Глава 3

Первоначальное программное обеспечение (1950-1960)

Если аппаратное обеспечение составляло физическую структуру первых компьютеров, то программное обеспечение представляло собой интеллект, который оживлял их, позволяя превращать электронные схемы в инструменты вычислений и обработки информации. На заре компьютерной эры разработка программного обеспечения была новаторской деятельностью, часто тесно связанной с подробным знанием аппаратной архитектуры. В этой главе мы рассмотрим ранние формы программного обеспечения, от машинных языков и языков ассемблера до ранних языков программирования высокого уровня и элементарных концепций операционных систем.

3.1 Машинный язык:
Прямой разговор с оборудованием

Самой базовой формой программного обеспечения является машинный язык . Это родной язык, который понимает непосредственно центральный процессор (ЦП) компьютера. Каждый тип ЦП имеет свой собственный машинный язык, состоящий из последовательности двоичных инструкций (последовательностей 0 и 1). Каждая инструкция машинного языка соответствует элементарной операции, которую может выполнить ЦП, например:

Арифметические операции: Сложение, вычитание, умножение, деление чисел.
Логические операции: Выполнение логических логических операций (И, ИЛИ, НЕ) над битами.
Передача данных: Перемещение данных между регистрами памяти и ЦП.
Управление потоком: Изменение порядка выполнения инструкций (условные и безусловные переходы).

Программирование непосредственно на машинном языке было чрезвычайно трудной и сложной задачей по нескольким причинам:

Трудности с чтением и письмом: Человеку трудно интерпретировать и запоминать двоичные последовательности. Простая программа может потребовать длинных и сложных последовательностей нулей и единиц.
Зависимость от аппаратной архитектуры: Машинный язык специфичен для конкретной архитектуры ЦП. Программа, написанная для одного типа компьютеров, не могла работать на другом с другой архитектурой.
Высокий риск ошибок: Непосредственное манипулирование двоичными последовательностями чрезвычайно упростило допущение опечаток или логических ошибок.
Сложность отладки: Поиск и исправление ошибок в программе, написанной на машинном языке, был долгим и утомительным процессом.

Несмотря на эти трудности, ранним программистам обязательно приходилось работать на этом уровне, чтобы заставить работать первые компьютеры. Программирование на машинном языке требовало глубокого понимания аппаратной архитектуры компьютера и большого внимания к деталям.

3.2 Язык ассемблера:
Шаг к абстракции

Для упрощения задачи программирования был разработан язык ассемблера .

Этот язык является символическим представлением машинного языка. Вместо использования двоичных последовательностей язык ассемблера использует мнемонику (короткие сокращения) для представления инструкций машинного языка и символические имена для представления адресов памяти.

Например, команда машинного языка для сложения двух чисел может быть представлена на языке ассемблера с помощью мнемоники, такой как ADD, за которой следуют имена регистров или адреса памяти, содержащие числа, которые нужно сложить.

Чтобы запустить на компьютере программу, написанную на языке ассемблера, требовалась специальная программа под названием ассемблер . Ассемблер переводит каждую инструкцию языка ассемблера в соответствующую инструкцию машинного языка.

Использование языка ассемблера дало несколько преимуществ по сравнению с прямым программированием на машинном языке:

Повышенная читабельность и возможность записи: Мнемонику было легче запомнить и интерпретировать, чем двоичные последовательности.
Использование символических имен: Разрешено программистам обращаться к адресам памяти и другим объектам, используя символические имена вместо числовых адресов, что упрощает управление памятью и снижает риск ошибок.
Повышенная производительность: Программирование на ассемблере было быстрее и менее подвержено ошибкам, чем программирование на машинном языке.

Однако язык ассемблера по-прежнему оставался языком низкого уровня, тесно связанным с аппаратной архитектурой компьютера.

Программистам по-прежнему необходимо было хорошо понимать внутреннюю работу процессора и памяти. Более того, программу, написанную на ассемблере для одной конкретной архитектуры, нелегко перенести на другую.

3.3 Первые языки программирования высокого уровня:
На пути к аппаратной независимости

Растущая сложность задач, которые хотели решать компьютеры, и сложность программирования на языках низкого уровня привели к развитию языков программирования высокого уровня . Эти языки были разработаны так, чтобы быть ближе к человеческому языку и более независимыми от конкретной аппаратной архитектуры компьютера. Одна команда на языке высокого уровня может соответствовать нескольким инструкциям машинного языка.

Для запуска программы, написанной на языке высокого уровня, требовалась специальная программа, называемая компилятором или интерпретатором . Компилятор переводит всю программу на языке высокого уровня на машинный язык (или промежуточный язык) перед выполнением. С другой стороны, интерпретатор транслирует и выполняет программу построчно.

В 1950-х годах появились одни из первых и наиболее влиятельных языков программирования высокого уровня:

FORTRAN (FORmula TRANslation): Разработанный командой под руководством Джона Бэкуса из IBM начиная с 1954 года, FORTRAN был разработан специально для научных и инженерных приложений, требующих интенсивных численных вычислений. ФОРТРАН предлагал синтаксис, более похожий на математическую запись, и предоставлял специальные конструкции для управления массивами и матрицами.
Его успех был немедленным в научном и инженерном сообществе, и FORTRAN продолжает использоваться сегодня в некоторых областях исследований и разработок. Его введение представляло собой фундаментальный шаг на пути к упрощению научного программирования.
COBOL (Общий бизнес-ориентированный язык): Разработанный в 1959 году комитетом под руководством Грейс Хоппер, COBOL был разработан для приложений бизнеса и обработки данных. Целью было создать язык, который было бы легко понять и использовать неспециалистам в сфере ИТ, например, менеджерам и бизнес-аналитикам. COBOL подчеркивал удобочитаемость и предоставлял специальные конструкции для управления большими объемами данных, создания отчетов и взаимодействия с файлами. COBOL быстро стал доминирующим языком для бизнес-приложений и сохраняет значительную известность на протяжении десятилетий. Многие критически важные устаревшие корпоративные системы до сих пор написаны на COBOL.
LISP (обработка списков): Разработанный Джоном Маккарти в Массачусетском технологическом институте в 1958 году, LISP был предназначен для исследований искусственного интеллекта, а также для манипулирования символами и списками. Его синтаксис, основанный на широком использовании круглых скобок, радикально отличался от синтаксиса FORTRAN и COBOL. LISP представил инновационные концепции, такие как рекурсия и обработка функций как данных. Хотя LISP и не достиг популярности FORTRAN и COBOL в других областях, он оказал значительное влияние на исследования искусственного интеллекта и развитие других языков программирования.

Разработка этих ранних языков высокого уровня представляла собой огромное упрощение для программистов, позволяя им сосредоточиться на логике решаемой проблемы, а не на деталях аппаратной архитектуры.

Это привело к повышению производительности и способности решать более сложные проблемы с компьютерами.

3.4 Ранние концепции операционных систем (пакетная обработка)

На заре компьютерной эры не существовало сложных операционных систем, подобных тем, к которым мы привыкли сегодня. Взаимодействие с компьютером зачастую было прямым, и программисту приходилось вручную управлять всеми ресурсами машины. Однако по мере увеличения мощности и сложности компьютеров возникла потребность в программном обеспечении, которое могло бы управлять аппаратными ресурсами и упрощать выполнение программ.

Одной из первых форм управления заданиями на компьютерах была пакетная обработка . В этом подходе набор заданий (т. е. программ, которые должны выполняться с их входными данными) собирался в «пакет». Оператор компьютера загружал пакет заданий в компьютер, который последовательно выполнял их одно за другим, без прямого вмешательства программиста во время выполнения. Результаты каждого задания затем выводились на печать (например, на магнитную ленту или принтер).

Пакетная обработка имела некоторые преимущества:

Повышенная эффективность: Это позволило использовать компьютер более непрерывно, сокращая время простоя между выполнением одного задания и другого.
Упрощение управления: Оператору нужно было только загрузить начальную партию, а затем собрать результаты, без необходимости постоянного взаимодействия с компьютером.

Однако пакетная обработка также имела ограничения:

Отсутствие интерактивности: Программист не мог взаимодействовать с программой во время выполнения. Если возникала ошибка, вам приходилось ждать завершения задания, чтобы проанализировать выходные данные.
Длительное время ожидания: Если задание было длинным, другим заданиям в пакете приходилось ждать его завершения.

Несмотря на эти ограничения, пакетная обработка представляет собой первый шаг на пути развития современных операционных систем, вводя концепцию автоматического управления выполнением программ.

3.5 Проблемы и инновации в ранней разработке программного обеспечения

Разработка программного обеспечения на заре компьютерной эры была чрезвычайно сложной деятельностью. Программисты столкнулись с многочисленными проблемами:

Дорогое и ограниченное оборудование: Аппаратные ресурсы первых компьютеров были скудными и дорогими. Программистам приходилось тщательно оптимизировать свой код, чтобы максимально эффективно использовать доступную память и вычислительную мощность.
Простейшие инструменты разработки: Не существовало интегрированных сред разработки, сложных отладчиков и программных библиотек, к которым мы привыкли сегодня. Программирование часто было ручным и кропотливым процессом.
Отсутствие стандартизации: Не существовало общепринятых стандартов для языков программирования и аппаратных интерфейсов, что затрудняло переносимость программного обеспечения.
Ограниченное сообщество разработчиков: Сообщество программистов было небольшим, а знания и методы программирования постоянно развивались.

Несмотря на эти трудности, пионеры программного обеспечения продемонстрировали большую креативность и изобретательность в разработке первых программ и закладке фундамента дисциплины разработки программного обеспечения. Внедрение языков высокого уровня, хотя поначалу оно было встречено со скептицизмом некоторыми, кто предпочитал контроль, предлагаемый языками низкого уровня, оказалось решающим шагом на пути к тому, чтобы сделать программирование более доступным и продуктивным.

Раннее программное обеспечение 1950-х годов характеризовалось переходом от программирования непосредственно на машинном языке к использованию языков ассемблера и, прежде всего, первых языков программирования высокого уровня, таких как FORTRAN, COBOL и LISP. Эти языки представляли собой важную абстракцию от аппаратного обеспечения, упрощая задачу программирования и открывая путь новым приложениям для компьютеров. Параллельно появились первые концепции операционных систем, такие как пакетная обработка, целью которых было повышение эффективности использования драгоценных аппаратных ресурсов. Проблемы в разработке программного обеспечения были значительными, но изобретательность и решимость первых программистов заложили основу для последующего взрыва мира программного обеспечения.