Ассемблер
Поскольку большинство промышленных компьютеров обладало фон-неймановской архитектурой, их программы представляли собой не что иное, как последовательности машинных слов определенной структуры. А если так, то ничто не мешает разработать программу, которая будет выдавать такие последовательности в качестве своих выходных данных.
Разумеется, все выглядит так просто лишь на первый взгляд. Для того, чтобы сделать эту идею реальностью, потребовалось много лет упорнейшего труда математиков, лингвистов и инженеров, которые разработали теорию формальных языков и превратили разработку компиляторов из занятия, доступного
лишь избранным, в хорошо формализованный процесс, которому обучают в большинстве учебных заведений компьютерного профиля.
Самым первым и очевидным шагом на пути автоматизации программирования было освободить программистов от самой рутинной части их работы. Самыми рутинными операциями при программировании в кодах были:
• формирование кода команды;
• вычисление физических адресов ячеек с данными;
• вычисление смещений для команд условного и безусловного ветвлений.
Для первой проблемы было найдено следующее решение: для каждой машинной команды были подобраны краткие мнемоники, отражающие ее суть. Например, для команды пересылки данных – MOV, для команды сложения – ADD и т.п. Такие мнемоники намного легче запомнить, чем двоичные, восьмеричные или шестнадцатеричные коды команды; кроме того, их не в пример легче читать, а это тоже немаловажно при отладке программы или ее изменении.
Вторая и третья проблемы также были решены без особых усилий: вместо использования реальных адресов в тексте программы располагались символические метки, а программа, генерирующая машинный код, вычисляла фактическое расположение ячеек в оперативной памяти и поставляла его в код.
Программы, предназначенные для преобразования подобных мнемонических инструкций в исполняемый машинный код, стали называть ассемблерами, а языки, используемые для записи таких программ языками ассемблера, или, кратко, тоже ассемблерами.
Разумеется, появление ассемблеров явилось важным шагом на пути развития программирования. Во-первых, программы на ассемблере читать и понимать гораздо легче, чем разбираться с машинными кодами (однако не следует считать, что это легко – все познается в сравнении).
Во-вторых, вычисление смещений для ветвлений и относительной адресации – задача хоть и не сложная, но весьма громоздкая и подверженная
ошибкам. В-третьих, при добавлении дополнительных команд в середину программы не нужно заботиться о пересчете изменившихся адресов данных и команд, ассемблер их пересчитает при очередном запуске.
Однако применение ассемблера оставляет нерешенными ряд задач. Во-первых, программирование на языке ассемблера требует хорошего знания архитектуры машины, на которой программа будет выполняться. Это значительно сужает круг потенциальных разработчиков программного обеспечения. Например, для разработки программного обеспечения для решения экономических задач программист должен одинаково хорошо разбираться как в предметной области, так и в архитектуре компьютера; наладить совместную работу двух разных людей, каждый из которых является специалистом в одном из этих вопросов, значительно сложнее.
Во-вторых, как следствие, низкий уровень языка вынуждает программиста мыслить не категориями предметной области, а в терминах ячеек памяти, индексных и базовых регистров, указателя стека и т.п. В случае нетривиальной задачи довольно трудно мыслить одновременно на нескольких уровнях абстракции.
В-третьих, язык ассемблера вследствие жесткой привязки к архитектуре определенного компьютера делает программы непереносимыми: переход на другой тип компьютеров делает непригодными все ранее разработанные программы, поскольку новый компьютер имеет другие мнемоники и формат команд, другие методы адресации аргументов и т.п. Кроме того, переучивание программистов на новую систему команд также потребует определенного времени, что делает переход на другую архитектуру еще более трудным.
В качестве примера приведу небольшой отрывок ассемблерного кода, «Заметки о рекурсии-2. Механизмрекурсии»:
push esi
mov esi,dword ptr [esp+8]
pop eax
cmp esi,eax
jge Fact+10h
xor eax,eax
pop esi
Этот фрагмент предназначен для выполнения на процессоре архитектуры Intel 80x86 или совместимом.

FORTRAN 77
Несмотря на очевидный успех FORTRAN, по мере роста размера и сложности программ все очевиднее становилась его неуклюжесть благодаря примитивным управляющим структурам. Когда умами программистов овладели идеи структурного программирования и использование оператора GO TO стало признаком дурного тона, надолго застывший в своем развитии FORTRAN начал понемногу сдавать свои позиции. С другой стороны, огромные наработки в академической и промышленной среде нельзя было игнорировать. Поэтому спустя 11 лет старый добрый FORTRAN был основательно пересмотрен
и переработан с у четом современных (на то время) требований к языку программированию. Плодом этих усилий стал стандарт FORTRAN 77.
Прежде всего были учтены интересы давних сторонников языка: новый язык был в высокой степени совместим с предшественником, т.е. фактически любая корректная программа FORTRAN IV является корректной программой FORTRAN 77. Наряду с этим было добавлено немало новшеств, по большей части
в области управляющих структур.
Так, появилась долгожданная конструкция IF … THEN … ELSE … ENDIF. Улучшены были также циклы, например, появился цикл с предусловием (ранее цикл выполнялся минимум один раз, и зачастую приходилось добавлять условный оператор, чтобы обойти цикл при необходимости). Изменения коснулись и типов данных. Так, добавился символьный тип (ранее литеры хранились в целочисленных переменных, наобои средства работы с литерами были весьма рудиментарны). Помимо однородных массивов, появились структуры, подобные структурам C и записям Pascal.
На этом эволюция языка долгожителя не остановилась, и в 1990 г. увидел свет очередной стандарт, FORTRAN 90. Впрочем, он слишком опоздал со своим появлением, дав приличную фору по времени своим конкурентам, главным из которых явился, безусловно, C++. Несмотря на очевидные усовершенствования языка, FORTRAN 90 не получил такого ошеломляющего успеха, как его знаменитые предшественники, и удовольствовался весьма скромной нишей. Не прибавило ему популярности и появление следующего стандарта, FORTRAN 95. Новое поколение программистов ориентировано на C++, Java и C#, и старому доброму FORTRAN’у, увы, нечего им противопоставить.

Algol 60
Этот язык, пожалуй, самый загадочный из всех упомянутых в данной статье. Он воплотил в себе все передовое, что было наработано теоретиками и практиками к моменту своего появления (конец 50-х годов), однако был встречен промышленностью и военными довольно прохладно и так и не получил должного признания. Однако несмотря на это, роль Algol 60 (в дальнейшем – Algol) в истории языков программирования огромна, потому что идеи, заложенные в этом зыке, получили дальнейшее развитие и породили целую плеяду так называемых «алголоподобных» языков, среди которых я бы в первую очередь выделил Algol 68 и Pascal. Эти языки получили значительное большее распространение (а уж историю Pascal иначе, как триумфом,
и не назовешь). Кроме того, эти языки в процессе своего развития в свою очередь стали основой для еще более развитых и мощных языков. Впрочем, о них поговорим в свое время, а сейчас вернемся к Algol’у. Своеобразие роли Algol’а в информатике заключается еще и в том, что этот язык стал алгоритмическим, в отличие от подавляющего большинства других языков, являющихся языками программирования. Эти понятия зачастую путают, но на самом деле это далеко не синонимы. Алгоритм можно реализовать практически на любом языке программирования, будь то FORTRAN, FORTH или APL. Особенность Algol’а заключается в том, что этот язык обладал непревзойденными (на время своего появления, конечно) выразительными средствами для строгого и изящного представления алгоритма (свойства, которые Дейкстра ценил превыше всего). В результате, не получив признания в промышленности
как язык программирования, Algol стал стандартом де-факто для публикации алгоритмов в научной среде. Так, например, на страницах Communications of the ACM долгие годы ему отдавалось предпочтение перед другими языками.
Лично мне Algol среди прочих языков программирования представлялся всегда в роли латыни среди естественных языков. Латынь ныне – мертвый язык, используется на практике в ограниченной среде лишь медиками, биологами и т.п. Однако от нее произошли многие современные языки романской группы, и классическое образование лингвиста не будет полноценным без тщательного изучения латыни. Жаль, что педагоги от информатики нынче почему-то пренебрегают им. Algol разрабатывался комитетом, специально созданным для разработки языка высокого уровня общего назначения, пригодного для научных вычислений (хотя в промышленности в то время царила эйфория, навеянная успехом FORTRAN’ а, в академической среде находились люди, способные заглянуть дальше и видящие, в какой тупик со временем неизбежно заведет FORTRAN).
Интересно, что впервые в истории язык был определен формально. По иронии судьбы Algol, которому было предназначено противопоставить четкость и элегантность конструкций хаотичности и сумбурности FORTRAN’а, был описан посредством модификации Нормальной Формы Бэкуса (создателя
FORTRAN’а). Нормальная Форма Бэкуса была доработана одним из членов комитета, Питером Науром, и в дальнейшем стала известна как Расширенная Форма Бэкуса-Наура (РБНФ). РБНФ оказалась настолько удобной формой описания синтаксиса формальных языков, что в дальнейшем практически все языки программирования стали описываться в этой нотации (еще один, косвенный вклад Algol’а в развитие информатики).
В частности, Дейкстра писал: «Четвертый проект, о котором следует упомянуть, – это ALGOL 60. В то время как до сих пор программисты на FORTRAN’e продолжают осознавать свой язык в рамках конкретной реализации, с которой они работают – отсюда и избыток восьмеричных или шестнадцатеричных
дампов, – в то время как определение языка LISP остается причудливой смесью описаний, что означает язык и как работает его механизм, знаменитый «Отчет об алгоритмическом языке ALGOL 60» – это продукт усилий по продвижению абстракции на один жизненно важный шаг дальше и по определению языка программирования способом, независимым от реализации. Кое-кто может возразить, что в этом отношении его авторы столь преуспели, что им удалось посеять серьезные сомнения, может ли он вообще быть реализован! «Отчет» великолепно демонстрирует мощь формального метода BNF, теперь справедливо известного как Backus-Naur-Form (Формализм Бэкуса-Наура, или Форма Бэкуса-Наура – прим. перев), и силу тщательно сформулированного английского языка, по крайней мере в изложении тех, кто владеет им столь же блестяще, как Питер Наур. Я думаю, справедливо будет заметить, что очень немногие документы, столь же короткие, как этот, оказали такое глубокое влияние на компьютерное сообщество. Легкость, с которой в последующие годы слова «ALGOL» и «ALGOL-подобный» использовались как незащищенные торговые марки, чтобы придать часть своей славы незрелым проектам, порой имеющим весьма слабое отношение к предмету, – это порой обескураживающий комплимент его основам. Сила BNF как определяющего механизма в ответе за то, что я расцениваю как одну из слабостей языка: переработанный и не слишком систематический синтаксис мог бы теперь быть втиснут всего в несколько страниц. Располагая столь мощным инструментом, каким является BNF, «Отчет об алгоритмическом языке ALGOL 60» должен был бы быть значительно короче». (Цитата из статьи «Смиренный программист» (EWD340)).
Как и в большинстве других языков программирования, программа на Algol’е состоит из главной программы и набора подпрограмм. При их построении используются блоки – наборы описаний и последовательности операторов, ограниченные «скобками» begin и end. Структуры данных, созданные внутри блока, локальны в его пределах и при выходе из блока уничтожаются. Таким образом можно управлять временем жизни данных и областью видимости
их идентификаторов.
Определение подпрограммы состоит из заголовка, в котором указываются имя подпрограммы и перечисляются имена и типы ее формальных параметров, и тела, которое представляет собой просто блок. Динамическое выделение памяти для переменных в блоке позволяет эффективно использовать рекурсию.
К особенностям языка можно отнести механизмы передачи параметров подпрограммам. Их два: хорошо известная передача по значению и довольно экзотическая передача по имени. В большинстве случаев она эквивалентна общеизвестной передаче по ссылке, однако между этими механизмами имеются довольно тонкие различия, которые в некоторых случаях могут привести к неожиданным сюрпризам.
Очень важно, что блоки могут образовывать вложенные структуры, т.е. внутри блока может быть вложен блок, в него – другой блок и т.д. Важной особенностью языка является также то, что блок является разновидностью оператора – составным оператором и может быть употреблен везде, где допустим обычный оператор. В сочетании с развитым набором структурных управляющих конструкций (условный оператор, цикл со счетчиком, циклы с пред- и постусловием) это позволяет строить хорошо структурированные программы, обходясь без оператора go to, столь нелюбимого сторонниками ясности и элегантности программ.
К сожалению, типы и структуры данных в языке гораздо менее разнообразны, чем управляющие конструкции. Пожалуй, это и определило дальнейшую судьбу языка, применявшегося в первую очередь для научных вычислений. Из типов имеются логический, целочисленный и вещественный, а из структур данных – лишь однородный массив. Правда, массивы являются динамическими, что позволяло эффективно управлять распределением памяти.
Пример программы на Algol’е:
begin
procedure SUM(V, N);
  value N;
  real array V;
  integer N;
  begin
    integer I;
    real TEMP;
    TEMP := 0;
    for I := 1 step
      1 until N do TEMP := TEMP+ V[i];
    SUM := TEMP
    end;
  integer K;
  START:
  inreal(1, K);
  if K > 0 then
  begin
    real array A[1:K];
    inarray(1, A);
    outreal(2,SUM(A, K));
    goto
START endend

До Delphi еще далеко было, а паскаль будет скоро))

PL/1
В середине 60-х годов корпорацией IBM был организован комитет, целью которого было создание многоцелевого языка программирования. В это время на смену уникальным компьютерам, создававшимся в единичных экземплярах в стенах университетов и исследовательских лабораторий, стали приходить
промышленные компьютеры серийного изготовления. Цены на оборудование быстро падали, соответственно ширился круг задач, решаемых при помощи компьютеров.
Если раньше в связи с высокой ценой машинного времени эти задачи преимущественно носили характер расчетов для научных и военных целей, то теперь можно было позволить себе автоматизировать экономические расчеты, управление производством и т.п. Тем не менее в распоряжении программистов не было достаточно мощного языка, пригодного для решения подобных задач.
Новый язык должен был стать преемником FORTRAN’а, Algol’а и COBOL’а одновременно. Фактически он унаследовал все лучшее от своих педшественников. От FORTRAN’а ему достались раздельная компиляция подпрограмм, форматный ввод/вывод, блоки COMMON; от Algol’а – блочная структура и структурированные управляющие конструкции; от COBOL’а – неоднородные массивы и ввод/вывод, ориентированный на записи. Этот язык получил название PL/1.
Программа на PL/1 состоит из набора подпрограмм, структура которых аналогична подпрограммам Algol. Подпрограммы могут компилироваться
раздельно, что облегчает создание библиотек подпрограмм и повторное использование кода. Параметры передаются по ссылке. Допускается рекурсия при вызове подпрограмм. Предусмотрены также средства для параллельного выполнения подпрограмм (задач) и взаимодействия между ними.
Типы данных включают многочисленные простые типы, битовые цепочки, цепочки литер, указатели, метки. Допустимы также структуры данных, представляющие собой однородные и неоднородные массивы. При помощи таких структур программист может образовывать новые типы данных. Для преобразования типов друг в друга имеется большой набор встроенных примитивов.
Язык обладает богатым набором математических и логических операций над числовыми данными. Для обмена данными с внешними файлами также предусмотрен развитый механизм. Получившийся в результате этого проекта язык обладал большим набором средств, позволяющих применять
его практически для любых прикладных задач. Но эта всеядность имеет обратную сторону: язык получился настолько громоздок и сложен, что, во-первых, оказалось чрезвычайно трудно разработать компилятор, дающий эффективный код; во-вторых, изучить язык в полном объеме – также нелегкая задача. Разработчики пошли на компромисс: начинающий программист может оперировать неким подмножеством языка, достаточным для его задач. Хотя в языке имеется огромное количество всевозможных опций, для каждой из них имеется значение по умолчанию, которое по замыслу разработчиков должно устроить начинающего пользователя. Впрочем, подобные решения, неявно принимаемые машиной за пользователя, рано или поздно непременно становятся источником недоразумений, причину которых понять не столь просто.
Если вкратце подвести итог развития PL/1, то в нескольких словах его можно сформулировать так. Язык имел весьма скромные средства для расширения, поэтому разработчикам пришлось предусмотреть все необходимое и включить его в язык. В результате получился огромный неуклюжий монстр, не получивший распространения вне продуктов IBM (в нашей стране он довольно широко использовался, будучи унаследованным вместе с семейством IBM 360/370 в виде ЕС ЭВМ). Разумеется, эти свойства языка обусловили его крайне прохладный прием в академической среде. Вот, в частности, что писал Дейкстра в своей статье Смиренный программист (EWD340): «Наконец, хотя этот предмет не из приятных, я должен упомянуть PL/1, язык программирования,
документация которого обладает устрашающими размерами и сложностью. Использование PL/1 больше всего напоминает полет на самолете с 7000 кнопок, переключателей и рычагов в кабине. Я совершенно не представляю себе, как мы можем удерживать растущие программы в голове, когда из-за своей полнейшей вычурности язык программирования – наш основной инструмент, не так ли! – ускользает из-под контроля нашего интеллекта. И если мне понадобится описать влияние, которое PL/1 может оказывать на своих пользователей, ближайшее сравнение, которое приходит мне в голову, – это наркотик. Я помню лекцию в защиту PL/1, прочитанную на симпозиуме по языкам программирования высокого уровня человеком, который представился
одним из его преданных пользователей.
Но после похвал в адрес PL/1 в течение часа он умудрился попросить добавить к нему около пятидесяти новых «возможностей», не предполагая, что главный источник его проблем кроется в том, что в нем уже и так слишком уж много «возможностей». Выступающий продемонстрировал все неутешительные
признаки пагубной привычки, сводящейся к тому, что он впал в состояние умственного застоя и может теперь только просить еще, еще, еще… Если FORTRAN называют детским расстройством, то PL/1, с его тенденциями роста подобно опасной опухоли, может оказаться смертельной болезнью».
Пример программы на PL/1:
TEST: PROCEDURE OPTIONS (MAIN);
START:
GET LIST (K);
IF k > 0 THEN
BEGIN;
DECLARE A(K) DECIMAL FLOAT;
GET LIST (A);
PUT LIST (‘INPUT IS ‘, A, ‘SUM IS ‘, SUM(A));
GO TO START;
END;
SUM: PROCEDURE (V);
DECLARE V(*) DECIMAL FLOAT, TEMP DECIMAL FLOAT INITIAL (0);
DO I = 1 TO DIM(V,1);
TEMP = TEMP + V(I);
END;
RETURN (TEMP);
END SUM;
END TEST;