обеспечивающие перевод программы на машинный код разделяются на два типа и компиляторы
Обеспечивающие перевод программы на машинный код разделяются на два типа и компиляторы
Компилятор (англ. compiler — составитель, собиратель) читает всю программу целиком, делает ее перевод и создает законченный вариант программы на машинном языке, который затем и выполняется.
Компилятор обеспечивает преобразование программы с одного языка на другой. Команды исходного языка сильно отличаются по организации и мощности, нежели команды машинного языка. Бывают такие, в которых одна команда исходного языка транслируется в 7-10 машинных команд. Существуют даже такие, в которых в каждой команде может соответствовать более 100 машинных команд (например язык программирования Пролог). В исходных языках довольно часто используется строгая типизация данных, которая осуществляется через их предварительное описание. Программирование на таких языках может опираться не только на кодирование алгоритма, но и на тщательное обдумывание структур данных или классов. Весь процесс трансляции с таких языков программирования обычно называется компиляцией, а исходные языки обычно относятся к языкам высокого уровня.
Интерпретатор (англ. interpreter — истолкователь, устный переводчик) переводит и выполняет программу строка за строкой.В отличие от компилятора, интерпретатор не порождает на выходе программу на машинном языке. Распознав команду исходного языка, он тут же выполняет ее. Как в компиляторах, так и в интерпретаторах используются одинаковые методы анализа исходного текста программы. Но интерпретатор позволяет начать обработку данных после написания даже одной команды. Это делает процесс разработки и отладки программ более гибким. Кроме того, отсутствие выходного машинного кода позволяет не «захламлять» внешние устройства дополнительными файлами, а сам интерпретатор можно достаточно легко адаптировать к любым машинным архитектурам, разработав его только один раз на широко распространенном языке программирования. Поэтому, интерпретируемые языки, типа Java Script, VB Script, получили широкое распространение. Недостатком интерпретаторов является низкая скорость выполнения программ. Обычно интерпретируемые программы выполняются в 50-100 раз медленнее программ, написанных в машинных кодах.
Трансляторы и их виды
Поскольку текст, записанный на языке программирования, непонятен компьютеру, то требуется перевести его на машинный код. Такой перевод программы с языка программирования на язык машинных кодов называется трансляцией, а выполняется она специальными программами – трансляторами.
В настоящее время трансляторы разделяются на три основные группы: ассемблеры, компиляторы и интерпретаторы.
Вместе с тем, язык ассемблера, кроме аналогов машинных команд, содержит множество дополнительных директив, облегчающих, в частности, управление ресурсами компьютера, написание повторяющихся фрагментов, построение многомодульных программ. Поэтому выразительность языка намного богаче, чем просто языка символического кодирования, что значительно повышает эффективность программирования.
Эмуляторы используются достаточно часто в самых различных целях. Например, при разработке новых вычислительных систем, сначала создается эмулятор, выполняющий программы, разрабатываемые для еще несуществующих компьютеров. Это позволяет оценить систему команд и наработать базовое программное обеспечение еще до того, как будет создано соответствующее оборудование.
Очень часто эмулятор используется для выполнения старых программ на новых вычислительных машинах. Обычно новые компьютеры обладают более высоким быстродействием и имеют более качественное периферийное оборудование. Это позволяет эмулировать старые программы более эффективно по сравнению с их выполнением на старых компьютерах.
Макропроцессоры используются и с языками высокого уровня. Они увеличивают функциональные возможности таких языков как PL/1, C, C++. Особенно широко макропроцессоры применяются в C и C++, позволяя упростить написание программ. Макропроцессоры повышают эффективность программирования без изменения синтаксиса и семантики языка.
Любой транслятор выполняет следующие основные задачи:
- анализирует транслируемую программу, в частности определяет, содержит ли она синтаксические ошибки;
— генерирует выходную программу (ее часто называют объектной) на языке машинных команд;
— распределяет память для объектной программы.
Преобразование программы в машинные коды. Интерпретаторы и компиляторы
Трансляция программы — преобразование программы, представленной на одном из языков программирования, в программу на другом языке и, в определённом смысле, равносильную первой.
Язык, на котором представлена входная программа, называется исходным языком, а сама программа — исходным кодом.
Транслирующие программы делятся на две категории: интерпретаторы и компиляторы.
Интерпретатор преобразует небольшой фрагмент исходной программы в машинные команды и, лишь дождавшись, когда компьютер их выполнит, переходит к обработке следующего фрагмента.
Компилятор, наоборот, транслирует всю программу, написанную на языке высокого уровня, и помещает команды в память компьютера, не выполняя их; компилированную программу можно сохранить, чтобы в дальнейшем использовать.
Каждый из этих способов преобразования имеет свои достоинства и недостатки.
Компилированные программы выполняются быстрее, чем интерпретируемые; однажды компилированная программа не требует в дальнейшем компилятора, и компьютеру не приходится исхитряться, чтобы одновременно и транслировать, и выполнять программу.
Программы, написанные на языках, ориентированных на интерпретацию, требуют присутствия в памяти компьютера интерпретатора, который осуществляет трансляцию программы в ходе ее выполнения.
Благодаря построчной трансляции интерпретатор полезен как при отладке, так и при трансляции программ, подверженных частым изменениям; исправленную программу можно сразу запустить, чтобы проверить ее работу. При использовании компилятора исправленную программу приходится перекомпилировать.
Как компилятор, так и интерпретатор должны соответствовать правилам конкретного языка высокого уровня, который они транслируют. Подобно тому, как правила грамматики описывают естественный язык, правила формального языка управляют работой программиста, указывая, как можно соединять слова и символы, используемые в языке, при построении сложных выражений и задавая правила форматирования, в том числе употребления пробелов и знаков пунктуации. В транслирующих программах грамматика является основой преобразования понятий исходной программы в машинный код.
Системы программирования.
Системы программирования
Системой программирования будем называть комплекс программных средств, предназначенных для кодирования, тестирования и отладки программного обеспечения.
Другими словами, это набор специализированных программных продуктов, которые являются инструментальными средствами разработчика.
Система программирования, как правило, включает следующие программные компоненты:
· транслятор с соответствующего языка;
· компоновщик (редактор связей);
Заметим, что любая система программирования может работать только в соответствующей ОС, под которую она и создана, однако при этом она может позволять разрабатывать программное обеспечение и под другие ОС.
Программа, подготовленная на каком-либо языке программирования, называется исходным модулем и представляет собой текстовый файл с соответствующим расширением.
Трансляторы предназначены для преобразования программ, написанных на языках программирования, в программы на машинном языке.
В качестве входной информации трансляторы применяют исходные модули и формируют в результате своей работы объектные модули, являющиеся входной информацией для редактора связей.
Объектный модуль содержит текст программы на машинном языке и дополнительную информацию, обеспечивающую как настройку модуля по месту его загрузки в оперативную память, так и объединение этого модуля с другими независимо оттранслированными модулями в единую программу.
Трансляторы делятся на два класса: компиляторы и интерпретаторы.
Компилятор переводит весь исходный модуль на машинный язык.
Интерпретатор последовательно переводит на машинный язык каждый оператор исходного модуля и сразу же выполняет его.
Соответственно говорят о компилируемых и интерпретируемых языках программирования.
Загрузочный модуль может быть помещен операционной системой в оперативную память и выполнен.
Базовый набор функций отладчика включает:
· пошаговое выполнение программы (режим трассировки) с отображением результатов,
· остановка в заранее определенных точках,
· возможность остановки в некотором месте программы при выполнении некоторого условия;
· изображение и изменение значений переменных.
Загрузчик помещает находящиеся в его входном наборе данных объектные и загрузочные модули в оперативную память, объединяет их в единую программу, корректирует перемещаемые адресные константы с учетом фактического адреса загрузки и передает управление в точку входа созданной программы.
Примерами современных систем программирования являются системы программирования
Microsoft Visual Basic,
Microsoft Visual C ++
и многие-многие другие.
Основные сведения о компиляции
Именно характеристики компилятора, прежде всего, влияют на эффективность результирующих программ, порождаемых системой программирования.
Кроме основного компилятора, большинство систем программирования могут содержать в своем составе целый ряд других компиляторов. Так, большинство систем содержат компилятор с языка Assembler и компилятор с входного языка описания ресурсов. Но они редко непосредственно взаимодействуют с пользователем.
Основные термины и понятия.
Транслятор – это программа, которая переводит входную программу на исходном (входном) языке в эквивалентную ей выходную программу на результирующем (выходном) языке.
Близко по смыслу к этому понятию понятие компилятор.
Компилятор – это транслятор, который осуществляет перевод исходной программы в эквивалентную ей объектную программу на языке машинных команд или языке ассемблера.
Таким образом, компилятор отличается от транслятора тем, что его результирующая программа написана обязательно на языке машинных команд или языке ассемблера. Результирующая программа транслятора в общем случае может быть написана на любом языке (например, транслятор с языка Pascal на язык С).
Таким образом, компиляторы – это вид трансляторов.
Повторим еще раз принципиально отличное понятие «интерпретатор».
Интерпретатор – это программа, которая воспринимает входную программу на исходном языке и выполняет ее. (Интерпретатор не порождает результирующую программу и никакого результирующего кода.)
Основные блоки (фазы) компилятора, их функции
Исходная программа, написанная на некотором языке программирования, есть цепочка знаков. Компилятор в конечном итоге превращает эту цепочку знаков в цепочку битов – объектный код.
В процессе компиляции обычно выделяют следующие подпроцессы (блоки, этапы).
1. Лексический анализ.
2. Работа с таблицами.
3. Синтаксический анализ, или разбор.
4. Генерация кода, или трансляция в промежуточный код (например, языка ассемблер).
5. Оптимизация кода.
6. Генерация объектного кода.
Замечание. В конкретных компиляторах порядок может несколько отличаться, а некоторые блоки могут объединяться в один. В реальном компиляторе блоки не обязательно разделены.
Лексический анализ
Входом является цепочка символов некоторого алфавита.
Некоторые комбинации символов в программе рассматриваются как единые объекты – лексемы (например, зарезервированные слова, идентификаторы, числовые константы).
Работа лексического анализатора состоит в том, чтобы сгруппировать определенные символы в единые синтаксические объекты – лексемы.
Выходом является последовательность лексем.
Например, в результате лексического анализа следующей цепочки символов
с ost:= (price + tax) * 0.98
будет обнаружено, что
Работа с таблицами
Информация о лексемах собирается и записывается в одну или несколько таблиц, например, в виде списка лексем и соответствующей информации о них.
Синтаксический анализ
Вход – цепочка лексем.
На этом этапе исследуется цепочка лексем и устанавливается, удовлетворяет ли она структурным условиям, явно сформулированным в определении синтаксиса языка.
Выходом анализатора является дерево, которое представляет синтаксическую структуру, присущую исходной программе.
Генерация кода
Полученное дерево используется для перевода входной программы в программу на машинном языке, но чаще осуществляется перевод на промежуточный язык (ассемблер).
Замечание. На практике чаще одновременно строится и дерево, и код.
Существует несколько методов построения промежуточного кода по синтаксическому дереву. Основным из них является синтаксически управляемый перевод (трансляция).
На двух этапах – синтаксического анализа и в начале этапа подготовки к генерации кода – выполняется семантический анализ. Семантический анализатор проверяет семантические соглашения входного языка, проверяет элементарные семантические (смысловые) нормы языков программирования, напрямую не связанных с входным языком; дополняет внутреннее представление программы в компиляторе операторами и действиями, неявно предусмотренными семантикой входного языка.
Оптимизация кода
На этом этапе производится попытка сделать объектные программы более эффективными (т.е. быстрее работающими или более компактными).
Так, для операций, составляющих линейный участок программы, может применяться удаление бесполезных присваиваний, исключение лишних операций, перестановка операций, арифметические преобразования.
Еще одним методом оптимизации кода является оптимизация вычисления логических выражений (не всегда полностью надо выполнять вычисление всего выражения, чтобы знать его результат, иногда по значению одного операнда можно определить значение всего выражения).
Оптимизация передачи параметров в процедуры и функции через стек не является эффективным, если выполняются несложные вычисления над небольшим количеством параметров (всякий раз при вызове процедуры компилятор создает объектный код для размещения фактических параметров в стеке, а при выходе – код для освобождения ячеек). Эффективность результирующей программы повышается при передаче параметров через регистры либо подстановкой кода функции в вызывающий объектный код.
Для оптимизации циклов используются следующие методы: вынесение инвариантных вычислений из циклов (вынесение тех операций, операнды которых не изменяются); замена операций с индуктивными переменными (изменение сложных операций с переменными, значения которых в процессе выполнения цикла образуют арифметическую прогрессию, на более простые операции); слияние и развертывание циклов (слияние двух вложенных циклов в один и замена цикла на линейную последовательность операций).
Генерация объектного кода
Последний заключительный этап. Происходит порождение команд, составляющих предложения выходного языка и в целом текст результирующей программы.
В случае отсутствия синтаксических ошибок (перевод осуществлен успешно) система программирования сообщает об этом пользователю и предлагает нажать любую клавишу для продолжения работы:
Compile successful. Press any key.
Если ошибка обнаружена, система сообщает пользователю название ошибки и указывает курсором ту строку, в которой обнаружена ошибка (иногда следующую строку после ошибочной). В этом случае пользователю необходимо исправить ошибку и снова запустить режим компиляции.
Урок 15
Системное программное обеспечение. Системы программирования
§40. Системное программное обеспечение. §41. Системы программирования
Содержание урока
§40. Системное программное обеспечение
§41. Системы программирования
Трансляторы
§41. Системы программирования
Трансляторы
Основа любой системы программирования — транслятор.
Транслятор — это программа, которая переводит в машинные коды тексты программ, написанных на языке высокого уровня.
Существуют два типа трансляторов: интерпретаторы и компиляторы.
Интерпретатор анализирует текст программы по частям. Разобрав очередной фрагмент, он немедленно выполняет описанные в нем действия и переходит к обработке следующего фрагмента.
Достоинства интерпретаторов:
• программы переносимы (программа будет работать в любой системе, где установлена программа-интерпретатор);
• удобно отлаживать программу.
Есть и существенные недостатки.
• программу невозможно выполнить, если не установлен интерпретатор;
• программы выполняются медленно (в цикле из 100 шагов каждая строчка 100 раз «разбирается» интерпретатором);
• в тех частях программы, которые не выполнялись во время отладки, могут оставаться синтаксические ошибки.
Второй тип трансляторов — компиляторы. Они, в отличие от интерпретаторов, сразу переводят всю программу в машинный код и строят исполняемый файл, готовый к запуску.
Достоинства компиляторов:
• чтобы запустить программу, не нужно устанавливать транслятор;
• поскольку программа уже переведена в машинные коды, она выполняется значительно быстрее, чем при использовании интерпретатора.
Недостатки тоже есть:
1 Многие программы, разработанные для ОС Windows, могут быть запущены в Linux с помощью программы-оболочки Wine (www.winehq.org).
Чтобы как-то совместить достоинства интерпретаторов и компиляторов, была предложена идея компиляции программы в некоторый промежуточный исполняемый код (псевдокод, P-код), а не сразу в команды конкретного процессора. Для выполнения такого псевдокода нужна специальная среда — виртуальная машина, которую в принципе можно разработать для любого процессора и любой операционной системы.
Программа сначала обрабатывается компилятором, который строит псевдокод, а потом этот псевдокод выполняется интерпретатором.
Таким образом,
• при компиляции в псевдокод проверяются все синтаксические ошибки, поэтому при выполнении такую проверку делать не нужно; это значительно ускоряет работу программ в сравнении с интерпретацией;
• обеспечивается переносимость программ — можно выполнять программу (псевдокод) на любом компьютере, где есть виртуальная машина.
Байт-код — это разновидность псевдокода, в котором команда занимает 1 байт, а далее следуют её аргументы (или их адреса). Современные версии интерпретируемых языков Perl, РНР, Python используют компиляцию в байт-код для ускорения выполнения программы.
Готовые программы на Java распространяются в виде байт-кода, поэтому для их выполнения необходимо установить виртуальную Java-машину. При этом для ускорения работы часто используется JIT-компиляция (англ. JIT — just-in-time — в это самое время), при которой байт-код «на лету» преобразуется в команды конкретного процессора. Тогда при повторном выполнении команды трансляция уже не нужна.
Следующая страница 
Состав системы программирования
Cкачать материалы урока