2.2.2 Программы

Один из способов представления алгоритмов – машинная программа, которая согласно стандарту ISO 2382/1-84, представляет собой упорядоченную последовательность команд, подлежащую обработке. Как и для алгоритма, для программы также характерно свойство вложенности (уровни задания, задачи, подзадачи, операции, микрооперации). Эти уровни определяются особенностями программирования и управления вычислительным процессом, при этом их границы не могут быть установлены жестко.

Полный перечень команд, которые способна выполнять вычислительная система образует систему команд. Близость системы команд и множества операций, необходимых для выполнения алгоритма, характеризует степень приспособленности операций, реализуемых аппаратными средствами, к алгоритмам решаемых задач. Чем меньше команд требуется для составления программы реализации какого-либо алгоритма, тем выше программируемость вычислительной машины. Расширяя систему команд вычислительной машины сложными командами, подобными операторам языка высокого уровня, пытаются решить проблему семантического разрыва, заключающуюся в существенном отличии сложных операторов, характерных для языков высокого уровня от простых машинных команд. Однако, данный путь ведет к усложнению аппаратуры и негативно сказывается на производительности вычислительной системы. Большое количество машинных команд различного формата с разнообразными способами адресации операндов характерно для CISC (Complex Instruction Set Computer) архитектуры.

Упростить аппаратные средства вычислительной системы и повысить ее быстродействие можно за счет сокращения числа форматов команд и способов адресации памяти, что было положено в основу RISC (Reduced Instruction Set Computer) архитектуры. RISC архитектура имеет сокращенный набор часто используемых команд и предполагает уменьшение времени выполнения программы за счет сокращения среднего количества тактов процессора, приходящихся на одну команду, а также длительности тактового периода.

Термин “RISC” впервые был использован Паттерсоном и Дитцелем (D.Patterson, D.Ditzel) в 1980 году. Предложенная ими идея заключалась в ограничении списка команд вычислительной машины часто используемыми простыми командами, оперирующими данными, размещенными только в регистрах процессора. Для обращения к основной памяти предлагалось использование отдельных команд чтения и записи.

Выполнение программы можно рассматривать как некоторый процесс, который описывается своим множеством состояний, начальным состоянием и правилами перехода из одного состояния в другое. Если в этом процессе переходы выполняются в дискретные моменты времени под влиянием неких внешних воздействий, то его называют автоматом. Понятие автомата варьируется в зависимости от характера конкретно изучаемых систем, от принятого уровня абстракции и целесообразной степени общности. Данная математическая модель оказывается удобной для описания широкого класса процессов функционирования.

Формализованное описание процесса функционирования вычислительной системы строится, в зависимости от необходимой степени детализации, с использованием различных языков описания, которые образуют определённую иерархию, соответствующую различным уровням вычислительного процесса. Процесс выполнения программы может быть представлен последовательностью циклов выполнения отдельных команд (выборки, декодирования, исполнения и т.д.), каждый из которых включает несколько этапов. В свою очередь каждый этап представляется в виде последовательности микрокоманд, каждая из которых включает совокупность микроопераций.