Il computer funziona eseguendo programmi, che sono sequenze di istruzioni logico-matematiche semplici. La programmazione consiste nel ridurre la soluzione di un problema complesso ad una sequenza di queste istruzioni semplici.

I programmi, come eseguiti dal computer, sono sequenze di valori binari, che pilotano direttamente i circuiti dell'hardware e la CPU ha circuiti capaci di eseguire solo le funzioni piu' elementari, eventuali istruzioni complesse sono interpretate (cioe' tradotte) e ridotte ad una sequenza di istruzioni elementari da un micro-programma che sta nella CPU stessa. Questi microprogrammi erano comuni nelle architetture CISC, come i VAX, mentre non sono usati nelle architetture RISC. Le CPU Intel dei PC accettano istruzioni complesse, ed hanno circuiti appositi per la loro scomposizione in istruzioni semplici, in modo che possano essere eseguite da un core RISC. Il fatto se le istruzioni siano interpretate da microprogrammi o no e' trasparente al programmatore, che si occupa di quali istruzioni la CPU accetti, piu' di come le tratti internamente.

Tutti i dati sono rappresentati nel computer come sequenze di 0 ed 1, queste sequenze devono essere trattate in modo diverso a seconda del loro significato, a seconda cioe' che contengano numeri interi, caratteri, istruzioni od altro. Il significato non e' contenuto nel dato, nel senso che non e' scritto insieme alla sequenza di 0 ed 1, ma la stessa sequenza potrebbe essere interpretata in modo diverso. E' il programma che deve sapere che tipo di dato e' contenuto in una posizione di memoria ed interpretarla nel modo corretto.
Quando si scrive un programma e' quindi importante specificare bene quali siano i tipi di dati su cui si opera, i principali tipi di dato sono:

• interi senza segno: la sequenza di bit ha un valore numerico che corrisponde al numero binario che rappresenta. Abbiamo interi che occupano 1 , 2, 4 o piu' byte; in un byte stanno numeri da 0 a 255, in 2 bytes valori fino a 65535, con 4 bytes si esprimono valori fino a circa 4 miliardi;
• interi con segno: sono rappresentati in complemento a 2, in modo da poter usare lo stesso hardware per somme e sottrazioni, 1 byte puo' contenere valori da -128 a 127, 4 bytes da circa -2 miliardi a +2 miliardi.
• float o numeri in virgola mobile, questo tipo di dato usa 4 od 8 bytes ed una notazione esponenziale: parte della sequenza di bits si usa per le cifre frazionarie, parte per l'esponente. Se si usano 4 bytes si parla di semplice precisione, e si possono avere circa 6 cifre frazionarie, per averne di piu' si deve usare la doppia precisione. I numeri in doppia precisione sono detti anche "double"
• caratteri: la sequenza di bits di 1 byte e' interpretata come un carattere, secondo la codifica ASCII. I caratteri possono anche essere codificati secondo le specifiche Unicode, che puo' usare piu' di 1 byte per carattere in modo da comprendere anche i caratteri arabi, ebraici, cinesi etc..

Le istruzioni per la CPU sono costituite da un codice numerico, che indica cosa eseguire e da uno o piu' operandi che contengono indirizzi di memoria o registri su cui l'istruzione Opera. Le istruzioni sono dei seguenti tipi:

• Assegnazione : un valore viene messo in una posizione di memoria o in un registro, oppure il contenuto di una posizione di memoria viene copiato in un'altra posizione od in un registro;
• Operazioni numeriche: somme, sottrazioni, moltiplicazioni o divisioni, utilizzando dati in posizioni di memoria specificate o registri. Queste operazioni possono essere effettuate fra interi con o senza segno, o fra float;
• Operazioni sui bit:
operazioni che vengono fatte bit a bit, ovvero il risultato e' il valore binario che si ottiene effettuando l'operazione fra i bit corrispondenti degli operandi, possono essere ad esempio:
• Operazioni logiche : operazioni tipo: OR, AND, NOR sui bits
• Shift: i bit dell'operando sono spostati a destra o a sinistra
• Confronti : un registro assume valori diversi a seconda del risultato del confronto fra 2 operandi, confronto che puo' essere numerico ( maggiore, minore, eguale) o logico ( and, or, not) ;
• Salti: si va ad eseguire un'istruzione specificata, i salti possono essere eseguiti in base a risultati di confronti;
• Input-Outoput : un dato in una posizione di memoria viene inviato ad una periferica, oppure si legge un dato da una periferica. Le periferiche hanno registri per comunicare con la CPU, la CPU legge e scrive negli indirizzi di questi registri;

Dal punto di vista del programmatore la CPU esegue essenzialmente istruzioni di questo tipo, in piu' c'e' il calcolo degli indirizzi, la gestione degli interrupt ed altre funzioni di cui pero' il programmatore si accorge poco.

Un altro elemento importante nella logica della programmazione sono le routines. Le routines ( o funzioni) sono parti di programma riutilizzabili, che hanno la stessa logica delle funzioni di tipo matematico: gli si danno dei valori in input (argomenti) e loro restituiscono uno o piu' risultati, dipendenti dall'input.

L'uso di funzioni permette di individuare nel programma unita' logiche, che svolgono compiti ben definiti, e di costruire un programma complesso utilizzandole come fossero estensioni del linguaggio di programmazione.

Il linguaggio dei compilatori introduce altri costrutti logici, oltre quelli propri della macchina, costrutti che sono poi ricondotti dal compilatore stesso a quelli della macchina; il programmatore ha pero' a disposizione strutture logiche di piu' alto livello, che gli facilitano il lavoro. A volte nella CPU c'e' hardware apposito che facilita l'esecuzione di questi costrutti.
Abbiamo quindi:

• Uso di nomi simbolici per posizioni in memoria, in modo che sembri di star trattando variabili analoghe a quelle del linguaggio matematico. Alcuni linguaggi permettono solo l'uso di nomi simbolici per le posizioni in memoria, altri anche l'uso esplicito di indirizzi. Anche agli indirizzi possono essere dati nomi simbolici; le funzioni possono essere accessibili tramite un nome o tramite un indirizzo.
• Blocchi eseguiti sotto condizione: sono un insieme di istruzioni che vengono eseguite solo se una certa condizione e' vera; ad esempio se un valore e' maggiore o minore di un'altro, se una variabile e' definita etc.. La programmazione a blocchi divide il problema in blocchi logici, la cui esecuzione dipende da un insieme di condizioni.
• Vettori ed array (o matrici): sono sequenze di valori, in posizione contigua in memoria, cui si accede tramite un unico nome ed uno o piu' numeri interi, detti indici, in modo analogo a vettori e matrici usati nella simbologia matematica. L'indice e' in pratica l'indirizzo relativo del valore in memoria, calcolato a partire dal primo numero della sequenza. Vettori e matrici sono molto usati per risolvere problemi matematici.
• Blocchi eseguiti in modo ciclico (loop): un blocco di istruzioni che vengono eseguite piu' volte, a seconda del verificarsi di una condizione od al variare di un indice. Loop vengono utilizzati per operazioni matematiche su matrici e vettori, permettono infatti di effettuare le stesse operazioni sugli elementi dei vettori in sequenza.
• Strutture: sono insiemi di dati eterogenei, cui si accede tramite una gerarchia di nomi: il nome della struttura piu' il nome dell'elemento. Strutture possono contenere altre strutture. L'uso di strutture permette di operare su entita' che non sono semplicemente valori in memoria ed apre la strada alla programmazione ad oggetti.

Con l'evoluzione dell'informatica i programmi diventano sempre piu' grandi e complessi: oggi non sono rare componenti software che contengono milioni di istruzioni. Affrontare problemi di grandi dimensioni, sviluppati da team numerosi di programmatori, diventa difficile. Per affrontare questi problemi nasce, a meta' degli anno 80, la programmazione ad oggetti: il C viene esteso con nuove istruzioni e nasce il C++ ; Java, linguaggio di programmazione della Sun, inteso per applicazioni di rete, nasce gia' come linguaggio ad oggetti. Anche la Microsoft produce compilatori per la programmazione ad oggetti. Negli anni 90 la programmazione ad oggetti diventa di moda ed e' oggi applicata anche a problemi che non ne avrebbero bisogno.
La programmazione ad oggetti e' un argomento complesso, non si puo' pretendere di capirla veramente se non si sono affrontati in pratica certi problemi di programmazione.

Nella programmazione ad oggetti si fa uso esteso di strutture, che vengono a contenere anche le funzioni che operano sulle strutture stesse; queste strutture, dette "oggetti" vengono usate senza sapere nulla della loro struttura interna; i dati interni sono invisibili dall'esterno e l'oggetto si usa chiamando le sue funzioni (dette metodi) che ne costituiscono l'interfaccia. Questo isolare e nascondere le proprieta' e variabili di un oggetto si chiama "incapsulamento".

L'oggetto e' quindi un insieme di dati "chiuso" che si utilizza dandogli dei "comandi", ha un suo stato interno, ben definito cui pero' si accede solo con la sua interfaccia.

Nella programmazione ad oggetti il programmatore procede in diverse fasi:

• dapprima si descrivono gli oggetti, le variabili che contengono e le loro funzioni (metodi) che possono essere interni all'oggetto, oppure essere visti anche da fuori e far parte dell'interfaccia esterna. Questa descrizione e' utilizzata dal compilatore, ma non comporta la creazione di variabili in memoria od altro. E' una descrizione funzionale dell'oggetto e basta, in pratica definisce l'oggetto come fosse un nuovo tipo di dato.
• Si scrivono poi tutte le funzioni dell'oggetto, queste sono in genere in un file a parte od in una libreria.
• Quando in un programma serve l'oggetto se ne crea una "istanza", cioe' si crea una copia dell'oggetto identificata da un nome simbolico. In questo modo si possono creare tante copie diverse di un oggetto, completamente indipendenti, in base ad un'unica descrizione. E si risparmia tempo. Il programma che usa l'oggetto deve solo sapere quale e' la sua interfaccia, cioe' come si usa, chiamando le sue funzioni, non deve conoscere come l'oggetto e' fatto.

Oggetti possono essere creati estendendo le proprieta' di altri oggetti, questo si chiama "ereditarieta'". L'Ereditarieta' semplifica molto la costruzione di oggetti complessi.

E' possibile creare oggetti e funzioni in modo indipendente dal tipo di dati che trattano, il tipo viene specificato solo quando l'oggetto viene istanziato ed il compilatore crea un oggetto relativo al tipo di dato corretto. Questi oggetti, in cui i tipi sono specificati solo quando l'oggetto viene creato sono detti "templates".

Inoltre e' possibile scrivere parti del programma in modo indipendente dagli oggetti che si trattano, utilizzando solo le specifiche delle interfacce in generale (collegamento dinamico o "late binding").

E' difficile capire i vantaggi della programmazione ad oggetti se non si sono mai affrontati grossi progetti, ad ogni modo da quanto detto dovrebbe apparire evidente come la programmazione ad oggetti renda facile il separare un programma in parti indipendenti, che possano essere sviluppate da gruppi diversi e faciliti la riutilizzabilita' di parti di programmi. Molto lavoro viene demandato al compilatore e la progettazione del software puo' focalizzarsi sul disegno delle interfacce, senza doversi occupare del dettaglio degli algoritmi se non in una seconda fase.