Технология программирования. 1. Устройство компьютера. Оперативная память, процессор
 Скачать 478.73 Kb.
|
|
абсолютная адресация - когда в команде указывается константа, равная адресу аргумента; · косвенная адресация - когда в команде указывается регистр, содержащий адрес аргумента; · относительная адресация - адрес аргумента равен сумме содержимого регистра и константы, задающей смещение; · индексная адресация с масштабированием - адрес аргумента равен сумме содержимого базового регистра, константы, задающей смещение, а также содержимого индексного регистра, умноженного на масштабирующий множитель. Масштабирующий множитель может принимать значения 1, 2, 4, 8. Этот режим удобен для обращения к элементу массива. Бывают и другие, более изощренные, режимы адресации, когда, например, адрес аргумента содержится в слове, адрес которого содержится в регистре (так называемая двойная косвенность). 1.4. Алгоритм работы компьютера Среди всех регистров процессора в любой архитектуре всегда имеется два выделенных регистра: это регистр PC, что означает Program Counter, по-русски его называют счетчиком команд, и регистр SP — Stack Pointer, т.е. указатель стека. Иногда регистр PC обозначают как IP, что означает Instruction Pointer, указатель инструкции. (Команды процессора часто называют инструкциями.) 01.02.2021 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/ProgBK/Book_teria_prog.html#_Toc241999345 13/69 В фон-Неймановской архитектуре, по которой построены все современные компьютеры, программа, состоящая из машинных команд, содержится в оперативной памяти. Регистр PC всегда содержит адрес команды, которая будет выполняться на следующем шаге. Алгоритм работы процессора выглядит следующим образом: цикл до бесконечности выполнять | прочесть команду с адресом PC из оперативной памяти; | увеличить содержимое PC на длину прочитанной команды; | выполнить прочитанную команду; конец цикла В простейшем случае, когда выполняется линейный участок программы, команды выбираются из памяти и выполняются последовательно, а содержимое регистра PC монотонно возрастает. Выполнение команды, однако, может приводить к изменению регистра PC. Таким образом организуются безусловные и условные переходы в программе, нарушающие последовательный порядок выполнения команд. С помощью команд условных и безусловных переходов реализуются конструкции ветвления и цикла. Команда перехода представляет собой либо прибавление константы к содержимому PC (константа может быть положительной или отрицательной), либо загрузку в PC адреса элемента памяти со всеми возможными режимами адресации. Первый способ используется для реализации переходов внутри подпрограммы (внутри функции в терминах языка Си), второй – для перехода к подпрограмме. Впрочем, гораздо чаще в последнем случае используется команда вызова подпрограммы, которая дополнительно запоминает точку возврата в регистре или в аппаратном стеке. 1.5. Аппаратный стек 01.02.2021 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/ProgBK/Book_teria_prog.html#_Toc241999345 14/69 Стек – это запоминающее устройство, из которого элементы извлекаются в порядке, обратном их помещению в стек. Стек можно представить как стопку листов бумаги, на каждом из которых записан один из сохраняемых элементов. На вершине стека находится последний запомненный элемент. Стек можно представить в виде трубки с запаянным дном, помещенной вертикально. Верхний конец трубки открыт, в него можно добавлять, или, как говорят, заталкивать элементы. Общепринятые английские термины в этом плане очень красочны, операция добавления элемента в стек обозначается push, в переводе «затолкнуть, запихнуть». Новый добавляемый элемент проталкивает элементы, помещенные в стек ранее, на одну позицию вниз. При извлечении элементов из стека они как бы выталкиваются вверх, по- английски pop («выстреливают»). Аппаратный стек реализуется на базе оперативной памяти. Элементы стека расположены в оперативной памяти, каждый из них занимает одно слово. Регистр SP в любой момент времени хранит адрес элемента в вершине стека. Стек растет в сторону уменьшения адресов: элемент, расположенный непосредственно под вершиной стека, имеет адрес SP + 4 (при условии, что размер слова равен четырем байтам), следующий SP + 8 и т.д. 1.6. Команды вызова подпрограммы и возврата Одно из главных назначений аппаратного стека — поддержка вызовов подпрограмм. При вызове подпрограммы надо сохранить адрес возврата, чтобы подпрограмма могла по окончанию своей работы вернуть управление вызвавшей ее программе. В старых архитектурах, в которых аппаратный стек отсутствовал (например, в компьютерах IBM 360/370), точки возврата сохранялись в фиксированных ячейках памяти для каждой подпрограммы. Это делало невозможной рекурсию, т.е. повторный вызов той же подпрограммы непосредственно из ее текста или через цепочку 01.02.2021 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/ProgBK/Book_teria_prog.html#_Toc241999345 15/69 промежуточных вызовов, поскольку при повторном вызове старое содержимое ячейки, хранившей адрес возврата, терялось Во всех современных архитектурах точка возврата сохраняется в аппаратном стеке, что делает возможным рекурсию, а также параллельное выполнение нескольких легковесных процессов (нитей). Методические указания: § читать учебное пособие Тема 2. Языки программирования Содержание темы: первые языки программирования, области применения языков программирования, парадигмы программирования, состав языка программирования, стандартизация языков программирования, среда проектирования, трансляторы, процесс трансляции Цели и задачи изучения темы: получить знания о существующих языках программирования, области их применения, составе языка, средствах разработки программ, методах преобразования программы, написанной на языке высокого уровня в машинный код Изучая тему, необходимо акцентировать внимание на следующих понятиях: · языки высокого уровня – языки, не зависящие от конкретной архитектурыкомпьютера; · среда программирования – предназначена для разработки приложений на конкретном языке программирования; 01.02.2021 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/ProgBK/Book_teria_prog.html#_Toc241999345 16/69 · синтаксис языка – описывает систему правил написания различных языковых конструкций; · семантика языка – определяет смысл языковых конструкций; · транслятор или компилятор - специальная программа, выполняющая перевод программы написанной на языке высокого уровня в язык машинных команд; · средства разработки программ – графический интерфейс разработки программы, включающий управление версиями хранимых данных, утилиты просмотра и управления информацией, библиотеки классов, мастера создания шаблонов приложений и т.п. 2.1. Первые языки программирования Языком программирования называется система обозначений и правил, позволяющая записать программу решения задачи в виде последовательного текста в удобном для человека виде В пятидесятые годы двадцатого века с появлением компьютеров на электронных лампах началось бурное развитие языков программирования. Программирование начиналось с записи программ непосредственно в виде машинных команд (в кодах, как говорят программисты). Компьютеры, стоившие в то время значительно дороже, чем разработка любой программы, требовали высокоэффективного кода. Для облегчения кодирования был разработан машинно-ориентированный язык Ассемблера, который позволял записывать машинные команды в символическом виде. Язык Ассемблера зависел от системы команд конкретного компьютера. Он был достаточно удобен для программирования небольших задач, требующих максимальной скорости выполнения. Однако крупные проекты разрабатывать на языке Ассемблера было трудно. Главная проблема состояла в том, что программа, написанная на Ассемблере, привязана к архитектуре конкретного компьютера и не могла быть перенесена на другие машины. При 01.02.2021 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/ProgBK/Book_teria_prog.html#_Toc241999345 17/69 усовершенствовании компьютера все программы на Ассемблере приходилось переписывать заново. Почти сразу с возникновением компьютеров были разработаны языки высокого уровня, т.е. языки, не зависящие от конкретной архитектуры. Для выполнения программы на языке высокого уровня ее нужно сначала перевести на язык машинных команд. Специальная программа, выполняющая такой перевод, называется транслятором или компилятором. Оттранслированная программа затем выполняется непосредственно компьютером. Существует также возможность перевода программы на промежуточный язык, не зависящий от архитектуры конкретного компьютера, но, тем не менее, максимально приближенный к языку машинных команд. Затем программа на промежуточном языке выполняется специальной программой, которая называется интерпретатором. Возможен также вариант компиляции "на лету", когда выполняемый фрагмент программы переводится с промежуточного языка на язык машинных команд непосредственно перед выполнением. В середине 50-х годов под руководством Джона Бэкуса для фирмы IBM был разработан алгоритмический язык программирования высокого уровня FORTRAN. Несмотря на то, что уже существовали разработки языков, выполняющие преобразование арифметических выражений в машинный код, создание языка FORTRAN (FORmula TRANslator), предоставляющего возможность записи алгоритма вычислений с использованием условных операторов и операторов ввода/вывода, стало точкой отсчета эры языков программирования высокого уровня. К языку FORTRAN предъявлялись требования создания высокоэффективного кода. Поэтому многие конструкции языка первоначально разрабатывались с учетом архитектуры IBM 407. Успех разработки этого языка привел к тому, что производители других вычислительных систем стали создавать свои версии 01.02.2021 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/ProgBK/Book_teria_prog.html#_Toc241999345 18/69 трансляторов. С целью некоторой возможной на тот момент унификации языка язык FORTRAN IV, разработанный в 1966 году, стал первым стандартом, именуемым FORTRAN 66. Как альтернатива языку FORTRAN, первоначально ориентированному на архитектуру IBM, под руководством Питера Наура в конце 50-х годов был разработан язык ALGOL (ALGOrithmic Language). Основной целью, преследуемой разработчиками этого языка, была независимость от конкретной архитектуры вычислительной системы. Кроме того, создатели языка ALGOL стремились разработать язык, удобный для описания алгоритмов и применяющий систему обозначений, близкую к той, что принята в математике. Языки FORTRAN и ALGOL были первыми языками, ориентированными на программирование вычислений. Язык PL/I, первые версии которого появились в начале 60-х годов, был первоначально ориентирован на IBM 360 и расширял возможности языка FORTRAN некоторыми средствами языка COBOL, разработанного в эти же годы. Несмотря на определенную популярность языка PL/I у программистов, работавших на компьютерах IBM и машинах серии ЕС, в настоящее время он представляет чисто теоретический интерес. В конце 60-х годов под руководством Найарда и Дала был разработан язык Simula-67, использующий концепцию пользовательских типов данных. Фактически это первый язык, применяющий понятие классов. В середине 70-х годов Вирт предложил язык Pascal, который сразу стал широко использоваться. В это же время по инициативе Министерства обороны США началась работа по созданию языка высокого уровня, получившего название Ada – в честь Ады Лавлейс, программистки и дочери лорда Байрона. Создание языка началось с определения требований и выработки спецификаций. Над проектом работали четыре независимые группы, но все они использовали как 01.02.2021 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/ProgBK/Book_teria_prog.html#_Toc241999345 19/69 основу язык Pascal. В начале 80-х годов был разработан первый промышленный компилятор языка Ada. Наконец, самый успешный язык программирования - язык Си и связанная с ним линия объектно-ориентированных языков: C++, Java, C#. Универсальный язык программирования С был разработан в середине 70-х годов Денисом Ритчи и Кеном Томпсоном. Этот язык стал популярным языком системного программирования и в свое время использовался для написания ядра операционной системы UNIX. Стандарт языка С начал разрабатываться рабочей группой института стандартов ANSI в 1982 году. Международный стандарт языка С принят в 1990 году. Язык С лег в основу разработки языков программирования C++ и Java. Язык Си был создан не теоретиками, а практическими программистами, обладающими при этом высокой математической культурой. Язык был разработан в конце 60-х годов XX века. Он впервые позволил реально избавиться от Ассемблера при создании операционных систем. Например, практически весь текст операционной системы Unix написан на языке Си и, таким образом, не зависит от конкретного компьютера. Главным достоинством Си является его простота и отсутствие псевдонаучных решений (таких, как вложенность блоков программ друг в друга: в Си функция не может содержать внутри себя другую функцию, а переменные четко разделяются на глобальные и локальные - не так, как в Алголе, где локальные переменные подпрограммы являются глобальными для всех вложенных в нее подпрограмм). Просто и ясно описан механизм передачи параметров в функцию (только по значению). Программист, создающий программу на Си, всегда четко понимает, как эта программа будет выполняться. Понятие указателя, статические и автоматические (стековые) переменные языка Си максимально близко отражают устройство любого современного компьютера, поэтому программы на Си эффективны и удобны для отладки. 01.02.2021 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/ProgBK/Book_teria_prog.html#_Toc241999345 20/69 В настоящее время подавляющая часть программ пишется на языках Си и C++. Интерфейс любой операционной системы (так называемый API - Application Program Interface), т.е. набор системных вызовов, предназначенных для разработчиков прикладных программ, как правило, представляет собой набор функций на языке Си. Наконец, современные объектно-ориентированные языки также основаны на языке Си. Это язык C++, занимающий промежуточное положение между традиционными и объектно-ориентированными языками, а также объектно-ориентированные языки Java и C#. Наряду с алгоритмическими языками параллельно развивались и языки, предназначаемые для обработки деловой информации, а также языки искусственного интеллекта. К первым относится язык COBOL (COmmon Business Oriented Language), а ко вторым – языки LISP (LISt Processing) и Prolog. Язык LISP, разработанный в 60-х годах под руководством Дж. Маккарти, был первым функциональным языком обработки списков, который нашел широкое применение в теории игр. С появлением персональных компьютеров языки стали составными частями интегрированных сред разработки. Появились языки, применяемые в различных офисных программах, например VBA (Visual Basic for Application). В 90-х годах с распространением сети Интернет расширяется возможность распределенной обработки данных, что отражается и на развитии языков программирования. Появляются языки, ориентированные на создание серверных приложений, такие как Java, Perl и PHP, языки описания документов – HTML и XML. Традиционные языки программирования С++ и Pascal также претерпевают изменения: под языком программирования начинает пониматься не только функциональность самого языка, а также библиотеки классов, предоставляемые средой программирования. Акцент со спецификации самих языков программирования переносится на стандартизацию механизмов взаимодействия 01.02.2021 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/ProgBK/Book_teria_prog.html#_Toc241999345 21/69 распределенных приложений. Появляются новые технологии – COM и CORBA, специфицирующие взаимодействие распределенных объектов. 2.2. Области применения языков программирования В настоящее время языки программирования применяются в самых различных областях человеческой деятельности, таких как: · научные вычисления (языки C++, FORTRAN, Java); · системное программирование (языки C++, Java); · обработка информации (языки C++, COBOL, Java); · искусственный интеллект (LISP, Prolog); · издательская деятельность (Postscript, TeX); · удаленная обработка информации (Perl, PHP, Java, C++); · описание документов (HTML, XML). С течением времени одни языки развивались, приобретали новые черты и остались востребованы, другие утратили свою актуальность и сегодня представляют в лучшем случае чисто теоретический интерес. В значительной степени это связано с такими факторами, как: · наличие среды программирования, поддерживающей разработку приложений на конкретном языке программирования; · удобство сопровождения и тестирования программ; · стоимость разработки с применением конкретного языка программирования; 01.02.2021 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/ProgBK/Book_teria_prog.html#_Toc241999345 22/69 · четкость и ортогональность конструкций языка; · применение объектно-ориентированного подхода. 2.3. Парадигмы программирования Синтаксис языка описывает систему правил написания различных языковых конструкций, а семантика языка программирования определяет смысл этих конструкций. Семантика языка взаимосвязана с используемой вычислительной моделью. В настоящее время языки программирования в зависимости от применяемой вычислительной модели делятся на четыре основные группы: · |