Понятие о системе программирования, ее основные функции и компоненты

Понятие о системе программирования, ее основные функции и компоненты.

Создание сложного программного средства осуществляется в среде программной инженерии. Согласно ГОСТ Р ИСО/МЭК 14764-2002 она представляет собой «набор автоматических инструментальных средств, программно-аппаратных и технических средств, необходимых для выполнения объёма работ по программной инженерии». К автоматизированным инструментальным средствам относятся, в частности, компиляторы, компоновщики загрузочных операционных систем, отладчики, средства моделирования, средства документирования и системы управления базами данных.

Система программирования освобождает проблемного пользователя или прикладного программиста от необходимости написания программ решения своих задач на неудобном для него языке машинных команд и предоставляют им возможность использовать специальные языки более высокого уровня. Для каждого из таких языков, называемых входными или исходными, система программирования имеет программу, осуществляющую автоматический перевод (трансляцию) текстов программы с входного языка на язык машины. Обычно система программирования содержит описания применяемых языков программирования, программы- трансляторы с этих языков, а также развитую библиотеку стандартных подпрограмм. Важно различать язык программирования и реализацию языка.

Язык – это набор правил, определяющих систему записей, составляющих программу, синтаксис и семантику используемых грамматических конструкций.

Реализация языка – это системная программа, которая переводит (преобразует) записи на языке высокого уровня в последовательность машинных команд.

По набору входных языков различают системы программирования одно- и многоязыковые. Отличительная черта многоязыковых систем состоит в том, что отдельные части программы можно составлять на разных языках и помощью специальных обрабатывающих программ объединять их в готовую для исполнения на ЭВМ программу.

Для построения языков программирования используется совокупность общепринятых символов и правил, позволяющих описывать алгоритмы решаемых задач и однозначно истолковывать смысл созданного написания. Основной тенденцией в развитии языков программирования является повышение их семантического уровня с целью облегчения процесса разработки программ и увеличения производительности труда их составителей.

По структуре, уровню формализации входного языка и целевому назначению различают системы программирования машинно-ориентированные и машинно-независимые.

Машинно-ориентированные системы программирования имеют входной язык, наборы операторов и изобразительные средства которых существенно зависят от особенностей ЭВМ (внутреннего языка, структуры памяти и т.д.). Машинно- ориентированные системы позволяют использовать все возможности и особенности машинно-зависимых языков:

• 
  высокое качество создаваемых программ;
  
• 
  возможность использования конкретных аппаратных ресурсов;
  
• 
  предсказуемость объектного кода и заказов памяти;
  
• 
  для составления эффективных программ необходимо знать систему команд и особенности функционирования данной ЭВМ;
  
• 
  трудоемкость процесса составления программ (особенно на машинных языках и ЯСК), плохо защищенного от появления ошибок;
  
• 
  низкая скорость программирования;
  
• 
  невозможность непосредственного использования программ, составленных на этих языках, на ЭВМ других типов.
  

1. Машинный язык. В таких системах программирования отдельный компьютер имеет свой определенный Машинный Язык (далее МЯ), ему предписывают выполнение указываемых операций над определяемыми ими операндами, поэтому МЯ является командным. Однако, некоторые семейства ЭВМ (например, ЕС ЭВМ, IBM/370/ и др.) имеют единый МЯ для ЭВМ разной мощности.

В команде любого из них сообщается информация о местонахождении операндов и типе выполняемой операции. В новых моделях ЭВМ намечается тенденция к повышению внутренних языков машинно-аппаратным путем реализовывать более сложные команды, приближающиеся по своим функциональным действиям к операторам алгоритмических языков программирования.

2. Система Символического Кодирования. В данных системах используются Языки Символического Кодирования (далее ЯСК), которые так же, как и МЯ, являются командными. Однако коды операций и адреса в машинных командах, представляющие собой последовательность двоичных (во внутреннем коде) или восьмеричных (часто используемых при написании программ) цифр, в ЯСК заменены символами (идентификаторами), форма написания которых помогает программисту легче запоминать смысловое содержание операции. Это обеспечивает существенное уменьшение числа ошибок при составлении программ.

Использование символических адресов – первый шаг к созданию ЯСК. Команды ЭВМ вместо истинных (физических) адресов содержат символические адреса. По результатам составленной программы определяется требуемое количество ячеек для хранения исходных промежуточных и результирующих значений. Назначение адресов, выполняемое отдельно от составления программы в символических адресах, может проводиться менее квалифицированным программистом или специальной программой, что в значительной степени облегчает труд программиста.

3. Автокоды. Существуют системы программирования, использующие языки, которые включают в себя все возможности ЯСК, посредством расширенного введения макрокоманд – они называются Автокоды. В различных программах встречаются некоторые достаточно часто использующиеся командные последовательности, которые соответствуют определенным процедурам преобразования информации. Эффективная реализация таких процедур обеспечивается оформлением их в виде специальных макрокоманд и включением последних в язык программирования, доступный программисту. Макрокоманды переводятся в машинные команды двумя путями – расстановкой и генерированием. В постановочной системе содержатся «остовы» – серии команд, реализующие требуемую функцию, обозначенную макрокомандой. Макрокоманды обеспечивают передачу фактических параметров, которые в процессе трансляции вставляются в «остов» программы, превращая её в реальную машинную программу. В системе с генерацией имеются специальные программы, анализирующие макрокоманду, которые определяют, какую функцию необходимо выполнить и формируют необходимую последовательность команд, реализующих данную функцию. Обе указанных системы используют трансляторы с ЯСК и набор макрокоманд, которые также являются операторами автокода. Развитые автокоды получили название Ассемблеры. Сервисные программы и пр., как правило, составлены на языках типа Ассемблер.

4. Макрос. В таких системах язык, являющийся средством для замены последовательности символов описывающих выполнение требуемых действий ЭВМ на более сжатую форму – называется Макрос (средство замены). В основном, Макрос предназначен для того, чтобы сократить запись исходной программы.

Компонент программного обеспечения, обеспечивающий функционирование макросов, называется макропроцессором. На макропроцессор поступает макросопределяющий и исходный текст. Реакция макропроцессора на вызов – выдача выходного текста. Макрос одинаково может работать, как с программами, так и с данными.

Программист получил возможность не расписывать в деталях вычислительный процесс на уровне машинных команд, а сосредоточиться на основных особенностях алгоритма.

1. Процедурно-ориентированные системы. Входные языки программирования в таких системах служат для записи алгоритмов (процедур) обработки информации, характерных для решения задач определенного класса. Эти языки, должны обеспечить программиста средствами, позволяющими коротко и четко формулировать задачу и получать результаты в требуемой форме. Процедурных языков очень много, например: Фортран, Алгол – языки, созданные для решения математических задач; Simula, Слэнг - для моделирования; Лисп, Снобол – для работы со списочными структурами.

2. Проблемно-ориентированные системы в качестве входного языка используют язык программирования с проблемной ориентацией. С расширением областей применения вычислительной техники возникла необходимость формализовать представление постановки и решение новых классов задач.

Необходимо было создать такие языки программирования, которые, используя в данной области обозначения и терминологию, позволили бы описывать требуемые алгоритмы решения для поставленных задач. Эти языки, ориентированные на решение определенных проблем, должны обеспечить программиста средствами, позволяющими коротко и четко формулировать задачу и получать результаты в требуемой форме. Программы, составленные на основе этих языков программирования, записаны в терминах решаемой задачи и реализуются выполнением соответствующих процедур.

3. Диалоговые языки. Появление новых технических возможностей поставило задачу перед системными программистами – создать программные средства, обеспечивающие оперативное взаимодействие человека с ЭВМ их назвали диалоговыми языками. Создавались специальные управляющие языки для обеспечения оперативного воздействия на прохождение задач, которые составлялись на любых раннее неразработанных (не диалоговых) языках.

Разрабатывались также языки, которые кроме целей управления обеспечивали бы описание алгоритмов решения задач. Необходимость обеспечения оперативного взаимодействия с пользователем потребовала сохранения в памяти ЭВМ копии исходной программы даже после получения объектной программы в машинных кодах. При внесении изменений в программу система программирования с помощью специальных таблиц устанавливает взаимосвязь структур исходной и объектной программ. Это позволяет осуществить требуемые редакционные изменения в объектной программе.

4. Непроцедурные языки. Непроцедурные языки составляют группу языков, описывающих организацию данных, обрабатываемых по фиксированным алгоритмам (табличные языки и генераторы отчетов), и языков связи с операционными системами. Позволяя четко описывать как задачу, так и необходимые для её решения действия, таблицы решений дают возможность в наглядной форме определить, какие условия должны выполнятся, прежде чем переходить к какому- либо действию. Одна таблица решений, описывающая некоторую ситуацию, содержит все возможные блок-схемы реализаций алгоритмов решения. Табличные методы легко осваиваются специалистами любых профессий. Программы, составленные на табличном языке, удобно описывают сложные ситуации, возникающие при системном анализе.

В самом общем случае для создания программы на выбранном языке программирования нужно иметь следующие компоненты:

1. Текстовый редактор. Специализированные текстовые редакторы, ориентированные на конкретный язык программирования, необходимы для получения файла с исходным текстом программы, который содержит набор стандартных символов для записи алгоритма.

2. Исходный текст с помощью программы-компилятора переводится в машинный код. Исходный текст программы состоит, как правило, из нескольких модулей (файлов с исходными текстами). Каждый модуль компилируется в отдельный файл с объектным кодом, которые затем требуется объединить в одно целое. Кроме того, системы программирования, как правило, включают в себя библиотеки стандартных подпрограмм. Стандартные подпрограммы имеют единую форму обращения, что создает возможности автоматического включения таких подпрограмм в вызывающую программу и настройки их параметров.

3. Объектный код модулей и подключенные к нему стандартные функции обрабатывает специальная программа – редактор связей. Данная программа объединяет объектные коды с учетом требований операционной системы и формирует на выходе работоспособное приложение – исполнимый код для конкретной платформы. Исполнимый код - это законченная программа, которую можно запустить на любом компьютер, где установлена операционная система, для которой эта программа создавалась.

4. В современных системах программирования имеется еще один компонент – отладчик, который позволяет анализировать работу программы во время ее исполнения. С его помощью можно последовательно выполнять отдельные операторы исходного текста последовательно, наблюдая при этом, как меняются значения различных переменных.

Со временем разработчики компиляторов постарались облегчить труд пользователей, предоставив им все необходимое множество программных модулей в составе одной поставки компилятора. Теперь компиляторы поставлялись уже вкупе со всеми необходимыми сопровождающими техническими средствами. Кроме того, были унифицированы форматы объектных файлов и файлов библиотек подпрограмм. Теперь разработчики, имея компилятор от одного производителя, могли в принципе пользоваться библиотеками и объектными файлами, полученными от другого производителя компиляторов.

Для написания командных файлов компиляции был предложен специальный командный язык язык Makefile. Он позволял в достаточно гибкой и удобной форме описать весь процесс создания программы от порождения исходных текстов до подготовки ее к выполнению. Это было удобное, но достаточно сложное техническое средство, требующее от разработчика высокой степени подготовки и профессиональных знаний, поскольку сам командный язык Makefile был по сложности сравним с простым языком программирования. Язык Makefile стал стандартным средством, единым для компиляторов всех разработчиков.

Такая структура средств разработки существовала достаточно долгое время, а в некоторых случаях она используется и по сей день (особенно при создании системных программ). Ее широкое распространение было связано с тем, что сама по себе вся эта структура средств разработки была очень удобной при пакетном выполнении программ на компьютере, что способствовало ее повсеместному применению в эпоху mainframe.

Следующим шагом в развитии средств разработки стало появление так называемой интегрированной среды разработки. Интегрированная среда объединила в себе возможности текстовых редакторов исходных текстов программ и командный язык компиляции. Пользователь (разработчик исходной программы) теперь не должен был выполнять всю последовательность действий от порождения исходного кода до его выполнения, от него также не требовалось описывать этот процесс с помощью системы команд в Makefile. Теперь ему было достаточно только указать в удобной интерфейсной форме состав необходимых для создания программы исходных модулей и библиотек. Ключи, необходимые компилятору и другим техническим средствам, также задавались в виде интерфейсных форм настройки.

После этого интегрированная среда разработки сама автоматически готовила всю необходимую последовательность команд Makefile, выполняла их, получала результат и сообщала о возникших ошибках при их наличии. Причем сам текст исходных модулей пользователь мог изменить здесь же, не прерывая работу с интегрированной средой, чтобы потом при необходимости просто повторить весь процесс компиляции.

Создание интегрированных сред разработки стало возможным благодаря бурному развитию персональных компьютеров и появлению развитых средств интерфейса пользователя (сначала текстовых, а потом и графических). Их появление на рынке определило дальнейшие развитие такого рода технических средств. Пожалуй, первой удачной средой такого рода можно признать интегрированную среду программирования Turbo Pascal на основе языка Pascal производства фирмы Borland. Ее широкая популярность определила тот факт, что со временем все разработчики компиляторов обратились к созданию интегрированных средств разработки для своих продуктов.

Развитие интегрированных сред несколько снизило требования к профессиональным навыкам разработчиков исходных программ. Теперь в простейшем случае от разработчика требовалось только знание исходного языка (его синтаксиса и семантики). При создании прикладной программы ее разработчик мог в простейшем случае даже не разбираться в архитектуре целевой вычислительной системы.

Дальнейшее развитие средств разработки также тесно связано с повсеместным распространением развитых средств графического интерфейса пользователя. Такой интерфейс стал неотъемлемой составной частью многих современных ОС и так называемых графических оболочек. Со временем он стал стандартом де-факто практически во всех современных прикладных программах.

Это не могло не сказаться на требованиях, предъявляемых к средствам разработки программного обеспечения. В их состав были сначала включены соответствующие библиотеки, обеспечивающие поддержку развитого графического интерфейса пользователя и взаимодействие с функциями API (application program interface, прикладной программный интерфейс операционных систем). А затем для работы с ними потребовались дополнительные средства, обеспечивающие разработку внешнего вида интерфейсных модулей. Такая работа была уже более характерна для дизайнера, чем для программиста.

Для описания графических элементов программ потребовались соответствующие языки. На их основе сложилось понятие ресурсов (resources) прикладных программ.

Ресурсами прикладной программы будем называть множество данных, обеспечивающих внешний вид интерфейса пользователя этой программы, и не связанных напрямую с логикой выполнения программы. Характерными примерами ресурсов являются: тексты сообщений, выдаваемых программой; цветовая гамма элементов интерфейса; надписи на таких элементах, как кнопки и заголовки окон ит.п.

Для формирования структуры ресурсов в свою очередь потребовались редакторы ресурсов, а затем и компиляторы ресурсов, обрабатывающие результат их работы. Ресурсы, полученные с выхода компиляторов ресурсов, стали обрабатываться компоновщиками и загрузчиками.

Этот процесс автоматизирован в средах быстрого проектирования. При этом используются готовые визуальные компоненты, свойства и поведение которых настраиваются с помощью специальных редакторов. Таким образом, происходит переход от языков программирования системного уровня к языкам сценариев.

Эти языки создавались для различных целей, что обусловило ряд фундаментальных различий между ним. Системные разрабатывались для построения структур данных и алгоритмов “с нуля”, начиная от таких примитивных элементов, как слово памяти компьютера. В отличие от этого, языки описания сценариев создавались для связывания готовых программ. Их применение подразумевает наличие достаточного ассортимента мощных компонентов, которые требуется только объединить друг с другом. Языки системного уровня используют строгий контроль типов данных, что помогает разработчикам приложении справляться со сложными задачами. Языки описания сценариев не используют понятие типа, что упрощает установление связей между компонентами, а также ускоряет разработку прикладных систем.

Языки описания сценариев основаны на несколько другом наборе компромиссов, чем языки системного уровня. В них скорость исполнения и строгость контроля типов ставятся в шкале приоритетов на более низкое место, но зато выше цениться производительность труда программиста и повторное использование. Это соотношение ценностей оказывается все более обоснованным по мере того, как компьютеры становятся быстродействующими и менее дорогими, чего нельзя сказать о программистах. Языки системного программирования хорошо подходят для создания компонентов, где основная сложность заключена в реализации алгоритмов и структур данных, тогда как языки описания сценариев лучше приспособлены для построения приложении из готовых компонентов, где сложность состоит в налаживании межкомпонентных связей. Задачи последнего рода получают все большее распространение, так что роль языков описания сценариев будет возрастать.

Следует заметить, что любой язык программирования может быть как интерпретируемым, так и компилируемым, но в большинстве случаев у каждого языка есть свой предпочтительный способ реализации. Языки Фортран, Паскаль в основном компилируют; язык Ассемблер почти всегда интерпретирует; языки Бейсик и Лисп широко используют оба способа.

Основным преимуществом компиляции является скорость выполнения готовой программы. Интерпретируемая программа неизбежно выполняется медленнее, чем компилируемая, поскольку интерпретатор должен строить соответствующую последовательность команд в момент, когда инструкция предписывает выполнение.

В то же время интерпретируемый язык часто более удобен для программиста, особенно начинающего. Он позволяет проконтролировать результат каждой операции. Особенно хорошо такой язык подходит для диалогового стиля разработки программ, когда отдельные части программы можно написать, проверить и выполнить в ходе создания программы, не отключая интерпретатора.

Если исходный язык является языком высокого уровня, например таким, как ФОРТРАН, C и Паскаль, и если объектный язык - ассемблер или некоторый машинный язык, то транслятор называется компилятором. Машинный язык иногда называют кодом машины, поэтому и объектная программа иногда называется объектным кодом.

Трансляция исходной программы в объектную происходит во время компиляции, а фактическое выполнение объектной программы происходит во время выполнения готовой программы.

Ассемблер - это программа, которая переводит исходную программу, написанную на автокоде или на языке ассемблера, на язык вычислительной машины. Автокод (ассемблер) очень близок к машинному языку; действительно, большинство автокодных инструкций является точным символическим представлением команд машины. Более того, автокодные инструкции обычно имеют фиксированный формат, что позволяет легко их анализировать. В автокоде, как правило, отсутствуют вложенные инструкции, блоки и т. п.

Интерпретатор для некоторого исходного языка принимает исходную программу, написанную на этом языке, как входную информацию и выполняет ее. Различие между компилятором и интерпретатором состоит в том, что интерпретатор не порождает объектную программу, которая затем должна выполняться, а непосредственно выполняет ее сам. Для того чтобы выяснить, как осуществить выполнение инструкций исходной программы, чистый интерпретатор анализирует ее всякий раз, когда она должна быть выполнена. Конечно же, это не эффективно и используется не очень часто.

При программировании интерпретатор обычно разделяют на две фазы. На первой фазе интерпретатор анализирует всю исходную программу, почти также, как это делает компилятор, и транслирует ее в некоторое внутреннее представление. На второй фазе это внутреннее представление исходной программы интерпретируется или выполняется. Внутреннее представление исходной программы разрабатывается для того, чтобы свести к минимуму время, необходимое для расшифровки или анализа каждой инструкции при ее выполнении.

Как указывалось выше, сам компилятор - это не что иное, как программа, написанная на некотором языке, для которой входной информацией служит исходная программа, а результатом является эквивалентная ей объектная программа. Исторически сложилось так, что компиляторы писались на автокоде вручную. Во многих случаях это был единственный доступный язык. Однако, сейчас компиляторы разрабатываются на языках высокого уровня (поскольку при этом уменьшается время, затрачиваемое на программирование и отладку, а также обеспечивается удобочитаемость программы компилятора, когда работа завершена).

Кроме того, теперь мы имеем много языков, разработанных специально для составления компиляторов. Эти так называемые "компиляторы компиляторов" являются некоторым подмножеством в "системах построения трансляторов" (СПТ).