В чем особенность языка машинного программирования

1.1. Введение в программирование

Процессор компьютера не способен понимать напрямую языки программирования, такие как C++, С#, Java, Kotlin, Python и т.д. Очень ограниченный набор инструкций, которые изначально понимает процессор, называется машинным кодом (или «машинным языком»). То, как эти инструкции организованы, выходит за рамки данного введения, но стоит отметить две вещи.

Во-первых, каждая команда (инструкция) состоит только из определенной последовательности (набора) цифр: 0 и 1 . Эти числа называются битами или двоичным кодом.

Например, одна команда машинного кода архитектуры ×86 выглядит следующим образом:

Во-вторых, каждый набор бит переводится процессором в инструкции для выполнения определенного задания (например, сравнить два числа или переместить число в определенную ячейку памяти). Разные типы процессоров обычно имеют разные наборы инструкций, поэтому инструкции, которые будут работать на процессорах Intel (используются в персональных компьютерах), с большей долей вероятности, не будут работать на процессорах Xenon (используются в игровых приставках Xbox). Раньше, когда компьютеры только начинали массово распространяться, программисты должны были писать программы непосредственно на машинном языке, что было очень неудобно, сложно и занимало намного больше времени, чем сейчас.

Язык ассемблера

Так как программировать на машинном языке — удовольствие специфическое, то программисты изобрели язык ассемблера. В этом языке каждая команда идентифицируется коротким именем (а не набором единиц с нулями), и переменными можно управлять через их имена. Таким образом, писать/читать код стало гораздо легче. Тем не менее, процессор все равно не понимает язык ассемблера напрямую. Его также нужно переводить, с помощью ассемблера, в машинный код. Ассемблер — это транслятор (переводчик), который переводит код, написанный на языке ассемблера, в машинный язык.

Преимуществом Ассемблера является его производительность (точнее скорость выполнения) и он до сих пор используется, когда это имеет решающее значение. Тем не менее, причина подобного преимущества заключается в том, что программирование на этом языке адаптируется к конкретному процессору. Программы, адаптированные под один процессор, не будут работать с другим. Кроме того, чтобы программировать на Ассемблере, по-прежнему нужно знать очень много не очень читабельных инструкций для выполнения даже простого задания.

Например, вот вышеприведенная команда, но уже на языке ассемблера:

Высокоуровневые языки программирования

Для решения проблем читабельности кода и чрезмерной сложности были разработаны высокоуровневые языки программирования. C, C++, Pascal, Java, JavaScript и Perl — это всё языки высокого уровня. Они позволяют писать и выполнять программы, не переживая о совместимости кода с разными архитектурами процессоров. Программы, написанные на языках высокого уровня, также должны быть переведены в машинный код перед выполнением. Есть два варианта:

• компиляция, которая выполняется компилятором;
• интерпретация, которая выполняется интерпретатором.

Компилятор — это программа, которая читает код и создает автономную (способную работать независимо от другого аппаратного или программного обеспечения) исполняемую программу, которую процессор понимает напрямую. При запуске программы весь код компилируется целиком, а затем создается исполняемый файл и уже при повторном запуске программы компиляция не выполняется.

Проще говоря, процесс компиляции и сполнения программ выглядит следующим образом:

На языках C#/Java/Kotlin в данный процесс добавляется еще один компонент в виде виртуальной машины (для C# — CLR, Java/Kotlin — JVM), целью которой является исполнением байт-кода. Таким образом программа может быть выполненена независимо от платформы, в отличии от программ на C++. Достаточно, чтобы на этой платформе была виртуальная машина для соответствуюещго компиялтора языка.

Интерпретатор — это программа, которая напрямую выполняет код, без его предыдущей компиляции в исполняемый файл. Интерпретаторы более гибкие, но менее эффективные, так как процесс интерпретации выполняется повторно при каждом запуске программы.

Любой язык программирования может быть компилируемым или интерпретируемым, однако, такие языки, как C, C++ и Pascal — компилируются, в то время как «скриптовые» языки, такие, как Perl и JavaScript — интерпретируются. Некоторые языки программирования (например, Python) могут как компилироваться, так и интерпретироваться.

Плюсы компилируемости в машинный код

• эффективность: программа компилируется и оптимизируется для конкретного процессора
• нет необходимости устанавливать сторонние приложения (такие как интерпретатор или виртуальная машина)

Минусы компилируемости в машинный код

• нужно компилировать для каждой платформы
• сложность внесения изменения в программу — нужно перекомпилировать заново

Преимущества высокоуровневых языков программирования

1. Легче писать/читать код. Вот вышеприведенная команда, но уже на языке C++: а = 97;
2. Требуется меньше инструкций для выполнения определенного задания. В языке C++ вы можете сделать что-то вроде а = Ь * 2 + 5 ; в одной строке. В языке ассемблера вам пришлось бы использовать 5 или 6 инструкций.
3. Вы не должны заботиться о таких деталях, как загрузка переменных в регистры процессора. Компилятор или интерпретатор берёт это на себя.
4. Высокоуровневые языки программирования более портативные под различные архитектуры.

Источник

2.1 Машинные языки

Машинный язык— это совокупность машинных команд, которая отличается количеством адресов в команде, назначением информации, задаваемой в адресах, набором операций, которые может выполнять машина и др. Каждый компьютер имеет свой машинный язык.

Машинный код — последовательность чисел, которые представляются как совокупность двух цифр: 0 и 1.

При программировании на машинном языке программист может держать под своим контролем каждую команду и каждую ячейку памяти, использовать все возможности имеющихся машинных операций.

Но процесс написания программы на машинном языке очень трудоемкий и утомительный. Программа получается громоздкой, труднообозримой, ее трудно отлаживать, изменять и развивать. Применение машинных языков требует знания специфики представления и преобразования информации в ЭВМ.

Поэтому в случае, когда нужно иметь эффективную программу, в максимальной степени учитывающую специфику конкретного компьютера, вместо машинных языков используют близкие к ним машинно-ориентированные языки (ассемблеры).

2.2 Машинно-ориентированные языки

Машинно-ориентированные языки(язык Ассемблер, автокоды, языки символического кодирования и др.), это система обозначений, используемая для представления в удобочитаемой форме программ, записанных в машинном коде.

Несмотря на высокую трудоемкость, ими часто пользуются профессиональные системные программисты, например при разработке программ общего или специального ПО, особенно в тех случаях, когда эти программы должны быть максимально компактными и быстродействующими. Пользователям с недостаточной программистской подготовкой эти языки практически недоступны.

Язык ассемблерапозволяет программисту пользоваться текстовымимнемоническими (т.е. легко запоминаемыми человеком) кодами, по своему усмотрению присваивать символические имена регистрам компьютера и памяти, а также задавать удобные для себя способы адресации. Он позволяет использоватьразличные системы счисления(например, десятичную или шестнадцатеричную) для представления числовых констант, использовать в программе комментарии и др.

Перевод программы с языка ассемблера на машинный язык осуществляется специальной программой, которая называется ассемблером и является, по сути, простейшим транслятором.

Машинные и машинно-ориентированные языки – этоязыки низкогоуровня, требующие указания мелких деталей процесса обработки данных.

Во-первых, машинная программа в конечном счете записывается с помощью лишь двух символов 0 и 1.

Во-вторых, каждая ЭВМ имеет ограниченный набор машинных операций, ориентированных на структуру процессора, типа: переслать число в ячейку; считать число из ячейки; увеличить содержимое ячейки на +1 и т.п. Команда на машинном языке содержит очень ограниченный объем информации, поэтому она обычно определяет простейший обмен содержимого ячеек памяти, элементарные арифметические и логические операции.

2.3 Языки высокого уровня

Языки высокого уровняимитируют естественные языки, обладают укрупненными командами и ориентированы на решение прикладных содержательных задач. Они используют некоторые слова разговорного языка и общепринятые математические символы и более удобны для человека.

Языки программирования высокого уровня имеют следующие достоинства:

• алфавит языка значительно шире машинного, что делает его гораздо более выразительным и существенно повышает наглядность и понятность текста;
• набор операций, допустимых для использования, не зависит от набора машинных операций, а выбирается из соображений удобства формулирования алгоритмов решения задач определенного класса;
• конструкции команд (операторов) отражают содержательные виды обработки данных и задаются в удобном для человека виде;
• используется аппарат переменных и действия с ними;
• поддерживается широкий набор типов данных.

Источник

Вопрос 2 — языки программирования

Машинно – ориентированные языки – это языки, наборы операторов и изобразительные средства которых существенно зависят от особенностей ЭВМ (внутреннего языка, структуры памяти и т.д.).

Особенности машинно – зависимых языков:

• высокое качество создаваемых программ (компактность и скорость выполнения);
• возможность использования конкретных аппаратных ресурсов;
• предсказуемость объектного кода и заказов памяти;
• для составления эффективных программ необходимо знать систему команд и особенности функционирования данной ЭВМ;
• трудоемкость процесса составления программ (особенно на машинных языках и ЯСК), плохо защищенного от появления ошибок;
• низкая скорость программирования;
• невозможность непосредственного использования программ, составленных на этих языках, на ЭВМ других типов.

1.2 Языки Символического Кодирования

Языки Символического Кодирования (ЯСК) являются командными. Однако коды операций и адреса в машинных командах, представляющие собой последовательность двоичных (во внутреннем коде) или восьмеричных (часто используемых при написании программ) цифр, в ЯСК заменены на символы (идентификаторы), форма написания которых помогает программисту легче запоминать смысловое содержание операции. Это обеспечивает существенное уменьшение числа ошибок при составлении программ.

1.3 Автокоды

Есть также языки, включающие в себя все возможности ЯСК, посредством расширенного введения макрокоманд — они называются Автокоды. В различных программах встречаются некоторые достаточно часто использующиеся командные последовательности, которые соответствуют определенным процедурам преобразования информации. Эффективная реализация таких процедур обеспечивается оформлением их в виде специальных макрокоманд и включением последних в язык программирования, доступный программисту. Макрокоманды переводятся в машинные команды двумя путями – расстановкой и генерированием.

1.4 Макрос

Язык, являющийся средством для замены последовательности символов описывающих выполнение требуемых действий ЭВМ на более сжатую форму — называется Макрос (средство замены). Макрос предназначен для того, чтобы сократить запись исходной программы. Компонент программного обеспечения, обеспечивающий функционирование макросов, называется макропроцессором. На макропроцессор поступает макроопределяющий и исходный текст. Реакция макропроцессора на вызов-выдача выходного текста.

2. Машинно – независимые языки

Машинно – независимые языки – это средство описания алгоритмов решения задач и информации, подлежащей обработке. Они удобны в использовании для широкого круга пользователей и не требуют от них знания особенностей организации функционирования ЭВМ и ВС. Подобные языки получили название высокоуровневых языков программирования. Программы, составляемые на таких языках, представляют собой последовательности операторов, структурированные согласно правилам рассматривания языка(задачи, сегменты, блоки и т.д.). Операторы языка описывают действия, которые должна выполнять система после трансляции программы на МЯ.

Источник