Programmiersprachen und Übersetzer

Transkript

1 Programmiersprachen und Übersetzer Sommersemester April 2011

2 Sprachen als Kommunikationsmittel Natürliche Sprachen dienen zur mündlichen und schriftlichen Kommunikation zwischen Menschen Künstliche Sprachen (hier Programmiersprachen) dienen zur (einseitigen) Kommunikation mit dem Rechner, aber auch zur Kommunikation mit anderen Programmierern.

3 Programmiersprachen Programmiersprachen bilden eine formale Notation zur Beschreibung von Algorithmen in einer Form, die für Rechner und Menschen lesbar ist. Programmiersprachen haben einen großen Einfluss auf die Art der Problemlösung und den Algorithmus-Entwurf. Problem: Rechner verstehen nur die zugehörende Maschinensprache.

4 Möglichkeiten der Verarbeitung von in höheren Programmiersprachen geschriebenen Programmen 1. Übersetzung in Maschinensprache Programm in einer Programmiersprache P Compiler für P äquivalentes Maschinenprogramm

5 Möglichkeiten der Verarbeitung von in höheren Programmiersprachen geschriebenen Programmen 2. Simulation eines Rechners mit Maschinensprache P Daten Programm in einer Programmiersprache P Interpreter für P Ergebnisse

6 Historische Entwicklung der Programmiersprachen Erste niedergeschriebene Algorithmen bei den Babyloniern in Mesopotamien (Hammurabi Dynastie, ca v. Chr.) Algorithmen in Keilschrift auf Tontafeln. keine Variablen und keine algebraischen Gleichungen, sondern Beispielrechnungen Zahlendarstellung im 60er System ohne Punkt Multiplikations- und Divisiontafeln

7 Beispiel einer babylonischen Multiplikationstafel

8 Beispiel Babylonischer Algorithmus zur Berechnung von Länge und Breite einer rechteckigen Zisterne aus deren Höhe und Volumen Eine (rechteckige) Zisterne. Die Höhe ist 3;20, und ein Volumen von 27;46;40 wurde ausgegraben. Die Länge übersteigt die Breite um 50. (Länge l und Breite b sollen gesucht werden.) Nimm das Reziproke der Höhe 3;20, das ist 18. Multipliziere dies mit dem Volumen 27;46;40; das ist 8;20. (Bem.: Das ist das Produkt Länge mal Breite; das Problem ist auf l b = 8;20 und l-b = 50 reduziert worden.) Halbiere 50 und quadriere dann; das ist 10;25. Addiere 8;20 und man erhält 8;30;25. (Bem.: 50 = 5/6 und 8;20 = 8 1/3 bei einer realistisch angenommenen Zisterne!)

9 Die Quadratwurzel ist 2;55. Mache davon zwei Kopien, addiere 25 zu der einen und subtrahiere von der anderen. Man findet, dass 3;20 (d.h. 3 1/3) die Länge und 2;30 (d.h. 2 1/2) die Breite ist. Das ist die Prozedur.

10 Weitere Entwicklung der Algorithmenbeschreibung Algorithmus zur Berechnung des größten gemeinsamen Teilers zweier Zahlen (Euklid, ca. 300 v. Chr.) Entwicklung der Difference Engine und der Analytical Engine durch Charles Babbage ( ) Entwurf von Programmen für die Analytical Engine durch Ada Augusta, Countess of Lovelace

11 Technische Daten einiger früher Rechner Z3 (Zuse) erster programmgesteuerter Rechner (1941) 2600 Relais, davon 1400 für den Speicher (64 Worte zu 22 Bits), 600 für die arithmetische Einheit und der Rest für die Steuerlogik. Das Programm wurde in Form eines perforierten Kinofilmes eingegeben. Es wurden 3-4 Additionen pro Sekunde durchgeführt; eine Multiplikation dauerte 4 5 Sekunden. Die Maschine hatte eine Taktfrequenz von etwa 5 bis 6 Hz.

12 UNIVAC 1 (Eckert, Mauchly) ( ) 5600 Röhren, wassergekühlt, 100 Quecksilber-Verzögerungsleitungen als Speicher, Dezimal-Rechner, 1000 Worte mit jeweils 12 alphanumerischen Zeichen (z. B. Vorzeichen und 11 Digitalstellen), 4 Akkumulatoren für arithmetische und logische Operationen, Addition 0,5 msec, Multiplikation 2 msec, Division 4 msec.

13 Manchester Mark I (Williams, Kilburn) ( ) 3800 Röhren, binärer Rechner, serielle Arbeitsweise, erstmalig ein Indexregister, 256 (schnelle) Speicherplätze (mit Williamsröhren realisiert), (langsame) Speicherplätze auf einer Magnettrommel. Taktfrequenz 100 khz,

14 Der TPK-Algorithmus (nach Trabb Pardo und Knuth) program TPK var i: integer; y: real; a: array [0..10] of real; function f (t: real) : real; begin f := sqrt(abs(t)) + 5*t*t*t end; begin for i:= 0 to 10 read (a[i]); for i:= 10 downto 0 do begin y := f(a[i]); if y > 400 then begin write(i); writeln( TOO LARGE ) end else write(i, y) end end;

15 TPK-Algorithmus 1.2 Historische Entwicklung der Programmiersprachen in Plankalkül (Zuse) 7 A2 = (A9,A 1) P1 R(V) = R V 0 0 A 1 1 Der TPK-Algorithmus in Plankalkül V + 5 V 3 = R V A P2 R(V) = R V 0 0 A W2(11) R1(V) = Z V K i A 1 1 Z > 400 (i,+ ) = R (10-i) V 0 0 K A Z > 400 (i, Z) = R (10-i) V K A Zeile 1 erklärt den Datentyp A2, der ein Paar aus einer Integer-(A9) und einer Gleitpunktzahl

16 8 1 EINLE TPK-Algorithmus in Short Code (UNIVAC) Für den UNIVAC (Universal Automatic Computer) entwickelte W. F. Schmitt nach I J. W. Mauchly in den Jahren einen algebraischen Interpreter, Short Code gen eine verschlüsselte Eingabe las und interpretativ abarbeitete. Jede Formel wurde per Maschinenworte übersetzt, und diese wurden dann vom Short Code Interpreter abge Zunächst werden den Variablen und Konstanten Speicherplätze zugewiesen: TPK-Algorithmus in Short Code Speicherbelegung: i = W0, t = T0, y = Y0. Die elf Eingaben kommen nacheinander in die Speicherzellen U0,T9,...,T0. Konstanten: Z0 = Z1 = (1.0 floating decimal form) Z2 = (10.0) Z3 = (400.0) Z4 = TOO LARGE Z5 = (5.0) Labels: 0 = Zeile 1, 1 = Zeile 6, 2 = Zeile 7 Short Code: Maschinenworte mit Codierung i = W0 03 Z2 0: y = ( abs t) +5 cube t T Z5 11 T0 00 Y

17 Labels: 0 = Zeile 1, 1 = Zeile 6, 2 = Zeile 7 Short Code: Maschinenworte mit Codierung i = W0 03 Z2 0: y = ( abs t) +5 cube t T Z5 11 T0 00 Y y 400 if to Y0 Z3 41 i print, TOO LARGE print-ret Z4 59 W if = to Z0 Z0 72 1: i print, y print-return Y0 59 W0 58 2: T0 U0 shift T0 U0 99 i = i-1 00 W0 03 W0 01 Z1 0 i if to Z0 W0 40 stop ZZ 08 Code-Operator-Zuordnung: abs value 1n (n+2)te Potenz 59 print und return 02 ) n (n+2)te Wurzel 7n if = to n 03 = 08 pause 4n if to n 99 zykl. Shift des Speichers 04 / 09 ( 58 print und tab 00 no operation

18 AUTOCODE wurde 1952 von A. E. Glennie für den Manchester MARK I Rechner entworfen und war die erste Programmiersprache, die wirklich in die Maschinensprache des Rechners, die in diesem Fall besonders abstrus war, übersetzt wurde. TPK-Algorithmus in Autocode (MARK I) TPK-Algorithmus in AUTOCODE c@va t@ic x@ 1 /2C y@rc z@nc INTEGERS +5 c t + t TESTA Z -t ENTRY Z SUBROUTINE 6 z + tt y x + tx y x + z + cx CLOSE WRITE 1 a@/ 1 /2 b@ma c@ga d@oa e@pa f@ha i@ve x@me INTEGERS +20 b +10 c +400 d +999 e +1 f LOOP 10n n x + b - x x x q SUBROUTINE 5 aq REPEAT n + c i LOOP 10n + an SUBROUTINE 1 y + d - y TESTA Z + i SUBROUTINE 3 + e SUBROUTINE 4 CONTROL X ENTRY Z + i SUBROUTINE 3 + y SUBROUTINE 4 ENTRY X + i - f i REPEAT n ENTRY A CONTROL A WRITE 2 START 2

19 TPK-Algorithmus in FORTRAN 1 C THE TPK-ALGORITHM IN FORTRAN I FUNF(T) = SQRTF(ABSF(T))+5.0*T**3 DIMENSION A(11) 1 FORMAT (6F12.4) READ 1,A DO 10 J = 1,11 I = 11-J Y = FUNF(A(I+1)) IF ( Y) 4,8,8 4 PRINT 5,I 5 FORMAT (I10, 10H TOO LARGE) GO TO 10 8 PRINT 9,I,Y 9 FORMAT (I10,F12.7) 10 CONTINUE STOP

20 TPK-Algorithmus in ALGOL 60 begin integer i; real y; real array a[0:10]; real procedure f(t); real t; value t; f := sqrt(abs(t))+5*t 3; for i := 0 step 1 until 10 do read (a[i]); for i := 10 step -1 until 0 do begin y := f(a[i]); if y > 400 then write (i, too large ) else write (i,y) end end

21 TPK-Algorithmus in ML exception TooLarge; fun tpk1(x) = if f(x) > then raise TooLarge else f(x); fun tpk2(x) = tpk1(x) handle TooLarge => (print("too large\n"); 0.0); fun tpk(x) = map tpk2 (x);

22 Weitere wichtige Programmiersprachen PL/I (1965, IBM) ALGOL 68 (1968, Komitee) SNOBOL (1964, Färber, Griswold, Polonsky) BASIC (1963, Kurz, Kemeny) Simula 67 (1967, Dahl, Nygaard) Smalltalk (1972, Kay, Goldberg) Pascal (1971, Wirth) Prolog (1972, Colmerauer) Ada (1979, Komitee) C (1972, Ritchie) und C++ (1986, Stroustrup) Java (1995, Gosling) und viele weitere, etwa Ruby, Python, Perl, Scala,...