Что такое программа: от машинного кода до языков высокого уровня

Числа из главы 01 и текст из главы 03 — это данные. Программа — принципиально другое: это тоже числа, но такие, которые процессор физически "исполняет" как команды к действию.

Машинный код — команды, которые процессор понимает напрямую

В самом низу лестницы абстракции — машинный код: последовательность чисел, каждое из которых процессор аппаратно распознаёт как конкретную операцию — сложить два числа, переместить данные из одной ячейки памяти в другую, перейти к выполнению другой части программы. Если ты уже знаком с логическими элементами (практический курс электроники) — процессор буквально и есть гигантская сеть таких элементов, физически "зашитых" так, чтобы определённая комбинация битов на входе всегда вызывала определённое действие схемы. Программа на уровне машинного кода — не метафора "компьютер выполняет команды", а буквальное описание того, что происходит физически.

Цикл выполнения команды — в общих чертах

Упрощённо процессор работает циклом из трёх шагов, повторяющимся миллиарды раз в секунду: выборка (взять следующую команду из памяти), декодирование (определить, какую именно операцию она означает) и исполнение (выполнить эту операцию — например, сложить два числа в определённых регистрах). После исполнения процессор переходит к следующей команде, и цикл повторяется.

Ассемблер — тот же машинный код, но с читаемыми именами

Писать программы напрямую числами почти невозможно для человека — отсюда ассемблер (assembly language): каждой машинной команде соответствует читаемое текстовое обозначение (мнемоника) вроде MOV (переместить), ADD (сложить), JMP (перейти). Это по-прежнему очень низкий уровень — программист вручную управляет конкретными регистрами процессора и ячейками памяти, — но хотя бы читаемый человеком, а не голая последовательность цифр.

Языки высокого уровня — думать ближе к задаче, а не к регистрам

Языки высокого уровня (от классических Pascal и C до современного Python) позволяют описывать задачу в терминах, близких к человеческому мышлению или математической записи — "сложить два числа и сохранить результат в переменную x", а не явно указывать, в какой регистр процессора что положить. Одна строка кода высокого уровня разворачивается при трансляции в несколько (иногда десятки) машинных команд — переводческую работу берёт на себя отдельная программа (компилятор или интерпретатор, тема главы 05), а не сам программист вручную.

Ключевое преимущество — переносимость

Программа на языке высокого уровня, в отличие от ассемблера, обычно не привязана к конкретной архитектуре процессора напрямую — один и тот же исходный код (с поправками на особенности конкретной операционной системы) можно скомпилировать или интерпретировать под разные архитектуры отдельными инструментами трансляции, не переписывая сам код заново. Именно поэтому Python-скрипт, написанный на компьютере с одним типом процессора, обычно без изменений работает и на компьютере с другим типом процессора, лишь бы там был установлен подходящий интерпретатор Python.

Лестница абстракции целиком

1. Машинный код — голые числа, которые процессор понимает напрямую
2. Ассемблер — читаемые мнемоники в прямом соответствии с машинным кодом
3. Языки высокого уровня процедурного стиля (Pascal, C) — близко к алгоритмическому мышлению, всё ещё довольно явное управление деталями
4. Современные высокоуровневые языки (Python и подобные) — ещё дальше от деталей железа, больше готовых инструментов "из коробки", выше продуктивность написания кода в обмен на меньший прямой контроль над мельчайшими деталями исполнения

Что дальше

Осталось не разобранным главное — как именно текст программы на языке высокого уровня физически превращается в машинный код, который реально выполнит процессор. Следующая глава — компиляция и интерпретация, два разных ответа на этот вопрос.