Файл: Основы проектирования программ. Этапы создания программного обеспечения).pdf
Добавлен: 24.05.2023
Просмотров: 68
Скачиваний: 2
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время программирование занимает одну из наиболее значимых ниш. Это не просто способ заставить работать «железяки», но и поставить себя на путь развития своих способностей.
Нынешнее программирование многогранно и используется в таких важных сферах как строительство, бизнес и экономика, медицина, биология и физика. Большой процент физического труда в промышленности заменен на машинный и роботизированный труд, который управляется посредством программного обеспечения, что обеспечивает существенный прирост скорости, точности операций и эффективности производства. Такое богатство разнообразия применений обеспечивается солидным выбором языков программирования, у каждого из которых есть свои плюсы и минусы.
Только представьте, сколько пользы приносит программирование в наши дни, ведь использование в множестве развивающихся направлений науки и инфраструктуры, это далеко не всё. Как известно, программирование — это тяжелый умственный труд, а труд сделал из обезьяны человека. В условиях нашего, быстроразвивающегося мира, именно умственный труд определяет место человека в обществе. Таким образом тема программирования и создания программного обеспечения весьма актуальна.
В данной работе будут рассмотрена общая информация о программировании, а также поставленные в теме вопросы, такие как основы проектирования программ и основные этапы создания программного обеспечения (ПО).
ПРОГРАММИРОВАНИЕ, ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ
В узком смысле (так называемое кодирование) под программированием понимается написание инструкций — программ — на конкретном языке программирования (часто по уже имеющемуся алгоритму — плану, методу решения поставленной задачи). Соответственно, люди, которые этим занимаются, называются программистами (на профессиональном жаргоне — кодерами), а те, кто разрабатывает алгоритмы — алгоритмистами, специалистами предметной области, математиками.
В более широком смысле под программированием понимают весь спектр деятельности, связанный с созданием и поддержанием в рабочем состоянии программ — программного обеспечения ЭВМ. Более точен современный термин — «программная инженерия» (также иначе «инженерия ПО»). Сюда входят анализ и постановка задачи, проектирование программы, построение алгоритмов, разработка структур данных, написание текстов программ, отладка и тестирование программы (испытания программы), документирование, настройка (конфигурирование), доработка и сопровождение. Программирование для ЭВМ основывается на использовании языков программирования, на которыхзаписывается программа. Чтобы программа могла быть понята и исполнена ЭВМ, требуется специальныйинструмент — транслятор.
В настоящее время активно используются интегрированные среды разработки, включающие в свой состав также редактор для ввода и редактирования текстов программ, отладчики для поиска и устранения ошибок, трансляторы с различных языков программирования, компоновщики для сборки программы из нескольких модулей и другие служебные модули.
В зависимости от назначения и / или способа написания программ различают:
· Прикладное программирование [application programming] - разработка и отладка программ для конечных пользователей, например бухгалтерских, обработки текстов и т. п.
· Системное программирование [system programming] - разработка средств общего программного обеспечения, в том числе операционных систем, вспомогательных программ, пакетов программ общесистемного назначения, например: автоматизированных систем управления, систем управления базами данных и т. д.
· Декларативное (логическое, продукционное) программирование [declarative programming, logical programming] - метод программирования, предназначенный для решения задач искусственного интеллекта. В указанном контексте программа описывает логическую структуру решения задачи, указывая преимущественно, что нужно сделать, не вдаваясь в детали, как это делается. Используются языки программирования типа Пролог.
· Объектно-ориентированное программирование, объектное программирование, ООП [OOP - Object-Oriented Programming] - метод программирования, основанный на использовании концепции объекта, абстрагирующего конкретные его реализации в предметной области. При этом данные тесно связываются с выполняемыми над объектами процедурами. Например, круг на экране монитора может рассматриваться как объект, данные о котором характеризуют положение (координаты) центра, величину радиуса, толщину и цвет линии. Процедуры, связанные с этим объектом, - перемещение, изменение размера, стирание и т. д. Объектно-ориентированное программирование разрабатывалось и усовершенствовалось в 1960-1970-х гг. В настоящее время используется в ряде языков программирования высокого уровня (Си++, Java, Смолток, ObjectLisp и др.). В начале 90-х гг. была выявлена потребность в выработке единых спецификаций, которые должны позволить программным продуктам различных фирм взаимодействовать друг с другом в общей информационной среде. Решение указанной задачи взяла на себя фирма OMG (США). Выработанная ею идеология «Бизнес-объекта» к 1997 г. получила достаточно широкое распространение при выработке промышленных программных приложений. Основу этой идеологии составляет «Общая архитектура брокера объектных запросов» - COBRA (Common Object Request Broker Architecture), центральной частью которой является спецификация на программный продукт (ORB – Object Request Broker), представляющий собой набор доменов или динамических библиотек, обеспечивающих взаимодействие различных программ в распределенной компьютерной среде. Кроме того, фирма OMG разработала спецификации обмена данными между брокерами различных фирм-производителей - GIOP (GeneralInter ORB Protocol), а с той же целью для Internet - HOP (InternetInter ORB Protocol). Поддержкой и развитием бизнес-объектной технологии занимается организованный в рамках OMG специальный комитет - BODTF (BusinessObjectDomainTaskForce). В 1998 г. этим комитетом была выпущена спецификация (BOCA - BusinessObjectComponentArchitecture), регламентирующая построение программных систем из компонент-объектов, созданных на основе технологии CORBA/IIOP. Подробнее см. [407, 423, 434].
· Параллельное программирование [concurrentprogramming] - разработка программ, обеспечивающих одновременное (параллельное) выполнение операций, связанных с обработкой данных.
· Процедурное (процедурно-ориентированное) программирование [procedure-orientedprogramming] - метод программирования, в соответствии с которым программы пишутся как перечни последовательно выполняемых команд. При этом используются процедурно-ориентированные языки программирования.
· Структурное программирование, модульное программирование [structuredprogramming, modularprogramming] - метод написания программ небольшими независимыми частями - модулями, каждый из которых связан с какой-либо процедурой или функцией. При этом результирующая программа организуется в виде совокупности взаимосвязанных по определенным правилам модулей. Это упрощает разработку сложных программных продуктов и их тестирование.
· Функциональное программирование [functionalprogramming] - метод программирования, основанный на разбиении алгоритма решения задачи на отдельные функциональные модули, а также описании их связей и характера взаимодействия. Для функционального программирования наиболее широко используются языки НОРЕ и ML. Элементы функционального программирования реализуются также другими языками, например Си.
· Эвристическое программирование [hueristicprogramming] - метод программирования, основанный на моделировании мыслительной деятельности человека. Используется для решения задач, не имеющих строго формализованного алгоритма или связанных с неполнотой исходных данных.
Машинные коды и Ассемблер.
Физические принципы работы электронных устройств ЭВМ таковы, что компьютер может воспринимать команды, состоящие только из единиц и нулей - последовательность перепада напряжения, т. е. машинный код. На начальной стадии развития ЭВМ человеку было необходимо составлять программы на языке, понятном компьютеру, в машинных кодах. Каждая команда состояла из кода операций и адресов операндов, выраженных в виде различных сочетаний единиц и нулей. Итак, любая программа для процессора выглядела на то время как последовательность единиц и нулей.
Как показала в дальнейшем практика общения с компьютером, такой язык громоздок и неудобен. При пользовании им легко допустить ошибку, записав не в той последовательности 1 или 0. Программу очень трудно контролировать. Кроме того, при программировании в машинных кодах надо хорошо знать внутреннюю структуру ЭВМ, принцип работы каждого блока. И самое плохое в таком языке, что программы на данном языке - очень длинные последовательности единиц и нулей являются машинно зависимыми, т. е. для каждой ЭВМ необходимо было составлять свою программу, а также программирование в машинных кодах требует от программиста много времени, труда, повышенного внимания.
Довольно скоро стало понятно, что процесс формирования машинного кода можно автоматизировать. Уже в 1950 году для записи программ начали применять мнемонический язык - язык assembly. Язык ассемблера позволил представить машинный код в более удобной для человека форме: для обозначения команд и объектов, над которыми эти команды выполняются, вместо двоичных кодов использовались буквы или сокращенные слова, которые отражали суть команды. Например, на языке ассемблера команда сложения двух чисел обозначается, словом, add, тогда как ее машинный код может быть таким: 000010.
Ассемблер - язык программирования низкого уровня. Язык программирования низкого уровня - язык программирования, который ориентирован на конкретный тип процессора и учитывает его особенности. В данном случае «низкий уровень» не значит «плохой». Имеется в виду, что операторы языка близки к машинному коду и ориентированы на конкретные команды процессора. Появление языка ассемблера значительно облегчило жизнь программистов, так как теперь вместо рябящих в глазах нулей и единиц, они могли писать программу командами, состоящими из символов приближенных к обычному языку. Для того времени этот язык был новшеством и пользовался популярностью т. к. позволял писать программы небольшого размера, что при тех машинах критерий значительный.
Но сложность разработки в нём больших программных комплексов привела к появлению языков третьего поколения - языков высокого уровня. Но на этом жизнь ассемблера не закончилась, он жив и посей день и не только жив, но и пользуется популярностью в узких кругах. Сейчас его используют в написании отдельных фрагментов программ или иногда в написании самих программ. Примеров может быть много, но самые яркие это использование ассемблера в написании драйверов, игр и загрузчиков ОС. Не стоит забывать, что у хакеров этот язык так же пользуется популярностью, да ещё какой! Но что же им так нравиться в нём? Конечно же, то, что скорость работы полученной программы значительно выше скорости программы, написанной на языке программирования высокого уровня. Это объясняется тем, что получившийся размер программы очень мал. А как же разработчики антивирусных программ? Они тоже не лыком шиты и так же используют ассемблер в некоторых модулях своих программ, что так же обеспечивает их быстродействие. А если бы не ассемблер некоторые программы загружались бы около часа! Так что ассемблер воистину вечный язык и ещё много, много лет он будет служить человечеству!
Язык программирования FORTRAN.
Первый язык высокого уровня.
В конце 1953 Джон Бэкус предложил начать разработку эффективной альтернативы ассемблеру для программирования на ПК IBM 704. Уже к середине 1954 была закончена черновая спецификация языка Fortran. Первое руководство для Fortran появилось в октябре 1956 вместе с первым компилятором, поставленным в апреле 1957. Компилятор был оптимизирующим, потому что клиенты отказывались использовать язык программирования высокого уровня, который был не в состоянии генерировать код с производительностью ниже, чем у ассемблера.
В то время сообщество относилось скептически к новому способу программирования и не верили в то, что Fortran позволит программировать быстрее и эффективнее. По словам самого Джона Бэкуса большая часть его работы была направлена на то, чтобы «быть ленивым». Ему жутко не нравилось писать программы под IBM 701 на ассемблере.
Язык был широко принят учеными для написания программ с интенсивными вычислениями. Включение комплексного типа данных сделало его особенно подходящим для технических приложений.
К 1960 году существовали версии Fortran для компьютеров IBM 709, 650, 1620, 7090. Его большая популярность побуждала конкурирующих изготовителей компьютеров создавать компиляторы Fortran для своих компьютеров. Таким образом, уже к 1963 существовало более 40 компиляторов для разных платформ. Именно поэтому Fortran считают первым широко используемым языком программирования.
Язык программирования ALGOL 58.
Поскольку FORTRAN оказался столь успешным языком, в Европе возникли опасения, что IBM будет доминировать в компьютерной отрасли. Немецкое общество прикладной математики (German society of applied mathematics -- GAMM) создало комитет по разработке универсального языка. В то же время Association for Computing Machinery (ACM) организовала похожий комитет в США. Несмотря на то, что у европейцев было некоторое беспокойство по поводу господства американцев, оба этих комитета слились в один.
Алгол был разработан в 1958 году, на недельной конференции в ETH (Цюрих, Швейцария) как универсальный язык программирования для широкого круга применений, а затем доработан комитетом, созданным Международной федерацией по обработке информации (IFIP). В комитет вошёл ряд ведущих европейских и американских учёных и инженеров-разработчиков языков.