Program komputera Wstęp do informatyki Programowanie komputerów PC Komputer jest maszyną wykonującą polecenia odczytywane z pamięci operacyjnej (instrukcje procesora kod programu) Instrukcje procesora dotyczą prostych operacji na rejestrach wewnętrznych oraz odczycie i zapisie komórek pamięci. Interakcja maszyny z uŝytkownikiem odbywa się poprzez urządzenia we/wy, które zamieniają sygnały wysyłane przez człowieka i zamieniają je na postać cyfrową i odwrotnie. Cezary Bolek cbolek@ki.uni.lodz.pl ROM, RAM CPU ALU Uniwersytet Łódzki Wydział Zarządzania Katedra Informatyki In/Out Rejestry procesora Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 2 Pamięć operacyjna ROM + RAM np. 01001000 00001000 11001010 00001011 11111110 Język maszynowy 48 h 08 h CA h 0B h FE h Instrukcja procesora (kod programu) w pamięci zapisane są w postaci liczb dwójkowych. Zapis programu za pomocą liczb, które mogą być bezpośrednio wykonywane przez maszyną nazywa się językiem maszynowym., 48, 08, CA, 0B, FE, Pisanie programów w języku maszynowym przez człowieka jest bardzo Ŝmudne, ale było stosowane do programowania komputerów I i II generacji. Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 3 Język asemblera KaŜdej instrukcji procesora (która moŝe zajmować jeden lub więcej bajtów) moŝna przypisać skrót literowy (mnemonik), a kaŝdemu rejestrowi nazwę. Zapis programu za pomocą mnemoników nazywa się językiem asemblera, który jest znacznie łatwiejszy do opanowania przez człowieka. np. 48 h 08 h CA h 0B h FE h BL,8 ADD BL,B INC BL BL,8 ADD BL,B INC BL Program zapisany w języku asemblera nie moŝe być wykonywany bezpośrednio przez komputer i wymaga tłumaczenia na kod maszynowy za pomocą programu zwanego asemblerem. PoniewaŜ istnieje ścisły związek pomiędzy mnemonikami a instrukcjami maszynowymi, proces tłumaczenia (asemblacja) jest stosunkowo prosty. Proces odwrotny nazywa się deasemblacją (za pomocą disasemblera). BL,8 ADD BL,B INC BL Asembler, 48, 08, CA, 0B, FE, Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 4 1
Języki wysokiego poziomu Program zapisany w języku wysokiego poziomu charakteryzuje: Abstrakcja danych programista operuje na zmiennych bez konieczności organizacji wykorzystania rejestrów procesora i lokalizacji liczb w pamięci ZłoŜone struktury danych proste jest deklarowanie i korzystanie ze złoŝonych struktur liczb jak np. tablice (macierze), stosy, kolejki, drzewa, etc. Zaawansowane konstrukcje sterujące określenie kolejności wykonywania programu realizuje się z pomocą intuicyjnych konstrukcji warunkowych typu IF-THEN-ELSE, FOR, DO-WHILE, etc. Dowolność układu zapisu programu programista moŝe zapisywać program w postaci najbardziej dla niego czytelnej i zgodnej z upodobaniami. for (i=1; i<10, i++) { n=10+x*2 }; for (i=1; i<10, i++) { n=10+x*2 }; for (i=1; i<10, i++) { n=10+x*2 }; Kompilacja programów Programy napisane w językach wysokiego poziomu muszą być tłumaczone na język maszynowy za mocą programu zwanego kompilatorem, a proces tłumaczenia nazywa się kompilacją. for (i=1; i<10, i++) { n=10+x*2 }; Kompilator, 48, 08, CA, 0B, FE, BL,8 ADD BL,B INC BL Kompilacja programów jest zadaniem bardzo złoŝonym, ze względu na mnogość moŝliwości realizacji zadania w języku asemblera. Kompilatory są jednymi z najbardziej zaawansowanych i złoŝonych programów dla komputerów osobistych. X = X + Y*Z MUL ADD AL,X BL,Y CL,Z CL,BL lub AL,CL X,AL MUL ADD AL,Y BL,Z AL,BL BL,X AL,BL X,AL MUL ADD lub AL,Z AL,Y CL,X X,AL Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 5 Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 6 Przykład - algorytm Euklidesa Znajdowanie największego wspólnego podzielnika Największy Wspólny Dzielnik (NWD) dwóch liczb jest największą liczbą naturalną spośród tych, które dzielą obie te liczby bez reszty Np. NWD(24,18) = 6. Aby znaleźć Największy Wspólny Dzielnik dwóch liczb, to od większej liczby naleŝy odejmować mniejszą dotąd, aŝ obie liczby będą sobie równe. Wynik jest ich największym wspólnym podzielnikiem. Lista kroków Przykład - algorytm Euklidesa K01: Czytaj a,b K02: Dopóki a b: wykonuj krok K03 K03: JeŜeli a > b, to a a - b. Inaczej b b a K04: nwd a K05: Zakończ algorytm Schemat blokowy NWD(24,15) 24-15 = 9 15-9 = 6 Od większej liczby odejmujemy mniejszą. Liczby 24 i 15 przechodzą w 15 i 9. PoniewaŜ nie są one równe, wykonujemy dalej odejmowanie Teraz otrzymujemy parę 9 i 6, która dalej nie składa się z liczb sobie równych, więc kontynuujemy odejmowanie. 9-6 = 3 Para 6 i 3 - odejmujemy dalej 6-3 = 3 Para 3 i 3 - otrzymaliśmy równość, więc liczba 3 jest największym wspólnym podzielnikiem liczb 24 i 15. Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 7 Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 8 2
Algorytm Euklidesa kod maszynowy i asembler b9 18 00 00 00 b8 0f 00 00 00 3b c8 7e 04 2b c8 eb 02 2b c1 3b c8 75 f4 33 c0 c3 b9 18 00 00 00 b8 0f 00 00 00 3b c8 7e 04 2b c8 eb 02 2b c1 3b c8 75 f4 33 c0 c3 mov ecx, 24 mov eax, 15 cmp ecx, eax $L591: jle SHORT $L584 sub ecx, eax jmp SHORT $L585 $L584: sub eax, ecx $L585: cmp ecx, eax jne SHORT $L591 xor eax, eax ret 0 Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 9 Od języka wysokiego poziomu do kodu maszynowego program Euclide; var m,n : integer; begin readln(m); readln(n); while m <> n if m > n then m := m n else n := n - m; writeln(m); end. mov ecx, 24 mov eax, 15 cmp ecx, eax $L591: jle SHORT $L584 sub ecx, eax jmp SHORT $L585 $L584: sub eax, ecx $L585: cmp ecx, eax jne SHORT $L591 xor eax, eax ret 0 b9 18 00 00 00 b8 0f 00 00 00 3b c8 7e 04 2b c8 eb 02 2b c1 3b c8 75 f4 33 c0 c3 Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 10 with Text_IO; use Text_IO; Algorytm Euklidesa Język C i Ada procedure Euklides is a, b : Integer; begin a := 153; b := 1326; while (a /= b) loop if (a > b) then a := a - b; else b := b - a; end if; end loop; Język ADA Put_Line("Największy wspólny dzielnik (NWD) to: " & Integer'Image(b)); end; Język C int main(int argc, char* argv[]) { int a,b; printf("podaj a.\n"); scanf("%d", &a); printf("podaj b.\n"); scanf("%d", &b); while (a!= b){ if (a > b) a -= b; else b -= a; } printf("nwd to: %d", a); return 0; } Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 11 Kompilatory optymalizujące Kompilator optymalizujący (optimizing compiler) kompilator, który generuje kod maszynowy optymalny pod pewnym względem, np.szybkości działania lub rozmiaru kodu, korygując program, tak aby nie wpływało to na wyniki jego działania. Optymalizacja programu moŝliwa jest równieŝ poprzez optymalne wykorzystanie zasobów procesora (specyficzne instrukcje, tryby adresowania, wykorzystanie rejestrów wewnętrznych, etc.) FOR I:=1 TO 10 DO BEGIN FOR J:=1 TO 10 DO BEGIN A=I / 100; B:=A + J / 100; WRITE(B); END END oryginalny fragment programu FOR I:=1 TO 10 DO BEGIN A=I / 100; FOR J:=1 TO 10 DO BEGIN B:=A + J / 100; WRITE(B) END END przyspieszenie poprzez eliminację niepotrzebnych obliczeń zmiennej A Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 12 3
Kompilatory skrośne Kompilator skrośny (cross-compiler) kompilator, który generuje kod maszynowy na inny procesor, niŝ ten na którym jest uruchomiony. Kompilatory skrośne uŝywa się do tworzenia oprogramowania dla systemów komputerowych, w których jest to niemoŝliwe ze względu na rozmiary, zastosowanie czy wygodę pracy: telefony komórkowe palmtopy, notesy elektroniczne, gry elektroniczne, etc. sprzęt Audio-Video komputery wbudowane (sterowniki maszyn, ) Debugging Debugging oznacza proces wykrywania błędów w skompilowanych programach w trakcie ich nadzorowanego uruchamiania. Nadzorowane uruchamianie programów polega na wykonywaniu poszczególnych linii programu (praca krokowa) i sprawdzaniu wartości zmiennych w dowolnym momencie wykonywania. Program do nadzorowanego uruchamiania nazywa się Debugger em np. JavaME (micro edition) kompilator programów w języku Java na telefony komórkowe (java.sun.com) Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 13 Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 14 IDE zintegrowane środowisko programistyczne Integrated Develpement Environment (IDE) edytor + syntax highlighting, bracket matching, macros kompilator debugger Biblioteki Biblioteka jest to zebrana razem grupa podprogramów realizujących określone zadania np. funkcje matematyczne. Podprogramy biblioteczne, skompilowane do kodu maszynowego, dołączane są do programu uŝytkownika podczas jego kompilacji. Proces łączenia plików bibliotecznych ze skompilowanym programem uŝytkownika nazywa się konsolidacją (linking). Podprogramy biblioteczne Program w języku wysokiego poziomu korzystający z funkcji bibliotecznych x=b*c a=sin(x) Biblioteka funkcji matemat. Kompilator Konsolidator instr1 instr2 CALL SIN instr4 instr5 STOP instr1 instr2 instr3 powrót Wykonywalny program w języku maszynowym Kompletny skonsolidowany program Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 15 Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 16 4
Przenośność oprogramowania Oprogramowanie przenośne (portable) to takie, które moŝna skompilować i uruchomić pod róŝnymi systemami operacyjnymi, a jego działanie pozostaje niezmienione (np. Acrobat Reader, Netscape, ) Programy w językach wysokiego poziomu są zwykle przenośne, o ile nie koncentrują się na zaawansowanym wykorzystaniu urządzeń we/wy. Problem przenośności oprogramowania sprowadza się zwykle do istnienia przenośnych bibliotek dla języków wysokiego poziomu. np. www.fox-toolkit.org - wieloplatformowa biblioteka graficzna dla języka C++ Kompilacja a interpretacja Wykonanie programu napisanego w języku wysokiego poziomu moŝe być realizowane na dwa sposoby: 1. kompilacja całego programu, a następnie jego uruchomienie 2. odczytywanie pojedynczych instrukcji języka, kompilacja w locie i natychmiastowe wykonywanie tzw. interpretacja (przez interpreter) (nigdzie nie jest tworzony kod maszynowy całego programu) Języki programowania moŝna podzielić na dwie kategorie, w zaleŝności od sposobu wykonywania: 1. języki kompilowane: Fortran, C, C++, Pascal, Delphi, Java (częściowo) 2. języki interpretowane: Basic, Java (częściowo), języki skryptowe: Perl, Tcl Zalety kompilacji: duŝa szybkość wykonywania programów, moŝliwość wykonywania się programów bez wspomagania innego oprogramowania. Zalety interpretacji: szybkie testowanie i modyfikowanie programów (brak etapu kompilacji), moŝliwość testowanie niekompletnych programów, znaczna przenośność oprogramowania, istnienie programu tylko w wersji źródłowej. Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 17 Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 18 Języki programowania Historia języków programowania 1 Plankalkül (1946, Niemcy) A-O (1951, USA) AutoCode (1952, Wlk.Brytania) FORTRAN I (1957, IBM, USA) pierwszy na świecie język programowania twórca Konrad Zuse, komputer Z3 kmdr. Grace Hopper opracowuje kompilator A-O znany takŝe pod nazwą AT-3 studentka Alick Glennie opracowuje w ramach studiów kompilator AutoCode dla komputera Manchester Mark I rozwinięcie kompilatora A-O; opublikowany pod nazwą Math-Matic; programy numeryczno-modelujące FORTRAN II (1958, IBM, USA) rozwinięcie FORTRAN-u I wprowadzenie podprogramów Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 19 Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 20 5
Historia języków programowania 2 Historia języków programowania 3 COBOL (1959, USA) LISP (1959, USA) Algol 60 (1960) język dla przetwarzania duŝych zespołów danych w systemach ewidencyjno-zarządczych (skrót: COmmon Business Oriented Language) John McCarthy publikuje specyfikację LISP-u (skrót: LISt Processing) międzynarodowy zespół publikuje specyfikację języka Algol 60 Snobol (1962, Bell Labs, USA) BASIC (1964, USA) PL/I (1964, IBM, USA) język programowania ukierunkowany na przetwarzanie tekstów i wzorców językowych John Kemeny i Thomas Kurtz opracowują język BASIC (skrót: Beginners All-purpose Symbolic Instruction Code) publikacja specyfikacji języka PL/I przeznaczonego do ogólnych zastosowań APL (1961, USA) Keneth Iversson publikuje specyfikację języka APL ukierunkowanego na zagadnienia matematyczne RPG (1964, IBM, USA) publikacja specyfikacji języka RPG przeznaczonego do raportowania baz danych (skrót: Report Program Generator) FORTRAN IV (1962, USA) publikacja specyfikacji czwartej wersji języka FORTRAN LOGO (1966, USA) język wzorowany na LISP-ie, ukierunkowany na nauczanie dzieci i osób poznających programowanie Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 21 Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 22 Historia języków programowania 4 Historia języków programowania 5 Simula (1967, Norwegia) język wzorowany na Algolu 60; wprowadzenie pojęcia klasy i obiektu; ukierunkowany na symulacje Smalltalk (1970, XEROX, USA) pierwszy język całkowicie obiektowy PASCAL (1968, Szwajcaria) Niklaus Wirth opracowuje język PASCAL do nauki programowania strukturalnego Icon (1970, USA) język programowania ukierunkowany na przetwarzanie tekstów i wzorców językowych BCPL (1969, Wlk.Brytania) Forth (1970, USA) PROLOG (1970, Francja) język niskiego poziomu zawierający wyłącznie bardzo proste typy danych (skrót: Basic Combined Programming Language) Charles Moore opracowuje język wysokiego poziomu Forth stosujący odwrotną notację polską język wysokiego poziomu stosowany w badaniach nad sztuczną inteligencją (skrót: PROgramming LOGic) B (1970, USA) C (1972, Bell Labs, USA) Tiny BASIC (1975, USA) język bazujący na BCPL opracowany dla komputera PDP-11 Dennis Ritchie opracowuje język C (bazujący na języku B) dla komputera PDP-11 dr Wong opracowuje miniaturową (tylko 2 KB pamięci) wersję BASIC-a dla mikroprocesorów Intela i Ziloga; jest to pierwszy program freeware; w programie uŝyto zastrzeŝeń: All Wrongs Reserved oraz Copyleft Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 23 Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 24 6
Historia języków programowania 6 Historia języków programowania 7 BASIC (1975, USA) Bill Gates i Paul Allen opracowują własną wersję BASIC-a, którą sprzedają dla firmy MITS produkującej mikrokomputer Altair, w którym stosowany jest mikroprocesor Intel 8080 Modula-2 (1983, Szwajcaria) C++ (1983, Bell Labs, USA) Niklaus Wirth opracowuje ulepszoną wersję języka Modula zespół Bjarne Stroustrupa opracowuje język C++ na bazie rozszerzonego języka C (C z klasami) DSL (1975, USA) ADA (1977, USA) Modula (1977, Szwajcaria) język będący poprzednikiem PostScriptu Jean Ichbiahn wraz z zespołem opracowują język ADA przyjęty później jako standardowy język programowania Ministerstwa Obrony USA Niklaus Wirth opracowuje język stosujący modularyzację i współbieŝność Perl (1987) Java (1995, Sun, USA) C# (2000, Microsoft, USA) udostępniona zostaje wersja 1.0 języka PERL opracowanego przez Larry ego Walla i Randala Schwartza; (skrót: Practical Extract and Report Language) zaprezentowano język programowania i środowisko opracowywane od roku 1991 przez zespół Jamesa Goslinga w Sun Microsystems Microsoft prezentuje język C# dla platformy.net będący kompilacją języków C++ i Java Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 25 Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 26 Dlaczego tak duŝo języków programowania? Mnogość języków Ewolucja Osobiste preferencje Specjalne zastosowania http://www.oreilly.com/news/graphics/prog_lang_poster.pdf Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 27 Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 28 7
Obszary zastosowań Co czyni język popularnym? Aplikacje naukowe (Fortran, TCE) Aplikacje biznesowe (Cobol) Sztuczna inteligencja (Lisp) Programowanie systemowe (C, C++) Aplikacje sieciowe (Java, C#) Języki bardzo wysokiego poziomu (perl) Języki wysoce specjalizowane (make, sh) Efektywność kodu Łatwość nauki Łatwość implementacji Open Source Dostępność kompilatorów, bibliotek Ekonomia, patronat, inercja Składnia podobna do języka C Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 29 Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 30 Który język jest najpopularniejszy? Który język jest najpopularniejszy? http://www.tiobe.com/tpci.htm Ranking TIOBE porównanie popularności języków programowania Prowadzenie badań w oparciu o róŝne wyszukiwarki i źródła danych (WWW, grupy dyskusyjne, blogi) Nie najlepsza miara powszechności stosowania ale dająca ogólny pogląd. Określa częstość wzmiankowania w Internecie, czyli popularność Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 31 Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 32 8
Który język jest najpopularniejszy? Paradygmaty programowania Imperatywne (C, Pascal, etc.) Funkcjonalne (Lisp, ML, Haskell) Logiczne (Prolog) Zorientowane obiektowo (C++, Java, CLOS) Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 33 Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 34 9