Редактор – это инструментальное средство для создания и

изменения исходных символьных файлов,

написанных на языке программирования.

Компилятор – транслирует символы из исходного файла в

объектный модуль, который содержит команды в

машинном коде для конкретного компьютера.

Библиотекарь – поддерживает совокупности объектных

файлов, называемые библиотеками.

Компоновщик, или редактор связи – собирает объектные

файлы программы и разрешает внешние ссылки

между компонентами программы, формируя

исполняемый файл.

Загрузчик – копирует исполняемый файл с диска в память и

инициализирует компьютер перед выполнением

программы.

Отладчик – инструментальное средство, которое

представляет возможность программисту

управлять выполнением программы по

диагностике ошибок.

Профилировщик – измеряет время, затрачиваемое на каждый

компонент программы.

Средства тестирования автоматизируют процесс

тестирования программ и анализируют результаты

тестирования.

Средства конфигурирования автоматизируют создание

программ и отслеживают изменения в них до

уровня исходных файлов.

Интерпретатор непосредственно выполняет исходный код

программы, без создания объектного файла.

2.2 Транслятор

Процесс преобразования исходного модуля в загрузочный и выполнение его на ЭВМ можно представить в виде схемы:

ИМ (исходный модуль) – исходный текст программы, написанный на конкретном языке программирования (ЯП).

Транслятор – программа, предназначенная для перевода исходного модуля (ИМ) в загрузочный (ЗМ).

ОМ (объектный модуль) – программа в машинных кодах, подготовленная для обработки блоком 4.

Компоновщик (редактор связи) – специальная программа, устанавливающая все внешние ссылки на другие модули и создающая ЗМ. Если ОМ содержит неразрешимые ссылки, то процесс образования ЗМ прекращается.

ЗМ (загрузочный модуль) – программа в машинных кодах, определяющая последовательность выполнения команд на ЭВМ, готовая к выполнению.

Загрузчик устанавливает абсолютные адреса в оперативной памяти (ОП) ЭВМ.

Загрузочный модуль (ЗМ) будет выполняться только после прохождения программ пользователя всех шести этапов (блоков) процесса трансляцию

Трансляторы бывают двух типов: компиляторы (англ.:compiler) и интеграторы.

2.3. Компиляторы

Структура компилятора показана на рис.

Во входной части компилятора анализируется синтаксис и семантика программы согласно правилам языка. Синтаксический анализатор преобразует последовательности символов в абстрактные синтаксические объекты, называемые лексемами. Например, символ '' = '' в языке С преобразуется в оператор присваивания. Если за ним следует еще символ '' = '', т.е. '' = = '', то оба символа '' = = '' преобразуются в операцию проверки равенства. Анализатор семантики придает смысл этим абстрактным объектам. Например, в фрагменте программы семантический анализатор выделит глобальный адрес для первого i и вычислит смещение для второго i:

static int i

void proc ( int i ) {…}

Завершается работа входной части компилятора формированием промежуточного представления программы. По нему можно восстановить исходный текст программы, за исключением имен идентификаторов и физического формата строк: пробелов, комментариев и т. д.

Входная часть компилятора принимает промежуточное представление программы и генерирует машинный код для конкретного компьютера. Таким образом, входная часть является языковозависимой, а выходная – машинозависимой.

Для улучшения эффективности кода выходная часть компилятора содержит два оптимизатора. Первый предназначен для оптимизации промежуточного представления программы до формирования, второй при генерации объектного кода. Рассмотрим три способа оптимизации:

1.Машинозависимую оптимизацию промежуточного представления продемонстрируем на примере оптимизации выражения:

a= b (x+y)+c (x+y)

Сумма (x+y) вычисляется один раз и сохраняется во временной переменной или регистре. Подобная оптимизация не зависит от конкретного компьютера и может быть выполнена до генерации кода.

2.Машинно-ориентированная компиляция основана на специфике архитектуры компьютера. Например, для хранения промежуточных результатов в регистрах, а не в памяти, следует знать их число и тип, которые различны в различных компьютерах, точнее, процессорах.

3.Локальная оптимизация обычно выполняется как до, так и при генерации объектного кода. Ее основная функция – это замена коротких последовательностей команд на одну. Например в С выражение n++ может быть скомпилировано в последовательность команд:

load R1,n - Загрузить содержимое n в R1

add R1,# 1 - Прибавить к содержимому R1, 1 (ед.)

store R1,n - Сохранить содержимое R1 в n

Локальный оптимизатор мог бы заменить эти три команды одной: inter n.

Использование оптимизатора требует осторожности.

Ошибку оптимизатора трудно обнаружить, потому что отладчик создан для работы с исходным текстом, а не с оптимизированным объектным кодом, в котором изменен порядок выполнения команд. Для избежания ошибки необходимо проводить тестирование программы до и после работы оптимизатора. Например, в фрагменте программы для устройства ввода-вывода с регистрами, отображенными на память,

transmit_ register = 0x70

/* Ждать 1 секунду */

transmit_ register = 0x70

оптимизатор может удалить второе присваивание, предположив, что оно лишнее.

Так как конечным результатом работы компилятора является объектный модуль, то целесообразно, чтобы он был составлен в кодах конкретной машины. Однако такой подход имеет существенный недостаток – объектный модуль становится машинно-зависимым, и для каждого типа ЭВМ требуется свой компилятор. Чтобы не выполнять большую рутинную работу по преобразованию старого компилятора, было принято решение о разделении процесса компиляции на две части: команды для абстрактной (виртуальной) и конкретной ЭВМ. В этом случае схема компиляции выглядит так:

Рис. Схема двухуровневой компиляции

На первом уровне (блок 2) ИМ обрабатывается компилятором, транслирующим исходный текст на ЯВУ в объектный модуль в кодах некоторой виртуальной (абстрактной ) ЗВМ, учитывающей архитектуру конкретных классов процессоров (блок 3 ).

На втором этапе (блок 4 ) производится перевод ОМ в командах абстрактной ЭВМ (блок 3) в ОМ для конкретной ЭВМ (блок 5). Команды абстрактной машины (блок 3) машино - независимые и могут быть использованы на ЭВМ различных типов. Как правило, выходной ОМ (блок 5) формируется простым компилятором на языке ассемблера (англ. assembler – собирать) конкретной ЭВМ.

2.4. Библиотекарь

Библиотека – это структурированная совокупность типов и подпрограмм, не содержащая новых языковых конструкций.

Многие конструкции языка программирования реализуются не с помощью откомпилированного кода, выполняемого внутри программы, а через обращения к процедурам, которые хранятся в библиотеке, предусмотренной поставщиком компилятора. Из-за увеличения объема языков программирования библиотеки становятся их неотъемлемой частью.

Пр. Использование библиотеки ввода-вывода, которая в С++

находится в файле iostream.h или iostream.

# include < iostream.h>

include – директива препроцессора, которая выполняется в

первую очередь.

2.5. Компоновщик

При написании больших программных систем в несколько тысяч строк используется модульный подход. Вся программа разбивается на модули, связь между которыми осуществляется через обращения к заранее оговоренным процедурам. Если обращение делается к процедуре, находящейся вне текущего модуля, то компилятор вместо адреса этой процедуры записывает внешнюю ссылку. Когда все модули откомпилированы, компоновщик разрешает эти ссылки, разыскивая описания процедур и нелокальных переменных.

В современной практике модульное программирование используется для декомпиляции программы. Применение такого подхода имеет как и медаль две стороны. Положительный эффект (лицевая сторона) – быстрая и короткая компиляция. Обратная сторона медали – связь компоновщиком сотни модулей с тысячами ссылок. В этом случае даже незначительное изменение одного исходного модуля потребует продолжительной компоновки.

2.6. Загрузчик

Загрузчик загружает программу в память и инициализирует ее выполнение. На старых ПК загрузчик помимо этих функций занимался еще и перемещением программ. Такая команда, как load 140, содержала абсолютный адрес памяти, который приходилось настраивать на конкретные адреса загружаемой программы.

В современных ПК адреса команд и данных задаются относительно значений в регистрах. Для каждой области памяти программы или данных выделяется регистр, указывающий на начало этой области. Загрузчик копирует программу в память и инициализирует несколько регистров. Теперь команда load 140 означает “загрузить значение, находящееся по адресу, полученному сложение регистра и 140”.

2.7. Отладчик

Отладчик – предназначен для поиска ошибок в программе с помощью трех функций:

- Трассировка – пошаговое выполнение программы. Позволяет отслеживать команды в порядке их выполнения.

- Контрольная точка – средство, предназначенное для выполнения программы до конкретной строки. Разновидность контрольной точки – точка наблюдения вызывает выполнение программы, пока не произойдет обращение к определенной ячейке памяти.

- Проверка / изменение данных – возможность посмотреть и изменить значение любой переменной в любой точке вычисления.

Символьные отладчики работают с символами исходного кода (именами переменных и процедур), а не с абсолютными машинными адресами. Символьный отладчик взаимодействует с компилятором и компоновщиком для создания таблиц, связывающих символы и их адреса.

Некоторые проблемы трудно решить даже с помощью отладчика. Порой, помощь со стороны другого программиста может оказаться эффективней нескольких дней работы отладчика.

2.8. Профилировщик

Профилировщик периодически опрашивает указатель выполняемой команды компьютера и затем строит в процентах гистограмму времени выполнения каждой процедуры или команды.

Использовать профилировщик рекомендуется в (следующих ) ситуациях:

1. Существующая эффективность программы неприемлема.

2. Необходимо установить оптимальный вариант выполнения программы.

3. поиск время емких алгоритмов программы.

4. Анализ эффективности выполнения программы.

2.9. Средства тестирования

Средства тестирования выполняют функции:

1. Фиксируют ввод с внешнего источника (вроде нажатия пользователем клавиши на клавиатуре) во фрагменте программы.

2. Сравнивают выводимые результаты со спецификацией.

3. Выводят анализ сравнения.

2.10. Средства конфигурирования

Инструментальное средство конфигурирования относится к программному обеспечению и используется для автоматизации задач управления. В его состав входят такие инструменты, как сборка, управление исходными текстами и изменениями.

Сборка – создает исполняемый файл из исходных текстов, вызывая компилятор, компоновщик и т.д.; гарантирует, что новый исполняемый файл создан корректно с минимальным количеством перекомпиляций. Инструментальное средство управления исходными текстами отслеживает и регистрирует все изменения в модулях исходного текста.

Средство управления изменениями сохраняют первоначальные версии модулей до изменения и позволяют на их основе легко восстановить любую предыдущую версию.

2.11. Интерпретаторы

Интерпретатор – это программа, которая непосредственно выполняет код исходной программы.

Его преимущество перед компилятором состоит в том, что не нужно последовательно вызывать компилятор, компоновщик, загрузчик и т. д.

Интерпретаторы традиционно не пытаются что – либо оптимизировать.

Как правило, интерпретатор переводит исходный код программы в код некой абстрактной машины (см. рис.).

Рис. Структура интерпретатора

Если предположить, что машинный код компьютера совпадает с выработанным интерпретатором абстрактным кодом, то интерпретатор превратится в компилятор. Поэтому в действительности провести различие между интерпретатором и компилятором очень трудно установить.

История создания интерпретатора связана с разработкой Pascal – компилятора для получения машинного кода ЭВМ CDC 6400. Никлаус Вирт создал компилятор, который вырабатывал код, названный Р – кодом, для абстрактной стековой машины. Написав программы по преобразованию исходного модуля в Р – коды в машинные коды конкретной машины, им были получены соответственно интерпретатор и компилятор для языка Pascal.

Условная схема процесса выполнения программы в среде интерпретатора

Считается, что интерпретаторы легко писать, так как они не машинно-ориентированные.

3. Элементы лингвистического обеспечения.

Основными элементами лингвистического обеспечения, необходимого для построения языков программирования, являются синтаксис, семантика, данные, операторы присваивания, контроль соответствия типов, управляющие операторы, подпрограммы и модули. Лингвистика – наука о языке (Ожегов).

3.1. Синтаксис

Лексика – словарный состав (набор) языка, который используется при информационном общении.

Синтаксис языка – это набор или свод правил, которые определяют, какие последовательности символов считаются допустимыми выражениями в языке. Применительно к языку программирования – это свод законов о построении предложений из данного набора слов.

Синтаксис задается с помощью формальной нотации. Самая распространенная формальная нотация – это расширенная форма Бекуса-Наура (РФБН). Синтаксис в РФБН начинается с верхнего уровня и, после применения декомпозиции объекта, достигает уровня отдельного символа. Например, в языке С синтаксис условного оператора if задается правилом:

if (выражение) оператор [else оператор];

Имена “выражение и оператор ” представляют синтаксические категории. Символы : if, else : , -фактические символы, которые должны появиться при использовании оператора if. else – оператор, указанный в квадратных скобках [ ], не является обязательным.

Правила синтаксиса легче изучить на диаграмме:

Рис. Синтаксическая диаграмма

В кругах находятся фактические символы, а в прямоугольниках – синтаксические категории, которые имеют собственные диаграммы. Последовательность символов, получаемых при последовательном прохождении пути на диаграммах, является программой.

3.2. Семантика

Семантика – это смысл высказывания, а также смысл, значение языковой единицы или слова.

В любой точке выполнения программы можно описать ее состояние, определяемое: 1) указателем на следующую выполняемую команду и 2) содержимым памяти программы. Семантика программы задается описанием изменения состояния, вызванного выполнением команды. Например, выполнение:

a :=18

заменит предыдущее состояние а на новое 18, т.е. ячейка памяти а будет содержать теперь 18.

Рассмотрим семантику управляющего оператора if. Предположим, что известны смыслы двух операторов S1 и S1 в состоянии S. Обозначим это через формулы p (S 1, S) и p (S2, S). Тогда смысл if - оператора :