Инструментальные системы: какие программы в них входят?

К инструментальному программному обеспечению относятся средства разработки программного обеспечения. Это системы программирования, включающие программные средства, необходимые для автоматического построения машинного кода. Они являются инструментами для программистов- профессионалов и позволяют разрабатывать программы на различных языках программирования.

В состав средств разработки программного обеспечения входят следующие программы:

ассемблеры – компьютерные программы, осуществляющие преобразование программы в форме исходного текста на языке ассемблера в машинные команды в виде объектного кода;
трансляторы – программы, выполняющие трансляцию программы;
компиляторы – программы, переводящие текст программы на языке высокого уровня в эквивалентную программу на машинном языке;
интерпретаторы – программы, анализирующие команды или операторы программы и тут же выполняющие их;
компоновщики (редакторы связей) – программы, которые производят компоновку – принимают на вход один или несколько объектных модулей и собирают по ним исполнимый модуль;
препроцессоры исходных текстов – это компьютерные программы, принимающие данные на входе, и выдающие данные, предназначенные для входа другой программы, например такой, как компилятор;
отладчики (debugger) – программы, являющиеся модулем среды разработки или отдельным приложением, предназначенным для поиска ошибок в программе;
специализированные редакторы исходных текстов – программы, необходимые для создания и редактирования исходного кода программ. Специализированный редактор исходных текстов может быть отдельным приложением или встроенным в интегрированную среду разработки и др.

Языки, представляющие алгоритмы в виде последовательности читаемых (не двоично-кодированных) команд, называются алгоритмическими языками. Алгоритмические языки подразделяются на машинно-ориентированные, процедурно-ориентированные и проблемно-ориентированные.

Машинно-ориентированные языки относятся к языкам программирования низкого уровня – программирование на них наиболее трудоемко, но позволяет создавать оптимальные программы, максимально учитывающие функционально-структурные особенности конкретного компьютера. Программы на этих языках, при прочих равных условиях, будут более короткими и быстрыми. Кроме того, знание основ программирования на машинно-ориентированном языке позволяет специалисту подробнейшим образом разобраться с архитектурой компьютера. Большинство команд машинно-ориентированных языков при трансляции (переводе) на машинный (двоичный) язык генерируют одну машинную команду.

Процедурно-ориентированные и проблемно-ориентированные языки относятся к языкам высокого уровня, использующим макрокоманды. Макрокоманда при трансляции генерирует много машинных команд (для процедурноориентированного языка это соотношение в среднем «1 к десяткам машинных команд», а для проблемно-ориентированного – «1 к сотням машинных команд». Процедурноориентированные языки программирования являются самыми используемыми (Basic, Visual Basic, Pascal, Borland Delphi, С и др.). В этом случае программист должен описывать всю процедуру решения задачи, тогда как проблемно-ориентированные языки (их называют также непроцедурными) позволяют лишь формально идентифицировать проблему и указать состав, структуры представления и форматы входной и выходной информации для задачи.

При выполнении инструкций программ компьютеру необходимо преобразовать удобные для человеческого восприятия операторы, написанные на каком-либо языке программирования, в форму, попятную для компьютера. Инструментальное программное обеспечение имеет специальные программы, транслирующие (translate) текст программ, написанных на различных языках программирования, в машинные коды, которые затем выполняются компьютером. Этот вид программного обеспечения называется компилятором или интерпретатором. Текст программы, написанной на языке программирования высокого уровня, до того как быть преобразованным в машинные коды, называется исходным кодом (source code). Компилятор (compiler) преобразует исходный код в машинные коды, называемые объектным кодом (object code) – программой на выходном языке транслятора. Перед выполнением происходит процесс редактирования связей (linkage editing), заключающийся в том, что модули выходной программы объединяются с другими модулями объектного кода, содержащими, например, данные. Результирующий загрузочный модуль – это команды, непосредственно выполняемые компьютером. Некоторые языки программирования содержат не компилятор, а интерпретатор (interpreter), который преобразует каждое отдельное выражение исходного кода в машинные коды и сразу выполняет их. Интерпретатор удобен на этапе отладки программы, так как обеспечивает быструю обратную связь при обнаружении ошибки в исходном коде. Основы программирования на языке высокого уровня Visual Basic изложены в гл. 12 настоящего учебника.

К инструментальному ПО относят также некоторые системы управления базами данных (СУБД). СУБД – это специализированный комплекс программ, предназначенный для организации и ведения баз данных. Так как системы управления базами данных не являются обязательным компонентом вычислительной системы, их не относят к системному программному обеспечению. А так как отдельные СУБД осуществляют лишь служебную функцию при работе других видов программ (веб-серверы, серверы приложений), их не всегда можно отнести к прикладному программному обеспечению. По этим причинам их часто относят к инструментальному программному обеспечению.

Основные функции таких СУБД:

управление данными во внешней памяти (на дисках);
управление данными в оперативной памяти с использованием дискового кэша;
фиксация изменений в специальных журналах, резервное копирование и восстановление базы данных после сбоев;
поддержка языков БД (язык определения данных, язык манипулирования данными).

Теоретические основы СУБД описаны выше (параграф 3.2), а практическое применение описано в гл. 10.

Инструмента́льное програ́ммное обеспе́чение — программное обеспечение, предназначенное для использования в ходе проектирования, разработки и сопровождения программ, в отличие от прикладного и системного программного обеспечения.

Инструментальный уровень (трансляторы и компиляторы языков программирования, системы программирования), обеспечивают создание новых программ для персонального компьютера.

Язык программирования — формальная знаковая система, предназначенная для описания алгоритмов в форме, которая удобна для исполнителя (например, компьютера). Язык программирования определяет набор лексических, синтаксических и семантических правил, используемых при составлении компьютерной программы. Он позволяет программисту точно определить то, на какие события будет реагировать компьютер, как будут храниться и передаваться данные, а также какие именно действия следует выполнять над этими данными при различных обстоятельствах.

Языки программирования подразделяются на низкоуровневые и высокоуровневые языки.

Низкоуровневый язык программирования — язык программирования, близкий к программированию непосредственно в машинных кодах.

Как правило, использует особенности конкретного семейства процессоров. Общеизвестный пример низкоуровнего языка — язык ассемблера .

Высокоуровневый язык программирования — язык программирования, разработанный для быстроты и удобства использования программистом. Слово «высокоуровневый» здесь означает, что язык предназначен для решения абстрактных высокоуровневых задач и оперирует не инструкциями к оборудованию, а логическими понятиями и абстракцией данных. Это позволяет быстрее программировать сложные задачи и обеспечивает относительную независимость от оборудования. Использование разнообразных трансляторов и интерпретаторов обеспечивает связь программ, написанных при помощи языков высокого уровня, с различными операционными системами и оборудованием, в то время как их исходный код остаётся, в большей части, неизменным.

Такого рода оторванность высокоуровневых языков от аппаратной реализации компьютера помимо множества плюсов имеет и минусы. В частности, она не позволяет создавать простые и точные инструкции к используемому оборудованию. Программы написанные на языках высокого уровня, проще для понимания программистом, но гораздо менее эффективны, чем их аналоги, создаваемые при помощи низкоуровневых языков. Одним из следствий этого стало добавление поддержки того или иного языка низкого уровня (язык ассемблера) в большинство современных профессиональных высокоуровневых языков программирования.

Наиболее распространёнными языками подобного типа являются C++ , Visual Basic , Java , Python , Ruby , Perl , Delphi , PHP .

Языки программирования также можно разделить на компилируемые и интерпретируемые .

Программа на компилируемом языке при помощи специальной программы компилятора преобразуется (компилируется) в набор инструкций для данного типа процессора (машинный код) и далее записывается в исполняемый файл, который может быть запущен на выполнение как отдельная программа. Другими словами, компилятор переводит программу с языка высокого уровня на низкоуровневый язык, понятный процессору.

Если программа написана на интерпретируемом языке, то интерпретатор непосредственно выполняет (интерпретирует) её текст без предварительного перевода. При этом программа остаётся на исходном языке и не может быть запущена без интерпретатора. Можно сказать, что процессор компьютера — это интерпретатор машинного кода.

Кратко говоря, компилятор переводит программу на машинный язык сразу и целиком, создавая при этом отдельную программу, а интерпретатор переводит на машинный язык прямо во время исполнения программы.

Разделение на компилируемые и интерпретируемые языки является несколько условным. Так, для любого традиционно компилируемого языка, как, например, Паскаль , можно написать интерпретатор. Кроме того, большинство современных «чистых» интерпретаторов не исполняют конструкции языка непосредственно, а компилируют их в некоторое высокоуровневое промежуточное представление (например, с разыменованием переменных и раскрытием макросов).

Для любого интерпретируемого языка можно создать компилятор — например, язык Лисп , изначально интерпретируемый, может компилироваться без каких бы то ни было ограничений. Создаваемый во время исполнения программы код может так же динамически компилироваться во время исполнения.

Как правило, скомпилированные программы выполняются быстрее и не требуют для выполнения дополнительных программ, так как уже переведены на машинный язык. Вместе с тем при каждом изменении текста программы требуется ее перекомпиляция, что создает трудности при разработке. Кроме того, скомпилированная программа может выполняться только на том же типе компьютеров и, как правило, под той же операционной системой, на которую был рассчитан компилятор. Чтобы создать исполняемый файл для машины другого типа, требуется новая компиляция.

Интерпретируемые языки обладают некоторыми специфическими дополнительными возможностями, кроме того, программы на них можно запускать сразу же после изменения, что облегчает разработку. Программа на интерпретируемом языке может быть зачастую запущена на разных типах машин и операционных систем без дополнительных усилий. Однако интерпретируемые программы выполняются заметно медленнее, чем компилируемые, кроме того, они не могут выполняться без дополнительной программы-интерпретатора.

Некоторые языки, например, Java и C# , находятся между компилируемыми и интерпретируемыми. А именно, программа компилируется не в машинный язык, а в машинно-независимый код низкого уровня, байт-код . Далее байт-код выполняется виртуальной машиной. Для выполнения байт-кода обычно используется интерпретация, хотя отдельные его части для ускорения работы программы могут быть транслированы в машинный код непосредственно во время выполнения программы по технологии компиляции «на лету» (Just-in-time compilation ). Для Java байт-код исполняется виртуальной машиной Java (Java Virtual Machine ), для C# — Common Language Runtime .

Классы языков программирования. Условно, языки программирования можно разделить на следующие классы (рис. 2.).

В языках функционального программирования основными конструктивными элементами являются функции. Тексты программ на функциональных языках программирования описывают «как решить задачу», но не предписывают последовательность действий для решения.

В качестве основных свойств функциональных языков программирования обычно рассматриваются следующие:

· краткость и простота;

· строгая типизация;

· модульность;

· функции — объекты вычисления;

· чистота (отсутствие побочных эффектов);

· отложенные (ленивые) вычисления.

Рис. 2. Классы языков программирования

Примеры языков функционального программирования: Лисп, Haskell, Clean, ML и др.

Процедурное программирование — это парадигма программирования, основанная на концепции вызова процедуры . Процедуры, также известны как подпрограммы, методы, или функции (это не математические функции, но функции, подобные тем, которые используются в функциональном программировании). Процедуры просто содержат последовательность шагов для выполнения. В ходе выполнения программы любая процедура может быть вызвана из любой точки, включая саму данную процедуру.

Примеры процедурных языков программирования: Ада, Бейсик, Си, Си++, Паскаль, Visual Basic, Dilphi и др.

Язык описания интерфейсов или IDL (англ. Interface Description Language ) — чисто описательный компьютерный язык, синтаксически похожий на C++.

Примеры языков описания интерфейсов: CORBA IDL (разработан OMG для описания интерфейсов распределённых объектов — названий методов и типов переменных-аргументов), COM IDL (аналогичная CORBA IDL разработка Microsoft, созданная для описания интерфейсов между модулями COM).

Объектно-ориентированный язык программирования (ОО язык) — язык, благоприятствующий объектно-ориентированному программированию. В современных ОО языках используются методы:

Наследование . Создание нового класса объектов путём добавления новых элементов (методов). В данный момент ОО языки позволяют выполнять множественное наследование, т.е. объединять в одном классе возможности нескольких других классов.

Инкапсуляция . Сокрытие данных, которое (при грамотной реализации) позволяет вносить изменения в части программы безболезненно для других её частей. Что существенно упрощает сопровождение и модернизацию программного обеспечения.

Полиморфизм . При наследовании некоторые части (методы) родительского класса заменяются новыми, реализующими специфические для данного потомка действия. Таким образом, интерфейс классов остаётся прежним, а реализация методов с одинаковым названием и набором параметров различается.

Типизация . Позволяет устранить многие ошибки на момент компиляции, операции проводятся только над объектами подходящего типа.

Примеры ОО-языков программирования: Си++, Delphi (Object Pascal), С#, Java и др.

Логическое программирование — парадигма программирования, а также раздел дискретной математики изучающий методы и возможности этой парадигмы, основанная на выводе новых фактов из данных фактов согласно заданным логическим правилам. Логическое программирование основано на теории математической логики. Самым известным языком логического программирования является Пролог , являющийся по своей сути универсальной машиной вывода, работающей в предположении замкнутости мира фактов.

Скриптовый язык (англ. scripting language , также называют язык сценариев ) — язык программирования, разработанный для записи «сценариев», последовательностей операций, которые пользователь может выполнять на компьютере. Простые скриптовые языки раньше часто называли языками пакетной обработки (batch languages ). Сценарии всегда интерпретируются, а не компилируются.

В прикладной программе, сценарий (скрипт ) — это программа, которая автоматизирует некоторую задачу, которую без сценария пользователь делал бы вручную, используя интерфейс программы.

Примеры скриптовых языков программирования: VBA (Visual Basic Application), AutoLISP, 3DMAX Script, JCL, JavaScript и др.

В настоящее время, широкое использование компьютерных систем с кластерными и GRID-архитектурами поставило задачу создания высокоуровневых, мощных и лёгких для использования языков программирования, которые бы позволили создавать сложные, но в то же время быстрые приложения, эффективно использующие параллельные вычисления . Одним из таких языков в настоящее время является MC# (высокоуровневый объектно-ориентированный язык программирования для платформы.NET, поддерживающий создание программ, работающих в распределённой среде с асинхронными вызовами).

Вопросы для самопроверки:

1. Программное обеспечение.

2. Базовый уровень.

3. Системный уровень программного обеспечения.

4. Служебный уровень программного обеспечения.

5. Прикладной уровень программного обеспечения.

6. Что называется драйверами устройств?

7. Что называется утилитами?

8. Дайте определение языка программирования.

9. Что такое интерпретатор?

10. Что такое компилятор?

11. Приведите примеры языков программирования низкого и высокого уровней, в чём их отличие?