Языки и системы программирования

Понятие о машинном языке

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

Набор команд процессора содержит:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Машинно-ориентированные языки

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

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

Языки программирования высокого уровня

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

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

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

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

Модели трансляции программ. Трансляторы

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

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

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

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

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

По типу выходных данных различают два основных вида компиляторов:

· компилирующие окончательный выполнимый код;

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

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

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

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

Процесс трансляции (компиляции)

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

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

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

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

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

Фаза анализа программы состоит из:

· лексического анализа;

· синтаксического анализа;

· семантического анализа.

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

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

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

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

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

К наиболее общим задачам, решаемым семантическим анализатором, относятся:

· обнаружение ошибок времени компиляции;

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

· замена макросов их определениями;

· выполнение директив времени компиляции.

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

На фазе синтеза программы производится:

· генерация кода;

· редактирование связей.

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

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

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