В группу инструментальных программ не входят. Инструментальные системы программирования. Виды программного обеспечения

Язык программирования можно определить как формальную знаковую систему, предназначенную для записи программ, которые задают алгоритм в форме, понятной для исполнителя (например, компьютера). Язык программирования определяет набор лексических, синтаксических и семантических правил, используемых при составлении компьютерной программы. Он позволяет программисту точно определить, 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.

Со времени создания первых программируемых машин человечество придумало уже более восьми с половиной тысяч языков программирования . Каждый год их число пополняется новыми языками. Некоторыми языками умеет пользоваться только небольшое число их собственных разработчиков, другие становятся известны миллионам людей. Профессиональные программисты иногда применяют в своей работе более десятка разнообразных языков программирования. Современные прикладные и системные программы , в том числе операционные системы и системы программирования, в основном разрабатываются на алгоритмических языках или языках высокого уровня, которые обеспечивают удобство и высокую производительность работы программиста.

История развития языков программирования начинается с машинных языков. Программы для первых компьютеров разрабатывались в машинных кодах, а основными носителями информации были перфокарты и перфоленты. Программисты обязаны были знать архитектуру машины досконально. Программы были достаточно простыми, что обусловливалось, во-первых, весьма ограниченными возможностями этих машин, вовторых, большой сложностью разработки и, главное, отладки программ непосредственно на машинном языке.

Вместе с тем такой способ разработки обеспечивал программисту просто неограниченные возможности работы с компьютером. Становилось возможным использование таких хитроумных алгоритмов и способов организации программ, которые не используют (а некоторые и не знают) многие современные программисты. Например, могла применяться такая возможность, как самомодифицирующийся код. Знание двоичного представления команд позволяло иногда не хранить некоторые данные отдельно, а встраивать их в код как команды. И это далеко не полный список приемов, владение хотя бы одним из которых сейчас сразу же продвигает программиста до уровня экстра-класса .

С развитием аппаратного обеспечения компьютеров увеличивалась скорость обработки и емкость памяти . Это привело к изменениям в языках программирования – они стали проще и понятнее для людей. Языки программирования в своем развитии прошли практически те же стадии, что и сами компьютеры. Диаграмма на рис.4.1 показывает, как происходило развитие языков программирования вместе с поколениями компьютеров за последние 50 лет. Основная тенденция – увеличение простоты взаимодействия пользователя с аппаратным и программным обеспечением компьютеров.

Рис. 4.1.

Первым значительным шагом был переход к языку ассемблера ( assembly language , или assembler ). Не очень заметный, казалось бы, шаг – переход к символическому кодированию машинных команд – имел на самом деле огромное значение . Программисту не надо было больше вникать в хитроумные способы кодирования команд на аппаратном уровне. Более того, зачастую одинаковые по сути команды кодировались различным образом в зависимости от своих параметров.

Известный пример из мира современных компьютеров – кодирование инструкции mov в процессорах Intel. Существует несколько совершенно поразному кодируемых вариантов команды. Выбор того или иного варианта зависит от операндов, хотя суть выполняемой операции неизменна: поместить содержимое (или значение ) второго операнда в первый. Появилась также возможность использования макросов и меток, что также упрощало создание, модификацию и отладку программ. Появилось даже некое подобие переносимости – существовала возможность разработки целого семейства машин со сходной системой команд и некоего общего ассемблера для них, при этом не было нужды обеспечивать двоичную совместимость.

Вместе с тем, переход к новому языку таил в себе и некоторые отрицательные (на первый взгляд) стороны. Становилось почти невозможным использование всяческих хитроумных приемов, подобных упомянутым выше. Кроме того, впервые в истории развития программирования появились два представления программы: в исходных текстах и в откомпилированном виде. Сначала, пока ассемблеры только транслировали мнемонические коды в машинные, одно легко переводилось в другое и обратно, но затем, по мере появления таких возможностей, как метки и макросы, дизассемблирование (перевод из машинного кода в ассемблер ) становилось все более и более трудным делом .

К концу ассемблерной эры возможность автоматической трансляции в обе стороны была утеряна окончательно. В связи с этим было разработано большое количество специальных программ- дизассемблеров , осуществляющих обратное преобразования, однако в большинстве случаев они с трудом могут разделить код и данные. Кроме того, вся логическая информация (имена переменных, меток и т.п.) теряется безвозвратно. В случае же задачи о декомпиляции языков высокого уровня примеры удовлетворительного решения проблемы и вовсе единичны.

В 1954 году в корпорации IBM группой разработчиков во главе с Джоном Бэкусом (John Backus) был создан язык программирования Fortran. Значение этого события трудно переоценить. Это первый язык программирования высокого уровня. Впервые программист мог по -настоящему абстрагироваться от особенностей машинной архитектуры. Ключевой идеей, отличающей новый язык от ассемблера, была концепция подпрограмм.

Напомним, что это современные компьютеры поддерживают подпрограммы на аппаратном уровне, предоставляя соответствующие команды и структуры данных ( стек ) прямо на уровне ассемблера, а в 1954 же году это было совершенно не так. Поэтому компиляция Fortran"а была процессом отнюдь не тривиальным. Кроме того, синтаксическая структура языка была достаточно сложна для машинной обработки, в первую очередь , из-за того, что пробелы как синтаксические единицы вообще не использовались. Это порождало массу возможностей для скрытых ошибок.

Язык Фортран использовался (и используется сейчас) для научных вычислений. Он страдает от отсутствия многих привычных языковых конструкций и атрибутов, компилятор практически никак не проверяет синтаксически правильную программу с точки зрения семантической корректности (соответствие типов и др.). В нем нет поддержки современных способов структурирования кода и данных. Это осознавали и сами разработчики. По признанию самого Бэкуса, перед ними стояла задача скорее разработки компилятора, чем языка. Понимание самостоятельного значения языков программирования пришло позже.

Появление Фортрана было встречено еще большей критикой, чем внедрение ассемблера. Программистов пугало снижение эффективности программ за счет использования промежуточного звена в виде компилятора. И эти опасения имели под собой основания: действительно, хороший программист, скорее всего, при решении какой-либо небольшой задачи вручную напишет код, работающий быстрее, чем код, полученный как результат компиляции. Через некоторое время пришло понимание того, что реализация больших проектов невозможна без применения языков высокого уровня. Мощность вычислительных машин росла, и с тем падением эффективности, которое раньше считалось угрожающим, стало возможным смириться. Преимущества же языков высокого уровня стали настолько очевидными, что побудили разработчиков к созданию новых языков, все более и более совершенных.

Вторым в истории высокоуровневым языком программирования стал Lisp . Он использовался и по сей день используется в основном для разрешения сложных задач. Датой рождения Лиспа был 1958 год, известность к нему пришла чуть позже. В 1960 в журнале Communications of the ACM вышла статья Джона Маккарти (автора Лиспа) с подробным описанием нового языка. Он стал отцом не только Лиспа, но и основоположником всего функционального программирования. Язык Lisp – язык для обработки списков. Получил достаточно широкое распространение в системах искусственного интеллекта. Имеет несколько потомков: Planner (1967), Scheme (1975), Common Lisp (1984). Многие его черты были унаследованы современными языками функционального программирования.

В 1960 году в США был создан язык программирования Cobol. Он был рассчитан специально для создания коммерческих приложений. На Коболе написаны тысячи прикладных коммерческих систем. Отличительной особенностью языка является возможность эффективной работы с большими массивами данных, что характерно именно для коммерческих приложений. Популярность Кобола столь высока, что даже сейчас, при всех его недостатках ( по структуре и замыслу Кобол во многом напоминает Фортран), появляются новые его диалекты и реализации. Так, недавно появилась реализация Кобола, совместимая с Microsoft . NET , что потребовало, вероятно, внесения в язык некоторых черт объектно-ориентированного языка.

В 1960 году командой во главе с Петером Науром (Peter Naur) был создан язык программирования Algol . Этот язык дал начало целому семейству алголоподобных языков (важнейший представитель – Pascal ). В 1968 году появилась новая версия языка – Algol 68. Она не нашла столь широкого практического применения, как первая версия, но была весьма популярна в кругах теоретиков. Язык был достаточно интересен, так как обладал многими уникальными на тот момент характеристиками.

К середине 60-х годов прошлого века в США резко возросла потребность в обучении программированию не только специалистов в области вычислительной техники, но и широкого круга пользователей. Это было связано с резким увеличением количества компьютеров в бизнесе. Два профессора Дартмутского колледжа – Томас Курт и Джон Кемени – для обучения студентов программированию создали язык Бейсик ( BASIC ). Свое название язык получил по первым буквам английских слов " Beginner "s All-purpose Symbolic Instruction Code" – универсальный код символических инструкций для начинающих.

Есть и другой перевод – базовый, основной, что хорошо соответствовало сложившемуся положению дел в программировании для бизнеса. Язык предназначался для обучения программированию и получил широкое распространение в виде различных диалектов, прежде всего, как язык для домашних микрокомпьютеров. Впоследствии большая часть критики этого языка строилась на том, что после Basic "а нормально программировать человек не может, и исправить это уже не удастся. Как бы то ни было, в 1963 г. язык был создан и получил имя Dartmouth BASIC .

Настоящую популярность этот язык получил в 1975 году. Тогда Microsoft (в то время только два человека – Билл Гейтс и Пол Аллен) написали интерпретатор бейсика для компьютеров Altair 8800, названный Altair BASIC . Язык стремительно разветвился на множество диалектов. Например, Apple II базировался на одной из его версий, а для операционной системы CP/M был написан BASIC -80. Заметим, что второе (или даже третье) дыхание развитию Basic дал опять же Microsoft. Произошло это в начале 90-х годов прошлого столетия, когда был выпущен Visual Basic , уже совсем не похожий на своего предка.

В 1964 году же корпорация IBM создала язык PL/1 , который был призван заменить Cobol и Fortran в большинстве приложений. Язык обладал исключительным богатством синтаксических конструкций. В нем впервые появилась обработка исключительных ситуаций и поддержка параллелизма. Надо заметить, что синтаксическая структура языка была крайне сложной. Пробелы уже использовались как синтаксические разделители, но ключевые слова не были зарезервированы. В силу таких особенностей разработка компилятора для PL/1 была исключительно сложным делом. Язык так и не стал популярен вне мира IBM , однако широко использовался в бывшем Советском Союзе и странах социалистического содружества. Причина этого заключается в производстве этими странами ряда программно совместимых моделей компьютеров ЕС ЭВМ, которые практически были скопированы с компьютеров IBM /360.

Создание каждого из вышеупомянутых языков (за исключением, может быть, Algol "а) было вызвано некоторыми практическими требованиями. Эти языки послужили фундаментом для более поздних разработок. Все они представляют одну и ту же парадигму программирования. Следующие языки пошли существенно дальше в своем развитии, в сторону более глубокого абстрагирования.

В 1970 году Никлаус Вирт создал язык программирования Pascal . Язык замечателен тем, что это первый широко распространенный язык для структурного программирования (первым был Алгол , но он не получил столь широкого распространения). Впервые оператор безусловного перехода перестал играть основополагающую роль при управлении порядком выполнения операторов. В этом языке также внедрена строгая проверка типов, что позволило выявлять многие ошибки на этапе компиляции.

Отрицательной чертой языка было отсутствие в нем средств для разбиения программы на модули. Вирт осознавал это и разработал язык Modula-2 (1978), в котором идея модуля стала одной из ключевых концепций языка. В 1988 году появился язык Modula-3, в котором были добавлены объектно-ориентированные черты. Логическим продолжением Pascal и Modula являются язык Oberon и Oberon -2. Они характеризуются движением в сторону объектной и компонентной ориентированности. В этом плане интересно рассмотреть С-подобные языки.

В 1972 году Керниганом и Ритчи был создан язык программирования C . Он создавался как язык для разработки операционной системы UNIX . Язык С часто называют "переносимым ассемблером", имея в виду то, что он позволяет работать с данными практически так же эффективно, как на ассемблере, предоставляя при этом структурированные управляющие конструкции и абстракции высокого уровня (структуры и массивы). Именно с этим связана его огромная популярность и поныне. И именно это является его ахиллесовой пятой. Компилятор C очень слабо контролирует типы, поэтому очень легко написать внешне совершенно правильную, но логически ошибочную программу.

В 1986 году Бьярн Страуструп создал первую версию языка C++, добавив в язык C объектно-ориентированные черты, взятые из Simula (см. ниже), и исправив некоторые ошибки и неудачные решения языка. C++ продолжает совершенствоваться и в настоящее время, так в 1998 году вышла новая (третья) версия стандарта, содержащая в себе некоторые довольно существенные изменения. Язык стал основой для разработки современных больших и сложных проектов. У него имеются, однако же, и слабые стороны, вытекающие из требований эффективности.

В 1995 году в корпорации Sun Microsystems Кеном Арнольдом и Джеймсом Гослингом был создан язык Java . Он наследовал синтаксис C и C++ и был избавлен от некоторых неприятных черт последнего. Отличительной особенностью языка является компиляция в код некоей абстрактной машины, для которой затем пишется эмулятор ( Java Virtual Machine ) для реальных систем. Кроме того, в Java нет указателей и множественного наследования, что сильно повышает надежность программирования.

В 1998–2001 годах в корпорации Microsoft группой инженеров под руководством Андерса Хейлсберга в компании был создан язык C#. Он в достаточной степени схож с Java (и задумывался как альтернатива последнему), но имеет и отличительные особенности. Язык C# ориентирован, в основном, на разработку многокомпонентных интернет -приложений. Это основной язык разработки приложений для платформы Microsoft. NET . Компилятор с C# входит в стандартную установку самой. NET , поэтому программы на нем можно создавать и компилировать даже без инструментальных средств, вроде Visual Studio.

В 1983 году под эгидой Министерства обороны США был создан язык Ada . Он замечателен тем, что очень много ошибок может быть выявлено на этапе компиляции. Кроме того, поддерживаются многие аспекты программирования, которые часто отдаются на откуп операционной системе ( параллелизм , обработка исключений ). В 1995 году был принят стандарт языка Ada 95, который развивает предыдущую версию, добавляя в нее объектную ориентированность и исправляя некоторые неточности. Оба этих языка не получили широкого распространения вне военных и прочих крупномасштабных проектов (авиация, железнодорожные перевозки). Основной причиной является сложность освоения языка и достаточно громоздкий синтаксис (значительно более громоздкий, чем Pascal ).

Все вышеперечисленные языки являются языками общего назначения в том смысле, что они не ориентированы и не оптимизированы под использование каких-либо специфических структур данных или на применение в каких-либо специфических областях. Было разработано большое количество языков, ориентированных на достаточно специфические применения. Ниже приведен краткий обзор таких языков.

В 1957 году была предпринята попытка создания языка для описания математической обработки данных. Язык был назван APL ( Application Programming Language ). Его отличительной особенностью было использование математических символов (что затрудняло применение на текстовых терминалах; появление графических интерфейсов сняло эту проблему) и очень мощный синтаксис , который позволял производить множество нетривиальных операций прямо над сложными объектами, не прибегая к разбиению их на компоненты. Широкому применению помешало, как уже отмечалось, использование нестандартных символов как элементов синтаксиса.

В 1962 году появился язык Snobol (а в 1974 – его преемник Icon ), предназначенный для обработки строк. Синтаксис Icon напоминает С и Pascal одновременно. Отличие заключается в наличии мощных встроенных функций работы со строками и связанная с этими функциями особая семантика . Современным аналогом Icon и Snobol является Perl –язык обработки строк и текстов, в который добавлены некоторые объектно-ориентированные возможности. Считается очень практичным языком, однако ему недостает элегантности.

В 1969 году был создан язык SETL – язык для описания операций над множествами. Основной структурой данных в языке является множество, а операции аналогичны математическим операциям над множествами. Язык полезен при написании программ, имеющих дело со сложными абстрактными объектами.

В последнее время, в связи с развитием интернет -технологий, широким распространением высокопроизводительных компьютеров и рядом других факторов, получили распространение так называемые скриптовые языки. Эта языки первоначально ориентировались на применение в качестве внутренних управляющих языков во всякого рода сложных системах. Многие из них, однако же, вышли за пределы сферы своего изначального применения и используются ныне в совсем иных областях. Характерными особенностями данных языков являются, во-первых, их интерпретируемость ( компиляция либо невозможна, либо нежелательна), во-вторых, простота синтаксиса, а в-третьих, легкая расширяемость . Таким образом, они идеально подходят для работы в часто изменяемых программах, очень небольших программах или в случаях, когда для выполнения операторов языка затрачивается время, несопоставимое со временем их разбора. Было создано достаточно большое количество таких языков, перечислим лишь основные и наиболее часто используемые.

Язык JavaScript был создан в компании Netscape Communications в качестве языка для описания сложного поведения веб-страниц. Первоначально язык назывался LiveScript, причиной смены названия послужили маркетинговые соображения. Он интерпретируется браузером во время отображения веб-страницы, по синтаксису похож на Java и (отдаленно) на C/C++. Язык имеет возможность использовать встроенную в браузер объектную функциональность, однако подлинно объектно-ориентированным языком не является.

Другой скриптовый язык VBScript был создан в корпорации Microsoft во многом в качестве альтернативы JavaScript. Имеет подобную область применения, синтаксически похож на язык Visual Basic (является усеченной версией последнего); так же, как и JacaScript, исполняется браузером при отображении веб-страниц и имеет ту же степень объектной ориентированности.

Язык Perl, нашедший применение для динамической генерации веб-страниц на веб-серверах, создавался в помощь системному администратору операционной системы Unix для обработки различного рода текстов и выделения нужной информации. Развился до мощного средства работы с текстами. Является интерпретируемым языком и реализован практически на всех существующих платформах. Интерпретируемый объектно-ориентированный язык программирования Python по структуре и области применения близок к Perl, однако менее распространен и более строг и логичен. Имеются реализации для большинства существующих платформ.

Интересно рассмотрение группы ранних объектно-ориентированных языков. Объектно-ориентированный подход , пришедший на смену структурному, впервые появился отнюдь не в C++, как полагают некоторые. Существует целая череда чистых объектно-ориентированных языков, без сведений о которых наш обзор был бы неполным. Первым объектно-ориентрованным языком был язык Simula (1967). Этот язык был предназначен для моделирования различных объектов и процессов, и объектно-ориентированные черты появились в нем именно для описания свойств модельных объектов.

Популярность объектно-ориентированному программированию принес язык Smalltalk, созданный в 1972 году. Язык предназначался для проектирования сложных графических интерфейсов и был первым понастоящему объектно-ориентированным языком. В нем классы и объекты – это единственные конструкции программирования. Недостатком Smalltalk являются большие требования к памяти и низкая производительность полученных программ. Причина – в не очень удачной реализацией объектно-ориентированных особенностей. Популярность языков C++ и Ada 95 связана именно с тем, что объектная ориентированность реализована без существенного снижения производительности.

Существует еще язык с очень хорошей реализацией объектной ориентированности, не являющийся надстройкой ни над каким другим языком. Это язык Eiffel (1986 г.). Являясь чистым языком объектно-ориентированного программирования, он, кроме того, повышает надежность программы путем использования "контрольных утверждений".

Большинство компьютерных архитектур и языков программирования ориентированы на последовательное выполнение операторов программы. В настоящее время существуют программно-аппаратные комплексы, позволяющие организовать параллельное выполнение различных частей одного и того же вычислительного процесса. Для программирования таких систем необходима специальная поддержка со стороны средств программирования, в частности, языков программирования. Некоторые языки общего назначения содержат в себе элементы поддержки параллелизма, однако программирование истинно параллельных систем требует подчас специальных приемов .

Язык Оccam был создан в 1982 году и предназначен для программирования транспьютеров – многопроцессорных систем распределенной обработки данных. Он описывает взаимодействие параллельных процессов в виде каналов – способов передачи информации от одного процесса к другому. Отметим особенность синтаксиса языка Occam – в нем последовательный и параллельный порядки выполнение операторов равноправны, и их необходимо явно указывать ключевыми словами PAR и SEQ.

В 1985 году была предложена модель параллельных вычислений Linda. Основной ее задачей является организация взаимодействия между параллельно выполняющимися процессами. Это достигается за счет использования глобальной кортежной области ( tuple space ). Процесс может поместить туда кортеж с данными (то есть совокупность нескольких, возможно, разнородных данных), а другой процесс может ожидать появления в кортежной области некоторого кортежа и, после его появления, прочитать кортеж с возможным последующим его удалением.

Заметим, что процесс может, например, поместить кортеж в область и завершиться, а другой процесс может через некоторое время воспользоваться этим кортежем. Таким образом обеспечивается возможность асинхронного взаимодействия. Очевидно, что при помощи такой модели можно эмулировать и синхронное взаимодействие . Linda – это модель параллельных вычислений, она может быть добавлена в любой язык программирования . Существуют достаточно эффективные реализации Linda, обходящие проблему существования глобальной кортежной области с потенциально неограниченным объемом памяти.

Все языки, о которых шла речь ранее, имеют одно общее свойство: они императивны. Это означает, что программы на них, в конечном итоге, представляют собой пошаговое описание решения той или иной задачи. Можно попытаться описывать лишь постановку проблемы, а решать задачу поручить компилятору. Существует два основных подхода, развивающие эту идею: функциональное и логическое производится только тогда, когда оно действительно необходимо. Первые языки имеют более эффективную реализацию, в то время как вторые – лучшую семантику.

Из языков с энергичной семантикой упомянем ML и два его современных диалекта – Standard ML ( SML ) и CaML. Последний имеет объектно-ориентированного потомка – Objective CaML (O"CaML). Среди языков с ленивой семантикой наиболее распространены два: Haskell и его более простой диалект Clean. Интересен язык функционального программирования F#. Он является языком мультипарадигменного программирования. На нем можно писать функциональный, императивный и объектно-ориентированный код. Это позволяет быть более прагматичным, вместо того чтобы пытаться загнать любую задачу, стоящую перед разработчиком, в прокрустово ложе классов и интерфейсов. Язык F# включен в стандартный набор Visual Studio 2010, хотя присутствует и сейчас, в виде плагина для VS2008.

Window. Программировать на нем увлекательно. Этот язык рушит многие барьеры, связанные с программированием, и позволяет сконцентрироваться на написании кода, который нужен разработчику.

Важно отметить, что F# поддерживает почти все возможности, которые есть у C#. Поэтому его можно использовать, не опасаясь принципа "все или ничего". Не нужно выбрасывать существующий код и переводить все на F#. Вообще, предполагается, что код на F# будет главным образом применяться как библиотеки классов, интегрированные в большой программный продукт .

Программы на языках логического программирования выражены как формулы математической логики, а компилятор пытается получить следствия из них. Родоначальником большинства языков логического программирования является язык Prolog (1971). У него есть ряд потомков – Parlog (1983, ориентирован на параллельные вычисления), Delta Prolog и др.

Технология программирования во многом определяется языком программирования, на котором пишутся программы. В языке могут быть заложены средства, влияющие на технологичность и архитектуру разрабатываемой системы (например, объектная ориентированность, 0

В заключение раздела можно выделить некоторую общую тенденцию в развитии языков программирования. Языки развиваются в сторону все большей и большей абстракции. И это сопровождается падением эффективности. Вопрос: а стоит ли этого абстракция ? Ответ: стоит, так как повышение уровня абстракции влечет за собой повышение уровня надежности программирования. С низкой эффективностью можно бороться путем создания более быстрых компьютеров. Если требования к памяти слишком высоки, можно увеличить ее объем. Это требует времени и средств, но это решаемо. А вот с ошибками в программах можно бороться только одним способом: их надо исправлять. Еще лучше – не совершать. А еще лучше – максимально затруднить их совершение. И именно на это направлены все исследования в области языков программирования.

1. Классификация программного обеспечения

Назначением ЭВМ является выполнение программ. Программа содержит команды, определяющие порядок действии компьютера. Совокупность программ для компьютера образует программное обеспечение (ПО) . По функциональному признаку различают системное и прикладное программное обеспечение.

В первом приближении все программы, работающие на компьютере, можно условно разделить на три категории (смотри рисунок) :

1. прикладные программы , непосредственно обеспечивающие выполнение необходимых пользователям работ;

2. системные программы , выполняющие различные вспомогательные функции, например:

управление ресурсами компьютера;

создание копий используемой информации;

проверка работоспособности устройств компьютера;

выдача справочной информации о компьютере и др.;

3. инструментальные программные системы , облегчающие процесс создания новых программ для компьютера.

При построении классификации ПО нужно учитывать тот факт, что стремительное развитие вычислительной техники и расширение сферы приложения компьютеров резко ускорили процесс эволюции программного обеспечения.

Если раньше можно было по пальцам перечислить основные категории ПО - операционные системы, трансляторы, пакеты прикладных программ, то сейчас ситуация коренным образом изменилась.

Развитие ПО пошло как вглубь (появились новые подходы к построению операционных систем, языков программирования и т.д.), так и вширь (прикладные программы перестали быть прикладными и приобрели самостоятельную ценность).

Соотношение между требующимися программными продуктами и имеющимися на рынке меняется очень быстро. Даже классические программные продукты, такие, как операционные системы, непрерывно развиваются и наделяются интеллектуальными функциями, многие из которых ранее относились только к интеллектуальным возможностям человека.

Кроме того, появились нетрадиционные программы, классифицировать которые по устоявшимся критериям очень трудно, а то и просто невозможно, как, например, программа - электронный собеседник.

На сегодняшний день можно сказать, что более или менее определённо сложились следующие группы программного обеспечения:

операционные системы и оболочки;

системы программирования (трансляторы, библиотеки подпрограмм, отладчики и т.д.);

инструментальные системы;

интегрированные пакеты программ;

динамические электронные таблицы;

системы машинной графики;

системы управления базами данных (СУБД);

прикладное программное обеспечение.

Структура программного обеспечения показана на рисунке . Разумеется, эту классификацию нельзя считать исчерпывающей, но она более или менее наглядно отражает направления совершенствования и развития программного обеспечения.

Операционная система (ОС) -система программ, предназначенная для управления устройствами ЭВМ, управления обработкой и хранением данных, обеспечения пользовательского интерфейса.

Операционная система обычно хранится во внешней памяти компьютера - на диске. При включении компьютера она считывается с дисковой памяти и размещается в ОЗУ.
Этот процесс называется загрузкой операционной системы.

В функции операционной системы входит:

Осуществление диалога с пользователем;
ввод-вывод и управление данными;
планирование и организация процесса обработки программ;
распределение ресурсов (оперативной памяти и кэша, процессора, внешних устройств);
запуск программ на выполнение;
всевозможные вспомогательные операции обслуживания;
передача информации между различными внутренними устройствами;
программная поддержка работы периферийных устройств (дисплея, клавиатуры, дисковых накопителей, принтера и др.).

В зависимости от количества одновременно обрабатываемых задач и числа пользователей, которых могут обслуживать ОС, различают четыре основных класса операционных систем:

1. однопользовательские однозадачные, которые поддерживают одну клавиатуру и могут работать только с одной (в данный момент) задачей;

2. однопользовательские однозадачные с фоновой печатью , которые позволяют помимо основной задачи запускать одну дополнительную задачу, ориентированную, как правило, на вывод информации на печать. Это ускоряет работу при выдаче больших объёмов информации на печать;

3. однопользовательские многозадачные , которые обеспечивают одному пользователю параллельную обработку нескольких задач. Например, к одному компьютеру можно подключить несколько принтеров, каждый из которых будет работать на "свою" задачу;

4. многопользовательские многозадачные , позволяющие на одном компьютере запускать несколько задач нескольким пользователям. Эти ОС очень сложны и требуют значительных машинных ресурсов.

В различных моделях компьютеров используют операционные системы с разной архитектурой и возможностями. Для их работы требуются разные ресурсы. Они предоставляют разную степень сервиса для программирования и работы с готовыми программами.

Операционная система для персонального компьютера, ориентированного на профессиональное применение, должна содержать следующие основные компоненты:

Программы управления вводом/выводом;
программы, управляющие файловой системой и планирующие задания для компьютера;
процессор командного языка, который принимает, анализирует и выполняет команды, адресованные операционной системе.
Каждая операционная система имеет свой командный язык, который позволяет пользователю выполнять те или иные действия:
обращаться к каталогу;
выполнять разметку внешних носителей;
запускать программы;
... другие действия.

Анализ и исполнение команд пользователя, включая загрузку готовых программ из файлов в оперативную память и их запуск, осуществляет командный процессор операционной системы.

Для управления внешними устройствами компьютера используются специальные системные программы - драйверы. Драйверы стандартных устройств образуют в совокупности базовую систему ввода-вывода (BIOS), которая обычно заносится в постоянное ЗУ компьютера.

Современные операционные системы для ПЭВМ отличаются друг от друга, прежде всего ориентацией на машины определенного класса, поддерживаемыми ими режимами обработки, предоставляемыми сервисными возможностями. Примерами ОС для ПЭВМ являются СР/М, MS DOS, OS/2 Warp (IBM), Windows 95 (Microsoft).

Инструментальные программные средства - это программы, которые используются в ходе разработки, корректировки или развития других прикладных или системных программ.

По своему назначению они близки системам программирования. К инструментальным программам, например, относятся:

редакторы;

средства компоновки программ;

отладочные программы, т.е. программы, помогающие находить и устранять ошибки в программе;

вспомогательные программы, реализующие часто используемые системные действия;

графические пакеты программ и т.п.

Инструментальные программные средства могут оказать помощь на всех стадиях разработки ПО.

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?

12. Какие классы языков программирования можно выделить? Приведите примеры для каждого класса.

13. Назовите основные свойства функциональных языков программирования

14. Назовите какие методы используются в современных объектно-ориентированных языках программирования.

15. Что такое сценарий (скрипт)?

Исходя из задач, поставленных перед инструментальным программным обеспечением, можно выделить большое количество различных по назначению видов инструментального программного обеспечения:

1) Текстовые редакторы

2) Интегрированные среды разработки

4) Компиляторы

5) Интерпретаторы

6) Линковщики

7) Парсерыигенераторы парсеров(см.Javacc)

8) Ассемблеры

9) Отладчики

10) Профилировщики

11) Генераторы документации

12) Средства анализа покрытия кода

13) Средства непрерывной интеграции

14) Средства автоматизированного тестирования

15) Системы управления версиямии др.

Следует отметить, что оболочки для создания прикладных программ создаются также инструментальными программами и поэтому могут быть отнесены к прикладным программам. Рассмотрим кратко назначения некоторых инструментальных программ.

Заключение

Итак, подытожив все вышесказанное, следует отметить, что инструментальное программное обеспечение является одним из видов программного обеспечения, обладая его общими задачами и функциями.

Однако, являясь узкоспециализированным видом программного обеспечения, обладает определенным набором уникальных свойств и функций, обеспечивающих решение свойственных ему задач.

Необходимо отметить наметившуюся тенденцию к упрощению процесса программирования и создания определенного подкласса – полупрофессиональное программирование для прикладных целей.

Именно это позволит опытному пользователю компьютера, но не профессиональному программисту, создавать некие приложения и небольшие исполняемые в среде Microsoft Office файлы, используемые в первую очередь для целей учета и обеспечения документооборота в небольших компаниях.

Именно с этой целью Microsoft был разработан программный комплекс Visual Basic for Application, позволяющий облегчить процесс программирования и давший возможность заниматься прикладным программированием пользователям, а не программистам. Данная возможность была реализована в первую очередь путем создания раздела программы – «Редактор сценариев» и возможности записывать и исполнять «Макросы», как отдельную разновидность графически программируемых модулей. Реализована возможность создания приложений сграфическим интерфейсомдля MSWindows. Также достоинством данного вида инструментального программного обеспечения является простойсинтаксис, позволяющий очень быстро освоить язык, и применять его для программирования во всех стандартных приложениях Microsoft Office.

Поэтому трудно переоценить значение инструментального обеспечения в целом, и Visual Basic for Application в частности, хотя недостатки, а о них было сказано выше, также имеют место. Но это скорее даже не негативные стороны продукта, а ориентиры для дальнейшего совершенствования инструментального обеспечения в лице Visual Basic for Application.

Список использованных источников

1. Алгоритмические языки реального времени /Под ред. Янга С./ 2004 г.

2. Журнал PC Magazine Russian Edition №2 2008г. Компьютер сегодня.

3. Информатика. /Под ред. Могилев А.В., Пак Н.И., Хеннер Е.К/ – М.: ACADEMIA, 2000.

4. Информатика и информационные технологии: Учебник /Под ред. Романова Д.Ю./ ООО «издательство «Эксмо», 2007.

5. Новейшая энциклопедия персонального компьютера /Под ред. Леонтьева В. /Москва, 1999 год. – 271 с.

6. Новые языки программирования и тенденции их развития /Под ред. Ушковой В./ 2001 г.

7. Педагогика /Под ред. Пидкасистого П.И./ – М.: Педагогическое общество Россия, 2000.

8. Программирование для Microsoft Excel 2000 за 21 день. /Под ред. Хариса М./ – М.: Вильямс, 2000.

9. Симонович С. Информатика: базовый курс. Учеб. для ВУЗов. СПб, Питер, 2002 г.

10. С Excel 2000 без проблем. /Под ред. Ковальски/ – М.: Бином, 2000.

11. «Эффективная работа в Windows 98» /Под ред. Стинсона К./ 2000 год. – 247 с.

12. Языки программирования. кн.5 /Под ред. Ваулина А.С./ 2003 г.

13. Языки программирования: разработка и реализация /Под ред. Терренса П./ 2001 г.

14. Электронный учебник по информатике. Алексеев Е.Г.http://www.stf.mrsu.ru/economic/lib/Informatics/text/Progr.html \

Сервисные системы расширяют возможности ОС по обслуживанию системы, обеспечивают удобство работы пользователя. К этой категории относят системы технического обслуживания, программные оболочки и среды ОС, а также служебные программы.

Системы технического обслуживания – это совокупность программно-аппаратных средств ПК, которые выполняют контроль, тестирование и диагностику и используются для проверки функционирования устройств компьютера и обнаружения неисправностей в процессе работы компьютера. Они являются инструментом специалистов по эксплуатации и ремонту технических средств компьютера.

Для организации более удобного и наглядного интерфейса пользователя с компьютером используются программные оболочки операционных систем – программы, которые позволяют пользователю отличными от предоставляемых ОС средствами (более понятными и эффективными) осуществлять действия по управлению ресурсами компьютера. К числу наиболее популярных оболочек относятся пакеты Norton Commander (Symantec), FAR (File and Archive manageR).

Служебные программы (утилиты, лат. utilitas – польза) – это вспомогательные программы, предоставляющие пользователю ряд дополнительных услуг по реализации часто выполняемых работ или же повышающие удобство и комфортность работы.

11.Инструментальное программное обеспечение.

К инструментальному программному обеспечению относят: системы программирования – для разработки новых программ, например, Паскаль, Бейсик. Обычно они включают: редактор текстов, обеспечивающий создание и редактирование программ на исходном языке программирования (исходных программ), транслятор, а также библиотеки подпрограмм; инструментальные среды для разработки приложений, например, C++, Delphi, Visual Basic, Java, которые включают средства визуального программирования; системы моделирования, например, система имитационного моделирования MatLab, системы моделирования бизнес-процессов BpWin и баз данных ErWin и другие.

Транслятор (англ. translator – переводчик) – это программа-переводчик, которая преобразует программу с языка высокого уровня в программу, состоящую из машинных команд. Трансляторы реализуются в виде компиляторов или интерпретаторов, которые существенно различаются по принципам работы.

Компилятор (англ. compiler – составитель, собиратель) читает всю программу целиком, делает ее перевод и создает законченный вариант программы на машинном языке, который затем и выполняется. После компилирования получается исполняемая программа, при выполнении которой не нужна ни исходная программа, ни компилятор.

Интерпретатор (англ. interpreter – истолкователь, устный переводчик) переводит и выполняет программу строка за строкой. Программа, обрабатываемая интерпретатором, должна заново переводиться на машинный язык при каждом очередном ее запуске.

Драйверы – специальные программы, которые управляют работой периферийных устройств. Обычно драйверы для различных ОС поставляются вместе с новыми устройствами.

12.Прикладное программное обеспечение.

Прикладное программное обеспечение (ППО) предназначено для решения задач пользователя. В его состав входят прикладные программы пользователей и пакеты прикладных программ (ППП) различного назначения.

Прикладная программа пользователя – это любая программа, способствующая решению какой-либо задачи в пределах данной проблемной области. Прикладные программы могут использоваться либо автономно, либо в составе программных комплексов или пакетов.

Пакеты прикладных программ (ППП) – это специальным образом организованные программные комплексы, рассчитанные на общее применение в определенной проблемной области и дополненные соответствующей технической документацией. Различают следующие типы ППП:

· ППП общего назначения – универсальные программные продукты, предназначенные для автоматизации широкого класса задач пользователя. К ним относятся:

Текстовые редакторы (например, MS Word, Word Perfect, Лексикон);

Табличные процессоры (например, MS Excel, Lotus 1-2-3, Quattro Pro);

Системы динамических презентаций (например, MS Power Point, Freelance Graphics, Harvard Graphics);

Системы управления базами данных (например, MS Access, Oracle, MS SQL Server, Informix);

Графические редакторы (например, Сorel Draw, Adobe Photoshop);

Издательские системы (например, Page Maker, Venture Publisher);

Системы автоматизации проектирования (например, BPWin, ERWin);

Электронные словари и системы перевода (например, Prompt, Сократ, Лингво, Контекст);

Системы распознавания текста (например, Fine Reader, Cunei Form).

Системы общего назначения часто интегрируются в многокомпонентные пакеты для автоматизации офисной деятельности – офисные пакеты – Microsoft Office, StarOffice и др.

· методо-ориентированные ППП, в основе которых лежит реализация математических методов решения задач. К ним относятся, например, системы математической обработки данных (Mathematica, MathCad, Maple), системы статистической обработки данных (Statistica, Stat).;

· проблемно-ориентированные ППП предназначены для решения определенной задачи в конкретной предметной области. Например, информационно-правовые системы ЮрЭксперт, ЮрИнформ; пакеты бухгалтерского учета и контроля 1С: Бухгалтерия, Галактика, Анжелика; в области маркетинга –Касатка, Marketing Expert; банковская система СТБанк;

· интегрированные ППП представляют собой набор нескольких программных продуктов, объединенных в единый инструмент. Наиболее развитые из них включают в себя текстовый редактор, персональный менеджер (органайзер), электронную таблицу, систему управления базами данных, средства поддержки электронной почты, программу создания презентационной графики. Результаты, полученные отдельными подпрограммами, могут быть объединены в окончательный документ, содержащий табличный, графический и текстовый материал. К ним относят, например, MS Works. Интегрированные пакеты, как правило, содержат некоторое ядро, обеспечивающее возможность тесного взаимодействия между составляющими.

Обычно пакеты прикладных программ имеют средства настройки, что позволяет при эксплуатации адаптировать их к специфике предметной области.