Реферат - Языки программирования низкого и высокого уровня. Классификация алгоритмических языков

Подождите немного. Документ загружается.

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).

Низкий уровень подразумевает не качество программ, а уровень

детализации инструкций. Так, команда, записанная на Ассемблере, например,

MOV AL, OOh, означает, что в регистр процессора (указывается, в какой

именно!) надо занести число 0.

Для большинства программ такой подробный и детализированный

способ указаний не нужен. И, хотя, в конечном итоге, все исполняемые

программы содержат именно такие подробные инструкции, да еще в

числовом представлении, человеку удобнее записывать команды более

общего плана, на языке, более похожем на человеческий.

Методы программирования для старых компьютеров были

громоздкими, медленными и крайне ограниченными. Эти компьютеры

программировались путем установки ряда переключателей (включено или

выключено), каждый переключатель представлял одну двоичную единицу

(или бит), принимая значение 0 или 1. Это сильно ограничивало возможности

и занимало много времени.

Следующим этапом было создание хранимых программ. Принцип был

таким же – использовался двоичный машинный код, но информация

хранилась в памяти компьютера на магнитных сердечниках. После этого был

сделан маленький шаг по введению кода в виде, лучше поддающемся

управлению: в виде шестнадцатеричных чисел (основание 16), в котором

каждый разряд представлялся четырьмя битами. Этот тип программирования

был еще подвержен ошибкам, но дела улучшились с появлением ассемблера.

Ассемблер позволял записывать программы с помощью мнемонических

сокращений, которые представляли команды в виде, более удобном для

запоминания: например, ADD представляет код команды сложения двух

чисел. Ассемблер использует мнемонические обозначения и преобразует их

более или менее один к одному в двоичный код. Преимущество

программирования на языке Ассемблер в том, по крайней мере теоретически,

что он создает наиболее быстрые и эффективные программы, так как в нем

существует прямая связь между кодом программы и конечным машинным

кодом. Программирование на языке Ассемблер до сих пор используется для

тех приложений, когда важно уменьшить время выполнения программы, а

современные варианты ассемблера даже позволяют использовать объектно-

ориентированные конструкции.

К языкамFнизкогоFуровня относят:

•F машинные языки – языки кодов ЭВМ;

•F машино - ориентированные языки – ассемблеры, мнемокоды.

Также к языкам низкого уровня условно можно причислитьFMSIL,

применяемый в платформеFMicrosoft .NET,FФорт,FJava байт-код.

Высокоуровневый язык программирования

Реальный скачок в программировании был сделан при появлении

языков высокого уровня: Алгола, Фортрана и, позднее, КОБОЛА. Эти языки

позволяют писать программы текстом, похожим на английский язык.

Компилятор получает каждую команду и преобразует ее в машинный код. Он

позволяет использовать имена (переменные) для представления элементов

данных так, что одна и та же программа может быть использована с любыми

входными данными. Программы, написанные на языках высокого уровня,

более компактны, легче для понимания, а вероятность появления в них

ошибок меньше.

Недостаток этих программ в том, что компиляция часто приводит к

избыточному коду, содержащему лишние сложные подпрограммы,

включенные в конечную исполняемую программу. Это также уменьшает

скорость работы программы.

Первым языком программирования высокого уровня считается

компьютерный язык Plankalkül разработанный немецким инженером

Конрадом ЦузеFещё в периодF1942-1946г. Однако транслятора для него не

существовало до 2000 г. Первым в мире транслятором языка высокого

уровня является ПП (Программирующая Программа), он же ПП-1, успешно

испытанный в 1954 г. Транслятор ПП-2 (1955 г., 4-й в мире транслятор) уже

был оптимизирующим и содержал собственный загрузчик и отладчик,

библиотеку стандартных процедур, а транслятор ПП для ЭВМ Стрела-4 уже

содержал и компоновщик (linker) из модулей. Однако, широкое применение

высокоуровневых языков началось с возникновением Фортрана и созданием

компилятораFдля этого языка.

Ранние языки высокого уровня были довольно специализированными:

Фортран (FORmula TRANslation) был предназначен для использования в

научных целях, КОБОЛ (Common business Orientated Language) – для

использования в мире бизнеса. Появление в 50-х гг. языка BASIC (Beginners

All-purpose Symbolic Instruction Code) закрыло существовавший в языках

высокого уровня пробел между языками для науки и для бизнеса. BASIC в

равной степени годится для любых задач и в то же время достаточно прост

для изучения.

Тем временем были изобретены новые методы программирования,

которые привели к новой волне языков высокого уровня. Одним из этих

языков, выдержавших проверку временем, является основанный на методах

структурного программирования Pascal.

Высокоуровневый язык программирования – язык программирования,

разработанный для быстроты и удобства использования программистом.

Основная черта высокоуровневых языков — это абстракция, то есть введение

смысловых конструкций, кратко описывающих такиеFструктуры данных и

операции над ними, описания которых на машинном коде (или другом

низкоуровневом языке программирования) очень длинны и сложны для

понимания.

Так, высокоуровневые языки стремятся не только облегчить решение

сложных программных задач, но и упроститьFпортирование программного

обеспечения. Использование разнообразных трансляторов и интерпретаторов

обеспечивает связь программ, написанных при помощи языков высокого

уровня, с различнымиFоперационными системамиFи оборудованием, в то

время как их исходный кодFостаётся, в идеале, неизменным.

Такого рода оторванность высокоуровневых языков от аппаратной

реализацииFкомпьютераFпомимо 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 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 ряд современных профессиональных

высокоуровневых языков программирования.

Примеры: C, C++, Visual Basic, Java, Python, PHP, Ruby, Perl, Delphi

(Pascal). Языкам высокого уровня свойственно умение работать с

комплексными структурами данных. В большинство из них интегрирована

поддержкаFстроковых типов,Fобъектов, операций файловогоFввода-вывода и

т. п.

К языкамFвысокогоFуровня относят:

1. проблемно-ориентированные (имеют средства для организа ции

структур данных, описания алгоритмов и ориентированы на решение задач

определенного класса):F Фортран, Алгол, Кобол, Ада и др.;

2. универсальные: Алгол 68,F PL/1,F Паскаль, QBasic, C, C++, С# и дp.;

3. языкиF проектированияF программF (системы программирова ния) – в

настоящее время имеют самый высокий уровень аб стракции, они

расширяются не как языки описания процесса обработкиF данных,FF аFF какFF

средстваFописанияFFзадач:FFFVisualFBasic,FDelphi,FMSFVisualFC++,FBorlandFC++F

BuilderFи др.;

4. языки гипертекстовой разметки, такие, как HTML – набор кодов,

который вводится в документ для обозначения, напри мер, связей между его

частями. Команды HTML обеспечива ют соединение сайтов и главных

страниц WWW (Всемирной паутины сети Интернет) при помощи

гиперссылок и указывают Web-браузеру (программе навигации) способ

расположе ния массивов данных;

5. языки описания сценариев – макросы, в которых объедине ны

отдельные команды, управляющие средой в соответствии с их списком –

программой: (например состоящие из имено ванных последовательностей

совокупности указанных нажа тий клавиш при работе с пакетом Microsoft

Office);

6. языкиFF моделированияFF систем:FF например,FF GPSSFF (General Purpose

Simulating System) позволяет автоматизировать при моделированииFF

процессFF программированияF моделей.FF Язык построен в предположении, что

моделью сложной дискретной системы является описание ее элементов и

логических правил их взаимодействия. Для определенного класса

моделируемых систем выделяют небольшой набор абстрактных элементов

объектов. Набор логических правил ограничен и может быть описан

небольшим числом стандартных операций. Комплекс программ,

описывающих функционирование объектов и выполняющих логические

операции, является основой для создания программной модели систем

данного класса.

Понятие об алгоритме

F F F F Алгоритм - это одно из самых широких понятий математики и

информатики.

Более 1000 лет назад в Багдаде, крупном научном центре Востока, жил

абд Джафар Мужамед ибн Муса Аль-Хорезми. Ему принадлежит книга по

математике, которая в течение нескольких столетий пользовалась широкой

популярностью. В ней Аль-Хорезми сформулировал правила выполнения

четырёх арифметических действий над многозначными числами.

При переводе на латынь имя автора переделали в Algorithmi

(Алгоритми). В книге Аль-Хорезми приводились методы решения разных

задач. Ссылаясь на них, европейцы упоминали: "Так говорил Алгоритми..."

Со временем методы решения задач стали называться алгоритмами. В

дальнейшем алгоритмом стали называть описание любой

последовательности действий, которую следует выполнить для решения

задачи.F

Алгоритм – строго упорядоченная последовательность действий,

направленная на выполнение поставленной задачи.

В широком смысле алгоритмизация включает в себя выбор метода

решения задачи. Результатом выполнения этапа алгоритмизации является

алгоритм решения задачи.

В повседневной жизни нам приходится часто пользоваться

всевозможными алгоритмами. Например, алгоритм действий, необходимый

для того, чтобы поговорить с кем-либо по телефону:

1. узнать необходимый телефонный номер;

2. поднять трубку;

3. набрать номер;

4. дождаться ответа абонента.

Мы пользуемся подобными алгоритмами достаточно часто, поэтому

выполняет их автоматически (не задумываясь).

Алгоритмы, предназначены для выполнения компьютерами, обычно

называются компьютерными программами, или просто программами.

Программа содержит команды на языке, понятном компьютеру. Она

сообщает компьютеру, как надо обрабатывать данные для получения

желаемого результата. Все функции компьютера, любое его действие

задается программой.F

ПрограммаF- это алгоритм, представленный на языке, понятном

компьютеру.

Разветвляющийся алгоритм

Алгоритмы исполняют в естественном порядке: команда за командой

(смотрите повторение). Однако жизнь весьма разнообразна. А цели все же

хочется достичь.

Вот и ученик, собираясь в школу, продумывает следующие действия:

1. Если чувствует себя хорошо, то собирается в школу

2. Иначе - остается дома.

Заметим, что алгоритм требует либо одного действия, либо двух. А

именно: вначале измерить температуру, а уж затем, в зависимости от

результатов выполнять или не выполнять следующее действие. Такой

алгоритм называется разветвляющимся, а именно: алгоритм, который

выполняется в зависимости от условия, т.е. от вопроса на который можно

ответить "да" или "нет", т.е. условие может быть истинным (да), или ложным

(нет). Алгоритм ветвления, как и другие алгоритмы, должны обладать

следующими свойствами:

1. Дикретность, т.е. все решение разбивается на простейшие шаги.

2. Понятность, алгоритм должен быть понятен исполнителю.

3. Точность, не должно быть неясностей и двусмысленностей.

4. Массовость, с помощью одного и того же алгоритма можно решить

множество задач.

5. Результативность (или конечность) состоит в том, что алгоритм должен

приводить к решению задачи за конечное число шагов.

Полная форма.

Полная форма - это форма записи развлетвляющегося алгоритма, в

которой предусмотрены команды в ветви "да" и в ветви "нет".<

если-то-иначе Пример

Происходит проверка условия.

 Если а>b, то происходит присваивание к переменной "а" значение

"а*2", а к переменной "b", значение "1".

 Иначе, т.е. если а<=b, происходит присваивание переменной "b"

значение "2*b".

Неполная форма

FFFFF Неполная форма - это форма записи разветвляющегося алгоритма, в

которой предусмотрены команды только в одной ветви.

если-то Пример

Происходит проверка условия.

1. Если x>0, то переменной "y" присваивается значение "sin(x)"

2. Иначе, т.е. если x<=0, то действия ветви "да" пропускаются.

Разветвляющийся алгоритм можно записать несколькими способами:

1. Словесный.

2. В виде блок-схем (графический).

3. На языке программирования.

1. Словесный способ

Словесный способ записи разветвляющихся алгоритмов представляет

собой описание последовательных этапов обработки данных. А алгоритм

задается в произвольном изложении на естественном языке.

Например:

1. Задать два числа.

2. Если числа равны, то взять любое из них в качестве ответа и

остановиться, иначе продолжить выполнение алгоритма.

3. Определить большее из чисел.

4. Заменить большее из чисел разностью большего и меньшего из чисел.

5. Повторить алгоритм с числа два.

Словесный способ не имеет широкого распространения, т.к. такие описания:

1. строго не формализуемы;

2. страдают многословностью записей;

3. допускают неоднозначность толкования отдельных предписаний.

Машина поймет инструкцию, записанную на языке программирования,

а человек наиболее ясно увидит ход решения задачи, если

последовательность действий представлена на схеме.

2. Графический способ

Графический способ представления разветвляющихся алгоритмов

является более компактным и наглядным по сравнению со словесным.

При графическом представлении разветвляющийся алгоритм

изображается в виде последовательности связанных между собой

функциональных блоков, каждый из которых соответствует выполнению

одного или нескольких действий. Такое графическое представление

называется схемой алгоритма или блок-схемой. В блок-схеме каждому типу

действий (вводу исходных данных, вычислению значений выражений,

проверке условий, управлению повторением действий, окончанию обработки

и т.п.) соответствует геометрическая фигура представленная в виде блочного

символа. Блочные символы соединяются линиями переходов,

определяющими очередность выполнения действий. Блок-схемы и

структурограммы Насси Шнейдермана-наиболее распространенные способы

графического изображения алгоритмов.

Название

символ

Обозначение и пример

заполнения

Пояснение

Пуск —

остановка

Начало, конец алгоритма, вход и выход в подпрограмму

Ввод —

вывод

Обозначает момент ввода данных в ячейки памяти с

указанными именами или момент вывода содержимого

указанных ячеек на экран монитора или на принтер.

Процесс

(действие)

Вычислительное действие или их последовательность

Решение

(условие)

Проверка условий

Блок "решение" используется для обозначения переходов управления

по условию. В каждом блоке "решение" должны быть указаны вопрос,

условие или сравнение, которые он определяет.F

Линейный алгоритм

ЛинейнымFназывается алгоритм, в котором все этапы решения задачи

выполняются строго последовательно.F

Например, алгоритм решения математической задачи:Fнайдите

гипотенузу, если известны катеты.

Алгоритм (словесный способ записи):

1. Возвести первый катет в квадрат;

2. Возвести второй катет в квадрат;

3. Сложить результаты действий 1 и 2;

4. Вычислить квадратный корень из результата 3-го действия и принять его за

значение гипотенузы.

Программный способ записи:

10 INPUT a,b

20 x=a^2

30 y=b^2

40 z=x+y

50 w=SQR(z)

60 PRINT w

70 END

Циклический алгоритм

Циклический алгоритмF- это такой алгоритм, действия которого

повторяются. Существует два типа циклических алгоритмов:

Цикл типа "Пока" Цикл типа "Для"

Пример:Fалгоритм продавца по обслуживанию

покупателей

Пример:Fалгоритм учителя по проверке тетрадей

учеников

1. Циклический алгоритм типа "Для"

Циклический алгоритм типа "Для"F- это такой циклический алгоритм, в

котором число повторений известно.

Для организации циклов с известным числом повторений (типа "Для") используют

оператор FOR - NEXT.

10 FOR A = L TO R STEP N

20 P

30 NEXT A

A - счетчик цикла (управляющая переменная)F

L - начальное значение (число)

R - конечное значение (число)

N - шаг цикла (число)

P - тело цикла (последовательность действий)

Любые арифметические выражения, не содержащие управляющей

переменной (счетчика цикла), называютFпараметрами цикла.

Например, запись:

FOR A = 0 TO 12 STEP 2

означает, что управляющая переменная A (счетчик цикла) примет сначала

значение 0 и при каждом повторении цикла будет увеличиваться на 2.

Последним значением K будет 12. Если шаг равен 1, то часть STEP 1 в

операторе можно опустить. Оператор FOR используется только в паре с

оператором NEXT, который имеет вид: NEXT A, где A - имя управляющей

переменной (счетчика) цикла.

Операторы, которые требуется повторить многократно, записываются

между FOR и NEXT и называютсяFтелом цикла.

FFFF Чтобы организовать цикл с помощью оператора FOR, нужно:

1. выделить тело цикла;

2. выбрать управляющую переменную;

3. определить границы ее изменения и шаг (параметры цикла);

4. предусмотреть начальные присваивания (если это требуется).

Рассмотрим применение оператора FOR - NEXT на следующем

примере, где L (начальное значение счетчика цикла) = 1, R (конечное

значение счетчика цикла) = 10:

10 K = 6

20 FOR A = 6 TO 10

30 K = K + 1

40 PRINT K;

50 NEXT A

60 END

заголовок - 20

тело цикла - 30; 40

конец цикла - 50

Работа оператора FOR - NEXT

Счетчику присваивается первоначальное значение

ВыполняетсяFтело циклаF- операторы, которые повторяются

Оператор NEXT выполняет 3 действия:

1. Присваивает счетчику цикла новое значение

2. Сравнивает полученное значение с конечным

3. Если полученное значение меньше или равно конечному, то

происходит возврат на начало тела цикла (на первый оператор после

заголовка); если полученное значение больше конечного, то происходит

выход из цикла

2. Циклический алгоритм типа "Пока"

Циклический алгоритм типа "Пока"F- это такой циклический алгоритм,

действия которого будут выполнятся до тех порFпокаFвыполняется заданное

условие.

Начав тренировки, спортсмен в первый день пробежал 10 км. Каждый

следующий день он увеличивал дневную норму на 50% от нормы

предыдущего дня. Через сколько дней спортсмен пробежит суммарный путь

60 км?

10 S = 10

20 N = 1

30 S = S + 0, 5*S

40 N = N + 1

50 IF S<60 THEN

GOTO 30

60 PRINT N

70 END

S - счетчик км

N - счетчик дней

Заключение

Изобретение языка программирования высшего уровня позволило нам

общаться с машиной, понимать её (если конечно Вам знаком используемый

язык), как понимает американец немного знакомый с русским языком

древнюю азбуку Кириллицы. Проще говоря, мы в нашем развитии науки

программирования пока что с ЭВМ на ВЫ.

Поверьте мне это не сарказм вы только посмотрите как развилась

наука программирования с того времени, как появились языки

программирования, а ведь язык программирования высшего уровня, судя по

всему ещё младенец. Но если мы обратим внимание на темпы роста и

развития новейших технологий в области программирования, то можно

предположить, что в ближайшем будущем, человеческие познания в этой

сфере, помогут произвести на свет языки, умеющие принимать, обрабатывать

и передавать информации в виде мысли, слова, звука или жеста. Так и

хочется назвать это детище компьютеризированного будущего: «языки

программирования"высочайшего" уровня». Возможно, концепция решения

этого вопроса проста, а ближайшее будущее этого проекта уже не за горами,

и в этот момент, где-нибудь в Запорожье, Амстердаме, Токио или

Иерусалиме, перед стареньким 133MHz горбится молодой, никем не

признанный специалист и разрабатывает новейшую систему искусственного

интеллекта, которая наконец-то позволит человеку, с помощью своих

машинных языков, вести диалог с машиной на ТЫ.

Размышляя над этим, хочется верить в прогресс науки и техники, в

высоко - компьютеризированное будущее человечества, как единственного

существа на планете, пусть и не использующего один, определенный

разговорный язык, но способного так быстро прогрессировать и развивать

свой интеллект, что и перехода от многоязыковой системы к всеобщему

пониманию долго ждать не придется.