Programación de Sistemas Unidad 1 Introducción

Contenido Paradigmas y lenguajes de programación Traductores Concepto de traductor Tipos de traductores Conceptos básicos relacionados con la traducción Estructura del traductor

Paradigmas y lenguajes de programación La programación de sistemas abarca el software de base como: ensambladores, sistemas operativos, compiladores, sistemas manejadores de base de datos, etc. La mayoría del software de base funciona como un traductor entre el usuario y el sistema. Generalmente la comunicación usuario-sistema se logra mediante algún tipo de lenguaje.

Paradigmas y lenguajes de programación (2) Los lenguajes que los programadores han utilizado para comunicarse (programar) sistemas históricamente han sido: Lenguaje máquina Lenguaje ensamblador Lenguaje de alto nivel

Paradigmas y lenguajes de programación (3) Lenguaje máquina Contiene solo unos y ceros Generalmente solo se tienen dos tipos de secuencias: Instrucciones. Una parte para el código de operación y otra para la dirección. Datos. Un bit para el signo el resto para el valor. 1 2 Memoria Registros Memoria Registros PC PC 300 1 9 4 0 3 0 0 300 1 9 4 0 3 0 0 301 5 9 4 1 AC 301 5 9 4 1 0 0 0 3 AC 302 2 9 4 1 1 9 4 0 IR 302 2 9 4 1 1 9 4 0 IR 940 0 0 0 3 940 0 0 0 3 941 0 0 0 2 941 0 0 0 2 3 4 3 4 15 Memoria Registros Memoria Registros Codop Dirección PC PC 300 1 9 4 0 3 0 1 300 1 9 4 0 3 0 1 (a) Formato de instrucción 301 5 9 4 1 0 0 0 3 AC 301 5 9 4 1 0 0 0 5 AC 1 15 302 2 9 4 1 5 9 4 1 IR 302 2 9 4 1 5 9 4 1 IR S Magnitud (b) Formato de enteros 940 0 0 0 3 940 0 0 0 3 941 0 0 0 2 941 0 0 0 2 Contador de programa (PC) = dirección de instrucción Registro de instrucción (IR) = Instrucción en ejecución Acumulador (AC) = Almacenamiento temporal 5 6 Memoria Registros Memoria Registros PC PC 300 1 9 4 0 3 0 2 300 1 9 4 0 3 0 2 (c) Registros internos del CPU 301 5 9 4 1 0 0 0 5 AC 301 5 9 4 1 0 0 0 5 AC 302 2 9 4 1 2 9 4 1 0001 = Cargar AC desde memoria 0010 = Almacenar AC en memoria 0101 = Sumar a AC un dato de memoria IR 302 2 9 4 1 1 9 4 1 IR 940 0 0 0 3 940 0 0 0 3 (d) Lista parcial de códigos de operación (Codop) 941 0 0 0 2 941 0 0 0 5

Paradigmas y lenguajes de programación (4) Lenguaje de bajo nivel Se apegan a una arquitectura en específico. Básicamente se refiere al ensamblador Se trata de una relación biunivoca de mnemotécnicos y código máquina. Trabaja con los registros de la computadora de forma directa Es el primer paso hacia los lenguajes de alto nivel, y en general hacia los compiladores. Código Ensamblador Código Máquina Memoria Registros LOAD AC, A ADD AC, B STORE B 300 1 9 4 0 3 0 0 PC 301 5 9 4 1 AC 302 2 9 4 1 1 9 4 0 IR 940 0 0 0 3 941 0 0 0 2

Paradigmas y lenguajes de programación (5) Lenguaje de alto nivel Facilitan la programación (comunicación) al tener un mayor parecido al lenguaje utilizado por los humanos. Los lenguajes de alto nivel surgen como una alternativa viable y necesaria para desarrollar casi todo tipo de software. Sin embargo, no dejan de ser lenguajes rígidos y sistemáticos Lenguaje de alto nivel Código Ensamblador Código Máquina Memoria Registros B+=A; LOAD AC, A ADD AC, B STORE B PC 300 1 9 4 0 3 0 0 301 5 9 4 1 AC 302 2 9 4 1 1 9 4 0 IR 940 0 0 0 3 941 0 0 0 2

Paradigmas y lenguajes de programación (6) Los lenguajes de alto nivel se corresponden con diferentes paradigmas de programación Imperativo Estructurado Orientado a objetos Orientado a eventos Funcional Lógico Cada uno de los paradigmas representa un enfoque particular o filosofía para la construcción del software. En función del problema a resolver unos resultan más apropiados que otros.

Paradigmas y lenguajes de programación (7) Paradigma imperativo Describe la programación en términos del estado del programa y sentencias que cambian dicho estado. Prácticamente todo el hardware de las computadoras esta diseñado para utilizar código máquina escrito en una forma imperativa. El estilo de un programa bajo este paradigma está definido por los contenidos de la memoria (registros o variables) y las sentencias que alteran el estado (contenido) de las variables. Lenguajes de este tipo Lenguaje máquina Lenguaje ensamblador Lenguaje C Primer lenguaje en superar los obstáculos presentados por el código máquina para la creación de programas complejos. Es el lenguaje más popular para crear software de sistemas dada la eficiencia del código que produce. Se considera como un lenguaje de medio nivel ya que posee características de los lenguajes de bajo nivel y también de alto nivel.

Paradigmas y lenguajes de programación (8) Paradigma estructurado También conocido como programación sin ‘GOTO’. Es una metodología para programar de forma clara utilizando únicamente tres estructuras: Secuencial Iterativa Selectiva La programación estructurada tiene varias ventajas, entre ellas están: Estructura de programas más claras, legibles y fáciles de entender. Reducción del costo y esfuerzo en pruebas y mantenimiento. Uno de los inconvenientes de la programación bajo este paradigma es que se obtiene un único bloque de programa. Sin embargo esto se resuelve si se aplica: Programación modular Programación por capas. El Pascal es un lenguaje bajo el paradigma estructurado. En cuanto a C, también permite realizar programación estructurada y modular o por capas.

Paradigmas y lenguajes de programación (9) Paradigma Orientado a objetos (POO u OOP) Define los programas en término de clases de objetos. Un objeto es una entidad que combina: Estado (datos). Comportamiento (métodos). Identidad (propiedad del objeto que lo diferencia del resto). Bajo este paradigma un programa se escribe en términos de un conjunto de objetos que colaboran entre sí. Lo cual facilita la escritura, pruebas, mantenimiento y reutilización. Las características más importantes de la POO son: Abstracción Los objetos son “entes abstractos” que pueden realizar alguna tarea, informar y cambiar su estado, comunicarse con otros objetos sin revelar como lo hacen. Encapsulamiento También llamado “ocultameinto de la información”. Los objetos se aíslan del exterior exponiendo una interfaz para interactuar con ellos. Polimorfismo Comportamientos diferentes, asociados a objetos diferentes, pueden compartir el mismo nombre. Herencia Las clases se relacionan entre sí de forma jerárquica. Los objetos heredan las propiedades y comportamiento de las clases a las que pertenecen. Lo que permite y facilita el polimorfismo, además de la especialización de los objetos.

Paradigmas y lenguajes de programación (10) Programación orientada a eventos Bajo este paradigma la estructura y ejecución de los programas esta determinada por los sucesos que ocurren en el sistema o que los propios programas provoquen. Los usuarios del programa son los que determinan el flujo del programa en cualquier momento de tiempo. El programa dirigido por eventos ha de comenzar con algún tipo de inicialización y después quedará bloqueado en espera de que se produzca un evento. Cuando alguno de los eventos esperados se produzca, entonces habrá de ejecutar el “manejador de evento” correspondiente. Inicialización Evento (ratón) Manejador de Eventos Evento (teclado) Evento (Menú) Evento (botón) Finalizar

Paradigmas y lenguajes de programación (11) Paradigma funcional Este paradigma se basa en la utilización de funciones matemáticas a nivel abstracto. No considera necesario bajar al nivel del lenguaje máquina para describir el proceso llevado por el programa. La ejecución de una expresión es el concepto principal que se necesita para la secuenciación de programas. El almacenamiento en montículos y las estructuras de listas se convierten el proceso natural para la gestión del almacenamiento en lugar del mecanismos tradicional de registros de activación. LISP es uno de los lenguajes más populares dentro de este paradigma. Sus objetos básicos son átomos y listas de átomos. La llamada y recursividad constituyen los mecanismos básicos de ejecución. Se utiliza principalmente en: procesamiento de lenguajes naturales, prueba de teoremas y sistemas inteligentes.

Paradigmas y lenguajes de programación (12) Paradigma lógico La mayoría de los lenguajes bajo este paradigma se basan en la teoría de la lógica de primer orden con algunos comportamientos de orden superior. Principales campos de aplicación: Sistemas expertos Demostración automática de teoremas Reconocimiento del lenguaje natural El lenguaje de programación lógica más conocido es el Prolog. Se trata de proporcionar las especificaciones de una solución y permitir que la computadora produzca la secuencia de ejecución para la solución, en vez de proporcionar un algoritmo para la solución de un problema. Básicamente un programa en Prolog se compone de una serie de hechos, relaciones concretas entre objetos de datos (hechos) y un conjunto de reglas, es decir, un patrón de relaciones entre los objetos de la base de datos.

Traductores Concepto Un traductor se define como un programa que traduce o convierte desde un texto o programa escrito en un lenguaje fuente hasta un texto o programa equivalente en un lenguaje destino produciendo, si es el caso, mensajes de error. Los traductores engloban tanto a los compiladores (el lenguaje que producen suele ser código máquina) como a los intérpretes (más que producir el lenguaje destino, este es ejecutado). El esquema básico de un compilador o intérprete es el siguiente: Traductor Programa de Entrada Escrito en Lenguaje Fuente Programa de Salida Escrito en Lenguaje Destino Mensajes de Error

programa en lenguaje Java Traductores (2) Tipos de traductores: Compiladores Tiene como entrada sentencias correspondientes a un lenguaje formal y como salida, comúnmente, un archivo ejecutable. Intérpretes Es como un compilador solo que la salida es la ejecución. Su principal ventaja es que permite una fácil depuración, y su principal inconveniente es la lentitud de su ejecución, además el intérprete debe residir en memoria. Algunas desventajas se superan con lenguajes pseudointerpretados. Procesamiento de un programa en lenguaje C Procesamiento de un programa en lenguaje Java Código en C Código en Java Precompilador Archivos de Cabecera Compilador Java Bibliotecas o Paquetes Compilador Tiempo de compilación (Traducción) Código objeto Bytecode Java Enlazador Archivos de Librería Red Código máquina Cargador de clases Hardware Verificador de Bytecode Máquina virtual Java Intérprete Generador de Código Tiempo de ejecución JVM Runtime Hardware

Traductores (3) Más tipos de traductores: Preprocesadores Permiten modificar el programa fuente antes de llevar a cabo el proceso real de compilación. Hacen uso de macroinstrucciones y directivas de compilación. Su acción pasa inadvertida por los programadores y en suele considerarse una fase preeliminar del compilador. Intérpretes de comandos Traduce sentencias simples a invocaciones a programas de una biblioteca. Especialmente son utilizados en Sistemas Operativos. Los programas invocados pueden residir en el núcleo del Sistema Operativo, o en archivos almacenados en memoria secundaria. Preprocesamiento de la directiva #include en el lenguaje C ProgPal.c #include “cab.h” int main() { xxxx xxx return 0; } cab.h yyyy yyy Preprocesador ProgPalMod.c yyyy yyy int main() { xxxx xxx return 0; }

Traductores (4) Más tipos de traductores … Ensambladores y macroensambladores Se consideran los pioneros de los compiladores. El programador utiliza mnemotécnicos que se traducen a código máquina (sin pasar por código objeto). Los ensambladores que permiten definir macroinstrucciones son llamados macroensambladores (este fue el primer paso para la construcción de los lenguajes de alto nivel). Conversores fuente-fuente Permiten traducir desde un lenguaje de alto nivel a otro lenguaje de alto nivel. El programa fuente traducido no siempre es eficiente, por ejemplo cuando el lenguaje destino carece de características importantes que en el lenguaje origen si tiene (Java->C). Compilador cruzado Genera código máquina que será ejecutado en otra máquina distinta. Se utiliza en el desarrollo de nuevos sistemas, para disponer de sistemas operativos y compiladores antes de disponer del sistema físicamente.

Traductores (5) Conceptos básicos relacionados con la traducción Compilación, enlace y carga Pasadas de compilación Compilación incremental Autocompilador Metacompilador Descompilador

Traductores (6) Compilación, enlace y carga Son las tres fases básicas para que el hardware ejecute un programa escrito en un lenguaje de alto nivel. Por lo general un compilador no produce directamente código ejecutable sino código objeto, lo que permite compilación separada. En la fase de enlace se resuelven referencias cruzadas (utilización de objetos externos). A partir de varios archivos objetos se genera un único archivo objeto que es el ejecutable final. El cargador coloca el archivo ejecutable en memoria para su ejecución. La colocación depende de la administración propia del sistema operativo. Entrada y salida de un compilador real Entrada: Código de alto nivel Salida Código objeto (.obj) Compilador Tarea del enlazador .obj .obj Enlazador (Linker) .exe .obj Tarea efectuada por el cargador Seg. Código Seg. Código Seg. Datos Seg. Pila Otros Seg Otros Seg. Cargador Memoria principal Seg. Datos Seg. Pila .exe

Traductores (7) Pasadas de compilación Compilación incremental Es el número de veces que un compilador debe leer el programa fuente para generar el código. Es necesario más de una pasada cuando no se puede generar el código con una sola lectura, un ejemplo de ello es el llamado a funciones. La lectura a memoria secundaria consume tiempo, por lo que entre menos pasadas mejor. Compilación incremental Se encarga de compilar solo aquella parte que ha sido modificada del programa fuente. Puede funcionar a varios niveles, por ejemplo si se detecta que falta un ; en una línea: A nivel caracter se recompila el ; y se inserta en el archivo objeto la parte de la sentencia que faltaba. A nivel sentencia se recompila la línea completa y se añade al archivo objeto. A nivel bloque solo se compila el bloque y se añade al archivo objeto. A nivel de archivo fuente solo se compila el archivo fuente y se enlaza con el resto de los objetos para generar el ejecutable. Esta opción es la más común cuando se utiliza el make.

Traductores (8) Autocompilador Metacompilador Descompilador Es un compilador escrito en el mismo lenguaje que compila (o similar). Los compiladores de C típicamente se escriben en C. Metacompilador Es un programa que acepta como entrada la descripción de un lenguaje y produce el compilador de dicho lenguaje. Por lo regular hay dos tipos de metacompiladores, los que trabajan con expresiones regulares y aquellos que lo hacen con gramáticas libres de contexto. Ejemplos clásicos son Lex (generador de analizadores léxicos) y Yacc (generador de analizadores sintácticos). Descompilador Realiza una tarea de traducción inversa, es decir, va del código máquina al lenguaje de alto nivel. Es relativamente sencillo cuando se trata de ir a código ensamblador o macro ensamblador, pero no cuando se quiere llegar a un lenguaje de alto nivel.

Traductores (9) Estructura de un traductor Divide su labor en dos etapas: Análisis de la entrada y generación de estructuras intermedias. Síntesis de las estructuras intermedias para generar la salida. Los objetivos de la etapa de análisis son: Controlar la corrección de los errores del lenguaje fuente . Generar las estructuras necesarias para comenzar la etapa de síntesis. La etapa de síntesis construye el objeto deseado partiendo primero de un código intermedio, pasando por una optimización hasta llegar al ejecutable. Análisis Síntesis Fuente Destino Mensajes de Error Mensajes de Error