Понятие о языках программирования высокого и низкого уровней
Меры и единицы количества и объема информации.
В двоичной системе счисления знаки 0 и 1 будем называть битами (от английского выражения Binary digiTs – двоичные цифры). Создатели компьютеров отдают предпочтение именно двоичной системе счисления, потому что в техническом устройстве наиболее просто реализовать два противоположных физических состояния. Например: некоторый физический элемент, имеющий два различных состояния: намагниченность в двух противоположных направлениях; прибор, пропускающий или нет электрический ток; конденсатор, заряженный или незаряженный и т.п. В компьютере бит является наименьшей возможной единицей информации. Объем информации, записанной двоичными знаками в памяти компьютера или на внешнем носителе информации, подсчитывается просто по количеству требуемых для такой записи двоичных символов. При этом, в частности, невозможно нецелое число битов (в отличие от вероятностного подхода).
Группа из 8 битов информации называется байтом. Если бит — минимальная единица информации, то байт ее основная единица. Существуют производные единицы информации: килобайт (кбайт, кб), мегабайт (Мбайт, Мб) и гигабайт (Гбайт, Гб).
1 кб = 1024 байта = 210 (1024) байтов.
1 Мб = 1024 кбайта = 220 (1024 х 1024) байтов.
1 Гб = 1024 Мбайта = 230 (1024 х 1024 х 1024) байтов.
Эти единицы чаще всего используют для указания объема памяти ЭВМ.
Между вероятностным и объемным количеством информации соотношение неоднозначное. Далеко не всякий текст, записанный двоичными символами, допускает измерение объема информации в кибернетическом смысле, но заведомо допускает его в объемном. Далее, если некоторое сообщение допускает измеримость количества информации в обоих смыслах, то они не обязательно совпадают, при этом кибернетическое количество информации не может быть больше объемного.
Иногда одно мнемоническое обозначение соответствует целой группе машинных команд, выполняющих одинаковое действие над разными ячейками памяти процессора. Кроме машинных команд языки программирования низкого уровня могут предоставлять дополнительные возможности, такие как макроопределения (макросы). При помощи директив есть возможность управлять процессом трансляции машинных кодов, предоставляя возможность заносить константы и литеральные строки, резервировать память под переменные и размещать исполняемый код по определенным адресам. Часто эти языки позволяют работать вместо конкретных ячеек памяти с переменными.
Как правило, использует особенности конкретного семейства процессоров. Общеизвестный пример низкоуровнего языка — язык ассемблера, хотя правильнее говорить о группе языков ассемблера. Более того, для одного и того же процессора существует несколько видов языка ассемблера. Они совпадают в машинных командах, но различаются набором дополнительных функций (директив и макросов).
ЯЗЫКИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ ВЫСОКОГО УРОВНЯ, ЯЗЫКИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ, приемлемо близкие к разговорному языку. Высокоуровневый язык программирования преобразуется КОМПИЛЯТОРОМ в машинные коды, используемые непосредственно компьютером. Большинство используемых современных языков (таких как Бейсик, Паскаль или Си), являются высокоуровневыми.
Вывод:
Дата добавления: 2015-04-24 ; Просмотров: 727 ; Нарушение авторских прав?
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Чем отличаются низко- средне- и высокоуровневые языки программирования
Перевод статьи Клеофаса Мулонго «What Are Low, Middle, And High Level Programming Languages?».
Языки программирования можно разбить на три большие категории. Это высокоуровневые, среднеуровневые и низкоуровневые языки. Эти три вида языков отличаются друг от друга по многим характеристикам.
К высокоуровневым относят языки программирования, которые созданы с расчетом на то, что их должны понимать люди. Они независимы: программистам не нужно знать, на каком оборудовании будет запускаться программа. Примеры таких языков – C++ и Python.
Среднеуровневые языки служат как бы связующим звеном между аппаратной и программной частью компьютера. Они действуют на уровне абстракции.
Низкоуровневые языки, в свою очередь, созданы для удовлетворения нужд конкретной компьютерной архитектуры и учитывают требования «железа».
В этой статье мы рассмотрим некоторые ключевые отличия между вышеуказанными видами языков программирования.
1. Скорость
Что касается скорости, программы, написанные на низкоуровневых языках, являются более быстрыми, чем написанные на средне- или высокоуровневых языках. Причина этого в том, что эти программы не нуждаются в интерпретации или компиляции. Они взаимодействуют непосредственно с регистрами и памятью.
Программы, написанные на высокоуровневых языках, относительно медленные. Главая причина этого в том, что они пишутся на «человеческом» языке. Компьютеру приходится переводить и интерпретировать их, прежде чем выполнить. Все эти процессы занимают время.
Скорость среднеуровневых языков занимает промежуточное положение. Ее не назовешь ни слишком высокой, ни слишком низкой.
2. Требования к памяти
Это еще один параметр, с помощью которого можно разграничить три вида языков программирования. Низкоуровневые языки очень эффективны в этом плане, они потребляют мало памяти. Это их очень отличает от высокоуровневых языков, которые являются очень ёмкими в этом плане. А вот программы на среднеуровневых языках уже не требуют столько памяти.
3. Легкость использования
Низкоуровневые языки дружественны к машинам, но недружественны к программистам. Человеку довольно сложно иметь дело с бинарным кодом и мнемоникой. То, что каждая инструкция создается для конкретной архитектуры компьютера, делает низкоуровневые языки более техническими. Короче говоря, учить их сложно.
Высокоуровневые языки, напротив, дружественны к людям. Они состоят из фраз на английском языке, которые легко понять и запомнить. Это поясняет, почему именно языки высокого уровня являются наиболее популярными.
4. Портируемость
В данном случае портируемость означает возможность использовать язык на разных компьютерах. Низкоуровневые языки являются менее портируемыми, поскольку их инструкции «машинозависимы». То есть, каждая инструкция написана для конкретной машины. Код, написанный для конкретной машины, не запустится на на компьютере с другой архитектурой.
Высокоуровневые языки не зависят от аппаратной части. Один и тот же код может без проблем использоваться на разных машинах (и даже на машинах с разной архитектурой). Это означает, что высокоуровневые языки являются хорошо портируемыми. Вы можете перенести программу, написанную на таком языке, из одной среды в другую – и она все равно будет работать.
5. Абстракция
В этом контексте абстракция это отношения между языком и аппаратной частью компьютера. В случае с низкоуровневыми языками абстракция минимальная или вообще нулевая. Эти языки легко взаимодействуют с памятью компьютера и регистрами.
Расхождение между среднеуровневыми языками и аппаратной частью довольно существенное. Оно больше, чем у низкоуровневых языков, но меньше, чем у высокоуровневых.
Логично предположить, что высокоуровневые языки имеют максимальный уровень абстракции. Это потому, что они работают на самом верхнем уровне компьютера, где взаимодействие с аппаратной частью минимальное.
Как видите, низко-, средне- и высокоуровневые языки заметно отличаются. Каждый вид языков служит для определенных целей, а потому, конечно же, ни один не является лучше другого.
Классификация языков программирования
На заре компьютерной эры машинный код был единственным средством общения человека с компьютером. Огромным достижением создателей языков программирования было то, что они сумели заставить сам компьютер работать переводчиком с этих языков на машинный код.
Существующие языки программирования можно разделить на две группы: процедурные и непроцедурные (см. рис. 4.1).
Процедурные (или алгоритмические) программы представляют из себя систему предписаний для решения конкретной задачи. Роль компьютера сводится к механическому выполнению этих предписаний.
Процедурные языки разделяют на языки низкого и высокого уровня.
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.
Имеется в виду, что операторы языка близки к машинному коду и ориентированы на конкретные команды процессора.
Рис. 4.1. Общая классификация языков программирования
Языки низкого уровня (машинно-ориентированные) позволяют создавать программы из машинных кодов, обычно в шестнадцатеричной форме. С ними трудно работать, но созданные с их помощью высококвалифицированным программистом программы занимают меньше места в памяти и работают быстрее. С помощью этих языков удобнее разрабатывать системные программы, драйверы (программы для управления устройствами компьютера), некоторые другие виды программ.
Языком низкого уровня (машинно-ориентированным) является Ассемблер, который просто представляет каждую команду машинного кода, но не в виде чисел, а с помощью условных символьных обозначений, называемых
мнемониками.
С помощью языков низкого уровня создаются очень эффективные и компактные программы, так как разработчик получает доступ ко всем возможностям процессора.
Языки программирования высокого уровня значительно ближе и понятнее человеку, нежели компьютеру. Особенности конкретных компьютерных архитектур в них не учитываются, поэтому создаваемые программы на уровне исходных текстов легко переносимы на другие платформы, для которых создан транслятор этого языка. Разрабатывать программы на языках высокого уровня с помощью понятных и мощных команд значительно проще, а ошибок при создании программ допускается гораздо меньше.
Работа всех трансляторов строится по одному из двух принципов: интерпретация или компиляция.
Интерпретация подразумевает пооператорную трансляцию и последующее выполнение оттранслированного оператора исходной программы. В связи с этим можно отметить два недостатка метода интерпретации: во-первых, интерпретирующая программа должна находиться в памяти ЭВМ в течение всего процесса выполнения исходной программы, т. е. занимать определенный объем памяти; во-вторых, процесс трансляции одного и того же оператора повторяется столько раз, сколько раз должна исполняться эта команда в программе, что резко снижает производительность работы программы.
Несмотря на указанные недостатки, трансляторы-интерпретаторы получили достаточное распространение, так как они удобны при разработке и отладке исходных программ.
При компиляции процессы трансляции и выполнения разделены во времени: сначала исходная программа полностью переводится на машинный язык (после чего наличие транслятора в оперативной памяти становится ненужным), а затем оттранслированная программа может многократно исполняться. Следовательно, для одной и той же программы трансляция методом компиляции обеспечивает более высокую производительность вычислительной системы при сокращении требуемой оперативной памяти.
Большая сложность в разработке компилятора по сравнению с интерпретатором с того же самого языка объясняется тем, что компиляция программы включает два действия: анализ, т. е. определение правильности записи исходной программы в соответствии с правилами построения языковых конструкций входного языка, и синтез – генерирование эквивалентной программы в машинных кодах. Трансляция методом компиляции требует неоднократного «просмотра» транслируемой программы, т. е. трансляторы-компиляторы являются многопроходными: при первом проходе они проверяют корректность синтаксиса языковых конструкций отдельных операторов независимо друг от друга, при последующем проходе – корректность синтаксических взаимосвязей между операторами и т. д.
Полученная в результате трансляции методом компиляции программа называется объектным модулем, который представляет собой эквивалентную программу в машинных кодах, но не «привязанную» к конкретным адресам оперативной памяти. Поэтому перед исполнением объектный модуль должен быть обработан специальной программой операционной системы (редактором связей – Link) и преобразован в загрузочный модуль.
Наряду с рассмотренными выше трансляторами-интерпретаторами и трансляторами-компиляторами на практике используются также трансляторы интерпретаторы-компиляторы, которые объединяют в себе достоинства обоих принципов трансляции: на этапе разработки и отладки программ транслятор работает в режиме интерпретатора, а после завершения процесса отладки исходная программа повторно транслируется в объектный модуль (т. е. уже методом компиляции). Это позволяет значительно упростить и ускорить процесс составления и отладки программ, а за счет последующего получения объектного модуля обеспечить более эффективное исполнение программы.
Классическое процедурное программирование требует от программиста детального описания того, как решать задачу, т. е. формулировки алгоритма и его специальной записи. При этом ожидаемые свойства результата обычно не указываются. Основные понятия языков этих групп – оператор и данные.
При процедурном подходе операторы объединяются в группы – процедуры. Структурное программирование в целом не выходит за рамки этого направления, оно лишь дополнительно фиксирует некоторые полезные приемы
технологии программирования.
Принципиально иное направление в программировании связано с методологиями (иногда говорят «парадигмами») непроцедурного программирования. К ним можно отнести объектно-ориентированное и декларативное программирование. Объектно-ориентированный язык создает окружение в виде множества независимых объектов. Каждый объект ведет себя подобно отдельному компьютеру, их можно использовать для решения задач как «черные ящики», не вникая во внутренние механизмы их функционирования. Из языков объектного программирования, популярных среди профессионалов, следует назвать прежде всего Си++, для более широкого круга программистов предпочтительны среды типа Delphi и Visual Basic.
При использовании декларативного языка программист указывает исходные информационные структуры, взаимосвязи между ними и то, какими свойствами должен обладать результат. При этом процедуру его получения («алгоритм») программист не строит (по крайней мере, в идеале). В этих языках отсутствует понятие «оператор» («команда»). Декларативные языки можно подразделить на два семейства – логические (типичный представитель – Пролог) и функциональные (Лисп).
Охарактеризуем наиболее известные языки программирования.
1.Фортран (FORmula TRANslating system – система трансляции формул); старейший и по сей день активно используемый в решении задач математической ориентации язык. Является классическим языком для программирования на ЭВМ математических и инженерных задач
2.Бейсик (Beginner’s All-purpose Symbolic Instruction Code – универсальный символический код инструкций для начинающих); несмотря на многие недостатки и изобилие плохо совместимых версий – самый популярный по числу пользователей. Широко употребляется при написании простых программ.
3.Алгол (ALGOrithmic Language – алгоритмический язык); сыграл большую роль в теории, но для практического программирования сейчас почти не используется.
4.ПЛ/1 (PL/1 Programming Language – язык программирования первый); многоцелевой язык; сейчас почти не используется.
5.Паскаль (Pascal – назван в честь ученого Блеза Паскаля); чрезвычайно популярен как при изучении программирования, так и среди профессионалов. Создан в начале 70-х годов швейцарским ученым Никлаусом Виртом. Язык Паскаль первоначально разрабатывался как учебный, и, действительно, сейчас он является одним из основных языков обучения программированию в школах и вузах. Однако качества его в совокупности оказались столь высоки, что им охотно пользуются и профессиональные программисты. Не менее впечатляющей, в том числе и финансовой, удачи добился Филип Кан, француз, разработавший систему Турбо-Паскаль. Суть его идеи состояла в объединении последовательных этапов обработки программы – компиляции, редактирования связей, отладки и диагностики ошибок – в едином интерфейсе. Версии Турбо-Паскаля заполонили практически все образовательные учреждения, программистские центры и частные фирмы. На базе языка Паскаль созданы несколько более мощных языков (Модула, Ада, Дельфи).
6.Кобол (COmmon Business Oriented Language – язык, ориентированный на общий бизнес); в значительной мере вышел из употребления. Был задуман как основной язык для массовой обработки данных в сферах управления
и бизнеса.
7.АДА;является языком, победившим (май 1979 г.) в конкурсе по разработке универсального языка, проводимым Пентагоном с 1975 году. Разработчики – группа ученых во главе с Жаном Ихбиа. Победивший язык окрестили АДА, в честь Огасты Ады Лавлейс. Язык АДА – прямой наследник языка
Паскаль. Этот язык предназначен для создания и длительного (многолетнего) сопровождения больших программных систем, допускает возможность параллельной обработки, управления процессами в реальном времени и многое другое, чего трудно или невозможно достичь средствами более простых языков.
8.Си (С – «си»); широко используется при создании системного программного обеспечения. Наложил большой отпечаток на современное программирование (первая версия – 1972 г.), является очень популярным в среде разработчиков систем программного обеспечения (включая операционные системы). Си сочетает в себе черты как языка высокого уровня, так и машинно-ориентированного языка, допуская программиста ко всем машинным ресурсам, чего не обеспечивают такие языки, как Бейсик и Паскаль.
9.Си++ (С++);объектно-ориентированное расширение языка Си, созданное Бьярном Страуструпом в 1980 году. Множество новых мощных возможностей, позволивших резко повысить производительность программистов, наложилось на унаследованную от языка Си определенную низкоуровневость.
10.Дельфи (Delphi); язык объектно-ориентированного «визуального» программирования; в данный момент чрезвычайно популярен. Созданный на базе языка Паскаль специалистами фирмы Borland язык Delphi, обладая мощностью и гибкостью языков Си и Си++, превосходит их по удобству и простоте интерфейса при разработке приложений, обеспечивающих взаимодействие с базами данных и поддержку различного рода работ в рамках корпоративных сетей и сети Интернет.
11.Ява (Java); платформенно-независимый язык объектно-ориентированного программирования, чрезвычайно эффективен для создания интерактивных веб-страниц. Этот язык был создан компанией Sun в начале 90-х годов на основе СИ++. Он призван упростить разработку приложений на основе Си++ путем исключения из него всех низкоуровневых возможностей.
12.Лисп (Lisp) – функциональный язык программирования. Ориентирован на структуру данных в форме списка и позволяет организовать эффективную обработку больших объемов текстовой информации.
13.Пролог (PROgramming in LOGic – логическое программирование). Главное назначение языка – разработка интеллектуальных программ и систем. Пролог – это язык программирования, созданный специально для работы с базами знаний, основанными на фактах и правилах (одного из элементов систем искусственного интеллекта). В языке реализован механизм возврата для выполнения обратной цепочки рассуждений, при котором предполагается, что некоторые выводы или заключения истинны, а затем эти предположения проверяются в базе знаний, содержащей факты и правила логического вывода.
Если предположение не подтверждается, выполняется возврат и выдвигается новое предположение. В основу языка положена математическая модель теории исчисления предикатов.
Языки программирования для Интернета:
1. HTML.Общеизвестный язык для оформления документов. Он очень прост и содержит элементарные команды форматирования текста, добавления рисунков, задания шрифтов и цветов, организации ссылок и таблиц.
2. PERL.Он задумывался как средство эффективной обработки больших текстовых файлов, генерации текстовых отчетов и управления задачами.
По мощности Perl значительно превосходит языки типа Си. В него введено много часто используемых функций работы со строками, массивами, управление процессорами, работа с системной информацией.
3. Tcl/Tk.Этот язык ориентирован на автоматизацию рутинных процессов и состоит из мощных команд. Он независим от системы и при этом позволяет создавать программы с графическим интерфейсом.
4. VRML.Создан для организации виртуальных трехмерных интерфейсов в Интернете. Он позволяет описывать в текстовом виде различные трехмерные сцены, освещение и тени, текстуры.
Выбор языка программирования зависит от многих факторов: назначения, удобства написания исходных программ, эффективности получаемых объектных программ и т. п. Разнотипность решаемых компьютером задач и определяет многообразие языков программирования.
Контрольные вопросы
1. Что такое системы программирования и к какому классу программ они относятся?
2. Что входит в состав систем программирования?
3. На каком языке программирования создавались первые программы?
4. На какие языки подразделяются процедурные языки?
5. Охарактеризуйте языки низкого уровня.
6. Какой язык относится к языку низкого уровня?
7. Достоинства языков низкого уровня.
8. Охарактеризуйте языки высокого уровня.
9. Достоинства языков высокого уровня.
10. Приведите примеры языков высокого уровня.
11. Для чего предназначены трансляторы?
12. Чем отличается компилятор от интерпретатора?
13. Недостатки интерпретации (как вид транслятора).
14. Что представляет собой процесс компиляции программы?
15. Какие действия выполняются при компиляции?
16. Чем отличается загрузочный модуль от объектного?
17. Чем отличается процедурное программирование от непроцедурного?
18. Какие виды программирования относятся к непроцедурному
программированию?
19. Особенность декларативных языков.
20. Охарактеризуйте кратко языки программирования: Фортран, Бейсик, Паскаль, Кобол.
21. Охарактеризуйте кратко языки программирования: Ада, Си, Си++, Delphi, Java.
22. Приведите примеры объектно-ориентированных языков.
23. К какому классу языков относится язык Лисп?
24. К какому классу языков относится язык Пролог?