деление языков программирования на классы можно представить на схеме таким образом:

Процедурное программирование - есть отражение фон Неймановской архитектуры компьютера. Программа, написанная на процедурном языке, представляет собой последовательность команд, определяющих алгоритм решения задачи. Основная идея процедурного программирования - использование памяти для хранения данных. Основная команда- присвоение, с помощью которой определяется и меняется память компьютера. Программа производит преобразование содержимого памяти, изменяя его от исходного состояния к результирующему.

Среди процедурных языков выделяют в свою очередь структурные и операционные языки . В структурных языках одним оператором записываются целые алгоритмические структуры: ветвления, циклы и т.д. В операционных языках для этого используются несколько операций. Широко распространены следующие структурные языки: Паскаль, Си, Ада, ПЛ/1. Среди операционных известны Фортран, Бейсик, Фокал.

Различают такие языки процедурного программирования:

ü Язык Фортран создан в начале 50-х годов 20-го века для программирования научно-технических задач;

ü Кобол – создан в конце 60-х годов 20-го века для решения задач обработки больших объемов данных, хранящихся на различных носителях данных;

ü Алгол (1960 год) – это многоцелевой расширенный язык программирования. В нем впервые введены понятия «блочная структура программы» и «динамическое распределение памяти»;

ü В середине 60-х годов 20-го века был создан специализированный язык программирования для начинающих – BASIC . Характеризуется простотой освоения и наличием универсальных средств для решения научных, технических и экономических задач, а также задач, например, игровых.

Все перечисленные выше языки были ориентированы на различные классы задач, но они в той или иной мере были привязаны к конкретной архитектуре ЭВМ.

ü В 1963-1966гг был создан многоцелевой универсальный язык PL-1. Этот язык хорошо приспособлен для исследования и планирования вычислительных процессов, моделирования, решения логических задач, разработки систем математического обеспечения.

ü Язык Паскаль (PASCAL) (1968-1971гг)- язык процедурного программирования наиболее популярный для ПК, который и в настоящее время успешно применяется. В основу языка Pascal положен подход от общей задачи к частным (более простым и меньшим по объему). К основным принципам, которыми обладает Паскаль, можно отнести: а) Структурное программирование, которое основано на использовании подпрограмм и независимых структур данных; б) Программирование «сверху-вниз», когда задача делится на простые, самостоятельно решаемые задачи. Затем выстраивается решение исходной задачи полностью сверху вниз.

ü К языкам процедурного программирования можно отнести язык АДА (1979 г) Язык назван в честь первой программистки Ады Лавлейс- дочери Байрона. Его отличает модульность конструкций.

ü Язык СИ (начало 70-х годов) также относится к языкам процедурного программирования. Первоначальный его вариант планировался как язык для реализации операционной системы Unix вместо языка Ассемблера. Одной из особенностей языка СИ является то, что различия между выражениями и операторами сглаживаются, что приближает его к функциональным языкам программирования. Кроме того, в языке СИ отсутствует понятие процедуры , а использование подпрограмм основано на понятии функции , которая может сочетать в себе возможности процедуры. С одной стороны, по набору управляющих конструкций и структур данных его можно отнести к языкам высокого уровня, а с другой – он имеет набор средств прямого обращения к функциональным узлам компьютера, а это означает, что его можно использовать как операционный язык.

©2015-2019 сайт
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-02-16

При составлении программ фрагменты ее могут быть написаны на высоком, среднем и низком уровне. Это деление является весьма условным. Под программированием на узком уровне мы будем понимать работу непосредственно с аппаратурой ЭВМ, т.е. абсолютными адресами памяти, с регистрами процессора, теми или иными устройствами, пользоваться только системой вшитых подпрограмм (BIOS). При программировании на низком уровне программы получаются практически на машинном языке. Поэтому они работают очень эффективно. Скорость работы таких программ очень высокая. Мы работаем с аппаратурой напрямую без посредников. Однако написание программ на низком уровне требуют от программиста большой подготовки знания устройства ЭВМ. Такие программы чаще всего громоздки и требуют описания каждого шага до мелочей. Кроме того программы на низком уровне сильно зависят от компьютера и очень плохо переносятся на другие типы ЭВМ.

Программирование на среднем уровне предполагает использование основных функций операционной системы. Программирование на среднем уровне сильно напоминает программирование на низком уровне, однако операционная система берет на себя устранение различий между различными ЭВМ. Программы становятся более машинно-независимые.

Программирование на высоком уровне подразумевает использование функций языка программирования высокого уровня. Например: BASIC, PASCAL и т.д. При программировании на высоком уровне не обязательно знать архитектуру ЭВМ. Мы подаем команду, а как она будет выполнена, нас не интересует. Программирование на высоком уровне является машинно-независимым программированием. Написание программы на высоком уровне - наиболее простой и быстрый способ написания программ. Однако программы, написанные на высоком уровне, являются трудными для ЭВМ. Время выполнения таких программ значительно больше, чем аналогичных фрагментов, написанных на низком уровне. Как мы видим, нельзя дать единой рекомендации по способу написания программ. Как всегда лучше всего - «золотая серединка». При написании программы желательно по мере возможности и необходимости использовать фрагменты, написанные на подходящем для этого уровне. ОЗУ.

Оперативно запоминающее устройство (ОЗУ) является неотъемлемой частью любого компьютера. Из ОЗУ в процессор поступают команды и числа, над которыми производятся предусмотренные командой операции. А из процессора в ОЗУ направляются для хранения результаты начальной и конечной обработки. В тех или иных местах хранится информация о конфигурации ЭВМ, о работе ее составных частей. Изменяя или просматривая эту информацию, мы можем программно вмешиваться в вычислительный процесс. Например, в обучающих программах следить за режимами работы клавиатуры и в нужных местах либо предупреждать пользователя о необходимости переключить РУС/ЛАТ, либо самим переключить клавиатуру.

IBM в основном обрабатывает информацию, представленную в виде байтов, слов, двойных слов. Первая ЭВМ фирмы IBM имела 8 разрядные адреса, позволяло обращаться к 64 Кбайтам памяти.

Базовый процессор 80х86 использует 20 разрядные адреса. 2 20 байт - до 1 Мбайта памяти. Т.е. адрес любой ячейки памяти описывается с помощью 20 бит или 20 нулей и единиц. В шестнадцатеричной системе счисления - с помощью 5 шестнадцатеричных чисел. Такие адреса называются абсолютными или физическими адресами. Однако ЭВМ удобнее работать с байтами, словами.

Поэтому память адреса удобнее рассматривать в виде 16 разрядных адресов. Поэтому память условно делят на участки - сегменты. Начальные адреса сегментов называют базами. Они могут быть произвольными. Тогда абсолютный адрес равен

где В - база сегмента, ofs - смещение, относительно базы. Теперь базу можно упрятать в отдельный регистр (ячейка памяти), и оперировать только смещением. ЭВМ автоматически сама рассчитывает абсолютный адрес. Такие регистры называются базовыми или сегментными регистрами.

Сегменты выбирают кратные 16, т.е. последние 4 бита равны 0.

Х0000 база (сегмент)

Уууу смещение.

ZZZZZ абсолютный адрес.

Отбросив в базе последний 0, адрес ячейки записывают в виде пары 4-значных шестнадцатеричных чисел: ХХХХ:YYYY. Тогда:

Абсолютный адрес = База*16 + смещение.

Если мы оперируем с шестнадцатеричными числами, то умножение числа на 16, равносильно тому, что приписать сзади один 0. Т.е. для того, чтобы по паре чисел вычислить абсолютный адрес, достаточно к базе приписать сзади 0 и сложить полученное число со смещением.

Например: 4000:0417 - Абсолютный адрес этой ячейки -

Язык программирования TURBO-PASCAL V 7.0 предоставляет обширные возможности работы с адресами и регистрами компьютера. Все возможности работы непосредственно с аппаратурой сосредоточены в модуле DOS.

При обращении к той или иной ячейки памяти, в TURBO-PASCAL V 7.0 применяется служебное слово ABSOLUTE или функция MEM[адрес]. При адресации принято оперировать с шестнадцатеричными числами. Признаком числа в шестнадцатеричной системе является знак $ перед числом. Функция МЕМ[$4000:$4231] непосредственно связывается с ячейкой памяти с указанным адресом. С помощью этой функции можно не только получать значения из указанной ячейки, но и присваивать значения этой функции.

Например: MEM[$0000:$0417] := $5A

Приведем два примера одной и той же программы. Она определяет, нажата ли клавиша CAPS. Состояние клавиатуры хранится в ячейке памяти с адресом $0000:$0417. Проанализировав содержимое этой ячейки, программа выводит на экран сообщение.

Более подробно смысл информации в этой ячейке будет рассмотрен позже.

Пример №1

uses dos; var x:byte absolute $0000:$0417;

if (x and $40)=0 then writeln("CAPS - не нажата")

else writeln("CAPS - нажата");

В данном примере переменной Х ставится в соответствие ячейка по абсолютному адресу $0000:$0417

Пример №2.

uses dos; var x:byte;begin x:=mem[$0000:$0417]; if (x and $40)=0 then writeln("CAPS - не нажата") else writeln("CAPS - нажата"); readlnend.

В данном примере для обращения к ячейке памяти по адресу используется функция МЕМ[адрес]

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. В данном случае «низкий уровень» не значит «плохой». Имеется в виду, что операторы языка близки к машинному коду и ориентированы на конкретные команды процессора. Языком самого низкого уровня является язык ассемблера, который просто представляет каждую команду машинного кода, но не в виде чисел, а с помощью символьных условных обозначений, называемых, мнемониками. Однозначное преобразование одной машинной инструкции в одну команду ассемблера называется транслитерацией. Так как наборы инструкций для каждого 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. С другой стороны, при этом требуется очень хорошо понимать устройство компьютера, затрудняется отладка больших приложений, а 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. В некоторых областях, например в машинной графике, на языке ассемблера пишутся библиотеки, эффективно реализующие требующие интенсивных вычислений алгоритмы обработки изображений. 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.

2. Поколения языков программирования

Языки программирования принято делить на пять поколений. В первое поколение входят языки, созданные в начале 50-х годов, когда первые компьютеры только появились на свет. Это был первый язык ассемблера, созданный по принципу «одна инструкция - одна строка».

Расцвет второго поколения языков программирования пришелся на конец 50-х - начало 60-х годов. Тогда был разработан символический ассемблер, в котором появилось понятие переменной. Он стал первым полноценным языком программирования. Благодаря его возникновению заметно возросли скорость разработки и надежность программ.

Появление третьего поколения языков программирования принято относить к 60-м годам. В это время родились универсальные языки высокого уровня, с их помощью удается решать задачи из любых областей. Такие качества новых языков, как относительная простота, независимость от конкретного компьютера и возможность использования мощных синтаксических конструкций, позволили резко повысить производительность труда программистов. Понятная большинству пользователей структура этих языков привлекла к написанию небольших программ (как правило, инженерного или экономического характера) значительное число специалистов из некомпьютерных областей. Подавляющее большинство языков этого поколения успешно применяется и сегодня.

С начала 70-х годов по настоящее время продолжается период языков четвертого поколения. Эти языки предназначены для реализации крупных проектов, повышения их надежности и скорости создания. Они обычно ориентированы на специализированные области применения, где хороших результатов можно добиться, используя не универсальные, а проблемно-ориентированные языки, оперирующие конкретными понятиями узкой предметной области. Как правило, в эти языки встраиваются мощные операторы, позволяющие одной строкой описать такую функциональность, для реализации которой на языках младших поколений потребовались бы тысячи строк исходного кода.

Рождение языков пятого поколения произошло в середине 90-х годов. К ним относятся также системы автоматического создания прикладных программ с помощью визуальных средств разработки, без знания программирования. Главная идея, которая закладывается в эти языки, - возможность автоматического формирования результирующего текста на универсальных языках программирования (который потом требуется откомпилировать). Инструкции же вводятся в компьютер в максимально наглядном виде с помощью методов, наиболее удобных для человека, не знакомого с программированием.

3. Обзор языков программирования высокого уровня

Fortran (Фортран). Это первый компилируемый язык, созданный Джимом Бэкусом в 50-е годы. Программисты, разрабатывавшие программы исключительно на ассемблере, выражали серьезное сомнение в возможности появления высокопроизводительного языка высокого уровня, поэтому основным критерием при разработке компиляторов Фортрана являлась эффективность исполняемого кода. Хотя в Фортране впервые был реализован ряд важнейших понятий программирования, удобство создания программ было принесено в жертву возможности получения эффективного машинного кода. Однако для этого языка было создано огромное количество библиотек, начиная от статистических комплексов и кончая пакетами управления спутниками, поэтому Фортран продолжает активно использоваться во многих организациях, а сейчас ведутся работы над очередным стандартом Фортрана F2k, который появится в 2000 году. Имеется стандартная версия Фортрана HPF(High Performance Fortran) для параллельных суперкомпьютеров со множеством процессоров.

Cobol (Кобол) . Это компилируемый язык для применения в экономической области и решения бизнес-задач, разработанный в начале 60-х годов. Он отличается большой «многословностью» - его операторы иногда выглядят как обычные английские фразы. В Коболе были реализованы очень мощные средства работы с большими объемами данных, хранящимися на различных внешних носителях. На этом языке создано очень много приложений, которые активно эксплуатируются и сегодня. Достаточно сказать, что наибольшую зарплату в США получают программисты на Коболе.

Algol (Алгол). Компилируемый язык, созданный в 1960 году. Он был призван заменить Фортран, но из-за более сложной структуры не получил широкого распространения. В1968 году была создана версия Алгол 68, по своим возможностям и сегодня опережающая многие языки программирования, однако из-за отсутствия достаточно эффективных компьютеров для нее не удалось своевременно создать хорошие компиляторы.

Pascal (Паскаль). Язык Паскаль, созданный в конце 70-х годов основоположником множества идей современного программирования Никлаусом Виртом, во многом напоминает Алгол, но в нем ужесточен ряд требований к структуре программы и имеются возможности, позволяющие успешно применять его при создании крупных проектов.

Basic (Бейсик). Для этого языка имеются и компиляторы, и интерпретаторы, а по популярности он занимает первое место в мире. Он создавался в 60-х годах в качестве учебного языка и очень прост в изучении.

С (Си). Данный язык был создан в лаборатории Bell и первоначально не рассматривался как массовый. Он планировался для замены ассемблера, чтобы иметь возможность создавать столь же эффективные и компактные программы, и в то же время не зависеть от конкретного типа процессора.

Си во многом похож на Паскаль и имеет дополнительные средства для прямой работы с памятью (указатели). На этом языке в 70-е годы написано множество прикладных и системных программ и ряд известных операционных систем (Unix).

C++ (Си++). Си++ - это 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, в результате чего создание сложных и надежных программ потребовало от разработчиков высокого уровня профессиональной подготовки.

Java (Джава, Ява). Этот язык был создан компанией Sun в начале 90-х годов на основе Си++. Он призван упростить разработку приложений на основе Си++ путем исключения из него всех низкоуровневых возможностей. Но главная особенность этого языка - компиляция не в машинный код, а в платформно-независимый байт-код (каждая команда занимает один байт). Этот байт-код может выполняться с помощью интерпретатора - виртуальной Java-машины JVM(Java Virtual Machine), версии которой созданы сегодня для любых платформ. Благодаря наличию множества Java-машин программы на Java можно переносить не только на уровне исходных текстов, но и на уровне двоичного байт-кода, поэтому по популярности язык Ява сегодня занимает второе место в мире после Бейсика.

Особое внимание в развитии этого языка уделяется двум направлениям: поддержке всевозможных мобильных устройств и микрокомпьютеров, встраиваемых в бытовую технику (технология Jini) и созданию платформно-независимых программных модулей, способных работать на серверах в глобальных и локальных сетях с различными операционными системами (технология Java Beans). Пока основной недостаток этого языка - невысокое быстродействие, так как язык Ява интерпретируемый.