История появления языков программирования

С глубокой древности известны попытки создать устройства, ускоряющие и облегчающие процесс вычислений. Еще древние греки и римляне применяли приспособление, подобное счетам, абак. Такие устройства были известны и в странах Древнего Востока. В XV в. немецкие ученые В. Шиккард (1623), Г. Лейбниц (1673) и французский ученый Б. Паскаль (1642) создали механические вычислительные устройства — предшественники всем известного арифмометра. Вычислительные машины совершенствовались в течение нескольких веков. Но при этом не применялось понятие «программа и программирование».

В начале XIX в. (1830) английский ученый, профессор математики Кэмбриджского университета Чарльз Бэббидж, анализируя результаты обработки переписи населения во Франции, теоретически исследовал процесс выполнения вычислений и обосновал основы архитектуры вычислительной машины. Работая над проектом аналитической машины — «Машины для исчисления разностей», Ч. Бэббидж предсказал многие идеи и принципы организации и работы современных ЭВМ, в частности принцип программного управления и запоминаемой программы. Общая увлеченность наукой дала ученому и Аде Лавлейс (1815—1852) долгие годы плодотворного сотрудничества. В 1843 г. она перевела статью Менабреа по лекциям Ч. Бэббиджа, где в виде подробных комментариев (по объему они превосходили основной текст) сформулировала главные принципы программирования аналитической машины. Она разработала первую программу (1843) для машины Бэббиджа, убедила его в необходимости использования в изобретении двоичной системы счисления вместо десятичной, разработала принципы программирования, предусматривающие повторение одной и той же последовательности команд при определенных условиях. Именно она предложила термины «рабочая ячейка» и «цикл».

А. Лавлейс составила первые программы для решения системы двух уравнений и вычисления чисел Бернулли по довольно сложному алгоритму и предположила, что со временем аналитическая машина будет сочинять музыкальные произведения, рисовать картины и использоваться в практической и научной деятельности. Время подтвердило ее правоту и точность прогнозов. Своими работами А. Лавлейс заложила теоретические основы программирования и по праву считается первым в мире программистом и основоположником научного программирования.

В 1854 г. английский математик Джордж Буль опубликовал книгу «Законы мышления», в которой развил алгебру высказываний — Булеву алгебру. На ее основе в начале 80-х гг. XIX в. построена теория релейно-контактных схем и конструирования сложных дискретных автоматов. Алгебра логики оказала многогранное влияние на развитие вычислительной техники, являясь инструментом разработки и анализа сложных схем, инструментом оптимизации большого числа логических элементов, из многих тысяч которых состоит современная ЭВМ.

Идеи Ч. Бэббиджа реализовал американский ученый Г. Холлерит, который с помощью построенной счетно-аналитической машины и перфокарт за три года обработал результаты переписи населения в США по состоянию на 1890 г. В машине впервые было использовано электричество. В 1896 г. Холлеритом была основана фирма по выпуску вычислительных перфорационных машин и перфокарт.

В 1936 г. английский математик А. Тьюринг ввел понятие машины Тьюринга, как формального уточнения интуитивного понятия алгоритма. Ученый показал, что любой алгоритм в некотором смысле может быть реализован на машине Тьюринга, а, следовательно, доказывал возможность построения универсальной ЭВМ. И та, и другая машины аналогично могут быть снабжены исходными данными решаемой задачи и программой ее решения. Машину Тьюринга можно считать, как бы идеализированной моделью универсальной ЭВМ.

В 40-х гг. XX в. механическая элементная база вычислительных машин стала заменяться электрическими и электронными устройствами. Первые электромеханические машины были созданы в Германии К. Цузе (Ц-3, 1941 г.) и в США под руководством профессора Гарвардского университета Г. Айкена (МАРК-1, 1944 г.). Первая электронная машина создана в США группой инженеров под руководством доктора Пенсильванского университета Дж. Мочли и аспиранта Дж. Экксрта (ЭНИАК — электронный числовой интегратор и калькулятор, 1946 г.). В 1949 г. в Англии была построена EDSAC — первая машина, обладающая автоматическим программным управлением, внутренним запоминающим устройством и другими необходимыми компонентами современных ЭВМ.

Логические схемы вычислительных машин были разработаны в конце 1940;х гг. Дж. фон Нейманом, Г. Гольдстайном и А. В. Берксом. Особый вклад в эту работу внес американский математик Джон фон Нейман, принимавший участие в создании ЭНИАК. Он предложил идею хранения команд управления и данных в машинной памяти и сформулировал основные принципы построения современных ЭВМ. ЭВМ с хранимой программой оказались более быстродействующими и гибкими, чем ранее созданные.

В 1951 г. в США было налажено первое серийное производство электронных машин УНИВАК (универсальная автоматическая вычислительная машина). В это же время фирма IBM начала серийный выпуск машины IBM/701.

В СССР первыми авторами ЭВМ, изобретенной в декабре 1948 г., являются И. С. Брук и Б. И. Рамеев. А первая советская ЭВМ с сохраняющейся программой создана в 1951 г. под руководством С. А Лебедева (МЭСМ — малая электронная счетная машина). В 1953 г. в Советском Союзе начался серийный выпуск машин, первыми их которых были БЭСМ-1, «Стрела».

С появлением цифровых программно-управляемых машин родилась новая область прикладной математики — программирование. Как область науки и профессия она возникла в 1950;х гг. Первоначально программы составлялись вручную на машинных языках (в машинных кодах). Программы были громоздки, их отладка — очень трудоемка. Для упрощения приемов и методов составления и отладки программ были созданы мнемокоды, по структуре близкие к машинному языку и использующие символьную адресацию. Ассемблеры переводили программу, записанную в мнемокоде, на машинный язык и, расширенные макрокомандами, используются и в настоящее время. Далее были созданы автокоды, которые можно применять на различных машинах, и позволившие обмениваться программами. Автокод — набор псевдокоманд для решения специализированных задач, например, научных или инженерных. Для таких задач имеется развитая библиотека стандартных программ.

До конца 1950;х гг. ЭВМ основным элементом конструкции были электронные лампы (1-е поколение). В этот период развитие идеологии и техники программирования шло за счет достижений американских ученых Дж. фон Неймана, сформулировавшего основные принципы построения ЭВМ, и Дж. Бэкуса, под руководством которого в 1954 г. был создан Fortran (Formula Translation) — первый язык программирования высокого уровня, используемый до настоящего времени в разных модификациях. Так, в 1965 г. в Дартмутском колледже Д. Кэмэни и Т. Куртцем была разработана упрощенная версия ФортранаBasic. В 1966 г. комиссия при Американской ассоциации стандартов (ASA) разработала два стандарта языка: Фортран и Базисный Фортран. Используются также дальнейшие модификации языка (например, 1970, 1990 гг.).

Достижения в области электроники и микроэлектроники позволили заменить элементную базу ЭВМ на более совершенную. В конце 1950;х гг. громоздкие электронные лампы заменяют полупроводниками (миниатюрными транзисторами). Появляются ЭВМ II поколения; затем примерно через 10 лет — ЭВМ III поколения на интегральных схемах; еще через 10 лет — ЭВМ IV поколения на больших интегральных схемах (БИС). В Японии в 1990;х гг. реализованы проекты ЭВМ V поколения, в которых использованы достижения в области искусственного интеллекта и биоэлектроники. Если объем оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) одной из лучших отечественных машин 1960;х гг. М-20, созданной под руководством С. А. Лебедева в 1958 г., имел 4096 слов (8 Кбайт) и быстродействие 20 тыс. операций в секунду, то современные персональные компьютеры характеризуются ОЗУ в десятки Мбайт и быстродействием в сотни миллионов операций в секунду, что позволяет решать сложнейшие задачи.

В 1953 г. А. А. Ляпуновым был предложен операторный метод программирования, который заключался в автоматизации программирования, а алгоритм решения задачи представлялся в виде совокупности операторов, образующих логическую схему задачи. Схемы позволяли расчленить громоздкий процесс составления программы, части которой составлялись по формальным правилам, а затем объединялись в целое. Для проверки идей операторного метода в СССР в 1954 г. была разработана первая программирующая программа ПП-1, а в 1955 г. более совершенная — ПП-2. В 1956 г. разработана ПП БЭСМ, в 1957 г. — ППСВ, в 1958 г. — для машины «Стрела».

В США в 1954 г. стал применяться алгебраический подход, совпадающий, по существу, с операторным методом. В 1956 г. корпорацией IBM разработана универсальная ПП Фортран для автоматического программирования на ЭВМ IBM/704.

В этот период по мере накопления опыта и теоретического осмысления совершенствовались языки программирования. В 1958 -1960 гг. в Европе был создан ALGOL, который породил целую серию алголоподобных языков: Algol W, (1967), Algol 68, Pascal (Н. Вирт, 1970 г.), С (Д. Ритчи и Б. Керниган, 1972 г.), Ada (под руководством Ж. Ишбиа, 1979 г.), C++ (1983).

В 1961;1962 гг. Дж. Маккарти в Массачусетском технологическом институте был создан язык функционального программирования Lisp, открывший в программировании одно из альтернативных направлений, предложенных Дж. фон Нейманом.

На начало 1970;х гг. существовало более 700 языков высокого уровня и около 300 трансляторов для автоматизации программирования.