Файл: Обзор языков программирования высокого уровня (Языки программирования).pdf

Введение

На современном этапе развития компьютерных технологий невозможно представить ни одного высококвалифицированного специалиста, не владеющего информационными технологиями. Поскольку активность любого субъекта во многом зависит от степени владения информацией, а также от способности эффективно ее использовать. Для свободной ориентации в информационных потоках современный специалист любого профиля должен иметь возможность получать, обрабатывать и использовать информацию, в первую очередь, с помощью компьютеров, а также телекоммуникаций и других новейших средств связи, включая способность обрабатывать языки программирования.

Актуальность данной темы обусловлена ​​тем, что прогресс компьютерных технологий определил процесс появления различных новых знаковых систем для записи алгоритмов - языков программирования.

Объектом исследования являются языки программирования и история развития языков программирования.

Целью курсовой работы является изучение классификации языков программирования и их разработка.

Цели исследования:

• Просмотреть общее сведения и уровни языков программирования.
• Просмотреть историю развития языков программирования.
• Сделать обзор современных языков программирования.
• Задачи исследования:
• Ознакомления с языками программирования.
• Рассмотрение истории развития языков программирования.
• Обзор современных языков программирования.
• Обзор современных языков программирования высшего уровня.
• В первой главе рассматриваются общие сведения о языках программирования и история развития их.
• Во второй главе рассматривается обзор современных языков программирования.
• В третьей главе рассматривается обзор языков программирования высшего уровня.
• В данной курсовой работе использовался научно-исследовательские методы.

1. Теоретические аспекты программирования

1.1. Языки программирования

Язык программирования — это система обозначений, которая служит для точного описания программ или алгоритмов для компьютера. Языки программирования являются искусственными языками. Они отличаются от естественных языков ограниченным количеством «слов» и очень строгими правилами написания команд (операторов). Поэтому, когда они используются по прямому назначению, они не позволяют свободно интерпретировать выражения, характерные для естественного языка. Можно сформулировать ряд требований к языкам программирования и классифицировать языки по их характеристикам.

Основные требования, предъявляемые к языкам программирования:

• наглядность - использование в языке по возможности уже существующих символов, хорошо известных и понятных как программистам, так и пользователям ЭВМ;
• единство - использование одних и тех же символов для обозначения одних и тех же или родственных понятий в разных частях алгоритма. Количество этих символов должно быть по возможности минимальным;
• гибкость - возможность относительно удобного, несложного описания распространенных приемов математических вычислений с помощью имеющегося в языке ограниченного набора изобразительных средств;
• модульность - возможность описания сложных алгоритмов в виде совокупности простых модулей, которые могут быть составлены отдельно и использованы в различных сложных алгоритмах;
• однозначность - недвусмысленность записи любого алгоритма. Отсутствие ее могло бы привести к неправильным ответам при решении задач.
• В настоящее время в мире существует несколько сотен реально используемых языков программирования. Для каждого есть своя область применения.
• Любой алгоритм, есть последовательность предписаний, выполнив которые можно за конечное число шагов перейти от исходных данных к результату. В зависимости от степени детализации предписаний обычно определяется уровень языка программирования — чем меньше детализация, тем выше уровень языка.^[1]

По этому критерию можно выделить следующие уровни языков программирования:

• машинные;
• машинно-оpиентиpованные (ассемблеры);
• машинно-независимые (языки высокого уровня).

Машинные языки и машинно-ориентированные языки — это низкоуровневые языки, которые требуют указания мелких деталей обработки данных. Языки высокого уровня, с другой стороны, имитируют естественные языки, используя некоторые из произнесенных слов и общие математические символы. Эти языки более дружественные для человека.

Разные типы процессоров имеют разные наборы команд. Если язык программирования ориентирован на конкретный тип процессора и учитывает его особенности, то он называется языком программирования низкого уровня. В этом случае «низкий» не означает «плохой». Это означает, что операторы языка близки к машинному коду и ориентированы на конкретные инструкции процессора.

Программируя на машинном языке, программист может держать под своим контролем каждую команду и каждую ячейку памяти, использовать все возможности доступных машинных операций. Но процесс написания программы на машинном языке очень трудоемкий и утомительный. Программа оказывается громоздкой, сложной для просмотра, сложной для отладки, изменения и разработки.

Поэтому в случае, когда необходимо иметь эффективную программу, максимально учитывающую специфику конкретного компьютера, вместо машинных языков используются машинно-ориентированные языки, близкие к ним (ассемблеры).

Язык ассемблера — это машинно-зависимый язык низкого уровня, в котором короткие мнемонические имена соответствуют отдельным машинным командам. Используется для представления в удобочитаемой форме программ, записанных в машинном коде.

Язык ассемблера позволяет программисту по своему усмотрению использовать текстовые мнемонические (то есть легко запоминаемые человеком) коды, назначать символические имена компьютерам и регистрам памяти, а также устанавливать удобные методы адресации. Кроме того, он позволяет использовать различные системы счисления (например, десятичную или шестнадцатеричную) для представления числовых констант, использования комментариев в программе и т. д.

С помощью языков низкого уровня создаются очень эффективные и компактные программы, поскольку разработчик получает доступ ко всем возможностям процессора. С другой стороны, это требует очень хорошего понимания структуры компьютера, затрудняет отладку больших приложений, и окончательная программа не может быть перенесена на компьютер с процессором другого типа. Такие языки обычно используются для написания небольших системных приложений, драйверов устройств, модулей для стыковки с нестандартным оборудованием, когда компактность, скорость и возможность прямого доступа к аппаратным ресурсам становятся наиболее важными требованиями. В некоторых областях, таких как компьютерная графика, библиотеки написаны на языке ассемблера, который эффективно реализует алгоритмы обработки изображений с интенсивными вычислениями.^[2]

Таким образом, программы, написанные на ассемблере, требуют значительно меньше памяти и времени выполнения. Знание программистом языка ассемблера и машинного кода дает ему понимание архитектуры машины. Хотя большинство специалистов по программному обеспечению разрабатывают программы на языках высокого уровня, наиболее мощное и эффективное программное обеспечение полностью или частично написано на языке ассемблера.

Языки высокого уровня - были разработаны для того, чтобы освободить программиста от учета технических особенностей конкретных компьютеров, их архитектуры. Уровень языка характеризуется степенью его близости к естественному, человеческому языку. Машинный язык не похож на человеческий язык, он крайне беден своими изобразительными средствами. Средства записи программ на языках высокого уровня более выразительны и знакомы людям. Например, алгоритм вычисления сложной формулы не разделен на отдельные операции, а записан компактно как одно выражение с использованием знакомых математических символов. Гораздо проще составить свою собственную или понять чужую программу на таком языке.

Важным преимуществом языков высокого уровня является их универсальность, независимость от компьютеров. Программа, написанная на таком языке, может работать на разных машинах. Компилятору программы не нужно знать компьютерный набор инструкций, по которому он намерен проводить вычисления. При переключении на другой компьютер программа не требует переделки. Такие языки являются не только средством общения между человеком и машиной, но и между людьми. Программа, написанная на языке высокого уровня, может быть легко понята любому специалисту, который знает язык и природу проблемы.

Таким образом, можно сформулировать основные преимущества языков высокого уровня перед машинными:

• алфавит языка высокого уровня значительно шире алфавита машинного языка, что существенно повышает наглядность текста программы;
• набор операций, допустимых для использования, не зависит от набора машинных операций, а выбирается из соображений удобства формулирования алгоритмов решения задач определенного класса;
• формат предложений достаточно гибок и удобен для использования, что позволяет с помощью одного предложения задать достаточно содержательный этап обработки данных;
• требуемые операции задаются с помощью общепринятых математических обозначений;
• данным в языках высокого уровня присваиваются индивидуальные имена, выбираемые программистом;
• в языке может быть предусмотрен значительно более широкий набор типов данных по сравнению с набором машинных типов данных.
• Таким образом, языки высокого уровня в значительной мере являются машинно-независимыми. Они облегчают работу программиста и повышают надежность создаваемых программ.

Основные компоненты алгоритмического языка:

• алфавит,
• синтаксис,
• семантика.^[3]

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.

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.

Языки высокого уровня делятся на:

• процедурные;
• логические;
• объектно-ориентированные.

Процедурные языки предназначены для однозначного описания алгоритмов. При решении задачи процедурные языки требуют в той или иной форме явно записать процедуру ее решения.

Первым шагом в разработке процедурных языков программирования стало появление проблемно-ориентированных языков. Это название отражает тот факт, что при их разработке они исходят не от «машины», а «от задачи»: язык стремится в полной мере учитывать специфику класса задач, для решения которых предполагается быть использованным. Например, многие научно-технические проблемы характеризуются большими вычислениями с использованием сложных формул, поэтому удобные средства их записи вводятся на языках, ориентированных на такие задачи. Использование понятий, терминов, символов, знакомых специалистам в соответствующей области знаний, облегчает им изучение языка, упрощает процесс компиляции и отладки программы.

Разнообразие проблемных классов привело к тому, что сегодня было разработано несколько сотен алгоритмических языков. Правда, только 10-15 языков получили широкое и международное признание. Среди них, прежде всего, следует отметить: Fortran и Algol - языки, предназначенные для решения научно-технических задач, Cobol – для решения экономических задач, Basic – для решения небольших вычислительных задач в диалоговом режиме. В принципе каждый из этих языков можно использовать для решения задач не своего класса. Однако, как правило, применение оказывается не удобным.^[4]

В то же время в середине 60-х годов начали разрабатывать алгоритмические языки широкой ориентации – универсальные языки. Обычно они строились по принципу объединения возможностей узко-ориентированных языков. Среди них наиболее известны PL/1, Pascal, C, C+ , Modula, Ada. Однако, как любое универсальное средство, такие широко-ориентированные языки во многих конкретных случаях оказываются менее эффективными.

Логические языки- (Prolog, Lisp, Mercury, KLO и др.) ориентированы не на запись алгоритма решения задачи, а на систематическое и формализованное описание задачи с тем, чтобы решение следовало из составленного описания. В этих языках указывается что дано и что требуется получить. При этом поиск решения задачи возлагается непосредственно на ЭВМ.

Объектно-ориентированные языки (Object Pascal, C++, Java, Objective Caml. и др.). Руководящая идея объектно-ориентированных языков заключается в стремлении связать данные с обрабатывающими эти данные процедурами в единое целое - объект.