برنامج حاسوبي

في عام 1837، ألهم نول جاكارد تشارلز باباج لمحاولة بناء المحرك التحليلي . ^{[ 11 ]} استُعيرت أسماء مكونات جهاز الحساب من صناعة النسيج. في صناعة النسيج، كان الغزل يُجلب من المخزن إلى المطحنة. احتوى الجهاز على مخزن يتكون من ذاكرة لحفظ 1000 رقم، كل منها مكون من 50 خانة عشرية. ^{[ 12 ]} نُقلت الأرقام من المخزن إلى المطحنة للمعالجة. بُرمج المحرك باستخدام مجموعتين من البطاقات المثقبة. تُوجه إحدى المجموعتين العملية، بينما تُدخل المجموعة الأخرى المتغيرات. ^{[ 11 ] [ 13 ]} مع ذلك، لم تعمل آلاف العجلات المسننة والتروس معًا بشكل كامل. ^{[ 14 ]}

عملت آدا لوفليس مع تشارلز باباج على وضع وصف للمحرك التحليلي (1843). ^{[ 15 ]} تضمن الوصف الملاحظة "ج" التي شرحت بالتفصيل طريقة حساب أعداد برنولي باستخدام المحرك التحليلي. ويعتبر بعض المؤرخين هذه الملاحظة أول برنامج حاسوبي في العالم . ^{[ 14 ]}

في عام ١٩٣٦، قدّم آلان تورينج آلة تورينج العالمية ، وهي جهاز نظري قادر على محاكاة أي عملية حسابية. ^{[ ١٦ ]} وهي آلة ذات حالات محدودة مزودة بشريط قراءة/كتابة لا نهائي الطول. تستطيع الآلة تحريك الشريط ذهابًا وإيابًا، مُغيرةً محتوياته أثناء تنفيذ الخوارزمية . تبدأ الآلة من الحالة الابتدائية، وتمر بسلسلة من الخطوات، وتتوقف عند الوصول إلى حالة التوقف. ^{[ ١٧ ]} جميع الحواسيب الحالية كاملة تورينج . ^{[ ١٨ ]}

تم بناء الحاسوب الإلكتروني المتكامل العددي (ENIAC) بين يوليو 1943 وخريف 1945. كان حاسوبًا متعدد الأغراض كاملًا من نوع تورينج، يستخدم 17468 صمامًا مفرغًا لإنشاء الدوائر . في جوهره، كان عبارة عن سلسلة من دوائر باسكالين موصولة ببعضها. ^{[ 19 ]} بلغ وزن وحداته الأربعين 30 طنًا، وشغلت مساحة 1800 قدم مربع (167 مترًا ^مربعًا ) ، واستهلكت 650 دولارًا أمريكيًا في الساعة ( بقيمة عملة الأربعينيات ) من الكهرباء في وضع الخمول. ^{[ 19 ]} احتوى على 20 مُراكمًا من النوع العشري . استغرقت برمجة ENIAC ما يصل إلى شهرين. ^{[ 19 ]} كانت ثلاث طاولات وظائف مزودة بعجلات، وكان لا بد من نقلها إلى لوحات وظائف ثابتة. تم توصيل طاولات الوظائف بلوحات الوظائف عن طريق توصيل كابلات سوداء سميكة بلوحات توصيل . احتوت كل طاولة وظائف على 728 مقبضًا دوارًا. تضمنت برمجة جهاز إينياك أيضًا ضبط بعض المفاتيح البالغ عددها 3000 مفتاح. واستغرق تصحيح أخطاء البرنامج أسبوعًا. ^{[ 20 ]} وقد عمل الجهاز من عام 1947 حتى عام 1955 في ميدان اختبار أبردين ، حيث كان يقوم بحساب معايير القنبلة الهيدروجينية، والتنبؤ بأنماط الطقس، وإنتاج جداول إطلاق النار لتوجيه مدافع المدفعية. ^{[ 21 ]} 

بدلاً من توصيل الأسلاك وتشغيل المفاتيح، يقوم الحاسوب ذو البرنامج المخزن بتحميل تعليماته في الذاكرة تمامًا كما يُحمّل بياناته. ^{[ 22 ]} ونتيجةً لذلك، أصبح بالإمكان برمجة الحاسوب بسرعة وإجراء العمليات الحسابية بسرعات فائقة. ^{[ 23 ]} قام بريسبر إيكرت وجون موشلي ببناء حاسوب إينياك. وقدّم المهندسان مفهوم البرنامج المخزن في مذكرة من ثلاث صفحات مؤرخة في فبراير 1944. ^{[ 24 ]} وفي وقت لاحق، في سبتمبر 1944، بدأ جون فون نيومان العمل على مشروع إينياك. وفي 30 يونيو 1945، نشر فون نيومان المسودة الأولى لتقرير عن حاسوب إيدفاك ، والذي ساوى فيه بين بنية الحاسوب وبنية الدماغ البشري. ^{[ 23 ]} عُرف هذا التصميم باسم بنية فون نيومان . وقد تم تطبيق هذه البنية في آنٍ واحد في بناء حاسوبي إيدفاك وإيدساك في عام 1949. ^{[ 25 ] [ 26 ]}

كان نظام IBM System/360 (1964) عائلة من الحواسيب، تشترك جميعها في نفس بنية مجموعة التعليمات . وكان الطراز 20 أصغرها وأقلها تكلفة. وكان بإمكان العملاء ترقية برامج التطبيقات والاحتفاظ بها . ^{[ 27 ]} أما الطراز 195 فكان الأكثر تميزًا. تميز كل طراز من طرازات System/360 بخاصية البرمجة المتعددة ^{[ 27 ]} ، أي وجود عدة عمليات في الذاكرة في آن واحد. فعندما تنتظر إحدى العمليات إدخال/إخراج ، يمكن لعملية أخرى إجراء الحساب.

خططت شركة IBM لبرمجة كل نموذج باستخدام لغة PL/I . ^{[ 28 ]} شُكّلت لجنة ضمت مبرمجين بلغات COBOL و FORTRAN و ALGOL . كان الهدف هو تطوير لغة شاملة وسهلة الاستخدام وقابلة للتوسيع، لتحل محل لغتي COBOL وFORTRAN. ^{[ 28 ]} وكانت النتيجة لغة كبيرة ومعقدة استغرقت وقتًا طويلاً في التجميع . ^{[ 29 ]}

كانت أجهزة الكمبيوتر المصنعة حتى سبعينيات القرن العشرين مزودة بمفاتيح في اللوحة الأمامية للبرمجة اليدوية. ^{[ 30 ]} وكان برنامج الكمبيوتر يُكتب على الورق للرجوع إليه. وكانت التعليمات تُمثل بتكوين إعدادات التشغيل/الإيقاف. وبعد ضبط التكوين، كان يُضغط على زر التنفيذ. ثم تُكرر هذه العملية. كما كانت برامج الكمبيوتر تُدخل تلقائيًا عبر شريط ورقي أو بطاقات مثقبة أو شريط مغناطيسي . وبعد تحميل الوسيط، كان يُحدد عنوان البداية عبر المفاتيح، ثم يُضغط على زر التنفيذ. ^{[ 30 ]}

كان اختراع دائرة التكامل واسع النطاق للغاية (VLSI) (1964) بمثابة علامة فارقة في تطوير البرمجيات.

حقق روبرت نويس ، المؤسس المشارك لشركتي فيرتشايلد لأشباه الموصلات (1957) وإنتل (1968)، تحسينًا تقنيًا في إنتاج ترانزستورات تأثير المجال (1963). ^{[ 31 ]} يهدف هذا التحسين إلى تغيير المقاومة الكهربائية والتوصيلية لوصلة أشباه الموصلات . في البداية، تُحوّل معادن السيليكات الطبيعية إلى قضبان من السيليكون متعدد التبلور باستخدام عملية سيمنز . ^{[ 32 ]} ثم تُحوّل عملية تشوخرالسكي هذه القضبان إلى بلورة أحادية التبلور من السيليكون . ^{[ 33 ]} بعد ذلك ، تُقطّع البلورة إلى شرائح رقيقة لتشكيل ركيزة رقاقة . ثم تُدمج الترانزستورات أحادية القطب والمكثفات والثنائيات والمقاومات ^{[ 34 ]} على الرقاقة باستخدام عملية الطباعة الضوئية المستوية ، لتكوين مصفوفة من ترانزستورات أشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة (MOS). يُعد ترانزستور MOS المكون الأساسي في رقائق الدوائر المتكاملة . ^{[ 31 ]}

في الأصل، كانت وظائف رقائق الدوائر المتكاملة تُحدد أثناء التصنيع. خلال ستينيات القرن الماضي، انتقل التحكم في التدفق الكهربائي إلى برمجة مصفوفة من ذاكرة القراءة فقط (ROM). كانت المصفوفة تُشبه مصفوفة ثنائية الأبعاد من الصمامات. وكانت عملية تضمين التعليمات في المصفوفة تتم عن طريق حرق الوصلات غير الضرورية.

في عام 1969، تعاقدت شركة Busicom اليابانية المتخصصة في صناعة الآلات الحاسبة مع شركة Intel لتصنيع 12 شريحة دوائر متكاملة، كل منها مخصصة لوظيفة محددة في الآلة الحاسبة. أدرك تيد هوف ، المهندس المكلف بهذه المهمة، أنه يستطيع بناء شريحة واحدة قادرة على تنفيذ برامج حاسوبية لأداء وظائف الآلة الحاسبة الاثنتي عشرة. ^{[ 35 ]} سُميت الشريحة الناتجة بمعالج Intel 4004 الدقيق .

يُستخدم مصطلحا المعالج الدقيق ووحدة المعالجة المركزية (CPU) الآن بشكل متبادل. مع ذلك، فإن وحدات المعالجة المركزية أقدم من المعالجات الدقيقة. على سبيل المثال، كان نظام IBM System/360 (1964) يحتوي على وحدة معالجة مركزية مصنوعة من لوحات دوائر تحتوي على مكونات منفصلة على ركائز خزفية . ^{[ 36 ]}

في عام 1978، بدأت بيئة تطوير البرمجيات الحديثة عندما قامت شركة إنتل بترقية معالجها Intel 8080 إلى Intel 8086. ثم قامت إنتل بتبسيط معالج Intel 8086 لتصنيع معالج Intel 8088 الأرخص سعرًا . ^{[ 37 ]} تبنت شركة IBM معالج Intel 8088 عند دخولها سوق الحواسيب الشخصية (1981). ومع ازدياد طلب المستهلكين على الحواسيب الشخصية، ازداد تطوير معالجات إنتل الدقيقة. يُعرف هذا التطور المتواصل بسلسلة x86 . لغة التجميع x86 هي عائلة من تعليمات الآلة المتوافقة مع الإصدارات السابقة . تم الاحتفاظ بتعليمات الآلة التي تم إنشاؤها في المعالجات الدقيقة السابقة خلال ترقيات المعالجات الدقيقة. مكّن هذا المستهلكين من شراء حواسيب جديدة دون الحاجة إلى شراء برامج تطبيقية جديدة . الفئات الرئيسية للتعليمات هي: ^{[ د ]}

• تعليمات الذاكرة لتعيين الأرقام والسلاسل والوصول إليها في ذاكرة الوصول العشوائي .
• تعليمات وحدة الحساب والمنطق (ALU) لتنفيذ العمليات الحسابية الأساسية على الأعداد الصحيحة .
• تعليمات وحدة الحساب والمنطق (ALU) للفاصلة العائمة لإجراء العمليات الحسابية الأساسية على الأعداد الحقيقية .
• تعليمات مكدس الاستدعاء لدفع وسحب الكلمات اللازمة لتخصيص الذاكرة والتفاعل مع الوظائف .
• تعليمات SIMD ( تعليمات واحدة، بيانات متعددة ) ^{[ e ]} لزيادة السرعة عندما تكون المعالجات المتعددة متاحة لتنفيذ نفس الخوارزمية على مصفوفة من البيانات .

أتاحت دوائر VLSI تطوير بيئة البرمجة من طرفية الحاسوب (حتى تسعينيات القرن العشرين) إلى حاسوب بواجهة مستخدم رسومية (GUI). كانت طرفيات الحاسوب تُقيّد المبرمجين بواجهة سطر أوامر واحدة . خلال سبعينيات القرن العشرين، أصبح تحرير شفرة المصدر بملء الشاشة ممكنًا عبر واجهة مستخدم نصية . وبغض النظر عن التقنية المتاحة، يبقى الهدف هو البرمجة بلغة برمجة .

بدأ تطور لغات البرمجة عندما استخدم جهاز EDSAC (1949) أول برنامج حاسوبي مخزن في بنيته فون نيومان . ^{[ 43 ]} وكانت برمجة جهاز EDSAC من الجيل الأول للغات البرمجة . ^{[ 44 ]}

• الجيل الأول من لغات البرمجة هو لغة الآلة . ^{[ 45 ]} تتطلب لغة الآلة من المبرمج إدخال التعليمات باستخدام أرقام التعليمات التي تُسمى رمز الآلة . على سبيل المثال، عملية الجمع (ADD) على جهاز PDP-11 لها رقم التعليمات 24576. ^{[ f ] [ 46 ]}

• الجيل الثاني من لغات البرمجة هو لغة التجميع . ^{[ 45 ]} تسمح لغة التجميع للمبرمج باستخدام تعليمات مختصرة بدلاً من حفظ أرقام التعليمات. يقوم المُجمِّع بترجمة كل تعليمة مختصرة في لغة التجميع إلى رقمها في لغة الآلة. على سبيل المثال، في جهاز PDP-11، يمكن الإشارة إلى العملية 24576 في شفرة المصدر بالرمز ADD R0,R0. ^{[ 46 ]} تتضمن العمليات الحسابية الأساسية الأربع تعليمات تجميع مثل ADD وSUB وMUL وDIV. ^{[ 46 ]} كما تحتوي المُجمِّعات على تعليمات مثل DW (تعريف كلمة ) لحجز خلايا الذاكرة . بعد ذلك، يمكن لتعليمات MOV نسخ الأعداد الصحيحة بين المسجلات وخلايا الذاكرة تلك.

• يتكون الهيكل الأساسي لعبارة لغة التجميع من تسمية وعملية ومعامل وتعليق . ^{[ 47 ]}

• تسمح التسميات للمبرمج بالعمل مع أسماء المتغيرات . وسيقوم المجمع لاحقًا بترجمة التسميات إلى عناوين الذاكرة الفعلية .
• تتيح العمليات للمبرمج العمل باستخدام أساليب التذكر.
• تُخبر المعاملات المُجمِّع بالبيانات التي ستُعالجها العملية. وسيقوم المُجمِّع لاحقًا بترجمة الرموز والمعاملات إلى أرقام التعليمات.
• تتيح التعليقات للمبرمج صياغة سرد قصصي لأن التعليمات وحدها قد تكون مبهمة للبشر.

تتمثل السمة الرئيسية لبرنامج لغة التجميع في أنه يشكل علاقة تطابق تام مع لغة الآلة المقابلة له. ^{[ 48 ]}

• يستخدم الجيل الثالث من لغات البرمجة المترجمات والمفسرات لتنفيذ برامج الحاسوب. السمة المميزة للغات الجيل الثالث هي استقلالها عن مكونات الأجهزة. ^{[ 49 ]} من اللغات المبكرة: فورتان ( 1958)، كوبول (1959)، ألغول (1960)، وبيسك (1964). ^{[ 45 ]} في عام 1973، ظهرت لغة البرمجة سي كلغة عالية المستوى تُنتج تعليمات فعّالة للغة الآلة . ^{[ 50 ]} بينما كانت لغات الجيل الثالث تاريخيًا تُنتج العديد من تعليمات الآلة لكل عبارة، ^{[ 51 ]} تحتوي لغة سي على عبارات قد تُنتج تعليمة آلة واحدة فقط. ^{[ g ]} علاوة على ذلك، قد يتجاوز المترجم المُحسِّن توجيهات المبرمج ويُنتج عددًا أقل من تعليمات الآلة مقارنةً بالعبارات. اليوم، يضم الجيل الثالث من لغات البرمجة الإجرائية مجموعة واسعة من اللغات.

• يركز الجيل الرابع من لغات البرمجة على النتائج المطلوبة بدلاً من كيفية بناء عبارات البرمجة. ^{[ 45 ]} تسعى اللغات التصريحية إلى الحد من الآثار الجانبية ، مما يسمح للمبرمجين بكتابة تعليمات برمجية بأقل قدر من الأخطاء. ^{[ 45 ]} إحدى لغات الجيل الرابع الشائعة هي لغة الاستعلامات البنيوية (SQL). ^{[ 45 ]} لم يعد مطورو قواعد البيانات بحاجة إلى معالجة كل سجل على حدة. كما يمكن لعبارة SELECT بسيطة توليد سجلات الإخراج دون الحاجة إلى فهم كيفية استرجاعها.

^تحدد اللغات ^{الإجرائية} خوارزمية تسلسلية باستخدام التصريحات والتعبيرات والعبارات : [ ⁵² ]

• يُعرّف التصريح اسم متغير لبرنامج الكمبيوتر ويُسنده إلى نوع بيانات ^{[ 53 ]} - على سبيل المثال:var x: integer;
• ينتج عن التعبير قيمة - على سبيل المثال: 2 + 2ينتج 4
• قد تقوم عبارة ما بتعيين تعبير لمتغير أو استخدام قيمة متغير لتغيير مسار التحكم في البرنامج - على سبيل المثال:x := 2 + 2; if x = 4 then do_something();

ج

حصلت لغة البرمجة C (1973) على اسمها لأن لغة BCPL استُبدلت بلغة B ، وأطلقت مختبرات AT&T Bell Labs على الإصدار التالي اسم "C". وكان الغرض منها كتابة نظام التشغيل UNIX . ^{[ 50 ]} تُعد C لغة صغيرة نسبيًا، مما يُسهّل كتابة المترجمات. وقد واكب نموها نمو الأجهزة في ثمانينيات القرن العشرين. ^{[ 50 ]} كما يعود نموها إلى امتلاكها إمكانيات لغة التجميع ، ولكنها تستخدم بنية نحوية عالية المستوى . وقد أضافت ميزات متقدمة مثل:

• مُجمِّع خطي
• العمليات الحسابية على المؤشرات
• مؤشرات إلى الدوال
• عمليات البت
• الجمع الحر بين المؤثرات المعقدة ^{[ 50 ]}

تتيح لغة C للمبرمج التحكم في منطقة الذاكرة التي سيتم تخزين البيانات فيها. تتطلب المتغيرات العامة والمتغيرات الثابتة أقل عدد من دورات الساعة للتخزين. يتم استخدام المكدس تلقائيًا لتعريف المتغيرات القياسية . تُعاد بيانات الذاكرة الديناميكية إلى متغير مؤشر من malloc()الدالة.

• تقع منطقة البيانات العامة والثابتة فوق منطقة البرنامج مباشرةً . ( تُسمى منطقة البرنامج تقنيًا منطقة النص ، وهي المكان الذي تُخزن فيه تعليمات الآلة).

• تُعتبر منطقة البيانات العامة والثابتة منطقتين من الناحية التقنية. ^{[ 58 ]} تُسمى إحدى المنطقتين " مقطع البيانات المُهيأة "، حيث تُخزن المتغيرات المُعلنة بقيم افتراضية. أما المنطقة الأخرى فتُسمى " مقطع الكتلة المُبدأة" ، حيث تُخزن المتغيرات المُعلنة بدون قيم افتراضية.
• يتم تحديد عناوين المتغيرات المخزنة في منطقة البيانات العامة والثابتة في وقت الترجمة. وتحتفظ هذه المتغيرات بقيمها طوال فترة تشغيل العملية.

• تُخزّن المنطقة العامة والثابتة المتغيرات العامة المُعلنة خارج نطاق main()الدالة. ^{[ 59 ]} المتغيرات العامة مرئية main()لجميع الدوال الأخرى في الكود المصدري.

من جهة أخرى، تُعتبر تعريفات المتغيرات داخل main()الدوال الأخرى، أو ضمن {}حدود الكتل ، متغيرات محلية . تشمل المتغيرات المحلية أيضًا متغيرات المعاملات الرسمية . تُحاط متغيرات المعاملات بأقواس تعريف الدالة. ^{[ 60 ]} توفر المعاملات واجهة للدالة.

• staticتُخزَّن المتغيرات المحلية المُعلنة باستخدام البادئة أيضًا في منطقة البيانات العامة والثابتة . ^{[ 58 ]} على عكس المتغيرات العامة، فإن المتغيرات الثابتة مرئية فقط داخل الدالة أو الكتلة. وتحتفظ المتغيرات الثابتة دائمًا بقيمتها. مثال على استخدامها هو الدالة int increment_counter(){static int counter = 0; counter++; return counter;}^{[ i ]}

• منطقة المكدس هي كتلة متصلة من الذاكرة تقع بالقرب من عنوان الذاكرة العلوي. [ ^{61 ] تُملأ} المتغيرات الموجودة في المكدس من الأعلى إلى الأسفل. ^{[ j ] [ 61 ]} مؤشر المكدس هو سجل مخصص لتتبع آخر عنوان ذاكرة تم ملؤه. ^{[ 61 ]} تُوضع المتغيرات في المكدس باستخدام تعليمة PUSH في لغة التجميع . لذلك، تُحدد عناوين هذه المتغيرات أثناء وقت التشغيل . وتتم إزالة نطاق متغيرات المكدس باستخدام تعليمة POP.

• تُسمى المتغيرات المحلية المُعلنة بدون staticالبادئة، بما في ذلك متغيرات المعاملات الرسمية، ^{[ 62 ]} بالمتغيرات التلقائية ^{[ 59 ]} وتُخزن في المكدس. ^{[ 58 ]} وتكون مرئية داخل الدالة أو الكتلة وتفقد نطاقها عند الخروج من الدالة أو الكتلة.

• تقع منطقة الكومة أسفل المكدس. [ 58 ^{] ويتم ملؤها} من الأسفل إلى الأعلى. يدير نظام التشغيل الكومة باستخدام مؤشر الكومة وقائمة بكتل الذاكرة المخصصة. ^{[ 63 ]} ومثل المكدس، يتم تعيين عناوين متغيرات الكومة أثناء وقت التشغيل. ويحدث خطأ نفاد الذاكرة عندما يتطابق مؤشر الكومة مع مؤشر المكدس.

• توفر لغة Cmalloc() دالة مكتبة لتخصيص ذاكرة الكومة. ^{[ k ] [ 64 ]} يُعد ملء الكومة بالبيانات دالة نسخ إضافية. ^{[ l ]} يتم تمرير المتغيرات المخزنة في الكومة بكفاءة إلى الدوال باستخدام المؤشرات. بدون المؤشرات، سيتعين تمرير كتلة البيانات بأكملها إلى الدالة عبر المكدس.

// grade.h // -------// يُستخدم للسماح لملفات مصدر متعددة بتضمين ملف الرأس هذا دون حدوث أخطاء تكرار. // ---------------------------------------------- #ifndef GRADE_H #define GRADE_Hclass GRADE { public : // هذه عملية البناء. // ---------------------------------- GRADE ( const char letter );// هذا متغير فئة. // ------------------------- حرف حرف ;// هذه عملية عضوية. // --------------------------- int grade_numeric ( const char letter );// هذا متغير فئة. // ------------------------- int numeric ; }; #endif

// grade.cpp // --------- #include "grade.h"GRADE :: GRADE ( const char letter ) { // الإشارة إلى الكائن باستخدام الكلمة المفتاحية 'this'. // ---------------------------------------------- this -> letter = letter ;// هذا هو التماسك الزمني // ------------------------- this -> numeric = grade_numeric ( letter ); }int GRADE :: grade_numeric ( const char letter ) { if ( ( letter == 'A' || letter == 'a' ) ) return 4 ; else if ( ( letter == 'B' || letter == 'b' ) ) return 3 ; else if ( ( letter == 'C' || letter == 'c' ) ) return 2 ; else if ( ( letter == 'D' || letter == 'd' ) ) return 1 ; else if ( ( letter == 'F' || letter == 'f' ) ) return 0 ; else return -1 ; }

// person.h // -------- #ifndef PERSON_H #define PERSON_Hclass PERSON { public : PERSON ( const char * name ); const char * name ; }; #endif

// person.cpp // ---------- #include "person.h"PERSON :: PERSON ( const char * name ) { this -> name = name ; }

// student.h // --------- #ifndef STUDENT_H #define STUDENT_H#include "person.h" #include "grade.h"// الطالب هو مجموعة فرعية من الشخص. // -------------------------------- class STUDENT : public PERSON { public : STUDENT ( const char * name ); GRADE * grade ; }; #endif

// student.cpp // ----------- #include "student.h" #include "person.h"STUDENT :: STUDENT ( const char * name ) : // تنفيذ مُنشئ الفئة الأصلية PERSON. // ------------------------------------------------- PERSON ( name ) { // لا يوجد شيء آخر للقيام به. // ------------------- }

// student_dvr.cpp // --------------- #include <iostream> #include "student.h"int main ( void ) { STUDENT * student = new STUDENT ( "The Student" ); student -> grade = new GRADE ( 'a' );std :: cout // لاحظ أن الطالب يرث اسم الشخص << student- > name << ": الدرجة الرقمية = " << student- > grade- > numeric << " \n " ; return 0 ; }

ملف الإنشاء -------- الكل : مسجل فيديو الطالبتنظيف : rm student_dvr *.o student_dvr : student_dvr.cpp grade.o student.o person.o c ++ student_dvr.cpp grade.o student.o person.o -o student_dvr​​​​​​​grade.o : grade.cpp grade.h c ++ -c grade.cpp​​​student.o : student.cpp student.h c ++ -c student.cpp​​​person.o : person.cpp person.h c ++ -c person.cpp ​​​

تُعاني اللغات الإجرائية من انتقاد رئيسي واحد: قد يؤدي إسناد تعبير إلى متغير غير محلي إلى آثار جانبية غير مقصودة . ^{[ 73 ]} أما اللغات التصريحية، فتتجاهل عمومًا عبارة الإسناد وتدفق التحكم. فهي تصف العملية الحسابية التي يجب إجراؤها، لا كيفية إجرائها. وتنقسم اللغات التصريحية إلى فئتين رئيسيتين: اللغات الوظيفية واللغات المنطقية .

يقوم مبدأ اللغة الوظيفية على استخدام حساب لامدا كدليل لدلالة محددة جيدًا . ^{[ 74 ]} في الرياضيات، الدالة هي قاعدة تربط عناصر من تعبير بنطاق من القيم . لنأخذ الدالة التالية كمثال:

times_10(x) = 10 * x

تُحوّل الدالة التعبير إلى نطاق من القيم . إحدى هذه القيم هي 20، ويحدث هذا عندما تكون قيمة x تساوي 2. لذا، يُمكن كتابة تطبيق الدالة رياضيًا على النحو التالي:10 * xtimes_10()

times_10(2) = 20

لن يقوم مُصرّف لغة البرمجة الوظيفية بتخزين هذه القيمة في متغير. بدلاً من ذلك، سيدفع القيمة إلى مكدس الحاسوب قبل إعادة ضبط عداد البرنامج إلى الدالة المُستدعِية. ثم ستقوم الدالة المُستدعِية بسحب القيمة من المكدس. ^{[ 75 ]}

تدعم اللغات الإجرائية الدوال. لذا، يمكن تحقيق البرمجة الوظيفية في لغة إجرائية إذا التزم المبرمج بالانضباط. مع ذلك، تفرض اللغة الوظيفية هذا الانضباط على المبرمج من خلال بنيتها النحوية. تتميز اللغات الوظيفية ببنية نحوية مصممة خصيصًا للتأكيد على " ماذا" . ^{[ 76 ]}

يُطوَّر البرنامج الوظيفي بمجموعة من الدوال الأساسية متبوعة بدالة تشغيل واحدة. ^{[ 73 ]} انظر إلى المقتطف التالي :

function max( a, b ){/* code omitted */}

function min( a, b ){/* code omitted */}

function range( a, b, c ) {

return max( a, max( b, c ) ) - min( a, min( b, c ) );

}

العناصر الأساسية هي max()و min(). الدالة الرئيسية هي range(). جارٍ التنفيذ:

put( range( 10, 4, 7) );سيخرج الرقم 6.

تُستخدم اللغات الوظيفية في أبحاث علوم الحاسوب لاستكشاف خصائص لغوية جديدة. ^{[ 77 ]} علاوة على ذلك، فإنّ انعدام آثارها الجانبية جعلها شائعة في البرمجة المتوازية والبرمجة المتزامنة . ^{[ 78 ]} مع ذلك، يُفضّل مطورو التطبيقات خصائص البرمجة الكائنية في اللغات الإجرائية . ^{[ 78 ]}

fun times_10 ( n : int ) : int = 10 * n ;

10 مرات 2

قط ( توم ). % توم قط. فأر ( جيري ). % جيري فأر.حيوان ( X ) :- قط ( X ). % كل قط حيوان حيوان ( X ) : - فأر ( X ). % كل فأر حيوانكبير ( X ) :- قط ( X ). % كل قط كبير صغير ( X ) :- فأر ( X ). % كل فأر صغيريأكل ( س ، ص ) :- فأر ( س )، جبن ( ص ). % كل فأر يأكل كل جبن. يأكل ( س ، ص ) :- كبير ( س )، صغير ( ص ). % كل حيوان كبير يأكل كل حيوان صغير.

?- يأكل ( توم ، جيري ). صحيح

numeric_grade ( 'A' , 4 ) .numeric_grade ( 'B' , 3 ) .numeric_grade ( 'C' , 2 ) .numeric_grade ( 'D' , 1 ) .numeric_grade ( 'F' , 0 ) .numeric_grade ( X , -1 ) :- not X = 'A' , not X = ' B' , not X = 'C' , not X = ' D' , not X = ' F'.grade ( 'The Student' , 'A' ).

?- grade ( 'The Student' , X ), numeric_grade ( X , Y ). X = 'A' , Y = 4

billows_fire ( X ) :- is_a_dragon ( X ).

billows_fire ( X ) :- is_a_creature ( X ), is_a_parent_of ( Y , X ), billows_fire ( Y ).

is_a_parent_of ( X , Y ):- is_the_mother_of ( X , Y ). is_a_parent_of ( X , Y ):- is_the_father_of ( X , Y ).

is_a_creature ( X ) :- is_a_dragon ( X ).

نوربرتا تنين . باف مخلوق . نوربرتا ، باف أم .​​​

?- billows_fire ( X ).

X = نوربرتا X = باف

البرمجة كائنية التوجه هي أسلوب برمجي لتنفيذ العمليات ( الدوال ) على الكائنات . ^{[ 91 ]} تقوم الفكرة الأساسية على تجميع خصائص ظاهرة ما في حاوية كائنية وتسمية هذه الحاوية. كما تُجمّع العمليات التي تُجرى على الظاهرة داخل الحاوية. ^{[ 91 ]} وقد تطورت البرمجة كائنية التوجه من خلال الجمع بين الحاجة إلى الحاويات والحاجة إلى برمجة وظيفية آمنة . ^{[ 92 ]} ولا يقتصر هذا الأسلوب البرمجي على لغة كائنية التوجه . ^{[ 93 ]} في لغة كائنية التوجه، تُسمى حاوية الكائن فئة . أما في لغة غير كائنية التوجه، فيمكن أن تصبح بنية البيانات (المعروفة أيضًا بالسجل ) حاوية كائن. ولتحويل بنية البيانات إلى حاوية كائن، يجب كتابة العمليات خصيصًا لهذه البنية. وتُسمى البنية الناتجة نوع بيانات مجرد . ^{[ 94 ]} ومع ذلك، سيغيب مفهوم الوراثة . ولكن يمكن التغلب على هذا القصور.

فيما يلي ملف رأس بلغة البرمجة C لنوع البيانات المجرد GRADE في تطبيق مدرسي بسيط:

/* grade.h */ /* ------- *//* يُستخدم للسماح بتضمين ملفات مصدر متعددة */ /* ملف الرأس هذا دون حدوث أخطاء تكرار. */ /* ---------------------------------------------- */ #ifndef GRADE_H #define GRADE_Htypedef struct { char letter ; } GRADE ;/* المُنشئ */ /* ----------- */ GRADE * grade_new ( char letter );int grade_numeric ( char letter ); #endif

تؤدي هذه grade_new()الدالة نفس خوارزمية عملية البناء في لغة C++ .

فيما يلي ملف مصدر بلغة البرمجة C لنوع البيانات المجرد GRADE في تطبيق مدرسي بسيط:

/* grade.c */ /* ------- */ #include "grade.h"GRADE * grade_new ( char letter ) { GRADE * grade ;/* تخصيص ذاكرة الكومة */ /* -------------------- */ if ( ! ( grade = calloc ( 1 , sizeof ( GRADE ) ) ) ) { fprintf ( stderr , "خطأ في %s/%s/%d: calloc() أعادت قيمة فارغة. \n " , __FILE__ , __FUNCTION__ , __LINE__ ); exit ( 1 ); }grade -> letter = letter ; return grade ; }دالة ` grade_numeric` تأخذ حرفًا كمدخل وتستقبله كمعامل . إذا كان الحرف ` A` أو ` a` ، تُرجع الدالة القيمة 4. وإذا كان الحرف ` B` أو ` b` ، تُرجع الدالة القيمة 3. وإذا كان الحرف ` C` أو ` c` ، تُرجع الدالة القيمة 2. وإذا كان الحرف ` D` أو ` d` ، تُرجع الدالة القيمة 1. وإذا كان الحرف ` F` أو ` f` ، تُرجع الدالة القيمة 0. وإلا ، تُرجع الدالة القيمة -1 .​​​​​​​​​​

calloc()في الدالة البانية، يتم استخدام الدالة بدلاً من ذلك malloc()لأن كل خلية ذاكرة سيتم تعيينها إلى الصفر.

فيما يلي ملف رأس بلغة البرمجة C لنوع البيانات المجرد PERSON في تطبيق مدرسي بسيط:

/* person.h */ /* -------- */ #ifndef PERSON_H #define PERSON_Htypedef struct { char * name ; } PERSON ;/* المُنشئ */ /* ----------- */ PERSON * person_new ( char * name ); #endif

فيما يلي ملف مصدر بلغة البرمجة C لنوع البيانات المجرد PERSON في تطبيق مدرسي بسيط:

/* person.c */ /* -------- */ #include "person.h"PERSON * person_new ( char * name ) { PERSON * person ;/* تم حذف التحقق من الأخطاء */ person = calloc ( 1 , sizeof ( PERSON ) );person -> name = name ; return person ; }

فيما يلي ملف رأس بلغة البرمجة C لنوع البيانات المجرد STUDENT في تطبيق مدرسي بسيط:

/* student.h */ /* --------- */ #ifndef STUDENT_H #define STUDENT_H#include "person.h" #include "grade.h"typedef struct { /* الطالب هو مجموعة فرعية من الشخص. */ /* -------------------------------- */ الشخص * شخص ;الدرجة * الدرجة ؛ } الطالب ؛/* المُنشئ */ /* ----------- */ STUDENT * student_new ( char * name ); #endif

فيما يلي ملف مصدر بلغة البرمجة C لنوع البيانات المجرد STUDENT في تطبيق مدرسي بسيط:

/* student.c */ /* --------- */ #include "student.h" #include "person.h"STUDENT * student_new ( char * name ) { STUDENT * student ;/* تم حذف التحقق من الأخطاء */ student = calloc ( 1 , sizeof ( STUDENT ) ); /* تنفيذ مُنشئ الفئة الأساسية PERSON. */ /* ------------------------------------------------- */ student- > person = person_new ( name ); return student ; }

إليكم برنامج تشغيل توضيحي:

/* student_dvr.c */ /* ------------- */ #include <stdio.h> #include "student.h"int main ( void ) { STUDENT * student = student_new ( "The Student" ); student -> grade = grade_new ( 'a' );printf ( "%s: الدرجة الرقمية = %d \n " , /* بينما توجد مجموعة فرعية، لا يوجد وراثة. */ student- > person- > name , /* البرمجة الوظيفية هي تنفيذ الدوال في الوقت المناسب (JIT) */ grade_numeric ( student- > grade- > letter ) );return 0 ; }

إليك ملف makefile لتجميع كل شيء:

ملف الإنشاء -------- الكل : مسجل فيديو الطالبتنظيف : rm student_dvr *.o student_dvr : student_dvr.c grade.o student.o person.o gcc student_dvr.c grade.o student.o person.o -o student_dvr​​​​​​​​grade.o : grade.c grade.h gcc -c grade.c​​​​student.o : student.c student.h gcc -c student.c​​​​person.o : person.c person.h gcc -c person.c​​​​ 

تتمثل الاستراتيجية الرسمية لبناء كائنات موجهة نحو الكائنات في: ^{[ 95 ]}

• حدد الأشياء. على الأرجح ستكون أسماء.
• حدد سمات كل عنصر. ما الذي يساعد في وصف العنصر؟
• حدد أفعال كل شيء. على الأرجح ستكون هذه أفعالاً.
• حدد العلاقات بين الأشياء. على الأرجح ستكون هذه العلاقات عبارة عن أفعال.

على سبيل المثال:

• الشخص هو إنسان يتم التعرف عليه من خلال اسمه.
• الدرجة هي إنجاز يتم تحديده بحرف.
• الطالب هو الشخص الذي يحصل على درجة.

تُعرَّف بنية برنامج الحاسوب بأنها قائمة من قواعد الإنتاج التي تُشكِّل قواعده النحوية . ^{[ 96 ]} تُرتِّب قواعد لغة البرمجة التصريحات والتعبيرات والعبارات في المواضع الصحيحة . ^{[ 97 ]} تُكمِّل دلالات اللغة بنية اللغة ، إذ تصف المعاني المرتبطة بمختلف البنى النحوية. [ ^{98 ] قد} تحتاج البنية النحوية إلى وصف دلالي لأن قاعدة الإنتاج قد يكون لها تفسير غير صحيح. ^{[ 99 ]} كذلك، قد تتشابه لغات مختلفة في بنيتها النحوية، لكن سلوكها قد يختلف.

يُوصَف تركيب اللغة رسميًا من خلال سرد قواعد الإنتاج. في حين أن تركيب اللغة الطبيعية معقد للغاية، يمكن أن تحتوي مجموعة فرعية من اللغة الإنجليزية على قائمة قواعد الإنتاج التالية: ^{[ 100 ]}

1. تتكون الجملة من عبارة اسمية متبوعة بعبارة فعلية ؛
2. تتكون العبارة الاسمية من أداة تعريف متبوعة بصفة متبوعة باسم ؛
3. تتكون العبارة الفعلية من فعل متبوع بعبارة اسمية ؛
4. أداة التعريف هي "the"؛
5. الصفة هي "كبير" أو
6. الصفة هي "صغير" ؛
7. الاسم هو "قطة" أو
8. الاسم هو "الفأر" ؛
9. الفعل هو "يأكل" ؛

الكلمات المكتوبة بخط غامق تُعرف بالرموز غير الطرفية . أما الكلمات الموجودة بين علامتي اقتباس مفردتين فتُعرف بالرموز الطرفية . ^{[ 101 ]}

انطلاقًا من قائمة قواعد الإنتاج هذه، يمكن تكوين جمل كاملة باستخدام سلسلة من عمليات الاستبدال. ^{[ 102 ]} وتتمثل العملية في استبدال الرموز غير الطرفية إما برمز غير طرفي صالح أو برمز طرفي صالح . وتتكرر عملية الاستبدال حتى لا يتبقى سوى الرموز الطرفية . ومن الجمل الصحيحة:

• جملة
• عبارة اسمية عبارة فعلية
• أداة تعريف، صفة، اسم ، فعل، عبارة
• الصفة الاسم الفعل العبارة
• العبارة الاسمية الفعلية الكبيرة
• عبارة فعلية عن القطط الكبيرة
• القط الكبير فعل اسم عبارة
• القط الكبير يأكل عبارة اسمية
• القط الكبير يأكل مقالة صفة اسم​
• القط الكبير يأكل الصفة الاسم​​
• القط الكبير يأكل الاسم الصغير​​
• القط الكبير يأكل الفأر الصغير​​

لكن هناك تركيبة أخرى تؤدي إلى جملة غير صالحة:

• الفأر الصغير يأكل القط الكبير​​

لذلك، فإن الدلالة ضرورية لوصف معنى نشاط الأكل بشكل صحيح .

تُعرف إحدى طرق سرد قواعد الإنتاج بصيغة باكوس-ناور (BNF). ^{[ 103 ]} تصف صيغة باكوس-ناور (BNF) بنية اللغة، ولها هي نفسها بنية . يُعد هذا التعريف التكراري مثالًا على لغة وصفية . ^{[ 98 ]} تتضمن بنية صيغة باكوس-ناور (BNF) ما يلي:

• ::=وهذا يعني أنه يتكون من a[n] عندما يكون رمز غير طرفي على يمينه. ويعني أنه يكون عندما يكون رمز طرفي على يمينه.
• |والتي تُترجم إلى أو .
• <والتي >تحيط بالرموز غير الطرفية .

باستخدام صيغة BNF، يمكن أن تحتوي مجموعة فرعية من اللغة الإنجليزية على قائمة قواعد الإنتاج التالية :

< جملة > ::= < عبارة اسمية >< عبارة فعلية > < عبارة اسمية > ::= < أداة تعريف >< صفة >< اسم > < عبارة فعلية > ::= < فعل >< عبارة اسمية > < أداة تعريف > ::= الـ < صفة > ::= كبير | صغير < اسم > ::= قط | فأر < فعل > ::= يأكل 

باستخدام صيغة BNF، فإن العدد الصحيح الموقّع له قائمة قواعد الإنتاج التالية : ^{[ 104 ]}

< عدد صحيح مُوقّع > ::= < إشارة >< عدد صحيح > < إشارة > ::= + | - < عدد صحيح > ::= < رقم > | < رقم >< عدد صحيح > < رقم > ::= 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 

لاحظ قاعدة الإنتاج التكرارية:

< عدد صحيح > ::= < رقم > | < رقم >< عدد صحيح >

يُتيح هذا عددًا لا نهائيًا من الاحتمالات. لذا، من الضروري وجود دلالة لوصف محدودية عدد الأرقام.

لاحظ احتمال الصفر البادئ في قواعد الإنتاج:

< عدد صحيح > ::= < رقم > | < رقم >< عدد صحيح > < رقم > ::= 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 

لذلك، من الضروري وجود دلالة لوصف ضرورة تجاهل الأصفار البادئة.

تتوفر طريقتان رسميتان لوصف الدلالات . وهما الدلالات الدلالية والدلالات البديهية . ^{[ 105 ]}

يهدف محلل النظم إلى تقديم المعلومات الصحيحة للشخص المناسب في الوقت المناسب. ^{[ 108 ]} العوامل الحاسمة لتحقيق هذا الهدف هي: ^{[ 108 ]}

1. جودة المخرجات. هل المخرجات مفيدة في عملية صنع القرار؟
2. دقة المخرجات. هل تعكس الوضع الحقيقي؟
3. تنسيق المخرجات. هل المخرجات سهلة الفهم؟
4. سرعة الإخراج. المعلومات الحساسة للوقت مهمة عند التواصل مع العميل في الوقت الفعلي.

ينبغي تحقيق أهداف الأداء مع مراعاة جميع التكاليف، بما في ذلك: ^{[ 109 ]}

1. تكاليف التطوير.
2. تُكلّف التفرّدات الكثير. قد يكون النظام القابل لإعادة الاستخدام مكلفاً، ولكنه قد يكون مفضلاً على النظام ذي الاستخدام المحدود.
3. تكاليف الأجهزة.
4. تكاليف التشغيل.

إن تطبيق عملية تطوير الأنظمة من شأنه أن يخفف من البديهية القائلة بأنه كلما تأخر اكتشاف الخطأ في العملية، زادت تكلفة تصحيحه. ^{[ 110 ]}

يُعد نموذج الشلال تطبيقًا لعملية تطوير الأنظمة . ^{[ 111 ]} وكما يوحي اسم الشلال ، فإن المراحل الأساسية تتداخل مع بعضها البعض: ^{[ 112 ]}

1. تتمثل مرحلة التحقيق في فهم المشكلة الأساسية.
2. تتمثل مرحلة التحليل في فهم الحلول الممكنة.
3. تتمثل مرحلة التصميم في التخطيط لأفضل حل.
4. تتمثل مرحلة التنفيذ في برمجة الحل الأمثل.
5. تستمر مرحلة الصيانة طوال عمر النظام. وقد يلزم إجراء تغييرات على النظام بعد نشره. ^{[ 113 ]} قد توجد أعطال، بما في ذلك أعطال في المواصفات، أو التصميم، أو البرمجة. وقد يكون من الضروري إجراء تحسينات. كما قد يكون من الضروري التكيف مع البيئة المتغيرة.

مبرمج الحاسوب هو متخصص مسؤول عن كتابة أو تعديل شفرة المصدر لتنفيذ الخطة التفصيلية. ^{[ 107 ]} غالبًا ما يكون فريق البرمجة ضروريًا لأن معظم الأنظمة أكبر من أن ينجزها مبرمج واحد. ^{[ 114 ]} مع ذلك، قد لا يؤدي إضافة مبرمجين إلى المشروع إلى تقصير مدة الإنجاز، بل قد يُقلل من جودة النظام. ^{[ 114 ]} لكي يكون البرنامج فعالًا، يجب تحديد وحدات البرنامج وتوزيعها على أعضاء الفريق. ^{[ 114 ]} كما يجب أن يتفاعل أعضاء الفريق فيما بينهم بطريقة هادفة وفعالة. ^{[ 114 ]}

قد يبرمج مبرمجو الحاسوب على نطاق صغير : أي البرمجة داخل وحدة برمجية واحدة. ^{[ 115 ]} ومن المرجح أن تقوم الوحدة البرمجية بتنفيذ وحدات برمجية أخرى موجودة في ملفات شفرة مصدرية أخرى. لذلك، قد يبرمج مبرمجو الحاسوب على نطاق واسع : أي برمجة الوحدات البرمجية بحيث تتكامل فيما بينها بكفاءة. ^{[ 115 ]} وتشمل البرمجة على نطاق واسع المساهمة في واجهة برمجة التطبيقات (API).

البرمجة المعيارية هي أسلوب لتحسين برامج اللغات الإجرائية . قد تُقلل البرامج المُحسّنة من حجم البرنامج، وتفصل بين المهام، وبالتالي تُخفف من تقادم البرنامج . وحدة البرنامج هي سلسلة من التعليمات البرمجية المحصورة ضمن كتلة ، ويتم تعريفها معًا باسم. ^{[ 116 ]} تحتوي الوحدات ^على وظيفة وسياق ومنطق . [ ^{117 ]}

• وظيفة الوحدة هي ما تقوم به .
• سياق الوحدة هو العناصر التي يتم تنفيذها عليها .
• منطق الوحدة هو كيفية أدائها للوظيفة .

ينبغي أن يُشتق اسم الوحدة أولاً من وظيفتها ، ثم من سياقها . ولا ينبغي أن يكون منطقها جزءًا من الاسم. ^{[ 117 ]} على سبيل المثال، يُعدّ كل من `<اسم الوحدة> function compute_square_root( x )` و`< اسم الوحدة>` اسمين مناسبين. أما `<اسم الوحدة>` فلا يُعدّ كذلك.function compute_square_root_integer( i : integer )function compute_square_root_by_division( x )

تُعرف درجة التفاعل داخل الوحدة البرمجية بمستوى تماسكها . [ ^{117 ] ويُقصد} بالتماسك تقييم العلاقة بين اسم الوحدة ووظيفتها . أما درجة التفاعل بين الوحدات البرمجية فتُعرف بمستوى اقترانها . ^{[ 118 ]} ويُقصد بالاقتران تقييم العلاقة بين سياق الوحدة والعناصر التي تُنفذ عليها.

مستويات التماسك من الأسوأ إلى الأفضل هي: ^{[ 119 ]}

• التماسك العرضي : يتمتع الموديول بتماسك عرضي إذا كان يؤدي وظائف متعددة، وهذه الوظائف غير مترابطة تمامًا. على سبيل المثال، function read_sales_record_print_next_line_convert_to_float()يحدث التماسك العرضي عمليًا عندما تفرض الإدارة قواعد غير منطقية. على سبيل المثال، "سيحتوي كل موديول على ما بين 35 و50 عبارة قابلة للتنفيذ." ^{[ 119 ]}
• التماسك المنطقي: تتمتع الوحدة النمطية بالتماسك المنطقي إذا كانت تحتوي على سلسلة من الوظائف المتاحة، ولكن يتم تنفيذ واحدة منها فقط. على سبيل المثال، function perform_arithmetic( perform_addition, a, b ).
• التماسك الزمني : يتمتع الموديول بالتماسك الزمني إذا كان يؤدي وظائف مرتبطة بالوقت. مثال على ذلك: ... function initialize_variables_and_open_files()مثال آخر: ...stage_one()stage_two()
• التماسك الإجرائي : تتمتع الوحدة النمطية بالتماسك الإجرائي إذا كانت تؤدي وظائف متعددة مترابطة بشكل غير مباشر. على سبيل المثال، function read_part_number_update_employee_record().
• التماسك التواصلي : تتمتع الوحدة بتماسك تواصلي إذا كانت تؤدي وظائف متعددة مترابطة ترابطًا وثيقًا. على سبيل المثال، function read_part_number_update_sales_record()...
• التماسك المعلوماتي : يتمتع الموديول بالتماسك المعلوماتي إذا كان يؤدي وظائف متعددة، ولكن لكل وظيفة نقاط دخول وخروج خاصة بها. علاوة على ذلك، تشترك الوظائف في نفس بنية البيانات. تعمل الفئات الموجهة للكائنات على هذا المستوى.
• التماسك الوظيفي : يتمتع الموديول بالتماسك الوظيفي إذا حقق هدفًا واحدًا بالاعتماد فقط على المتغيرات المحلية. علاوة على ذلك، قد يكون قابلاً لإعادة الاستخدام في سياقات أخرى.

مستويات الاقتران من الأسوأ إلى الأفضل هي: ^{[ 118 ]}

• الاقتران بالمحتوى : يكون للوحدة البرمجية اقتران بالمحتوى إذا قامت بتعديل متغير محلي لدالة أخرى. كانت لغة كوبول تستخدم فعل التعديل (alter ) لهذا الغرض.
• الاقتران المشترك : يكون للوحدة النمطية اقتران مشترك إذا قامت بتعديل متغير عام.
• الترابط التحكمي : يكون للوحدة النمطية ترابط تحكمي إذا كان بإمكان وحدة نمطية أخرى تعديل مسار التحكم الخاص بها . على سبيل المثال perform_arithmetic( perform_addition, a, b )، يجب أن يكون التحكم في تكوين الكائن المُعاد.
• الاقتران الطابعي : يكون للوحدة اقتران طابعي إذا تم تعديل عنصر من بنية البيانات التي تم تمريرها كمعامل. تعمل الفئات الموجهة للكائنات على هذا المستوى.
• ترابط البيانات : يكون للوحدة ترابط بيانات إذا كانت جميع معلمات الإدخال الخاصة بها مطلوبة ولم يتم تعديل أي منها. علاوة على ذلك، يتم إرجاع نتيجة الدالة ككائن واحد.

يُعد تحليل تدفق البيانات أسلوبًا تصميميًا يُستخدم لتحقيق التماسك الوظيفي وترابط البيانات بين الوحدات . ^{[ 120 ]} المدخل لهذا الأسلوب هو مخطط تدفق البيانات ، وهو عبارة عن مجموعة من الأشكال البيضاوية التي تُمثل الوحدات. يُعرض اسم كل وحدة داخل شكلها البيضاوي. قد تكون الوحدات على مستوى التنفيذ أو على مستوى الوظائف.

يحتوي المخطط أيضًا على أسهم تربط الوحدات ببعضها. تمثل الأسهم المتجهة إلى داخل الوحدات مجموعة من المدخلات. يجب أن تحتوي كل وحدة على سهم واحد فقط يشير إلى خارجها لتمثيل ناتجها الوحيد. (اختياريًا، يمكن إضافة سهم استثناء يشير إلى الخارج). سلسلة من الأشكال البيضاوية توضح الخوارزمية كاملة . يجب أن تبدأ المخطط بوحدات الإدخال. يجب أن تتصل وحدات الإدخال بوحدات التحويل. يجب أن تتصل وحدات التحويل بوحدات الإخراج. ^{[ 121 ]}

تُعدّ برامج التطبيقات مفتاحًا لإطلاق إمكانات نظام الحاسوب. ^{[ 123 ]} تتضمن برامج تطبيقات المؤسسات حزمًا لتطبيقات المحاسبة، وشؤون الموظفين، والعملاء، والموردين. ومن الأمثلة على ذلك برامج تخطيط موارد المؤسسات ، وإدارة علاقات العملاء ، وإدارة سلسلة التوريد .

قد تُطوَّر تطبيقات المؤسسات داخليًا كبرمجيات احتكارية فريدة من نوعها . ^{[ 124 ]} أو قد تُشترى كبرمجيات جاهزة . ويمكن تعديل البرمجيات المشتراة لتوفير برمجيات مخصصة . وفي حال تخصيص التطبيق، تُستخدم موارد الشركة أو تُستعان بمصادر خارجية لتطويره. وقد يكون تطوير البرمجيات الخارجية من بائع البرمجيات الأصلي أو من مطور طرف ثالث. ^{[ 125 ]}

تتمثل المزايا المحتملة للبرمجيات الداخلية في إمكانية تطوير الميزات والتقارير بدقة وفقًا للمواصفات المطلوبة. ^{[ 126 ]} كما يمكن للإدارة المشاركة في عملية التطوير وتوفير مستوى من التحكم. ^{[ 127 ]} وقد تقرر الإدارة مواجهة مبادرة جديدة من المنافس أو تنفيذ متطلبات العميل أو المورد. ^{[ 128 ]} وقد تستلزم عمليات الاندماج والاستحواذ تغييرات في برمجيات المؤسسة. أما العيوب المحتملة للبرمجيات الداخلية فتتمثل في ارتفاع تكاليف الوقت والموارد. ^{[ 124 ]} علاوة على ذلك، قد تظهر مخاطر تتعلق بالميزات والأداء.

تتمثل المزايا المحتملة للبرامج الجاهزة في إمكانية تحديد التكاليف الأولية، وتلبية الاحتياجات الأساسية، ووجود سجل حافل بالأداء والموثوقية. ^{[ 124 ]} أما عيوبها المحتملة فتتمثل في احتوائها على ميزات غير ضرورية قد تُربك المستخدمين النهائيين، وافتقارها إلى الميزات التي تحتاجها المؤسسة، وعدم توافق تدفق البيانات مع عمليات العمل فيها. ^{[ 124 ]}

نظام التشغيل هو البرنامج منخفض المستوى الذي يدعم الوظائف الأساسية للكمبيوتر، مثل جدولة العمليات والتحكم في الأجهزة الطرفية . ^{[ 122 ]}

في خمسينيات القرن العشرين، كان المبرمج، الذي كان يشغل أيضًا منصب المشغل، يكتب برنامجًا ويشغله. بعد انتهاء تنفيذ البرنامج، كان يتم طباعة المخرجات، أو تثقيبها على شريط ورقي أو بطاقات لمعالجتها لاحقًا. ^{[ 30 ]} في أغلب الأحيان، لم يكن البرنامج يعمل. عندها كان المبرمج ينظر إلى أضواء لوحة التحكم ويعبث بمفاتيحها. وفي حال لم يحالفه الحظ، كان يطبع نسخة من الذاكرة لمزيد من الدراسة. في ستينيات القرن العشرين، قلل المبرمجون من الوقت الضائع عن طريق أتمتة عمل المشغل. وكان برنامج يُسمى نظام التشغيل يُحفظ في الحاسوب طوال الوقت. ^{[ 130 ]}

قد يشير مصطلح نظام التشغيل إلى مستويين من البرمجيات. [ 131] قد يشير نظام التشغيل إلى برنامج النواة الذي يدير العمليات والذاكرة ^{والأجهزة . وبشكل} أوسع ، قد يشير نظام التشغيل إلى حزمة البرمجيات المركزية بأكملها. تتضمن هذه الحزمة برنامج النواة، ومفسر سطر الأوامر ، وواجهة المستخدم الرسومية ، وبرامج الأدوات المساعدة ، والمحرر . ^{[ 131 ]}

برنامج النواة

يتمثل الغرض الرئيسي لنواة النظام في إدارة الموارد المحدودة للحاسوب:

• يجب أن يقوم برنامج النواة بجدولة العمليات ، ^{[ 132 ]} وهو ما يُعرف أيضًا بتبديل السياق . تُنشئ النواة كتلة تحكم في العملية عند اختيار برنامج حاسوبي للتنفيذ . مع ذلك، لا يحصل البرنامج قيد التنفيذ إلا على حق الوصول الحصري إلى وحدة المعالجة المركزية لفترة زمنية محددة . ولتوفير مظهر الوصول المستمر لكل مستخدم، تُقاطع النواة بسرعة كل كتلة تحكم في العملية لتنفيذ كتلة أخرى. والهدف من مطوري النظام هو تقليل زمن استجابة الإرسال .

• ينبغي لبرنامج النواة أن يقوم بإدارة الذاكرة .

• عندما يقوم نظام التشغيل بتحميل ملف تنفيذي إلى الذاكرة، فإنه يقسم مساحة العناوين منطقيًا إلى مناطق . ^{[ 133 ]} يحتفظ نظام التشغيل بجدول رئيسي للمناطق، بالإضافة إلى العديد من جداول مناطق العمليات (pregion) - جدول لكل عملية قيد التشغيل . ^{[ 133 ]} تُشكل هذه الجداول مساحة العناوين الافتراضية . يُستخدم الجدول الرئيسي للمناطق لتحديد موقع محتوياته في الذاكرة الفعلية . تسمح جداول مناطق العمليات لكل عملية بامتلاك منطقة خاصة بها للبرنامج (النص)، ومنطقة خاصة بالبيانات، ومنطقة خاصة بالمكدس.
• يخزن ملف pregion الخاص بالبرنامج تعليمات الآلة. وبما أن تعليمات الآلة لا تتغير، فقد تتشارك العديد من عمليات نفس الملف التنفيذي ملف pregion. ^{[ 133 ]}
• لتوفير الوقت والذاكرة، قد يقوم نظام التشغيل بتحميل كتل من تعليمات التنفيذ فقط من محرك الأقراص، وليس ملف التنفيذ بأكمله. ^{[ 132 ]}
• تتولى النواة مسؤولية ترجمة العناوين الافتراضية إلى عناوين فعلية . قد تطلب النواة بيانات من وحدة تحكم الذاكرة ، ولكنها تتلقى بدلاً من ذلك خطأ في الصفحة . ^{[ 134 ]} في هذه الحالة، تصل النواة إلى وحدة إدارة الذاكرة لتعبئة منطقة البيانات الفعلية وترجمة العنوان. ^{[ 135 ]}
• يقوم نظام التشغيل بتخصيص الذاكرة من الكومة بناءً على طلب العملية. ^{[ 64 ]} وعندما تنتهي العملية من استخدام الذاكرة، يمكنها طلب تحريرها . إذا انتهت العملية دون طلب تحرير جميع الذاكرة المخصصة، يقوم نظام التشغيل بجمع البيانات المهملة لتحرير الذاكرة.
• كما تضمن النواة أن العملية لا تصل إلا إلى ذاكرتها الخاصة، وليس إلى ذاكرة النواة أو ذاكرة العمليات الأخرى. ^{[ 132 ]}

• ينبغي لبرنامج النواة أن يقوم بإدارة نظام الملفات . ^{[ 132 ]} تحتوي النواة على تعليمات لإنشاء الملفات واسترجاعها وتحديثها وحذفها.
• ينبغي لبرنامج النواة إدارة الأجهزة . ^{[ 132 ]} توفر النواة برامج لتوحيد وتبسيط واجهة المستخدم مع الفأرة ولوحة المفاتيح ومحركات الأقراص والطابعات وغيرها من الأجهزة. علاوة على ذلك، ينبغي للنواة تنظيم الوصول إلى جهاز ما إذا طلبه عمليتان في الوقت نفسه.
• ينبغي لبرنامج النواة إدارة الشبكة . ^{[ 136 ]} تقوم النواة بإرسال واستقبال الحزم نيابةً عن العمليات. ومن أهم خدماتها إيجاد مسار فعال إلى النظام المستهدف.
• ينبغي أن يوفر برنامج النواة وظائف على مستوى النظام ليستخدمها المبرمجون. ^{[ 137 ]}
  • يستطيع المبرمجون الوصول إلى الملفات عبر واجهة بسيطة نسبياً، والتي بدورها تُنفذ واجهة إدخال/إخراج منخفضة المستوى معقدة نسبياً. تشمل هذه الواجهة إنشاء الملفات، ووصف الملفات ، والبحث في الملفات، والقراءة والكتابة الفعلية.
  • يقوم المبرمجون بإنشاء العمليات من خلال واجهة بسيطة نسبياً، والتي بدورها تقوم بتنفيذ واجهة معقدة نسبياً ذات مستوى منخفض.
  • يقوم المبرمجون بإجراء العمليات الحسابية المتعلقة بالتاريخ والوقت من خلال واجهة بسيطة نسبياً، والتي بدورها تقوم بتنفيذ واجهة زمنية منخفضة المستوى معقدة نسبياً. ^{[ 138 ]}
• ينبغي لبرنامج النواة توفير قناة اتصال بين العمليات قيد التنفيذ. ^{[ 139 ]} بالنسبة لأنظمة البرمجيات الكبيرة، قد يكون من المستحسن تصميم النظام إلى عمليات أصغر. يمكن للعمليات التواصل فيما بينها عن طريق إرسال واستقبال الإشارات .

في الأصل، كانت أنظمة التشغيل تُبرمج بلغة التجميع ؛ ^{ومع ذلك ، فإن} أنظمة التشغيل الحديثة تُكتب عادةً بلغات عالية المستوى مثل C و Objective-C و Swift .

البرنامج المساعد هو برنامج يُساعد في إدارة النظام وتنفيذ البرامج. يوفر نظام التشغيل عادةً برامج مساعدة لفحص مكونات الجهاز مثل وحدات التخزين والذاكرة ومكبرات الصوت والطابعات. ^{[ 140 ]} قد يُحسّن البرنامج المساعد أداء جهاز التخزين. تراقب برامج النظام المساعدة أداء الأجهزة والشبكة، وقد تُطلق تنبيهًا عند خروج أي مقياس عن النطاق الطبيعي. ^{[ 141 ]} قد يضغط البرنامج المساعد الملفات لتقليل مساحة التخزين ووقت نقل البيانات عبر الشبكة. ^{[ 140 ]} قد يقوم البرنامج المساعد بفرز ودمج مجموعات البيانات ^{[ 141 ]} أو اكتشاف فيروسات الحاسوب . ^{[ 141 ]}

برنامج الشفرة المصغرة هو المفسر الأدنى مستوى ^{[ ]} الذي يتحكم في مسار البيانات للحواسيب التي تعمل بالبرمجيات. ^{[ 143 ]} (وقد أدت التطورات في ^مجال الأجهزة إلى نقل هذه العمليات إلى دوائر التنفيذ المادية .) ^{[ 143 ]} تسمح تعليمات الشفرة المصغرة للمبرمج بتنفيذ مستوى المنطق الرقمي بسهولة أكبر ^{[ 144 ]} - وهو المكون المادي الحقيقي للحاسوب. يمثل مستوى المنطق الرقمي الحد الفاصل بين علوم الحاسوب وهندسة الحاسوب . ^{[ 145 ]}

البوابة المنطقية عبارة عن ترانزستور صغير يمكنه إرجاع إحدى إشارتين: تشغيل أو إيقاف. ^{[ 146 ]}

• يشكل وجود ترانزستور واحد بوابة NOT .
• يؤدي توصيل ترانزستورين على التوالي إلى تكوين بوابة NAND .
• يؤدي توصيل ترانزستورين على التوازي إلى تكوين بوابة NOR .
• يؤدي توصيل بوابة NOT ببوابة NAND إلى تكوين بوابة AND .
• يؤدي توصيل بوابة NOT ببوابة NOR إلى تكوين بوابة OR .

تشكل هذه البوابات الخمس اللبنات الأساسية للجبر الثنائي - وظائف المنطق الرقمي للحاسوب.

تعليمات الشفرة المصغرة هي اختصارات يستخدمها المبرمجون لتنفيذ وظائف المنطق الرقمي بدلاً من كتابتها بالجبر الثنائي. تُخزَّن هذه التعليمات في مخزن التحكم الخاص بوحدة المعالجة المركزية (CPU) . ^{[ 147 ]} تنقل هذه التعليمات، التي تُنفَّذ على مستوى العتاد، البيانات عبر مسار البيانات .

تبدأ دورة التعليمات الدقيقة عندما يستخدم مُسلسل التعليمات الدقيقة عداد البرنامج الدقيق لجلب تعليمة الآلة التالية من ذاكرة الوصول العشوائي . ^{[ 148 ]} الخطوة التالية هي فك تشفير تعليمة الآلة عن طريق تحديد خط الإخراج المناسب لوحدة الأجهزة. ^{[ 149 ]} الخطوة الأخيرة هي تنفيذ التعليمة باستخدام مجموعة البوابات في وحدة الأجهزة.

تُمرَّر تعليمات إجراء العمليات الحسابية عبر وحدة الحساب والمنطق (ALU). ^{[ 150 ]} تحتوي وحدة الحساب والمنطق على دوائر لتنفيذ العمليات الأساسية لجمع الأعداد الصحيحة وإزاحتها ومقارنتها. ومن خلال دمج هذه العمليات الأساسية وتكرارها عبر وحدة الحساب والمنطق، يُجري المعالج المركزي (CPU) عملياته الحسابية المعقدة.

تنقل تعليمات الشفرة المصغرة البيانات بين وحدة المعالجة المركزية ووحدة التحكم بالذاكرة . وتتعامل تعليمات الشفرة المصغرة لوحدة التحكم بالذاكرة مع سجلين . يُستخدم سجل عنوان الذاكرة للوصول إلى عنوان كل خلية ذاكرة. ويُستخدم سجل بيانات الذاكرة لضبط وقراءة محتويات كل خلية. ^{[ 151 ]}