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Programación de Sistemas
Unidad 1 Introducción
Contenido
Paradigmas y lenguajes de programación Lenguajes de programación Paradigmas
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.
Codop0 3 4 15
Dirección
S0 1
(a) Formato de instrucción
15Magnitud
(b) Formato de enteros
Contador de programa (PC) = dirección de instrucciónRegistro de instrucción (IR) = Instrucción en ejecuciónAcumulador (AC) = Almacenamiento temporal
(c) Registros internos del CPU
0001 = Cargar AC desde memoria0010 = Almacenar AC en memoria0101 = Sumar a AC un dato de memoria
(d) Lista parcial de códigos de operación (Codop)
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Memoria
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Registros
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Memoria
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PC
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Registros
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Memoria
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Registros
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5 9 4 1
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Memoria
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PC
AC
IR
Registros
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0 0 0 5
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Memoria
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PC
AC
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Registros
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PC
AC
IR
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.
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Memoria
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PC
AC
IR
Registros
Código Ensamblador
LOAD AC, AADD AC, BSTORE B
Código Máquina
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
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Memoria
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PC
AC
IR
Registros
Código Ensamblador
LOAD AC, AADD AC, BSTORE B
Código MáquinaLenguaje de alto nivel
B+=A;
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
Manejadorde Eventos
Evento (ratón)
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:
Programa de EntradaEscrito en Lenguaje Fuente
Traductor Programa de SalidaEscrito en Lenguaje Destino
Mensajes de Error
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.
Código en C
Precompilador
Compilador
Código objeto
Enlazador
Código máquina
Hardware
Archivosde Cabecera
Archivosde Librería
Tie
mp
o d
e c
om
pila
ción
(Tra
ducc
ión)
Código en Java
CompiladorJava
Bytecode Java
Bibliotecaso
Paquetes
Tie
mp
o d
e e
jecu
ción
Red
Cargador de clases
Verificador deBytecode
Intérprete Generadorde
Código
JVM Runtime
Hardware
Máq
uin
a v
irtual Ja
va
Procesamiento de unprograma en lenguaje C
Procesamiento de unprograma en lenguaje Java
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.
ProgPal.c
#include “cab.h”int main(){ xxxx xxx return 0;}
cab.h
yyyy yyyy yyy
Preprocesador
ProgPalMod.c
yyyyyyyyyyy
int main(){ xxxx xxx return 0;}
Preprocesamiento de la directiva#include en el lenguaje C
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:Código de alto nivel
Compilador
SalidaCódigo objeto (.obj)
Entrada y salida de un compilador real
.obj
.obj
.obj Enlazador(Linker)
.exe
Tarea del enlazador
Seg. Código
Seg. Datos
Seg. Pila
Otros Seg
Cargador
Seg. Código
Otros Seg.
Seg. Datos
Seg. Pila
Tarea efectuada por el cargador
.exe
Mem
oria
prin
cipal
Traductores (7)
Pasadas de compilación 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 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.
Fuente Análisis Destino
Mensajes de Error
Síntesis
Mensajes de Error
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