книги из ГПНТБ / Зубов В.С. Математическое обеспечение цифровых вычислительных машин и систем учеб. пособие

W - Ю Р Ч В З

Гос. nySr"1. : чя

научно-теки . ?г;:яя

в пособии много внимания уделено вопросам классификации,

систематизации средств, используемых в математическом обес­ печении ЭВМ. Для более детального ознакомления с вопросами построения и использования структур данных читатель отсыла­ ется к литературе.

При заданном объёме пособия сложной задачей являлось определение большого количества терминов, специфичных для рассматриваемого предмета; во многих случаях эти термины определены на явно, по контексту. Поэтому в месте первого использования терминов они выделены.

Данное пособив полезно также для студентов старших курсов и аспирантов специальности "Прикладная математика"

и некоторых других специальностей.

ВВЕДЕНИЕ

§ I . Некоторые черты развития математического обеспечения современных ЭВМ

Под математическим обеспечением (МО) вычислительных машин и систем обычно понимается совокупность языковых и

программных средств, как тех, что используются в целях ор­ ганизации, управления вычислительным процессом так и тех, что непосредственно предоставляются пользовате­ лям ЭВМ.

Если в ЭВМ первых поколений МО играло второстепенную роль, то в настоящее время существенное расширение круга

решаемых на ЭВМ задач, их усложнение, возросшая динамич­ ность систем управления, базирующихся на ЭВМ, объективно способствуют дальнейшему относительному увеличению роли той части алгоритма решения вычислительной задачи, которая задана логикой программ, используемых при её решении, а не логикой строения ЭВМ, её системой команд. Тем самым и МО постепенно приобретает доминирующее положение. Лишь при этом условии ЭВМ становится по-настоящему универсальным решающим средством, а специфика применений сосредотачивает­ ся, главным образом, в используемых программах.

Рассмотрим некоторые характерные черты развития МО ЭВМ.

I . Увеличение фонда алгоритмов и программ Особенностью производства МО является слабый износ из­

делий - записей алгоритмов и программ - и медленный их мо­ ральный износ, который к тому же приводит обычно не к уни­ чтожению алгоритма или программы и новой разработке, а к некоторой их модернизации, переработке. Изделия МО в виде записи алгоритмов на алгоритмическом языке высокого уровня

должны обладать наибольшим средним ороком использования,

тан как их применение не обусловлено моральным износом ЭВМ.

Эти обстоятельства позволяют аккумулировать труд разработ­ чиков алгоритмов в виде фонда алгоритмов и программ, без чего расширение сферы применения ЭВМ высохсими темпами было бы немыслимым.

С увеличением фонда алгоритмов и программ возникают проблемы, специфичные для больших информационно-поисковых систем. Поэтому фонд алгоритмов и программ используется в виде совокупности библиотек алгоритмов и программ, хранимых на машинных носителях информации и различающихся по степени общности,например: библиотека общего пользования и частные библиотеки пользователей. Уровень языка, на котором записа­ на библиотека, может быть различным. МО современных вычис­ лительных сиотем даёт возможность объединения в общую про­ грамму (на языке машинного уровня) логически связанных ис­ ходных программ, напиоанных, возможно, на разных входных языках, что расширяет возможности использования библиотек.

2 . Увеличение уровня универсальности программ По своему эффекту данный процесс может быть уподоблен

переходу от единичного или мелкосерийного производства в промышленности к крупносерийному. Спецификой его примените­ льно к МО являются относительно большие затраты на разработ­ ку изделия - универсальной программы - и относительно малые затраты на "процесс производства изделий" - копирование универсальной программы.

Универсальность программы по применениям может быть до­ стигнута по-разному. Во многих случаях хотя бы некоторые характеристики входной информации или операционная среда

- 5 -

( используемые программой ресурсы ЭВМ) могут быть заданы на­ бором параметров, которые достаточно просто учесть в прог­ рамме или её части путём их настройки (при этом может быть задан и различный соотав или последовательность исполнения частей программы). Такой способ получил название способа

параметрической универсальности. Совместно с ним может при­

меняться способ достижения универсальности за счёт использо­ вания функционально полного набора программных частей (мо­

дулей), среди которых могут быть взаимоисключающие, выбира­

емых управляющей частью программы для применения.

Универсальность программы в плане её решения на разных

Различают 4 уровня программной совместимости:

1) Совместимость на уровне проблемно-ориентированного

языка (ПОЯ). Предполагает одинаковые стандарты записи тек­ стов программ для разных ЭВМ и наличие трансляторов о рас­ сматриваемого языка (например, о АЛГОЛ-60, ФОРТРАНА).Если

случае процесс трансляции программ протекает в 2 ступени:

сначала - трансляция с ПСЯ на промежуточный язык, затем -

является самым низшим уровнем языка, ещё доступным для по­ льзователя, и трансляция с ПСЯ происходит на этогуровень.

-6 -

4)Совместимость на уровне машинных языков.

Два последних вида совместимости характерны для моделей т .н . рада программно совместимых вычислительных систем. Сов­ местимость вверх ~ от низших моделей ряда к высшим - обеспе­ чивается тем, что системы команд низших моделей являются подмножествами системы команд высшей. Совместимость вниз -

от высших моделей к низшим - обеспечивается интерпретацией тех инструкций высшей модели, которых нет в системе команд низшей. Для моделей ряда характерна прямая программная сов­ местимость. условиями которой являются: наличие совместимо­ сти и вверх,и вниз; общие форматы и операторы мнемокода;

одинаковые способы хранения, поиска и идентификации данных;

общий язык заданий операционной системе; аналогичное оформ­ ление программных модулей. Прямая программная совместимость обеспечивает наиболее широкое использование централизованно производимого МО, упрощает заимствование программ, облегча­ ет комплексирование различных моделей вычислительных систем.

Тенденция к всё большему выполнению условий программной совместимости разных ЭВМ и, в частности, построение рядов программно совместимых ЭВМ, создаёт условия для "крупносе­ рийного производства" в области разработки МО, т .е . условия для реализации программ в наиболее универсальном виде. По­ скольку полная универсальность по применениям, требующая наибольшего расхода памяти ЭВМ под рабочую программу, может оказаться излишней для конкретного пользователя (группы по­ льзователей) , при трансляция задания пользователя может быть применён принцип т .н . условной сборки. Подобный ему

принцип испоеьзуется и при генерация рабочего варианта опе­ рационной спстеге; 2СИ,

- 7 -

3. Дифференцированные требования к качеству программ Усложнение ЭВМ, а вместе с ними и МО, усложнение приме­

нений ЭВМ, необходимость разработки универсальных программ,

к качеству которых предъявляются повышенные требования, ве­ дут к увеличению специализации в области программирования,

при которой программы, имеющие сколь-нибудь общее значение,

или длительно используемые программы (например, программы операционной системы) разрабатываются программистами боль­ шей квалификации. С течением времени программирование для рядового пользователя в значительной мере будет сведено к заданию параметров, описывающих исходную информацию, и оп­ ределению, в основном, в непроцедурной форде способа её об­ работки, т .е . к использованию в максимальной мере стандарт­ ного МО. Условием обеспечения необходимого его качества является разработка всё возрастающей доли МО т .н . систем­ ными программистами. С этой целью ими используется:

аJ Математическая оптимизация используемых алгоритмов.

б) Современная техника программирования: адресное прог­

раммирование, разного рода логические векторы, широкий на­ бор методов буферизации, организации данных и доступа к ним,

правильный выбор структуры программ и т .п .

позволяющей выбирать лучший способ выполнения заданий в каждом конкретном случае их применения.

4. Внедрение системного программирования Значительная доля современного МО представлена система­

ми МО. Их распространение обусловлено многими причинами:

появлением вычислительных систем, многие пункции управления

в которых решены схемно-программным путём ( операционные си­ стемы) ; резким расширением круга пользователей ЭВМ и объёма МО, потребовавшим более полного осуществления автоматизации

программирования ( системы программирования) ; требованиями

системной организации МО при его использовании в системах управления (АСУ) и других системных его применениях.

5 .Модульное выполнение систем математического обеспече­ ния (СМО)

Подобно тому, как вычислительные системы состоят из функционально законченных блоков, имеющих универсальные внешние связи, СМО в настоящее время также выполняются со ­ стоящими из программных модулей, каждый из которых реализу­ ет собственную функцию. СМО в общем случав содержит управ­ ляющую часть и библиотеку (функциональных модулей. Связи между модулями осуществляются согласно определённому согла­ шению. Модуль использует определённое число входных пара­ метров (возможно, нулевое),в результате его выполнения об­ разуется некоторое количество значения выходных параметров,

могущих служить входными для других модулей.

Модульное строение даёт единственно возможный практиче­ ский способ осуществления в приемлемые сроки программ или СМО большого объёма, так как допускает независимое выпол­ нение и отладку отдельных их частей разными исполнителями.

СМО с модульным строением являются открытыми, т .е . допуска­ ют простую их модернизацию путём замены модулей, изменения или .добавления отдельных модулей, изменения связей между модулями. Именно модульное строение позволяет осуществлять функциональную избирательность путём включения в состав программы или С!.-Ю лишь тех модулей, которые образуют функци-

- 9 -

онально полный набор модулей для пользователей данной СМО или программы в запланированный период времени. Набор мода-

лей, являющийся пересечением всех вариантов системы, возмо~

жных при различных её применениях, называется ядром системы.

Вообще, при модальном программировании логика состав­ ления программы сводится к не зависящему от ЭВМ синтезиру­ ющему уровню, так как по сути дела модули являются элемен­

тами проблемно-ориентированного языка высокого уровня. Оче­ видно, что создание библиотек модулей позволяет наиболее эффективно аккумулировать результаты работ в области МО.

Значительный экономический эффект ожидается от массового внедрения модульных прикладных систем программирования,

назначением которые является наиболее полная автоматизация технологичеоких процессов реализации на ЭВМ задач, относя­ щихся к узко специализированным классам.

6. Внедрение прикладных систем программирования Как известно, развитие автоматизации программирования

требует введения во входные языки ЭВМ проблемно-ориентиро­ ванных элементов. Достаточно общие элементы становятся стандартными средствами алгоритмических языков (к числу таковых можно отнести, например, пакет программ упорядоче­ ния и пакет программ для получения табличных отчётных форм в КОБОЛЕ), Вместе с тем, для каждого сектора науки и техни­ ки, сферы управления и обслуживания существует специфиче­ ская предметная область и специфические зависимости величин,

её описывающих, и,следовательно, существует известная специ­ фика' обработки данных. Этим объясняется наметившаяся тенден­ ция к определённой специализации в области МО, органически сочетаемая с унификацией МО.