Файл: Классификация языков программирования высокого уровня (Введение в языки программирования высокого уровня).pdf

Глава 2

Уровни языков программирования

Существует два уровня языков программирования: языки низкого уровня и языки высокого уровня.

Язык программирования низкого уровня – это язык программирования, созданный для использования со специальным типом процессора и учитывающий его особенности. В данном случае «низкий уровень» не значит «плохой». Имеется в виду, что язык близок к машинному коду (он позволяет непосредственно реализовать некоторые команды процессора)[5].

Языки низкого уровня мало похожи на нормальный, привычный человеку язык. Большие, громоздкие программы на таких языках пишутся редко. Зато если программа будет написана на таком языке, то она будет работать быстро, занимая маленький объем и допуская минимальное количество ошибок. Чем ниже и ближе к машинному уровень языка, тем меньше и конкретнее задачи, которые ставятся перед каждой командой[1].

Для каждого типа процессоров самым низким уровнем является язык ассемблера, который позволяет представить машинный код не в виде чисел, а в виде условных обозначений, называемых мнемониками. У каждого типа процессора свой язык ассемблера; его можно рассматривать одновременно и как особую форму записи машинных команд, и как язык программирования самого низкого уровня[5].

Достоинством языков низкого уровня является то, что с их помощью создают самые эффективные программы (краткие и быстрые). Недостаток таких языков в том, что их трудно изучать из-за необходимости понимать устройство процессора и в том, что программа, созданная на таком язык, неприменима для процессоров других типов.

Языки программирования высокого уровня заметно проще в изучении и применении. Программы, написанные с их помощью, можно использовать на любой компьютерной платформе, правда при условии, что для нее существует транслятор данного языка. Эти языки вообще никак не учитывают свойства конкретного процессора и не предоставляют прямых средств для обращения к нему. В некоторых случаях это ограничивает возможности программистов, но зато и оставляет меньше возможностей для совершения ошибок.

Языки высокого уровня в большей степени ориентированы на человека; команды этих языков – понятные человеку английские слова. Чем выше уровень языка, тем больше приходится проделать операций для выполнения необходимой команды[5].

С появлением языков высокого уровня программисты получили возможность больше времени уделять решению конкретной проблемы, не отвлекаясь особенно на весьма тонкие вопросы организации самого процесса выполнения задания на машине. Кроме того, появление этих языков ознаменовало первый шаг на пути создания программ, которые вышли за пределы научно-исследовательских лабораторий и финансовых отделов.

Достоинства языков программирования высокого уровня:

· алфавит языка значительно шире машинного, что делает его гораздо более выразительным и существенно повышает наглядность и понятность текста[9];

· набор операций, допустимых для использования, не зависит от набора машинных операций, а выбирается из соображений удобства формулирования алгоритмов решения задач определенного класса;

· конструкции операторов задаются в удобном для человека виде;

· поддерживается широкий набор типов данных.

Существуют также как универсальные, так и специализированные языки программирования.

Глава 3

Языки программирования высокого уровня

Высокоуровневый язык программирования — язык программирования, разработанный для быстроты и удобства использования программистом. Основная черта высокоуровневых языков — это абстракция, то есть введение смысловых конструкций, кратко описывающих такие структуры данных и операции над ними, описания которых на машинном коде (или другом низкоуровневом языке программирования) очень длинны и сложны для понимания.

Высокоуровневые языки программирования были разработаны для платформенной независимости сути алгоритмов. Зависимость от платформы перекладывается на инструментальные программы — трансляторы, компилирующие текст, написанный на языке высокого уровня, в элементарные машинные команды (инструкции). Поэтому, для каждой платформы разрабатывается платформенно-уникальный транслятор для каждого высокоуровневого языка, например, переводящий текст, написанный на Delphi в элементарные команды микропроцессоров семейства x86[4].

Так, высокоуровневые языки стремятся не только облегчить решение сложных программных задач, но и упростить портирование программного обеспечения. Использование разнообразных трансляторов и интерпретаторов обеспечивает связь программ, написанных при помощи языков высокого уровня, с различными операционными системами программируемыми устройствами и оборудованием, и, в идеале, не требует модификации исходного кода (текста, написанного на высокоуровневом языке) для любой платформы[5].

Во всяком языке программирования определены способы организации данных и способы организации действий над данными. Кроме того, существует понятие «элементы языка», включающее в себя множество символов (алфавит), лексемы и другие изобразительные средства языка программирования. Несмотря на разнообразие указанных языков, их изучение происходит приблизительно по одной схеме. Это связано с общностью структуры различных языков программирования высокого уровня. Надо сказать, что в изучении естественных языков и языков программирования есть сходные моменты. Во-первых, для того чтобы читать и писать на иностранном языке, нужно знать алфавит этого языка. Во-вторых, следует знать правописание слов и правила записи предложений, т. е. то, что называется синтаксисом языка. В-третьих, важно понимать смысл слов и фраз, чтобы адекватно реагировать на них: ведь из грамотно написанных слов можно составить абсолютно бессмысленную фразу. Смысловое содержание языковой конструкции называется семантикой.

Всякий язык программирования имеет три основные составляющие: алфавит, синтаксис и семантику.

Алфавит — это фиксированный для данного языка набор основных символов, т.е. "букв алфавита", из которых должен состоять любой текст на этом языке — никакие другие символы в тексте не допускаются[9].

Синтаксис — это правила построения фраз, позволяющие определить, правильно или неправильно написана та или иная фраза. Точнее говоря, синтаксис языка представляет собой набор правил, устанавливающих, какие комбинации символов являются осмысленными предложениями на этом языке. Семантика определяет смысловое значение предложений языка. Являясь системой правил истолкования отдельных языковых конструкций, семантика устанавливает, какие последовательности действий описываются теми или иными фразами языка и, в конечном итоге, какой алгоритм определен данным текстом на алгоритмическом языке.

Основными понятиями в алгоритмических языках обычно являются следующие.

1.Имена —  употребляются  для обозначения объектов программы (переменных, массивов, функций и  др.).

2. Операции. Типы операций:

• арифметические операции + , — , * , / и дp. ;

• логические операции и , или , не ;

• операции отношения < , > , <= , >= , = , <> ;

• операция сцепки (иначе, "присоединения", "конкатенации" ) символьных значений друг с другом с образованием одной длинной строки; изображается знаком "+".

3. Данные — величины, обрабатываемые пpогpаммой. Имеется три основных вида данных: константы, переменные и массивы.

• Константы — это данные, которые зафиксированы в тексте программы и не изменяются в процессе ее выполнения.

• Переменные обозначаются именами и могут изменять свои значения в ходе выполнения пpогpаммы. Переменные бывают целые, вещественные, логические, символьные и литерные[4].

• Массивы — последовательности однотипных элементов, число которых фиксировано и которым присвоено одно имя. Положение элемента в массиве однозначно определяется его индексами (одним, в случае одномерного массива, или несколькими, если массив многомерный). Иногда массивы называют таблицами.

4.Выражения  предназначаются  для выполнения необходимых вычислений, состоят из констант, переменных, указателей функций (напpимеp, exp(x)), объединенных знаками операций.[5]

Выражения записываются в виде линейных последовательностей символов (без подстрочных и надстрочных символов, "многоэтажных" дробей и т.д.), что позволяет вводить их в компьютер, последовательно нажимая на соответствующие клавиши клавиатуры.

Различают выражения арифметические, логические и строковые.

• Арифметические выражения служат для определения одного числового значения.

• Логические выражения описывают некоторые условия, которые могут удовлетворяться или не удовлетворяться. Таким образом, логическое выражение может принимать только два значения — "истина" или "ложь" (да или нет).

• Строковые (литерные) выражения, значениями которых являются тексты. В строковые выражения могут входить литерные и строковые константы, литерные и строковые переменные, литерные функции, разделенные знаками операции сцепки.

5.Операторы(команды).

Оператор — это наиболее крупное и содержательное  понятие языка: каждый оператор  представляет собой законченную фразу языка и определяет некоторый вполне законченный этап обработки данных.[8]

Состав языка. Обычный разговорный язык состоит из четырех основных элементов: символов, слов, словосочетаний и предложений. Язык программирования содержит подобные элементы, только слова называют элементарными конструкциями, словосочетания — выражениями, предложения — операторами. Символы, элементарные конструкции, выражения и операторы составляют иерархическую структуру, поскольку элементарные конструкции образуются из последовательности символов, выражения — это последовательность элементарных конструкций и символов, а оператор — последовательность выражений, элементарных конструкций и символов.

Описание языка есть описание четырех названных элементов. Описание символов заключается в перечислении допустимых символов языка. Под описанием элементарных конструкций понимают правила их образования. Описание выражений — это правила образования любых выражений, имеющих смысл в данном языке. Описание операторов состоит из рассмотрения всех типов операторов, допустимых в языке. Описание каждого элемента языка задастся его синтаксисом и семантикой. Синтаксические определения устанавливают правила построения элементов языка. Семантика определяет смысл и правила использования тех элементов языка, для которых были даны синтаксические определения.[5]

Символы языка — это основные неделимые знаки, в терминах которых пишутся все тексты на языке.

Элементарные конструкции — это минимальные единицы языка, имеющие самостоятельный смысл. Они образуются из основных символов языка.

Выражение в языке программирования состоит из элементарных конструкций и символов, оно задает правило вычисления некоторого значения.[8]

Оператор задает полное описание некоторого действия, которое необходимо выполнить. Для описания сложного действия может потребоваться группа операторов. В этом случае операторы объединяются в составной оператор, или блок.

Язык Паскаль был разработан Никласом Виртом первоначально для целей обучения программированию. В настоящее время он получил широкое распространение по ряду объективных причин.[4]

Во-первых, по своей идеологии Паскаль наиболее близок к современной методике и технологии программирования. В частности, он достаточно полно отражает идеи структурного программирования, что довольно хорошо видно даже из основных управляющих структур языка.

Во-вторых, Паскаль хорошо приспособлен для применения технологии разработки программ сверху-вниз (пошаговой детализации).

В-третьих, Паскаль содержит большое разнообразие различных структур данных, что обеспечивает простоту алгоритмов, а следовательно снижение трудоемкости при разработке программ.

Основные отличия алгоритмических языков от машинных языков:

1.алгоритмический язык обладает  гораздо большими выразительными возможностями, т.е. его алфавит значительно шире алфавита машинного языка, что существенно повышает наглядность текста программы;

2.набор операций, допустимых для  использования, не зависит от  набора машинных операций, а выбирается  из соображений удобства формулирования алгоритмов решения задач определенного класса;