Il software: dall’algoritmo al
linguaggio macchina
Raffaella Brighi, a.a. 2006/07
Lezione II – 23 aprile 2007
Corso di Informatica A.A. 2006-07
CdL Operatore Giuridico d’Impresa.
Linguaggi di programmazione
Un programma è la rappresentazione formale
(codifica) di un algoritmo progettata per
essere eseguita da un computer.
I linguaggi di codifica, che possono avere
diversi livelli di astrazione, vanno dal
linguaggio macchina ai cosiddetti linguaggi di
programmazione di alto livello.
Linguaggio macchina
Linguaggio assembler
Linguaggi ad alto livello
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Il linguaggio macchina
In un calcolatore i dati e le istruzioni di programma sono
codificate in forma binaria, cioè come sequenza di 0 e di 1.
Un calcolatore può trattare diversi tipi di dati: numeri, testi,
immagini, ecc. I dati sono espressi in formato binario (ad
esempio i numeri naturali da 0 a 255 sono rappresentati in
otto bit, i caratteri sono tradotti in numeri seguendo una
codifica, ad es. ASCII o Unicode, e poi rappresentanti in
forma binaria)
Anche le istruzioni sono codificate come sequenza di bit e
sono composte da un campo codice operativo, che indica
l’operazione da compiere (es. somma, confronto, ecc.) e da
un campo operando che indica gli indirizzi dove recuperare
i dati su cui operare e dove copiare i risultati.
L’insieme delle istruzioni accettate dal sistema di
elaborazione e il loro sistema di codifica è chiamato
linguaggio macchina.
Ogni CPU (esecutore delle istruzioni del programma)
è caratterizzata funzionalmente dal suo linguaggio
macchina, cioè dall’insieme delle istruzioni che è in
grado di eseguire e dalle modalità di
rappresentazione degli operandi. È impossibile far
eseguire un programma scritto per una Sun
workstation con il processore Sparc ad un PC IBM
con un processore Intel.
Qualunque algoritmo può essere scritto
direttamente in linguaggio macchina.
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Linguaggi assembler
L’assembler è una abbreviazione simbolica del linguaggio
macchina: consente di esprimere gli algoritmi con una
codifica simbolica anziché binaria. Ogni simbolo
corrisponde ad una istruzione in codice binario.
La macchina traduce i simboli nella corrispondente forma
binaria.
Le primitive del linguaggio assembly sono però le stesse
del linguaggio macchina corrispondente: i programmi
sono ancora intrinsecamente legati all’architettura della
macchina per cui sono scritti.
Il programmatore è ancora obbligato a ragionare
secondo i passi incrementali del linguaggio macchina
(linguaggio di basso livello).
Linguaggi ad alto livello
Consentono di descrivere i problemi ad un livello di
astrazione di poco inferiore a quello degli algoritmi, quindi
vicino al problema da risolvere piuttosto che all’architettura
della macchina.
Sono dotati di un insieme di primitive di alto livello (ognuna
delle quali corrisponde ad una sequenza di operazioni
elementari) che consentono di trattare oggetti complessi
senza preoccuparsi dei dettagli.
Un programma (compilatore/interprete) traduce il codice
scritto con questi linguaggi in codice macchina.
Java, C++, Visual Basic, Pascal, ecc sono linguaggi ad alto
livello
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Caratteristiche generali di un linguaggio di
programmazione
Ogni linguaggio di programmazione è caratterizzato da:
Vocabolario insieme di parole chiave e simboli ammessi
per comporre le istruzioni (identificatori)
Sintassi che specifica le regole di composizione delle
istruzioni (es. per Java un identificatore non puo’ iniziare
con una cifra, le parentesi graffe racchiudono classi e
metodi).
Semantica che specifica il significato delle istruzioni;
definisce quello che accade quando l’istruzione viene
eseguita (non ambiguità)
Vocabolario, sintassi e semantica sono definite a
priori, in modo univoco, per ogni linguaggio di
programmazione.
Hallo World!
public class HalloWorld {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("Ciao mondo!!");
}
}
Questo programma stampa in output (sulla console) la scritta “ciao
mondo”.
public class static void main sono identificatori del linguaggio di
programmazione: vocabolario
la posizione delle parantesi graffe segue regole sintattiche
l’istruzione System.out.println significa (semantica) “scrivi in output”
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Dal file sorgente al programma eseguibile (codice
oggetto)
Il programma nella sua forma originale, cioè cosi come
scritto dal programmatore, si dice “ codice sorgente”. Per
scrivere il codice sorgente occorre un editor.
Il codice sorgente per poter essere eseguito deve essere
tradotto in linguaggio macchina.
Esistono due categorie di software per tradurre il codice
sorgente:
COMPILATORI
INTEPRETI
Compilatori e interpreti sono programmi.
Per ogni architettura si può progettare il
compilatore/interprete per il linguaggio L dopodichè la
macchina potrà eseguire qualsiasi programma scritto in
linguaggio L
Programma
sorgente
(S)
COMPILATORE
Programma
oggetto
(O)
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Il compilatore
Il compilatore è un programma, che traduce un
programma sorgente (S) scritto in un linguaggio L in un
nuovo programma, detto programma oggetto (O),
equivalente a S.
Nei compilatori tradizionali il linguaggio oggetto è il
linguaggio macchina.
Un programma detto linker collega tutti i moduli oggetto
(un programma può essere composto da più moduli)
creati dal compilatore e genera il programma eseguibile.
Il programma così generato potrà essere eseguito in
qualsiasi momento. Il processo di traduzione avviene
una sola volta.
La traduzione e l’esecuzione si realizzano in momenti
diversi.
L’interprete
L’ interprete è un programma (I) che esegue un
programma (P) scritto in un linguaggio ad alto livello
(L), traducendo un’istruzione alla volta in linguaggio
macchina.
L’interprete preleva un’istruzione del programma P, la
decodifica, la traduce in linguaggio macchina e la
manda in esecuzione, quindi passa all’istruzione
successiva di P (questo significa che un’istruzione
racchiusa in un ciclo viene tradotta per ogni iterazione
del ciclo).
I programmi interpretati sono tradotti ed eseguiti nello
stesso momento.
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Vantaggi/svantaggi:
Compilazione:
La traduzione viene effettuata una sola volta, questo porta
migliori prestazioni in esecuzione. Il programma compilato
è più veloce del programma interpretato.
Lo spazio di memoria occupato da un programma
compilato è minore. Un programma compilato può essere
eseguito autonomamente, senza la presenza del
compilatore, mentre un programma interpretato richiede
l’esecuzione contemporanea del programma interprete
Interpretazione:
è possibile modificare il programma interpretato ed
eseguirlo immediatamente, così da verificare l’effetto delle
modifiche apportate, mentre la modifica del programma
compilato richiede la correzione del programma sorgente e
una nuova compilazione.
Esempio di creazione, compilazione ed
esecuzione di un programma Java
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Processo di traduzione ed esecuzione del codice Java
Java combina l’uso di un compilatore e di un
interprete
Il compilatore genera un bytecode
(linguaggio a basso livello) Java indipendente
dalla piattaforma hw.
L’interprete Java legge il bytecode e lo
traduce e lo esegue in una specifica
macchina.
Si ha bisogno di un interprete del bytecode
Java per ogni processore.
Editor
codice sorgente
compilatore
file bytecode
macchina virtuale
programma in
esecuzione
librerie
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Tipi di errori
Nella stesura di un programma si presentano tre categorie
di errori:
Errori in compilazione: sono errori sintattici o
assegnazioni di tipi di dato incompatibili. Questi errori
vengono evidenziati dal traduttore durante la fase di
compilazione/interpretazione. Se le istruzioni non sono
corrette il programma non può essere tradotto.
Errori in fase di esecuzione del programma: comportano
la terminazione anomala del programma. Ad esempio
divisione per zero.
Errori logici: il programma viene compilato ed eseguito
senza problemi ma perviene a risultati sbagliati. Significa
che vi è un errore nella progettazione dell’algoritmo.
inizio
modifica
programma
compila
programma
errore di
compilazione?
si
si
no
collauda
programma
errore di
esecuzione?
no
fine
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Classificazione dei linguaggi
Paradigma imperativo (o procedurale): la programmazione è
una sequenza di comandi (istruzioni) che esprime un
algoritmo. Passo passo si definiscono le variazioni degli stati
possibili del sistema (assegnazioni di variabili, salti di
istruzione, cicli ecc.)
Paradigma dichiarativo: il programma descrive il problema
specifico non come risolverlo; alla base ci sono algoritmi
molto generali che risolvono classi di problemi. Un esempio è
il Prolog, che si basa sulla logica del primo ordine per risolvere
i problemi
Paradigma funzionale: concepisce il processo di sviluppo dei
programmi come connessioni di ‘scatole nere’ predefinite
(chiamate funzioni, secondo la notazione matematica),
ognuna delle quali accetta un valore in ingresso e produce un
valore in uscita. Esempio di questa generazione di linguaggi è
il LISP (anni ’60).
Paradigma ad oggetti: si basa sulla definizione di unità di
programmazione attive, chiamate classi di oggetti, caratterizzate da
proprietà (dati) e metodi, cioè operazioni che la classe può compiere
(è il comportamento dell’oggetto della classe).
L’assembler e i linguaggi imperativi (fortran, basic, c) sono
astrazioni rispetto al linguaggio macchina ma costringono a pensare
ancora in termini di struttura del computer (spazio delle soluzioni)
anziché di struttura del problema (spazio dei problemi).
L’approccio OO (object oriented) consente di descrivere il problema
nei suoi propri termini. Il programmatore può rappresentare
elementi nello spazio dei problemi. Il programma si adatta al gergo
del problema.
Ogni oggetto assomiglia ad un piccolo computer: ha uno stato e
possiede operazioni che gli si può chiedere di eseguire.
Esempio sono le icone di un’interfaccia grafica, esse possono essere
rappresentate come oggetti che comprendono le procedure con le
quali l’oggetto risponde a varie operazioni (es. clic del mouse, ecc.).
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Distribuzione del software
Un programma può essere distribuito in due diverse modalità:
codice chiuso - fornendo il solo codice oggetto, vale a dire il
codice direttamente eseguibile dall’elaboratore
codice aperto - fornendo all’utilizzatore anche il codice sorgente
La modalità di distribuzione (codice aperto/chiuso) non implica la
commercializzazione/non commercializzazione e la tutela della
proprietà del sw.
Reverse engineering: (decompilare un programma) vuol dire
ripercorrere a ritroso le fasi attraverso le quali viene creato il
software, partendo dal codice oggetto sino ad arrivare al
sorgente e, quindi, ai principi logico matematici alla base di ogni
programma.
L’open source (software aperto)
Definizione: applicazioni informatiche che rendono disponibile il
codice sorgente perché possa essere liberamente studiato,
copiato, modificato e ridistribuito.
Open source non è sinonimo di gratuito.
L’idea di fondo è che quando un utente è entrato in possesso di
una copia di un programma libero ha il diritto di utilizzarlo
secondo quanto previsto dalla licenze (tipicamente può
modificarlo, copiarlo, installarlo, ridistribuirlo)
Esistono diverse forme di licenze e modelli per consentirne la
commercializzazione.
Vantaggi in termini di:
contenimento dei prezzi
trasparenza e sicurezza
non dipendenza da un unico fornitore
elevata riusabilità
accessibilità per le piccole realtà di sviluppo
(www.opensourece.org)
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La direttiva 19 dicembre 2003 del MIT
La direttiva del 19 dicembre 2003 del Ministro per l’Innovazione
e le Tecnologie pubblicata sulla G.U. n. 31 del 7 febbraio 2004,
in materia di sviluppo ed utilizzo dei programmi informatici da
parte delle PA, sostiene la possibilità di acquisizione ed utilizzo di
programmi informatici "open source” nella PA. Punti
fondamentali:
la trasferibilità ad altre amministrazioni delle soluzioni
acquisite;
l’interoperabilità e la cooperazione applicativa tra le
amministrazioni;
la non dipendenza da un unico fornitore o da un’unica
tecnologia proprietaria;
la disponibilità del codice sorgente per ispezione e
tracciabilità;
l’esportabilità di dati e documenti in più formati, di cui
almeno uno di tipo aperto
I programmi e dati
I programmi eseguono istruzioni sui dati. I dati costituiscono
l’ingresso (input) e l’uscita (output) dei processi di elaborazione.
L’attività di raccolta, organizzazione e conservazione dei dati
costituiscono uno dei principali compiti dei sistemi informatici
(elenchi di utenti telefonici, elenchi di iscritti ad una facoltà, i
saldi dei conto correnti bancari, ecc.)
I sistemi informatici garantiscono la conservazione dei dati,
l’aggiornamento, la trasmissione.
In molte applicazioni i dati sono più stabili rispetto ai programmi
utilizzati per elaborarli.
Spesso le procedure vengono modificate, i dati invece sono
ereditati (con opportune conversioni).
I dati sono una risorsa da sfruttare e proteggere.
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I dati possono essere:
memorizzati nella memoria centrale e quindi “volatili”.
Tali dati sono utilizzati durante l’esecuzione del
programma.
memorizzati nelle memorie di massa (cd-rom, floppy,
hard-disk, nastri, ec..), cioè archiviati. In questo caso
i dati si dicono persistenti.
Ogni tipo di dato ha una propria rappresentazione in
memoria, in forma codificata e organizzata in modo
compatibile con la tecnologia utilizzata.
I linguaggi di programmazione ad alto livello consentono
di trattare i dati in modo astratto, prescindendo cioè da
come sono rappresentati nella macchina.
Riferimenti normativi
Legge 22 aprile 1941 n. 633 – Protezione del diritto
d’autore e di altri diritti connessi al suo esercizio.
Direttiva del 18 dicembre 2003 del Ministro per
l’Innovazione e le Tecnologie pubblicata sulla G.U. n.
31 del 7 febbraio 2004
DIRETTIVA 2003/98/CE DEL PARLAMENTO EUROPEO E
DEL CONSIGLIO del 17 novembre 2003 relativa al
riutilizzo dell'informazione del settore pubblico
DECRETO LEGISLATIVO: Attuazione della direttiva 2003/98/CE
relativa al riutilizzo di documenti nel settore pubblico. 28 ottobre
2005
Decreto Legislativo del 7 marzo 2005, n.82 Codice
dell'amministrazione digitale( G.U. n. 112 del 16-5-2005 Suppl. Ordinario n. 93)
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