Уровни языков программирования. Классификация знаний в области программирования

Язык программирования - язык (знаковая система), предназначенный для записи компьютерных программ. Язык программирования определяет набор лексических, синтаксических и семантических правил, определяющих внешний вид программы и действия, которые выполнит исполнитель (обычно - ЭВМ) под её управлением. Язык программирования предназначен для написания компьютерных программ, которые представляют собой набор правил, позволяющих компьютеру выполнить тот или иной вычислительный процесс, организовать управление различными объектами, и т. п. Язык программирования отличается от естественных языков тем, что предназначен для взаимодействия человека с ЭВМ, в то время как естественные языки используются для общения людей между собой.

Существуют различные классификации языков программирования. делят на языки низкого и высокого уровня .

Если язык близок к естественному языку программирования, то он называется языком высокого уровня, если ближе к машинным командам, – языком низкого уровня.

В группу языков низкого уровня входят машинные языки и языки символического кодирования: Автокод, Ассемблер. Операторы этого языка – это те же машинные команды, но записанные мнемоническими кодами, а в качестве операндов используются не конкретные адреса, а символические имена. Все языки низкого уровня ориентированы на определенный тип компьютера, т. е. являются машинно–зависимыми.

К языкам программирования высокого уровня относят Фортран (переводчик формул), Алгол , Кобол (коммерческий язык – используется, в первую очередь, для программирования экономических задач), Паскаль , Бейсик , Си , Пролог и т.д.

Эти языки машинно–независимы , т.к. они ориентированы не на систему команд той или иной ЭВМ, а на систему операндов, характерных для записи определенного класса алгоритмов. Однако программы, написанные на языках высокого уровня, занимают больше памяти и медленнее выполняются, чем программы на машинных языках.

Языки программирования также можно разделять на поколения:

– языки первого поколения : машинно–ориентированные с ручным управлением памяти на компьютерах первого поколения.

– языки второго поколения : с мнемоническим представлением команд, так называемые автокоды.

– языки третьего поколения : общего назначения, используемые для создания прикладных программ любого типа. Например, Бейсик, Кобол, Си и Паскаль.

– языки четвертого поколения : усовершенствованные, разработанные для создания специальных прикладных программ, для управления базами данных.

– языки программирования пятого поколения : языки декларативные, объектно–ориентированные и визуальные. Например, Пролог, ЛИСП (используется для построения программ с использованием методов искусственного интеллекта), Си++, Visual Basic, Delphi.

7. Прикладное программное обеспечение. Ппп ms Office.

Прикладное программное обеспечение – это комплекс программных средств и документации к ним, предназначенных для решения сравнительно узких классов задач в конкретных предметных областях, рассчитанных на определенного потребителя: научно-технических, экономических, инженерных, конструкторских и других специальных задач в различных сферах человеческой деятельности.

Таким образом, каждая прикладная программа (чаще всего именно такие программы называют приложениями ) предназначена для решения конкретной задачи в определенной области применения (например: офисные программы, правовые системы, бухгалтерские программы, издательские системы и т.п.).

Пакет прикладных программ – это комплекс программ, предназначенный для решения задач определенного класса (функциональная подсистема, бизнес-приложение).

Различают следующие типы ППП:

· общего назначения (универсальные);

· метод-ориентированные;

· проблемно-ориентированные;

· глобальных сетей;

· организации (администрирования) вычислительного процесса

ППП общего назначения – универсальные программные продукты, предназначенные для автоматизации разработки и эксплуатации функциональных задач пользователя и информационных систем в целом.

Метод-ориентированные ППП отличаются тем, что в их алгоритмической основе реализован какой-либо экономико-математический метод решения задачи.

Проблемно-ориентированными ППП называются программные продукты, предназначенные для решения какой-либо задачи в конкретной функциональной области.

ППП отдельных предметных областей. Одним из основных направлений развития софтверной индустрии на протяжении нескольких лет является разработка ППП для различных предметных областей: бухгалтерского учета, финансового менеджмента, правовых систем и т.д.

ППП бухгалтерского учета (ППП БУ). Несмотря на то, что в мире существует более тысячи тиражируемых бухгалтерских пакетов различной мощности и стоимости, российские предприниматели предпочитают отечественные пакеты, более подходящие для условий переходной экономики и быстрой смены законодательных актов, регулирующих порядок бухгалтерского учета. В настоящее время появляется третье поколение российских автоматизированных бухгалтерских систем.

ППП финансового менеджмента (ППП ФМ ) появились в связи с необходимостью финансового планирования и анализа деятельности фирм.

ППП правовых справочных систем представляют собой эффективный инструмент работы с огромным объемом законодательной информации, поступающей непрерывным потоком.

ППП глобальных сетей ЭВМ . Основным назначением глобальных вычислительных сетей является обеспечение удобного, надежного доступа пользователя к территориально распределенным общесетевым ресурсам, базам данных, передаче сообщений и т.д.

Для обеспечения организации администрирования вычислительного процесса в локальных и глобальных сетях ЭВМ в более чем 50% систем мира используется ППП фирмы Bay Networks (США), управляющий администрированием данных, коммутаторами, концентраторами, маршрутизаторами, трафиком сообщений.

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

Со времени создания первых программируемых машин человечество придумало более восьми тысяч языков программирования (включая нестандартные, визуальные и эзотерические языки). Каждый год их число увеличивается. Некоторыми языками умеет пользоваться только небольшое число их собственных разработчиков, другие становятся известны миллионам людей. Профессиональные программисты могут владеть десятком и более разных языков программирования.

Язык программирования предназначен для написания компьютерных программ, которые представляют собой набор правил, позволяющих компьютеру выполнить тот или иной вычислительный процесс, организовать управление различными объектами, и т. п. Язык программирования отличается от естественных языков тем, что предназначен для
взаимодействия человека с ЭВМ, в то время как естественные языки используются для общения людей между собой. Большинство языков программирования использует специальные конструкции для определения и манипулирования структурами данных и управления процессом вычислений.

Как правило, язык программирования существует в виде:

стандарта языка - набора спецификаций, определяющих его синтаксис и семантику; стандарт языка может исторически развиваться (см. подробнее стандартизация);
воплощений (реализаций) стандарта - собственно программных средств, обеспечивающих работу согласно тому или иному варианту стандарта языка; такие программные средства различаются по производителю, марке и варианту (версии), времени выпуска, полноте воплощения стандарта, дополнительным возможностям; могут иметь определённые ошибки или особенности воплощения, влияющие на практику использования языка или даже на его стандарт.

Способы реализации языков

Языки программирования могут быть реализованы как: компилируемые, интерпретируемые и встраиваемые.
Программа на компилируемом языке при помощи компилятора (особой программы) преобразуется (компилируется) в машинный код (набор инструкций) для данного типа процессора и далее собирается в исполнимый модуль, который может быть запущен на исполнение как отдельная программа. Другими словами, компилятор переводит исходный текст программы с языка программирования высокого уровня в двоичные коды инструкций процессора.

Если программа написана на интерпретируемом языке, то интерпретатор непосредственно выполняет (интерпретирует) исходный текст без предварительного перевода. При этом программа остаётся на исходном языке и не может быть запущена без интерпретатора. Процессор компьютера, в этой связи, можно назвать интерпретатором для машинного кода.

Разделение на компилируемые и интерпретируемые языки является условным. Так, для любого традиционно компилируемого языка, как, например, Паскаль, можно написать интерпретатор. Кроме того, большинство современных «чистых» интерпретаторов не исполняют конструкции языка непосредственно, а компилируют их в некоторое
высокоуровневое промежуточное представление (например, с разыменованием переменных и раскрытием макросов).
Для любого интерпретируемого языка можно создать компилятор - например, язык Лисп, изначально интерпретируемый, может компилироваться без каких бы то ни было ограничений. Создаваемый во время исполнения программы код может так же динамически компилироваться во время исполнения.

Как правило, скомпилированные программы выполняются быстрее и не требуют для выполнения дополнительных программ, так как уже переведены на машинный язык. Вместе с тем, при каждом изменении текста программы требуется её перекомпиляция, что замедляет процесс разработки. Кроме того, скомпилированная программа может выполняться только на том же типе компьютеров и, как правило, под той же операционной системой, на которую был рассчитан компилятор. Чтобы создать исполняемый файл для машины другого типа, требуется новая компиляция.
Интерпретируемые языки обладают некоторыми специфическими дополнительными возможностями (см. выше), кроме того, программы на них можно запускать сразу же после изменения, что облегчает разработку.

Программа на интерпретируемом языке может быть зачастую запущена на разных типах машин и операционных систем без дополнительных усилий.
Однако интерпретируемые программы выполняются заметно медленнее, чем компилируемые, кроме того, они не могут выполняться без программы-интерпретатора.
Некоторые языки, например, Java и C#, находятся между компилируемыми и интерпретируемыми. А именно, программа компилируется не в машинный язык, а в машинно-независимый код низкого уровня, байт-код. Далее байт-код выполняется виртуальной машиной. Для выполнения байт-кода обычно используется интерпретация, хотя отдельные его части для ускорения работы программы могут быть транслированы в машинный код непосредственно во время выполнения программы по технологии компиляции «на лету» (Just-in-time compilation, JIT). Для Java байт-код исполняется виртуальной машиной Java (Java Virtual Machine, JVM), для C# - Common Language Runtime.

Подобный подход в некотором смысле позволяет использовать плюсы как интерпретаторов, так и компиляторов. Следует упомянуть, что есть языки, имеющие и интерпретатор, и компилятор (Форт).

Языки программирования низкого уровня

Первые компьютеры приходилось программировать двоичными машинными кодами. Однако программировать таким образом - довольно трудоемкая и тяжелая задача. Для упрощения этой задачи начали появляться языки программирования низкого уровня, которые позволяли задавать машинные команды в понятном для человека виде. Для преобразования их в двоичный код были созданы специальные программы - трансляторы.
Трансляторы делятся на:

компиляторы - превращают текст программы в машинный код, который можно сохранить и после этого использовать уже без компилятора (примером является исполняемые файлы с расширением *.exe).
интерпретаторы - превращают часть программы в машинный код, выполняют его и после этого переходят к следующей части. При этом каждый раз при выполнении программы используется интерпретатор.

Примером языка низкого уровня является ассемблер. Языки низкого уровня ориентированы на конкретный тип процессора и учитывают его особенности, поэтому для переноса программы на ассемблере на другую аппаратную платформу её нужно почти полностью переписать. Определенные различия есть и в синтаксисе программ под разные компиляторы. Правда, центральные процессоры для компьютеров фирм AMD и Intel практически совместимы и отличаются лишь некоторыми специфическими командами. А вот специализированные процессоры для других устройств, например, видеокарт и телефонов содержат существенные различия.
Языки низкого уровня, как правило, используют для написания небольших системных программ, драйверов устройств, модулей стыков с нестандартным оборудованием, программирование специализированных микропроцессоров, когда важнейшими требованиями являются компактность, быстродействие и возможность прямого доступа к аппаратным ресурсам. Ассемблер - язык низкого уровня, широко применяется до сих пор.

Языки программирования высокого уровня

Особенности конкретных компьютерных архитектур в них не учитываются, поэтому созданные приложения легко переносятся с компьютера на компьютер. В большинстве случаев достаточно просто перекомпилировать программу под определенную компьютерную архитектурную и операционную систему. Разрабатывать программы на таких языках значительно проще и ошибок допускается меньше. Значительно сокращается время разработки программы, что особенно важно при работе над большими
программными проектами.
Сейчас в среде разработчиков считается, что языки программирования, которые имеют прямой доступ к памяти и регистров или имеют ассемблерные вставки, нужно считать языками программирования с низким уровнем абстракции. Поэтому большинство языков, считавшихся языками высокого уровня до 2000 года сейчас уже таковыми не считаются.

Адресный язык программирования
Фортран
Кобол
Алгол
Pascal
Pascal ABC
Python
Basic
Objective-C
Smalltalk
Delphi

Недостатком некоторых языков высокого уровня является большой размер программ в сравнении с программами на языках низкого уровня. С другой стороны, для алгоритмически и структурно сложных программ при использовании суперкомпиляции преимущество может быть на стороне языков высокого уровня. Сам текст программ на языке высокого уровня меньше, однако, если взять в байтах, то код, изначально написанный на ассемблере, будет более компактным. Поэтому в основном языки высокого
уровня используются для разработки программного обеспечения компьютеров и устройств, которые имеют большой объём памяти. А разные подвиды ассемблера применяются для программирования других устройств, где критичным является размер программы.

Используемые символы

Современные языки программирования рассчитаны на использование ASCII, то есть доступность всех графических символов ASCII является необходимым и достаточным условием для записи любых конструкций языка. Управляющие символы ASCII используются ограниченно: допускаются только возврат каретки CR, перевод строки LF и
горизонтальная табуляция HT (иногда также вертикальная табуляция VT и переход к следующей странице FF).

Ранние языки, возникшие в эпоху 6-битных символов, использовали более ограниченный набор. Например, алфавит Фортрана включает 49 символов
(включая пробел): A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 = + - * / () . , $ " :
Заметным исключением является язык APL, в котором используется очень много специальных символов.
Использование символов за пределами ASCII (например, символов KOI8-R или символов Юникода) зависит от реализации: иногда они разрешаются только в комментариях и символьных/строковых константах, а иногда и в идентификаторах. В СССР существовали языки, где все ключевые слова писались русскими буквами, но большую популярность подобные языки не завоевали.
Расширение набора используемых символов сдерживается тем, что многие проекты по разработке программного обеспечения являются международными. Очень сложно было бы работать с кодом, где имена одних переменных записаны русскими буквами, других - арабскими, а третьих - китайскими иероглифами. Вместе с тем, для работы с текстовыми данными языки программирования нового поколения (Delphi 2006, C#, Java) поддерживают Unicode.

Категории языков программирования

Функциональные
Процедурные (императивные)
Стековые
Аспектно-ориентированные
Декларативные
Динамические
Учебные
Описания интерфейсов
Прототипные
Объектно-ориентированные
Рефлексивные (то есть поддерживающие отражение)
Логические
Скриптовые (сценарные)
Эзотерические

2 года назад я написал статью о классификации знаний в области программирования. Это было на волне интереса и моей активной деятельности по самообразованию в компьютерных науках. Написал статью и забыл о ней. Публиковать на Хабре не собирался. В конце концов, она базируется на моем личном опыте и знаних, которые могут оказаться весьма субъективны.

Недавно, на фоне постоянно поступающих вопросов «как научиться программированию?», я вспомнил про этот материал и перечитал его. Прошло уже 2 года, пополнился опыт, добавились знания, изменились взгляды. Но эта статья для меня не утратила актуальности, и я не нашел почти ничего, что хотел бы в ней изменить. Мне показалось, что она все же достойна публикации. И, возможно, кому-то она поможет в собственном профессиональном развитии.

Но прежде, чем «запустить» материал, еще небольшое отступление. О том, почему вообще я все это писал. Дело в том, что у нас в странах бывшего СССР с образованием в области IT очень туго. С одной стороны нет программ обучения, которые подготовят специалистов на должном уровне (наверное, за очень редкими исключениями, которые можно отнести к погрешности). С другой стороны, из-за широких возможностей самообразования, программисты и не спешат учиться в ВУЗах - все стремятся начать практиковать как можно раньше. Часто изучается только одно направление (например PHP+Mysql - самое популярное) и в бой. Причем, на этом все заканчивается. В итоге у нас огромное количество программистов, которые и базовых вещей не знают. Отсюда вытекают проблемы с качеством кода, и с эффекивностью алгоритмов, с велосипедированием.

Но программирование - это полноценная область знаний, которая требует в том числе и инженерной подготовки. Точно так же, как строительство или телекоммуникации. Да, построить дом (особняк) можно своими руками и без образования. А поднять большинство сайтов можно прочитав пару книг по PHP и HTML. Но многоэтажку без специальной подготовки не построишь, как и Гугл не напишешь, не зная основ.

Возможности для самообразования в компьютерных науках сейчас огромны. Единственное, чего не хватает, - это системности подготовки. Как разобраться, что и в какой последовательности изучать? Мне кажется, что этот материал поможет разложить по полочкам области знаний в компьютерных науках и составить для себя программу изучения по книгам. Выбор книг - тема отдельная, в рамки статьи не входит, но это можно обсудить в комментариях.

Меня иногда спрашивают, что нужно выучить, чтобы стать программистом. Вопрос несколько наивный, т.к. нормально ответить на него по-моему невозможно. Т.е. для начала нужно выяснить, каким программистом нужно стать. Да и вообще, программистом ли? Кроме того, на рынке востребованы как высококвалифицированные дорогие специалисты, так и “рабочая сила”. Пакет знаний и опыта первых и вторых отличается в значительной степени.

Но, не смотря на такую расплывчатость вопроса, дать ответ на него все же можно. Можно описать примерный максимум знаний, которые так или иначе относятся к программированию. Собственно, этот максимум обычно и стремятся преподать в ВУЗах на специальностях, в названии которых фигурирует слово “программист”.

Я учился на программиста в колледже, потом в университете. Именно университет немного разложил по полочкам понимание и взаимосвязь дисциплин, относящиеся к так называемым компьютерным наукам. Пусть знания, которые там давали, были недалекими и немного устаревшими, но системный подход у них был сформирован неплохой. Спустя годы практики после окончания обучения я пришел к выводу, что ВУЗовская классификация дисциплин вполне хороша и позволяет ответить на вопрос, что же следует знать любому программисту.

Конечно, знать все невозможно. Да и не нужно. Кроме того, какие-то вопросы нужно знать глубоко, а в других достаточно поверхностного обзорного понимания. По-этому в зависимости от специализации некоторые дисциплины более актуальны, некоторые менее. Но общие базовые знания необходимы почти по всем из них для любого инженера-программиста, от системщика до веб-разработчика.

В предыдущем абзаце я специально ввел термин “инженер-программист”. Как-то получается так, что программист - это не обязательно инженер. Даже из определения Википедии следует, что инженер - это в первую очередь проектировщик. Это тот, кто создает, т.е. проектирует системы. А в практике программирования проектирование нужно не всегда. Иногда достаточно кодирования: используя данный набор технологий, слепить что-то работающее. Типичный пример - стадо корпоративных или маркетинговых сайтов на джумлах, ворпрессах, друпалах и т.д. Это уровень техника, не инженера. Это уровень среднего образования. И работать техником можно даже после окончания курсов какого-либо языка программирования, крепкая теоретическая база там не нужна.

И, возвращаясь к инженерам-программистам, я хочу предложить свой граф дисциплин, которые изучают программисты. Очевидно, что одни дисциплины активно используют знания других, либо вовсе вырастают из других. Соответственно для полного понимания “верхнего” предмета, необходим какой-то уровень понимания нижнего.

Граф состоит из предметов (дисциплин) и разбит на уровни. Самый нижний - Общая база - вообще отношения к компьютерным наукам не имеет. Он приведен только для того, чтобы показать, на чем базируются дисциплины компьютерных наук.

Между дисциплинами существуют 2 вида связей: использование (обычная стрелка) и расширение (контур стрелки). Использование подразумевает необходимость фрагментарных знаний другого предмета, а расширение - необходимость как минимум обзорных, но полных знаний расширяемой дисциплины.

Первый уровень из CS (computer science) - Специальная база . Это стартовая площадка для любого программиста по четырем фронтам:

арифметические основы ЭВМ (системы счисления и операции с числами, логические операции);
физические основы ЭВМ (полупроводники, транзисторы, логические элементы, схемы, интегральные микросхемы);
теория алгоритмов (алгоритмы и структуры данных; сложность, эффективность; способы представления информации в памяти);
языки программирования (задача и понятие ЯП, уровни, типы языков, абстракция, уровни абстракции, трансляция/компиляция, шаблоны, принципы, парадигмы - обзор).

Специальная база предлагает фундаментальные теоретические знания, на которых строятся дисциплины более высоких уровней. Для среднего программиста необходимы обзорные знания по всем предметам специальной базы. Для некоторых специализаций требуется углубленное понимание теории алгоритмов (прежде всего - разработчикам разного рода библиотек).

Уровнем выше располагаются дисциплины, которые являются базовыми именно в программировании. По-этому я назвал этот уровень Основы . В него входят:

архитектура ЭВМ (процессоры, микроархитектура, память, шины, ввод/вывод);
обработка информации (теория информации, статистика, модели, поиск данных, лингвистические аспекты, обработка информации средствами табличных процессоров);
основы C/C++ (базовые свойства языка, синтаксис, указатели, ввод/вывод, массивы, основы STL).

Следом за Основами идет Уровень 1 . Это первый прикладной уровень, и особо нетерпеливые могут начать коммерческую практику, овладев этим уровнем. Он включает 5 дисциплин:

основы ASM (развитие архитектуры ЭВМ в направлении программирования, написание простейших драйверов и алгоритмов, ассемблерные вставки в C/C++);
C/C++ (ООП, разработка прикладных приложений, библиотеки, WinAPI, make utils, параллельное программирование).
операционные системы (архитектура ОС, процессы, межпроцессное взаимодействие, потоки, планирование, работы с памятью и переферией, POSIX-системы);
системный анализ (предметная область, бизнес-процессы, потоки, диаграммы, принципы и теория системного анализа);
базы данных (теория множеств, виды СУБД, реляционные СУБД, модели данных, SQL, конкретные БД).

Следующий уровень - Уровень 2 - развивает предыдущий. Кстати, компьютерные сети попали в него только по той причине, что для их изучения желательно (но не обязательно) предварительно освоить операционные системы. По развитости этот предмет ближе все-таки к первому уровню.

Уровень 2 включает:

разработку ПО (жизненный цикл ПО, этапы разработки, основы ведения программных проектов, инструменты);
анализ данных (Data Mining, OLAP, машинное обучение, нейронные сети, ИИ);
компьютерные сети (по уровням стеков TCP/IP и/или ISO/OSI “от и до”, протоколы, сетевое программирование на C/C++);
языки программирования с управляемым кодом (управляемый код, виртуальные машины, сборщики мусора, юнит-тестирование, собственно практика на C# или Java);

Уровень 3 - последний уровень для среднего программиста. Он самый объемный и включает только те дисциплины, которые непосредственно связаны с разработкой ПО. Всего их получилось 6:

разработка UI и юзабилити (принципы построения интерфейсов пользователя);
управление командами и проектами (методологии разработки и другие вопросы управления);
тестирование ПО (обзорно: виды тестирования, инструменты);
веб-технологии (HTTP-протокол, веб-сервер, CGI, кэширование и проксирование, клиентское программирование);
распределенные системы (архитектуры распределенных систем, протоколы сетевого взаимодействия компонентов, инструменты, принципы, подходы к построению распределенных систем, отказоустойчивость, большие данные, высокие нагрузки);
интерпретируемые языки программирования (особенности, основы по двум-трем языкам, практика по одному-двум языкам: JS, PHP, Python, Ruby).

Все, что идет выше, - расширенные Экспертные знания . По большому счету этот уровень можно расширять неограниченно, добавляя в него смежные с разработкой дисциплины и наиболее сложные аспекты разработки ПО. Я привел 3 примера - разработка компиляторов, разработка операционных систем и построение архитектур больших программно-аппаратных систем, либо архитектур, рассчитанных на особо высокие нагрузки. Зависимости к нижним уровням га графе не рисовал, т.к. получится слишком много стрелок, идущих через все уровни, вплоть до Общей базы. Наверное, широкие зависимости - это один из признаков вопросов экспертного характера. Здесь как раз подтверждается то, что экспертный уровень требует самых широких знаний и хорошего опыта.

Интересно в графе то, что он не только показывает предпочтительный порядок изучения предметов, но также:

дает возможность понять, какие дисциплины нужны больше, какие меньше для работы в определенной специализации (просто выбрать основной предмет специализации и смотреть по связям и удаленности до других);
дает понимание, как изучать компьютерные науки, если начинать не с фундаментальных основ, а с прикладных знаний (например, PHP) - можно двигаться по связям в стороны и вниз - собственно именно таким был мой личный путь развития (и я никак не могу назвать его самым легким, эффективным и оптимальным).

Граф - это модель. А хорошая модель как правило дает ответы сразу на множество вопросов. Я поставил перед собой задачу сделать хороший граф, близкий к реальности. Естественно, он основан на моем личном опыте и не претендует на идеал. Я старался сделать его наиболее объективным. И еще раз напоминаю, что это граф для программиста. Т.е. для тестировщика, сисадмина и других близких к программированию профессий он будет более или менее близким, но явно другим.

P.S. Убедительная просьба не развивать холивары на тему, что должен и что не должен знать программист. Это личный выбор каждого и статья совсем не об этом. Здесь приведена классификация знаний и взаимосви между ними. Это интересно не всем, это нужно не всем.

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]