Материал: Автоматизация проектирования систем и средств управления. Учебное пособие. Кисурин А.А., Беспаленко В.Д

Непроцедурные языки

Непроцедурные языки составляют группу языков, описывающих организацию данных, обрабатываемых по фиксированным алгоритмам (табличные языки и генераторы отчетов), и языков связи с операционными системами. Позволяя четко описывать как задачу, так и необходимые для ее решения действия, таблицы решений дают возможность в наглядной форме определить, какие условия должны быть выполнены, прежде чем переходить к какому-либо действию. Одна таблица решений, описывающая некоторую ситуацию, содержит все возможные блоксхемы реализации алгоритмов решения. Табличные методы легко осваиваются специалистами любых профессий. Программы, составленные на табличном языке, удобно описывают сложные ситуации, возникающие при системном анализе.

Ассемблер

Язык Ассемблера - это символическое представление машинного языка. Он облегчает процесс программирования по сравнению с программированием в машинных кодах. Программисту не обязательно употреблять настоящие адреса ячеек памяти с размещенными в них данными, участвующими в операции, и вычисляемые результаты, а также адреса тех команд, к которым программа не обращается. Некоторые задачи, например, обмен с нестандартными устройствами обработки данных сложных структур невозможно решить с помощью языков программирования высокого уровня. Это под силу ассемблеру. В принципе, язык Ассемблер является машинным языком. И программист, реализующий какую-либо задачу на языках высокого уровня, с помощью Ассемблера может определить осмыслено ли решение данной задачи, с точки зрения использования ЭВМ. Умея разобраться в распечатке языка ассемблера, дает возможность облегчить поиск ошибок в программах, т.к. некоторые языки являются компиляторами.

Лисп

Один из самых старых языков программирования Фортран был создан в 50-х гг. нашего века. Фортран и подобные ему языки программирования (Алгол, ПЛ/1) предназначались для решения вычислительных задач, возникающих в математике, физике, инженерных расчетах, экономике и т.п. Эти языки в основном работают с числами. Второй старейший язык программирования Лисп (List Information Symbol Processing), Дж. Маккарти в 1962 г. скорее для работы со строками символов, нежели для работы с числами. Это особое предназначение Лиспа открыло для программистов новую область деятельности, известную ныне, как "искусственный интеллект". В настоящее время Лисп успешно применяется в экспертных системах, системах аналитических вычислений и т.п. Обширность области возможных приложений Лиспа вызвала появление множества различных диалектов Лиспа. Это легко объяснимо; применение Лиспа для понимания естественного языка требует определенного набора базисных функций, отличных, например, от используемого в задачах медицинской диагностики. Существование множества различных диалектов Лиспа привело к созданию в начале 80-х гг. Common LISP Комитета, который должен был выбрать наиболее подходящий диалект Лиспа и предложить его в

28

качестве основного. Этот диалект, выбранный Комитетом в 1985г., получил название Common LISP . В дальнейшем он был принят в университетах США, а также многими разработчиками систем искусственного интеллекта, в качестве основного диалекта языка Лисп. Язык программирования Лисп существенно отличается от других языков программирования, таких, как Паскаль, Си и т.п. Работа с символами и работа с числами как с основными элементами требует разных способов мышления. Первоначально Лисп был задуман как теоретическое средство для рекурсивных построений, а сегодня он превратился в мощное средство, обеспечивающее программиста разнообразной поддержкой, позволяющей ему быстро строить прототипы весьма и весьма серьезных систем. Профессор Массачусетского технологического института Дж. Самман заметил, что математическая ясность и предельная четкость Лиспа - это еще не все. Главное - Лисп позволяет сформулировать и запомнить "идиомы", столь характерные для проектов по искусственному интеллекту.

Проблемно-ориентированные языки программирования

Учитывая чрезвычайно широкий спектр предметных областей (математика, физика, моделирование в различных областях, описание и обработка данных, системное программирование, диалоговые системы, искусственный интеллект и представление знаний и др.), языки высокого уровня (ЯВУ) данного класса являются наиболее многочисленными. Проблемно-ориентированные ЯВУ характеризуются развитыми средствами для описания задач из конкретных предметных областей. Первым из ЯВУ данного класса (как и первым ЯВУ вообще) можно считать широко распространенный на всех типах и классах ЭВМ язык Fortran. Язык Fortran-1 был создан фирмой IBM в 1956 г., впоследствии замененный версиями Fortran-11 (1958 г.) и Fortran-IV (1966 г.); последняя версия стала первым стандартом ЯВУ и способствовала его чрезвычайно широкому распространению. Эффективность ПО, создаваемого компиляторами данной версии языка, во многом обусловила массовый переход к ЯВУ как основному инструментальному средству программирования на ЭВМ. Однако исходная ориентация языка на решение научно-технических задач определила его в качестве ЯВУ, в основном, специальных приложений. Пройдя целый ряд этапов развития и стандартизации: Fortran-f— Fortran-11— For- tran-IV— Fortran-77— Fortran-88 — Fortran-95, его последняя версия представляет собой весьма мощное инструментальное средство для представления широкого круга научно-технических задач, включая сложные САПРы с мощными графическими средствами. Особую ценность представляют обширные библиотеки Fortranпрограмм, наработанные за 40 лет несколькими поколениями программистов из различных проблемных областей. Реализованный первоначально для ЭВМ общего назначения, в настоящее время Fortran располагает компиляторами для всех классов и большинства типов ЭВМ, включая ПК, что делает его одним из основных современных проблемно-ориентированных ЯВУ. Для класса же супер-ЭВМ Fortran является основным ЯВУ, значительно опережая такие языки, как: С, Pascal, Cobol, Lisp, Basic, PL/I, Prolog и ADA . Кратко представим некоторые языки, ориентированные на решение задач в области искусственного интеллекта (ИИ), моделирования и задач физико-математического характера, а также системного программиро-

29

вания. Для решения задач обработки списков и символьной информации искусственного интеллекта и представления знаний весьма широко используются такие хорошо известные ЯВУ, как Lisp и Prolog.

Язык Lisp был разработан Д. Маккарти в 50-х годах для обработки символьной информации и исследований по ИИ-проблематике. Он по началу не приобрел столь широкой известности и популярности как Fortran, Pascal или Basic, ибо был ориентирован на символьные преобразования, а не численные вычисления. И только активизация исследований по ИИ-проблематике и символьным вычислениям определили существенный рост интереса к этому простому и элегантному языку обработки списков, а также подобным ему ЯВУ. Язык Lisp является на сегодня основным инструментальным средством реализации различных систем искусственного интеллекта, базы знаний (БЗ) и систем представления знаний (СПЗ), в первую очередь в США. Prolog, созданный в 70-х годах на основе языка Lisp для исследований по ИИ-проблематике, является языком логического программирования и в этом качестве был выбран основным ЯВУ японского проекта создания ЭВМ 5-го поколения. В связи с активизацией исследований по ИИ и связанной с ним проблематике к языку проявляется все больший интерес: на основе Prologязыка разрабатываются экспертные системы, базы знаний, системы представления знаний и обработки естественных языков и др. Существует ряд популярных реализации Prolog-языка, из которых наиболее известной является система программирования Turbo-Prolog фирмы Borland. Язык Forth был создан в начале 70-х годов первоначально для целей описания процессов управления, выполняющихся в режиме реального времени. Однако заложенные в нем идеология и принципы сделали его языком значительно более широкого применения. В последнее время Forth все чаще используется в системах представления знаний (СПЗ). Моделирование является одним из наиболее мощных методов исследования в различных предметных областях. Для лингвистического обеспечения компьютерного моделирования создан целый ряд эффективных ЯВУ:

GPSS для имитационного моделирования, HYNET для имитационного моделирования вычислительных сетей, VHDL для моделирования цифровых сметем, ADA-подобный язык CHILL для программирования и моделирования АСУ связи и компьютеризированных автоматических телефонных станций, HOCUS для имитационного моделирования, HL-I для описания и моделирования гибридных ВС, VRML для моделирования виртуальной реальности и др. Для систем с числовым управлением используются такие известные ЯВУ как NC, APT, и др. Язык ISETL по синтаксису и структуре весьма близок к языку современной математики, что позволяет использовать его для решения различных задач математического характера, включая ряд направлений математического моделирования. Диалоговый язык SMP содержит все операции традиционной математики и ориентирован на математические вычисления и моделирование. Сразу же после своего создания язык APL получил весьма широкое распространение; среди его основных преимуществ следует отметить наличие широкого набора мощных операторов, позволяющих работать с многомерными массивами, а также возможность расширения языка за счет

30

определяемых пользователем операторов. Язык APL ориентирован на решение научных, инженерно-технических задач, задач моделирования и особенно удобен для описания векторно-матричных задач. На основе языка реализован целый ряд интересных программных систем моделирования, САПР и машинной графики.

Разработка ПО как системного, так и прикладного требует использования целого ряда инструментальных средств, из которых остановимся на языках проектирования программ. Такие языки имеют много общего с обычными ЯВУ, но больше ориентированы на структуру и содержание , чем на удобство использования программ, на них написанных. Эти языки часто используются в структурном программировании. В настоящее время разработан целый ряд ЯВУ, ориентированных на решение перечисленных задач проектирования и разработки ПО различного назначения. Язык Clear, разработанный в 1977 г., предназначен для описания формальных спецификаций ПО, имеет формальные средства иерархического представления сложных спецификаций как сочетаний более простых. В основу языка положены принципы , используемые в алгебре и теории категорий.

Язык Edison предназначен для разработки надежного ПО мультипроцессорных ВС режима реального времени; он относится к языкам блочной структуры и включает средства модульного программирования и параллельной обработки. Язык MOHLL является машинно-ориентированным со структурами управляющей логики типичного ЯВУ, типы и структуры данных которого накладываются на архитектуру конкретной ЭВМ. Язык допускает использование разнообразных объектов типа: бит, байт, слово и т.д. Подобные языки являются в определенной мере альтернативными ассемблерным языкам при решении задач системного программирования на уровне интерфейс - аппаратная среда ЭВМ. К данному типу можно отнести также языки Babbage и PL/360. Наконец, язык BCPL (на основе которого был разработан известный язык С), предназначен для системного программирования и содержит управляющие структуры для обеспечения структурного программирования.

Четырехуровневая иерархия языков программирования

Лингвистическое обеспечение систем автоматического проектирования (САПР) включает в себя совокупность естественных языков проектировщиков с их проблемной ориентацией, алгоритмических языков программирования и машиннозависимых языков кодирования управления работой (систему команд) технических средств САПР. Выполняя один из основных принципов создания инструментов САПР - многоязычность, определяющий доступность этих инструментов проектировщикам всех разрядов, специалистам только в своей предметной области, - разработчик САПР строит входной язык инструментов САПР как проблемноориентированный язык (ПОЯ). Этот ПОЯ основан на естественном языке проектировщиков. С другой стороны, все процессы в ЭВМ протекают как взаимодействие кодов, построенных из множеств «1» и «0», соответствующих состоянию элементов ЭВМ, которые находятся в одном из двух физических состояний (1 или 0). Дело, таким образом, состоит в том, чтобы по командам, сформулированным на естественном языке проектировщика, эти «0» и «1» «двигались» так, чтобы в результа-

31

те их движения двигалось решение поставленной проектировщиком задачи.

В табл. 1 приведена языковая иерархия, которая позволяет последовательно переходить от естественных языков проектировщиков (0-й уровень) до машинных языков, на которых функционируют устройства ЭВМ (3-й и 4-й уровни). Такой подход возможен только при наличии трансляторов - программ, реализованных на ЭВМ и предназначенных для перевода описаний с одного формального языка на другой. Первый из этих языков называется входным, второй - выходным. Характерными функциями трансляторов являются лексический разбор текста на входном языке, синтаксический анализ предложений и преобразование их в форму, удобную для хранения и дальнейшего использования в вычислительном процессе. В частности, синтаксически управляемый транслятор (СУТ) позволяет на основе формального описания синтаксиса входного языка осуществлять анализ предложений этого языка, а также других входных языков, принадлежащих одному классу по грамматике. В соответствии с табл. 1 требуется, по крайней мере, четыре транслятора для всей иерархии языков.

Таблица 1. Языковая иерархия.

32