Введение
Прогресс компьютерных технологий определил процесс появления новых разнообразных знаковых систем для записи алгоритмов – языков программирования. Смысл появления такого языка – оснащенный набор вычислительных формул дополнительной информации, превращает данный набор в алгоритм.
Язык программирования служит двум связанным между собой целям: он дает программисту аппарат для задания действий, которые должны быть выполнены, и формирует концепции, которыми пользуется программист, размышляя о том, что делать. Первой цели идеально отвечает язык, который настолько "близок к машине", что всеми основными машинными аспектами можно легко и просто оперировать достаточно очевидным для программиста образом. Второй цели идеально отвечает язык, который настолько "близок к решаемой задаче", чтобы концепции ее решения можно было выражать прямо и коротко.
Связь между языком, на котором мы думаем/программируем, и задачами и решениями, которые мы можем представлять в своем воображении, очень близка. По этой причине ограничивать свойства языка только целями исключения ошибок программиста в лучшем случае опасно. Как и в случае с естественными языками, есть огромная польза быть, по крайней мере, двуязычным. Язык предоставляет программисту набор концептуальных инструментов, если они не отвечают задаче, то их просто игнорируют. Например, серьезные ограничения концепции указателя заставляют программиста применять вектора и целую арифметику, чтобы реализовать структуры, указатели и т.п. Хорошее проектирование и отсутствие ошибок не может гарантироваться чисто за счет языковых средств.
Может показаться удивительным, но конкретный компьютер способен работать с программами, написанными на его родном машинном языке. Существует почти столько же разных машинных языков, сколько и компьютеров, но все они суть разновидности одной идей простые операции производятся со скоростью молнии на двоичных числах.
Персональные компьютеры IBM используют машинный язык микропроцессоров семейства 8086, т.к. их аппаратная часть основывается именно на данных микропроцессорах.
Можно писать программы непосредственно на машинном языке, хотя это и сложно. На заре компьютеризации(в начале 1950-х г.г.), машинный язык был единственным языком, большего человек к тому времени не придумал. Для спасения программистов от сурового машинного языка программирования, были созданы языки высокого уровня (т.е. немашинные языки), которые стали своеобразным связующим мостом между человеком и машинным языком компьютера. Языки высокого уровня работают через трансляционные программы, которые вводят "исходный код" (гибрид английских слов и математических выражений, который считывает машина), и в конечном итоге заставляет компьютер выполнять соответствующие команды, которые даются на машинном языке. Существует два основных вида трансляторов: интерпретаторы, которые сканируют и проверяют исходный код в один шаг, и компиляторы, которые сканируют исходный код для производства текста программы на машинном языке, которая затем выполняется отдельно.
1) Языки программирования для микроконтроллеров
Программирование для микроконтроллеров, как и программирование для универсальных компьютеров прошло большой путь развития от программирования в машинных кодах до применения современных интегрированных систем написания программ, отладки и программирования микроконтроллеров. В настоящее время исходный текст программы пишется на одном из языков программирования.
Сами языки программирования в свою очередь делятся на две группы:
1. языки программирования "высокого" уровня
2. языки программирования "низкого" уровня.
К языкам программирования "низкого" уровня относятся языки программирования в которых каждому оператору соответствует не более одной машинной команды. Набор машинных команд каждого конкретного процессора обязательно входит в состав такого языка программирования. Языки программирования низкого уровня в настоящее время называются ассемблерами (старое название автокоды). Для каждого процессора существует своя группа ассемблеров. Ассемблеры для одного и того же процессора различаются между собой дополнительными возможностями, облегчающими программирование.Языки программирования "высокого" уровня позволяют заменять один оператор несколькими машинными командами. Это позволяет увеличивать производительность труда программистов. Кроме того, языки "высокого" уровня позволяют писать программы, которые могут выполняться на различных микропроцессорах. (Естественно, что при этом необходимо использовать программы - трансляторы для соответствующего процессора.) В настоящее время наиболее распространены такие языки программирования высокого уровня как С и PLMО преимуществах и недостатках языков высокого и низкого уровней говорилось достаточно много. Выбор языка программирования зависит от состава аппаратуры, для которой пишется программа, а также от требующегося быстродействия всего программно - аппаратного комплекса в целом.В тех случаях, когда объём ОЗУ и ПЗУ мал (в районе нескольких килобайт) альтернативы ассемблеру нет. Именно эти языки программирования позволяют получать самый короткий и самый быстродействующий код программы (при прочих равных условиях, т.к. испортить можно всё!).Языки программирования высокого уровня позволяют значительно сократить время создания программы, но при этом увеличивается размер программы, поэтому для выбора такого языка программирования для микропроцессорных систем необходимо иметь достаточно большой объём памяти программ (несколько десятков килобайт). Увеличение объёма программы связано с несколькими факторами:
1. Язык программирования рассчитывается на все случаи жизни, поэтому в большинстве случаев человек мог бы написать программу короче (исключив не нужные в данном конкретном случае проверки или защиты).
2. Программист не видит к чему приводит использование тех или других операторов языка программирования, поэтому может выбирать операторы, не оптимальные как с точки зрения длины машинного кода программы, так и с точки зрения быстродействия программы.
3. Программист не использует подпрограммы там, где они могли бы сократить объём программы, так как на языке программирования высокого уровня это всего один или несколько операторов.
Первый из этих пунктов постепенно утрачивает своё значение с появлением всё более совершенных трансляторов. Третий пункт тоже решается тем же путём при применении различных видов оптимизаторов, входящих в состав компилятора. Однако в большинстве случаев оптимизатор не может определить одинаковые действия, если они отличаются хотя бы одной командой. Кроме того, оптимизатор работает только в пределах одного модуля!
Виды программ – трансляторов
Процесс преобразования операторов исходного языка программирования в машинные коды микропроцессора называется трансляцией исходного текста. В настоящее время ручная трансляция программ практически не используется. Трансляция производится специальными программами-трансляторами. Их классификация приведена на рисунке 1.
Рисунок 1. Классификация программ-трансляторов языков программирования.
Существует два больших класса программ-трансляторов: компиляторы и интерпретаторы. При использовании компиляторов весь исходный текст программы преобразуется в машинные коды, и именно эти коды записываются в память микропроцессора. При использовании интерпретатора в память микропроцессора записывается исходный текст программы, а трансляция производится при считывании из памяти программ очередного оператора. Естественно, что быстродействие интерпретаторов намного ниже по сравнению с компиляторами, т.к. при использовании оператора в цикле он транслируется многократно.Применение интерпретатора может обеспечить выигрыш только в случае его разработки для языка программирования “высокого” уровня. В этом случае может быть сэкономлена внутренняя память программ, а также облегчен процесс отладки программ (при применении языка программирования BASIC) или облегчен перенос программ с одного типа процессора на другой (при применении языка программирования JAVA).При программировании на языке программирования ASSEMBLER применение интерпретатора приводит к проигрышу по всем параметрам, поэтому для языков программирования низкого уровня применяются только программы–компиляторы.Для программирования микроконтроллеров как на языке программирования “низкого” уровня, так и на языке программирования “высокого” уровня используются только компиляторы, поэтому рассмотрим подробнее виды этих трансляторов.
Виды компиляторов
Программы-компиляторы бывают оценочные и профессиональные.
Оценочные или учебные компиляторы позволяют написать простейшие программы для конкретного процессора и определить подходит ли процессор для тех задач, которые предстоит решать в процессе разработки устройства. Конечно, если программа очень проста, то можно весь программный продукт написать на оценочном компиляторе. Оценочные компиляторы позволяют транслировать одиночный файл исходного текста программы. Иногда такие компиляторы позволяют включать в процесс трансляции содержимое отдельных файлов специальной директивой. В результате работы оценочного компилятора сразу получается исполняемый или загрузочный модуль программы, поэтому такие компиляторы называются компиляторы с единой трансляцией.
Профессиональные трансляторы позволяют производить трансляцию исходного текста программы по частям. Это позволяет значительно сократить время трансляции исходного текста программы, так как не нужно транслировать весь текст программы, а можно транслировать только ту часть программы, которая менялась после предыдущей трансляции.
Кроме того, каждый программный модуль может писать отдельный программист. Это позволяет сократить время написания программы. Даже в том случае, если программу пишет один человек, время написания программы сокращается за счёт использования готовых отлаженных и оттранслированных программных модулей. В таких компиляторах процесс трансляции программы разбивается на два этапа: трансляция программного модуля и связывание программных модулей в единую программу. Поэтому такие компиляторы называются компиляторами с раздельной трансляцией.
Оценочные компиляторы обычно предлагаются бесплатно фирмами - производителями микроконтроллеров. Только фирма Intel предложила в своё время профессиональный пакет разработки программ - язык программирования PLM-51 в состав которого входит профессиональный язык программирования ASM-51.
Профессиональные компиляторы разрабатываются и продаются отдельными фирмами. Для микроконтроллеров семейства MCS-51 получили известность продукты таких фирм как FRANCLIN, IAR, KEIL.
В состав современных средств написания и отладки программ для микроконтроллеров обычно входят эмуляторы процессоров или отладочные платы, текстовый редактор, компиляторы языка высокого уровня (чаще всего "C") и ассемблера, редактор связей и загрузчик программы в отладочную плату. Все программы обычно объединены интегрированной средой разработки программного проекта, позволяющую поддерживать один или несколько программных проектов.
Писать компилятор приходится чаще, чем обычно думают. Практически всякая большая система включает в себя входной язык - от примитивного до весьма сложного. Вспомним хотя бы dBASE - это ведь не язык программирования, а система баз данных. На нее даже программы пишутся. А раз нужен входной язык, то бывает нужен и компилятор. И часто нужен быстро. Конечно, всякий предпочтет компактный, быстрый, хорошо оптимизирующий компилятор, но далеко не всякому понравится такой компилятор писать.
Чтобы писать сложные, эффективные и быстрые компиляторы, есть много рецептов. Но здесь речь пойдет не о них. Как написать компилятор просто - вот в чем вопрос! Ведь такой компилятор и короче, и отлаживается легче. Здесь не будет каких-то хитрых алгоритмов, позволяющих достигать чудес эффективности или каких- то особенных способов организации данных. Увы, с этими способами одна проблема: заставить их работать может только чудо. А в этой статье - только практические рекомендации, а работают они надежно!
Модельный компиляторЛучший способ понять, как писать компилятор - написать его самому. Лучший способ объяснить это - предъявить текст программы. Вот мы и предлагаем статью-программу. Впрочем, ее можно читать и не заглядывая в листинг, но при этом вы много потеряете. Компилятор написан на Паскале, выходной язык - Паскаль, входной язык прост до идиотизма. Читатели, владеющие с языком Паскаль, узнают и во входном языке знаковые конструкции. Наш модельный компилятор состоит из четырех частей: сканер, блок таблиц имен, основная часть компилятора и семантические подпрограммы. В том или ином виде эти части можно встретить в любом компиляторе. Сканер - это глаза компилятора, который обращается к тексту программы только через него. Сканер читает входной файл и избавляет остальные части копилятора от необходимости следить за каждым входным символом. В таблице имен хранится информация о переменных программы. Обращение к ней осуществляется в основном через процедуры блок таблицы имен.
Сканер
Среди всех конструкций, воспринимаемых компилятором, есть минимальные, и которые уже не исеет смысла делить на части. Например: идентификатор, число, строка, ключевое слово. Они называются лексемами. Компилятору нет нужды разбираться в их структуре. Кстати, в описании старого, доброго Алгола-60 использовался термин иероглифы, то есть нечто такое, что можно обозначить значком. Но у компьютера всего-то 256 символов - и приходится писать, например, "procedure". А посему идея следующая: отдельная процедура считывает программу из файла, выделяет оттуда лексемы и передает их основной части компилятора. А той до текста программы уже нет никакого дела. Такаяподпрограмма называется сканером.
В языке SIMPLE существуют пять видов лексем (pис.2): ключевые слова, идентификаторы, числа, спецсимволы и нечто в квадратных скобках. По поводу первых четырех типов, кажется, все ясно - см. рисунок. А пятый, последний - это наша хитрость. Дело в том, что компиляция выражений - это вопрос особый, и ему будет посвящена следующая статья. Поэтому, пользуясь тем, что выходной язык у нас Паскаль, мы перекладываем эту задачу на плечи компилятора с Паскаля. А чтобы у нас не возникало проблем - информацию, которые мы просто переписываеми в выходной файл, не разбираясь в его внутренней структуре, заключаем в квадратные скобки.
Посмотрим на текст программы (Пример 1. Сканер). Основная процедура сканера - Scan. Вызывая ее, мы получаем очередную лексему. Мы можем даже считать ее аналогом процедуры ввода - со странного устройства, которое передает внутрь компьютера лексемы. Процедура Scan по первом символу лексемы определяет, что за лексема нас сейчас ждет, и вызывает "специализированную" процедуру, которая только этим типом лексем и занимается. Единственная загвоздка здесь - ключевые слова путаются с именами. Поэтому они считываются вместе, а уж потом одно отделяются от другого.
Обратим внимание на вспомогательные процедуры GetCh и UngetCh. Процедура GetCh заменяет сиволы перевода строки и табуляции на пробелы и пропускает лишние пробелы (так получается, что несколько пробелов подряд эквивалентны одному). Процедура UngetCh используется, если мы погорячились" и считали "лишний" символ. Тогда с помощью этой процедуры можно сказать: "Возьми обратно!" Процедура GetCh выдаст в следующий раз тот же символ.
Таблица имен
Когда человек пишет свою программу или разбирается в чужой, ему нужно держать в голове кое-какую информацию. Но машина железная, у нее головы нет. Поэтому необходима структура данных, которая про каждуюпеременную хранила бы определенную информацию. Эта структура называется таблицей имен. Без нее не обходится ни один компилятор. Таблица имен действительно похожа на таблицу. Она состоит из "строк" - ячеек таблицы имен, которые могут содержать инфорацию об одной простой переменной, например, переменной целого типа. (Обычно эти ячейки называют записями таблицы имен, но здесь сознательно используется другой термин, чтобы не было путаницы с языком SIMPLE). Посмотрим на рис.3. Там изображена структура нашей таблицей имен. Проще всего, когда переменная - целого типа. Для нее нужно хранить всего ничего - имя и тип (integer). В реальных, больших компиляторах, впрочем, есть еще кое-что - ее адрес, например. Но мы, слава Богу, компилируем в Паскаль!
С записями будет посложнее. Даже в голове у нас они хранятся не целиком, а как нечто, сложенное из кусочков. А к чему должно быть ближе то, что хранится в таблице имен? Наверное, к тому, что хранится в голове, а не на бумаге.
- Но в одну ячейку таблицы имен может поместиться информация максимум об одной переменной. Поэтому сейчас наша задача - "раскидать" по
ячейкам информацию о структуре записи. Это можно сделать разными способами. Здесь выбран следующий. На любую переменную - i,j,u и т.д. - заводим одну запись таблицы имен. Если эта переменная - запись, то в поле Fields пишется ссылка на описание структуры ее полей. - В данном случае ссылка - просто номер ячейки таблицы имен, содержащей заголовок этого описания.
- Описание структуры записи представляет собой заголовок и еще несколько - по одной на каждое поле - ячеек. Каждая из этих ячеек (в том числе и заголовок) содержит в поле Ref номер ячейки для следующего поля записи. Ячейка для последнего поля содержит в поле Ref ноль. Это означает "Дальше полей нет!". Если же поле записи снова запись, то соответствующая этому полю ячейка содержит в поле Fields ссылку на описание структуры полей.
- Первые MaxKey записей таблицы имен на самом деле не имена, а ключевые слова. Имена и ключевые слова вообще очень легко перепутать. Поэтому если имя будет найдено в таблице имен, но в записи с номером не большим, чем MaxKey, то это на самом деле не имя, а ключевое слово. Можно, конечно, завести для ключевых слов отдельный список, но так, как сделано здесь, проще.