Lenguajes de programación

Las primeros ordenadores se programaban conectando circuitos a mano, haciendo que el ordenador hiciera unas tareas u otras. Para cambiar de tarea, había que reprogramar los circuitos, lo cual era bastante tedioso y difícil. Además, si había errores estos eran muy difíciles de descubrir y "reparar".

Aquí, por ejemplo, te muestro la imagen de uno de los primeros ordenadores, el ENIAC, donde como ves está cableado directamente:

Más tarde aparecen las tarjetas perforadas, y con ello lo que podríamos considerar como el primero lenguaje de programación llamado lenguaje máquina.

En estas tarjetas se escribían instrucciones para la CPU a programar. Cada CPU tiene un conjunto de instrucciones. Si quieres programar en lenguaje máquina tienes que aprender a usar el juego de instrucciones de la CPU a programar, y no te servirá para otra CPU.

Por ejemplo, en las CPU de arquitectura MIPS todas las instrucciones son de 32 bits. Te muestro, a continuación, la instrucción que se usaría para cargar el valor que hay en la dirección de memoria 68 a partir de la 8ª celda al registro número 3:

100011 00011 01000 00000 00001 000100

Estos son los significados de los bits:

 100011    00011    01000    00000 00001 000100
|------|  |-----|  |-----|  |------------------|
   |        |        |              |
   |        |        |              +---- Dirección de memoria: 68 en decimal
   |        |        |
   |        |        +------------------- Número a partir del cual se busca en memoria: 8 en decimal
   |        |
   |        +---------------------------- Número de registro donde se carga el valor: 3 en decimal
   |
   +------------------------------------- Código de operación: 35 en decimal

Otro ejemplo, pero esta vez, más completo y para arquitectura x86₆₄ sería el siguiente programa en el que se suman los números 10 y 14 para dejar el resultado en el registro %eax de la CPU:

10111000 00001110 00000000 00000000 00000000
10111011 00001010 00000000 00000000 00000000
00000001 11011000

En el ejemplo de arriba:

• Hay tres instrucciones
• La primera instrucción mueve el número 14 al registro %eax
• La segunda instrucción mueve el número 10 al registro %ebx
• La tercera y última instrucción suma el contenido de los registros %eax y %ebx dejando el resultado en el registro %eax

Antes de terminar, verás que los programas en lenguaje máquina se suelen representar en hexadecimal, y no en binario, porque es más fácil de entender y son mucho más cortos (piensa que un carácter en hexadecimal representa a 4 en binario, lo que quiere decir que son 4 veces más cortos). Por ejemplo, el programa anterior en hexadecimal quedaría tal que así:

B8 0E 00 00 00
BB 0A 00 00 00
01 D8

En cualquiercaso, hoy en día, nadie usa el lenguaje máquina para programar.

Se trata de un lenguaje de bajo nivel, más sencillo de aprender y programar que el lenguaje máquina. Este lenguaje también es dependiente de la arquitectura de la CPU a programar, lo que significa que tienes que conocer el juego de instrucciones de la CPU a programar.

En este lenguaje se usan mnemotécnicos que representan las instrucciones del microprocesador.

Los programas escritos en lenguaje ensamblador tienen que ser traducidos a lenguaje máquina para que se puedan ejecutar ya que, como te dije anteriormente, los ordenadores solo "hablan" lenguaje máquina.

Al traductor que convierte lenguaje ensamblador a lenguaje máquina se llama ensamblador. Este traductor es un programa de sistema y, como imaginarás, el primer ensamblador tuve que ser escrito directamente en lenguaje máquina.

Por ejemplo, en las CPU de arquitectura x86, para cargar el número 61 en hexadecimal (97 en decimal) al registro AL se haría de la siguiente manera en ensamblador:

MOV AL, 61h

Varias cosas a tener en cuenta:

• Se usan nombres de instrucciones como, en este caso, MOV para mover
• Se usan nombres para los registros de la CPU como, en este caso, AL
• Se usan números en decimal o hexadecimal que son más manejables y fáciles de trabajar para una persona (programador)

Una vez traducida esta instrucción a binario, lenguaje máquina, quedaría tal cual:

10110000 01100001

Estos bits tienen el siguiente significado:

1011   0000   01100001
  |     |         |
  |     |         |
  |     |         +------ Número 61 en hexadecimal o 97 en decimal
  |     |
  |     +---------------- Código para el registro AL (número 0 en decimal)
  |
  +---------------------- Código para la instrucción MOV (mover un valor a un registro)

Vemos como, una vez traducido a lenguaje máquina:

• La instrucción MOV es igual al código en binario 1011
• El registro AL es el código 0000 binario (número 0 en decimal)
• El número 61 en hexadecimal es el 01100001 en binario
• Todo junto nos da como instrucción en lenguaje máquina el 1011000001100001

Por último, te muestro un programa escrito en ensamblador para CPU de arquitectura x86₆₄ que suma los números 14 y 10 (y que ya vimos en binario):

.globl main
    .type main, @function

main:
    movl $14, %eax
    movl $10, %ebx
    add %eax, %ebx

Y, por fin, llegamos a nuestros días en que usamos lenguajes de alto nivel, mucho más fáciles de entender, aprender y aplicar, que los dos anteriores.

Estos lenguajes son fáciles de usar y aprender porque usan un léxico, sintaxis y semántica cercano al ser humano. Estos lenguajes ocultan los detalles de la arquitectura de la CPU a programar, no hace falta aprenderse el juego de instrucciones del microprocesador, lo que hace mucho más fácil la programación. Así pues, estos lenguajes no dependen de la arquitectura de la CPU.

Cuando aprendes a usar un lenguaje de alto nivel es fácil la transición a otro lenguaje. Por ejemplo, si aprendes a programar en Java te resultará muy fácil pasar a programar con PHP o Python por ejemplo.

Un ejemplo de programa en C que carga dos valores en memoria y los suma dejando el resultado en otra posición de memoria sería el siguiente:

int main(int argc, char **argv)
{
    int num1, num2, resultado;

    num1 = 14;
    num2 = 10;

    resultado = num1 + num2;

    return 0;
}

Evidentemente, estos lenguajes tienen que ser traducidos a máquina para, finalmente, poder ser ejecutados por el ordenador. A estos traductores se les conoce con el nombre de compiladores y hablaremos de ellos más adelante.

Hoy en día hay una gran cantidad de languejes de programación. Si quieres conocer las tendencias de uso una buena referencia suele ser TIOBE. Entre los lenguajes más populares se suelen encontrar: Python, C y C++, Java, C#, JavaScript o PHP, entre otros. Unos son más adecuados para web, otros para desarrollo mobile, otros para scripting, etc.