Программирование — это искусство и наука создания инструкций для компьютеров. Но как всё начиналось? Как мы пришли от простых машинных кодов до современных языков, таких как Python?
Аналитическая машина Чарльза Бэббиджа.
В XIX веке английский математик и изобретатель Чарльз Бэббидж разработал концепцию аналитической машины — механического устройства, которое можно считать прообразом современного компьютера. Машина могла выполнять базовые математические операции (сложение, вычитание, умножение, деление), а для хранения данных было предложено использовать перфокарты.
Единственным единомышленником Бэббиджа стала Ада Августа Лавлейс. Именно она написала первые алгоритмы для аналитической машины и справедливо считается первым программистом в истории. В своих заметках Ада описала идеи, которые позже стали основой для циклов и условных операторов в современных языках программирования. Также она
предсказала, что машины смогут не только выполнять вычисления, но и решать более сложные задачи, такие как создание музыки или графики.
Программирование аналитической машины осуществлялось с помощью перфокарт. Это были карточки из плотной бумаги, на которых пробивались отверстия в определённых местах. Каждое отверстие представляло собой команду или данные.
Типы перфокарт
- Карты операций:
Содержали команды для арифметического устройства (например, сложить, умножить).
Каждая команда кодировалась определённым набором отверстий. - Карты переменных:
Содержали данные, которые использовались в вычислениях.
Например, числа, которые нужно сложить или умножить. - Карты управления:
Определяли последовательность выполнения операций.
Позволяли организовывать циклы и условные переходы.
Несмотря на гениальность идеи, аналитическая машина так и не была построена при жизни Бэббиджа. Машина была слишком сложной для своего времени, и её создание требовало значительных усилий, а также требовала немалых финансовых вложений, которые Чарльз не смог обеспечить.
В 1991 году к 200-летию со дня рождения Бэббиджа группа энтузиастов построила разностную машину № 2 (более совершенную версию разностной машины Бэббиджа). Эта машина успешно выполняла вычисления и доказала, что идеи Бэббиджа были реализуемы.
Машинные коды: язык компьютеров.
Теперь разберемся что такое машинный код?
Машинный код — это низкоуровневый язык, который напрямую понимает процессор компьютера. Он состоит из двоичных чисел (0 и 1), которые представляют собой команды и данные.
Двоичная система была выбрана потому, что её легко реализовать на уровне аппаратного обеспечения:
- 0 можно представить как отсутствие электрического сигнала.
- 1 — как наличие сигнала.
Впервые она описана Готфридом Вильгельмом Лейбницем в XVII веке. Лейбниц был немецким математиком и философом, который разработал двоичную систему как часть своих исследований в области математики и логики. Лейбниц считал, что двоичная система отражает фундаментальные принципы мироздания, где всё можно свести к двум состояниям: истина и ложь, свет и тьма, 0 и 1.
Что мы имеем? Процессор - это мозг компьютера, он понимает только двоичный код. Чтобы упростить общение между человеком и компьютером, были придуманы языки программирования. Язык программирования - это язык, который понимает и компьютер и человек.
Первые языки программирования.
Для начала разберемся какие языки программирования бывают.
Низкоуровневые языки программирования — это языки, которые близки к машинному коду и аппаратному обеспечению компьютера. Они требуют от программиста глубокого понимания архитектуры процессора и памяти.
Высокоуровневые языки программирования — это языки, которые ближе к человеческому языку и абстрагируют программиста от деталей аппаратного обеспечения. Они предоставляют удобные конструкции для написания кода, такие как функции, классы, циклы и т.д.
Также между низкоуровневыми и высокоуровневыми языками существует промежуточная категория — языки среднего уровня. Они сочетают в себе элементы низкоуровневого и высокоуровневого программирования.
Планкалкюль — первый высокоуровневый язык программирования.
Планкалкюль (нем. Plankalkül, от Plan — план, и Kalkül — исчисление) — это первый в истории высокоуровневый язык программирования, разработанный немецким инженером Конрадом Цузе в 1940-х годах. Хотя он так и не был реализован на практике в то же время, его концепции оказали огромное влияние на развитие программирования. Предполагалось, что Планкалкюль станет универсальным инструментом для описания алгоритмов и решения широкого круга задач. Однако работа Цузе была прервана войной, и он не смог уделить достаточно времени развитию Планкалкюля. К тому же в 1940-х годах не было компьютеров, способных выполнять программы на высокоуровневом языке.
В 1970-х годах, спустя несколько десятилетий после создания Планкалкюля, исследователи начали изучать его идеи. В 2000 году группа энтузиастов реализовала интерпретатор Планкалкюля, чтобы показать, как он мог бы работать.
Ассемблер.
Ассемблер — это низкоуровневый язык программирования, который использует мнемонические команды (например, MOV, ADD, JMP) вместо двоичных кодов. Каждая команда ассемблера соответствует одной машинной инструкции, но записывается в более удобной для человека форме.
Ассемблер появился в 1940-х годах, когда программисты столкнулись с трудностями работы с машинными кодами. Конкретного "изобретателя" ассемблера нет, так как он развивался постепенно. Однако ключевую роль в его создании сыграли инженеры и программисты, работавшие над ранними компьютерами, такими как EDSAC и IBM 701. Идея использования мнемонических команд для упрощения программирования была естественным шагом в эволюции вычислительной техники.
Первые ассемблеры
- EDSAC (1949):
Электронный компьютер EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator) был одним из первых, для которого разработали ассемблер.
Ассемблер EDSAC использовал мнемонические команды для представления машинных инструкций. - IBM 701 (1950-е):
Для компьютера IBM 701 был создан один из первых ассемблеров, который позволял программистам писать код на более высоком уровне, чем машинный код.
Высокоуровневые языки программирования.
С развитием компьютеров возникла необходимость в более удобных и универсальных языках программирования. Так появились высокоуровневые языки, которые абстрагируют программиста от деталей аппаратного обеспечения.
Fortran (1957)
- Fortran (Formula Translation) — первый широко используемый высокоуровневый язык.
- Разработан для научных и инженерных вычислений.
LISP (1958)
- Разработан для работы с символическими вычислениями и искусственным интеллектом.
- Один из первых функциональных языков программирования.
Современные языки программирования.
Современные языки программирования, такие как Python, Java, JavaScript и Go, построены на основе идей, заложенных их предшественниками. Они предлагают более высокий уровень абстракции и удобства.
Python (1991)
- Python — это интерпретируемый язык высокого уровня, который отличается простым и понятным синтаксисом.
- Python широко используется в веб-разработке, анализе данных, искусственном интеллекте и других областях.
Java (1995)
- Java — это объектно-ориентированный язык, который работает на виртуальной машине (JVM), что делает его кроссплатформенным.
JavaScript (1995)
- JavaScript — это язык для веб-разработки, который позволяет создавать интерактивные веб-страницы.