2378

Математическое обеспечение

Характеристики ПМК САПР зависят в основном от свойств реализованного в них математического обеспечения. Программно-методические комплексы должны обладать высокой степенью универсальности, определяемой возможностями их применения для проектирования широкой номенклатуры объектов внутри заданного класса и адаптации к изменяющимся условиям проектирования и производства изделий. Это требование удовлетворяется по мере развития инвариантного математического обеспечения (МО) на основе обобщения существующих подходов и разработки новых методов и методик моделирования и формирования проектных решений. Такое МО представляет собой одну из сторон теоретического фундамента автоматизации проектирования.

К ПМК и, следовательно, к математическому обеспечению САПР предъявляются также следующие требования: достаточная точность получаемых результатов; максимальная экономичность моделей, методов, алгоритмов в расходовании вычислительных ресурсов (процессорного времени, емкости оперативной и внешней памяти) при их реализации; надежность. Эти требования противоречивы. Высокая степень универсальности и достаточная точность, при прочих равных условиях, достигаются за счет усложнения моделей и методов, т. е. ухудшается экономичность. Расширение МО на все более широкий класс объектов повышает вероятность отказа в решении отдельных задач из-за наличия в них специфических особенностей, заранее не учтенных, т. е. снижается надежность. Поэтому одной из основных задач создания САПР является разработка компонентов МО, обеспечивающих наилучшее компромиссное удовлетворение противоречивых требований универсальности, точности, экономичности, надежности.

Лингвистическое обеспечение САПР

Лингвистическое обеспечение САПР включает в себя языки для представления информации о проектируемых объектах, процессе и средствах проектирования. Языки САПР делятся на языки программирования и проектирования.

Языки программирования используются для написания программ и применяются главным образом разработчиками САПР. Языки проектирования служат для описания информации об объектах и задачах проектирования и являются средством общения пользователя САПР с ЭВМ. Особую труппу составляют языки описания управляющей информации для программно-управляемого технологического оборудования (для фотонаборных установок, графопостроителей, металлообрабатывающих станков с ЧПУ и т. п.), называемые языками управления.

Языки могут быть процедурными и непроцедурными. Процедурные языки применяются для описания процессов в виде последовательностей действий и процедур. В частности, большинство языков программирования служит для описания вычислительных процессов и потому относится к процедурным языкам. Непроцедурные языки применяются для описания семантических сетей, структур проектируемых объектов и других статических систем.

23

Языки программирования, их классификация и развитие

Прогресс компьютерных технологий определил процесс появления новых разнообразных знаковых систем для записи алгоритмов - языков программирования. Смысл появления такого языка - оснащенный набор вычислительных формул дополнительной информации, превращает данный набор в алгоритм. Язык программирования служит двум связанным между собой целям: он дает программисту аппарат для задания действий, которые должны быть выполнены, и формирует концепции, которыми пользуется программист, размышляя о том, что делать. Первой цели идеально отвечает язык, который настолько "близок к машине", что всеми основными машинными аспектами можно легко и просто оперировать достаточно очевидным для программиста образом. Второй цели идеально отвечает язык, который настолько "близок к решаемой задаче", чтобы концепции ее решения можно было выражать прямо и коротко. Связь между языком, на котором мы думаем, программируем, и задачами и решениями, которые мы можем представлять в своем воображении, очень близка. По этой причине ограничивать свойства языка только целями исключения ошибок программиста в лучшем случае опасно. Как и в случае с естественными языками, есть огромная польза быть, по крайней мере, двуязычным. Язык предоставляет программисту набор концептуальных инструментов, если они не отвечают задаче, то их просто игнорируют. Например, серьезные ограничения концепции указателя заставляют программиста применять вектора и целую арифметику, чтобы реализовать структуры, указатели и т.п. Хорошее проектирование и отсутствие ошибок не может гарантироваться чисто за счет языковых средств. Может показаться удивительным, но конкретный компьютер способен работать с программами, написанными на его родном машинном языке. Существует почти столько же разных машинных языков, сколько и компьютеров, но все они суть разновидности одной идей простые операции производятся со скоростью молнии на двоичных числах. Персональные компьютеры IBM используют машинный язык микропроцессоров семейства 8086, т.к. их аппаратная часть основывается именно на данных микропроцессорах. Можно писать программы непосредственно на машинном языке, хотя это и сложно. На заре компьютеризации (в начале 1950-х г. г.), машинный язык был единственным языком, большего человек к тому времени не придумал. Для спасения программистов от сурового машинного языка программирования, были созданы языки высокого уровня (т.е. немашинные языки), которые стали своеобразным связующим мостом между человеком и машинным языком компьютера. Языки высокого уровня работают через трансляционные программы, которые вводят "исходный код" (гибрид английских слов и математических выражений, который считывает машина), и в конечном итоге заставляет компьютер выполнять соответствующие команды, которые даются на машинном языке. Существует два основных вида трансляторов: интерпретаторы, которые сканируют и проверяют исходный код в один шаг, и компиляторы, которые сканируют исходный код для производства текста программы на машинном языке, которая затем выполняется отдельно,

24

Классификация языков программирования

Машинно-ориентированные языки - это языки, наборы операторов и изобразительные средства которых существенно зависят от особенностей ЭВМ (внутреннего языка, структуры памяти и т.д.). Машинно-ориентированные языки позволяют использовать все возможности и особенности Машинно-зависимых языков: - высокое качество создаваемых программ (компактность и скорость выполнения); - возможность использования конкретных аппаратных ресурсов; - предсказуемость объектного кода и заказов памяти; - для составления эффективных программ необходимо знать систему команд и особенности функционирования данной ЭВМ; - трудоемкость процесса составления программ (особенно на машинных языках и ЯСК), плохо защищенного от появления ошибок; - низкая скорость программирования; - невозможность непосредственного использования программ, составленных на этих языках, на ЭВМ других типов. Машинно-ориентированные языки по степени автоматического программирования подразделяются на классы. Как я уже упоминал, в введении, отдельный компьютер имеет свой определенный Машинный язык (далее МЯ), ему предписывают выполнение указываемых операций над определяемыми ими операндами, поэтому МЯ является командным. Однако, некоторые семейства ЭВМ (например, ЕС ЭВМ, IBM/370/ и др.) имеют единый МЯ для ЭВМ разной мощности. В команде любого из них сообщается информация о местонахождении операндов и типе выполняемой операции. В новых моделях ЭВМ намечается тенденция к повышению внутренних языков машинно-аппаратным путем реализовывать более сложные команды, приближающиеся по своим функциональным действиям к операторам алгоритмических языков программирования.

Языки символического кодирования

Продолжим рассказ о командных языках. Языки Символического Кодирования (далее ЯСК), так же, как и МЯ, являются командными. Однако коды операций и адреса в машинных командах, представляющие собой последовательность двоичных (во внутреннем коде) или восьмеричных (часто используемых при написании программ) цифр, в ЯСК заменены на символы (идентификаторы), форма написания которых помогает программисту легче запоминать смысловое содержание операции. Это обеспечивает существенное уменьшение числа ошибок при составлении программ. Использование символических адресов - первый шаг к созданию ЯСК. Команды ЭВМ вместо истинных (физических) адресов содержат символические адреса. По результатам составленной программы определяется требуемое количество ячеек для хранения исходных промежуточных и результирующих значений. Назначение адресов, выполняемое отдельно от составления программы в символических адресах, может проводиться менее квалифицированным программистом или специальной программой, что в значительной степени облегчает труд программиста.

Автокоды

Есть также языки, включающие в себя все возможности ЯСК, посредством расширенного введения макрокоманд - они называются Автокоды. В различных программах встречаются некоторые достаточно часто использующиеся командные последовательности, которые соответствуют определенным процедурам преобра-

25

зования информации. Эффективная реализация таких процедур обеспечивается оформлением их в виде специальных макрокоманд и включением последних в язык программирования, доступный программисту. Макрокоманды переводятся в машинные команды двумя путями - расстановкой и генерированием. В постановочной системе содержатся "остовы" - серии команд, реализующих требуемую функцию, обозначенную макрокомандой. Макрокоманды обеспечивают передачу фактических параметров, которые в процессе трансляции вставляются в "остов" программы, превращая ее в реальную машинную программу. В системе с генерацией имеются специальные программы, анализирующие макрокоманду, которые определяют, какую функцию необходимо выполнить и формируют необходимую последовательность команд, реализующих данную функцию. Обе указанных системы используют трансляторы с ЯСК и набор макрокоманд, которые также являются операторами автокода. Развитые автокоды получили название Ассемблеры. Сервисные программы и пр., как правило, составлены на языках типа Ассемблер. Более полная информация о языке Ассемблера см. ниже.

Макрос

Язык, являющийся средством для замены последовательности символов описывающих выполнение требуемых действий ЭВМ на более сжатую форму - называется Макрос (средство замены). В основном. Макрос предназначен для того, чтобы сократить запись исходной программы. Компонент программного обеспечения, обеспечивающий функционирование макросов, называется макропроцессором. На макропроцессор поступает макроопределяющий и исходный текст. Реакция макропроцессора на вызов-выдача выходного текста. Макрос одинаково может работать, как с программами, так и с данными.

Машинно-независимые языки

Машинно-независимые языки - это средство описания алгоритмов решения задач и информации, подлежащей обработке. Они удобны в использовании для широкого круга пользователей и не требуют от них знания особенностей организации функционирования ЭВМ и ВС. Подобные языки получили название высокоуровневых языков программирования. Программы, составляемые на таких языках, представляют собой последовательности операторов, структурированные согласно правилам рассматривания языка (задачи, сегменты, блоки и т.д.). Операторы языка описывают действия, которые должна выполнять система после трансляции программы на МЯ. Т.о., командные последовательности (процедуры, подпрограммы), часто используемые в машинных программах, представлены в высокоуровневых языках отдельными операторами. Программист получил возможность не расписывать в деталях вычислительный процесс на уровне машинных команд, а сосредоточиться на основных особенностях алгоритма.

Проблемно - ориентированные языки

С расширением областей применения вычислительной техники возникла необходимость формализовать представление постановки и решение новых классов задач. Необходимо было создать такие языки программирования, которые, исполь-

26

зуя в данной области обозначения и терминологию, позволили бы описывать требуемые алгоритмы решения для поставленных задач, ими стали проблемно - ориентированные языки. Эти языки, языки ориентированные на решение определенных проблем, должны обеспечить программиста средствами, позволяющими коротко и четко формулировать задачу и получать результаты в требуемой форме. Проблемных языков очень много, например:

Фортран, Алгол - языки, созданные для решения математических задач; Simula, Слэнг - для моделирования; Лисп, Снобол - для работы со списочными структурами. Об этих языках я расскажу дальше.

Универсальные языки

Универсальные языки были созданы для широкого круга задач: коммерческих, научных, моделирования и т.д. Первый универсальный язык был разработан фирмой IBM., ставший в последовательности языков Пл/1. Второй по мощности универсальный язык называется Алгол-68. Он позволяет работать с символами, разрядами, числами с фиксированной и плавающей запятой. Пл/1 имеет развитую систему операторов для управления форматами, для работы с полями переменной длины, с данными организованными в сложные структуры, и для эффективного использования каналов связи. Язык учитывает включенные во многие машины возможности прерывания и имеет соответствующие операторы. Предусмотрена возможность параллельного выполнение участков программ. Программы в Пл/1 компилируются с помощью автоматических процедур. Язык использует многие свойства Фортрана, Алгола, Кобола. Однако он допускает не только динамическое, но и управляемое и статистическое распределения памяти.

Диалоговые языки

Появление новых технических возможностей поставило задачу перед системными программистами - создать программные средства, обеспечивающие оперативное взаимодействие человека с ЭВМ их назвали диалоговыми языками. Эти работы велись в двух направлениях. Создавались специальные управляющие языки для обеспечения оперативного воздействия на прохождение задач, которые составлялись на любых раннее неразработанных (не диалоговых) языках. Разрабатывались также языки, которые кроме целей управления обеспечивали бы описание алгоритмов решения задач. Необходимость обеспечения оперативного взаимодействия с пользователем потребовала сохранения в памяти ЭВМ копии исходной программы даже после получения объектной программы в машинных кодах. При внесении изменений в программу с использованием диалогового языка система программирования с помощью специальных таблиц устанавливает взаимосвязь структур исходной и объектной программ. Это позволяет осуществить требуемые редакционные изменения в объектной программе. Одним из примеров диалоговых языков является Бэйсик. Бэйсик использует обозначения подобные обычным математическим выражениям. Многие операторы являются упрощенными вариантами операторов языка Фортран. Поэтому этот язык позволяет решать достаточно широкий круг задач.

27

Непроцедурные языки

Непроцедурные языки составляют группу языков, описывающих организацию данных, обрабатываемых по фиксированным алгоритмам (табличные языки и генераторы отчетов), и языков связи с операционными системами. Позволяя четко описывать как задачу, так и необходимые для ее решения действия, таблицы решений дают возможность в наглядной форме определить, какие условия должны быть выполнены, прежде чем переходить к какому-либо действию. Одна таблица решений, описывающая некоторую ситуацию, содержит все возможные блоксхемы реализации алгоритмов решения. Табличные методы легко осваиваются специалистами любых профессий. Программы, составленные на табличном языке, удобно описывают сложные ситуации, возникающие при системном анализе.

Ассемблер

Язык Ассемблера - это символическое представление машинного языка. Он облегчает процесс программирования по сравнению с программированием в машинных кодах. Программисту не обязательно употреблять настоящие адреса ячеек памяти с размещенными в них данными, участвующими в операции, и вычисляемые результаты, а также адреса тех команд, к которым программа не обращается. Некоторые задачи, например, обмен с нестандартными устройствами обработки данных сложных структур невозможно решить с помощью языков программирования высокого уровня. Это под силу ассемблеру. В принципе, язык Ассемблер является машинным языком. И программист, реализующий какую-либо задачу на языках высокого уровня, с помощью Ассемблера может определить осмыслено ли решение данной задачи, с точки зрения использования ЭВМ. Умея разобраться в распечатке языка ассемблера, дает возможность облегчить поиск ошибок в программах, т.к. некоторые языки являются компиляторами.

Лисп

Один из самых старых языков программирования Фортран был создан в 50-х гг. нашего века. Фортран и подобные ему языки программирования (Алгол, ПЛ/1) предназначались для решения вычислительных задач, возникающих в математике, физике, инженерных расчетах, экономике и т.п. Эти языки в основном работают с числами. Второй старейший язык программирования Лисп (List Information Symbol Processing), Дж. Маккарти в 1962 г. скорее для работы со строками символов, нежели для работы с числами. Это особое предназначение Лиспа открыло для программистов новую область деятельности, известную ныне, как "искусственный интеллект". В настоящее время Лисп успешно применяется в экспертных системах, системах аналитических вычислений и т.п. Обширность области возможных приложений Лиспа вызвала появление множества различных диалектов Лиспа. Это легко объяснимо; применение Лиспа для понимания естественного языка требует определенного набора базисных функций, отличных, например, от используемого в задачах медицинской диагностики. Существование множества различных диалектов Лиспа привело к созданию в начале 80-х гг. Common LISP Комитета, который должен был выбрать наиболее подходящий диалект Лиспа и предложить его в

28

качестве основного. Этот диалект, выбранный Комитетом в 1985г., получил название Common LISP . В дальнейшем он был принят в университетах США, а также многими разработчиками систем искусственного интеллекта, в качестве основного диалекта языка Лисп. Язык программирования Лисп существенно отличается от других языков программирования, таких, как Паскаль, Си и т.п. Работа с символами и работа с числами как с основными элементами требует разных способов мышления. Первоначально Лисп был задуман как теоретическое средство для рекурсивных построений, а сегодня он превратился в мощное средство, обеспечивающее программиста разнообразной поддержкой, позволяющей ему быстро строить прототипы весьма и весьма серьезных систем. Профессор Массачусетского технологического института Дж. Самман заметил, что математическая ясность и предельная четкость Лиспа - это еще не все. Главное - Лисп позволяет сформулировать и запомнить "идиомы", столь характерные для проектов по искусственному интеллекту.

Проблемно-ориентированные языки программирования

Учитывая чрезвычайно широкий спектр предметных областей (математика, физика, моделирование в различных областях, описание и обработка данных, системное программирование, диалоговые системы, искусственный интеллект и представление знаний и др.), языки высокого уровня (ЯВУ) данного класса являются наиболее многочисленными. Проблемно-ориентированные ЯВУ характеризуются развитыми средствами для описания задач из конкретных предметных областей. Первым из ЯВУ данного класса (как и первым ЯВУ вообще) можно считать широко распространенный на всех типах и классах ЭВМ язык Fortran. Язык Fortran-1 был создан фирмой IBM в 1956 г., впоследствии замененный версиями Fortran-11 (1958 г.) и Fortran-IV (1966 г.); последняя версия стала первым стандартом ЯВУ и способствовала его чрезвычайно широкому распространению. Эффективность ПО, создаваемого компиляторами данной версии языка, во многом обусловила массовый переход к ЯВУ как основному инструментальному средству программирования на ЭВМ. Однако исходная ориентация языка на решение научно-технических задач определила его в качестве ЯВУ, в основном, специальных приложений. Пройдя целый ряд этапов развития и стандартизации: Fortran-f— Fortran-11— For- tran-IV— Fortran-77— Fortran-88 — Fortran-95, его последняя версия представляет собой весьма мощное инструментальное средство для представления широкого круга научно-технических задач, включая сложные САПРы с мощными графическими средствами. Особую ценность представляют обширные библиотеки Fortranпрограмм, наработанные за 40 лет несколькими поколениями программистов из различных проблемных областей. Реализованный первоначально для ЭВМ общего назначения, в настоящее время Fortran располагает компиляторами для всех классов и большинства типов ЭВМ, включая ПК, что делает его одним из основных современных проблемно-ориентированных ЯВУ. Для класса же супер-ЭВМ Fortran является основным ЯВУ, значительно опережая такие языки, как: С, Pascal, Cobol, Lisp, Basic, PL/I, Prolog и ADA . Кратко представим некоторые языки, ориентированные на решение задач в области искусственного интеллекта (ИИ), моделирования и задач физико-математического характера, а также системного программиро-

29

вания. Для решения задач обработки списков и символьной информации искусственного интеллекта и представления знаний весьма широко используются такие хорошо известные ЯВУ, как Lisp и Prolog.

Язык Lisp был разработан Д. Маккарти в 50-х годах для обработки символьной информации и исследований по ИИ-проблематике. Он по началу не приобрел столь широкой известности и популярности как Fortran, Pascal или Basic, ибо был ориентирован на символьные преобразования, а не численные вычисления. И только активизация исследований по ИИ-проблематике и символьным вычислениям определили существенный рост интереса к этому простому и элегантному языку обработки списков, а также подобным ему ЯВУ. Язык Lisp является на сегодня основным инструментальным средством реализации различных систем искусственного интеллекта, базы знаний (БЗ) и систем представления знаний (СПЗ), в первую очередь в США. Prolog, созданный в 70-х годах на основе языка Lisp для исследований по ИИ-проблематике, является языком логического программирования и в этом качестве был выбран основным ЯВУ японского проекта создания ЭВМ 5-го поколения. В связи с активизацией исследований по ИИ и связанной с ним проблематике к языку проявляется все больший интерес: на основе Prologязыка разрабатываются экспертные системы, базы знаний, системы представления знаний и обработки естественных языков и др. Существует ряд популярных реализации Prolog-языка, из которых наиболее известной является система программирования Turbo-Prolog фирмы Borland. Язык Forth был создан в начале 70-х годов первоначально для целей описания процессов управления, выполняющихся в режиме реального времени. Однако заложенные в нем идеология и принципы сделали его языком значительно более широкого применения. В последнее время Forth все чаще используется в системах представления знаний (СПЗ). Моделирование является одним из наиболее мощных методов исследования в различных предметных областях. Для лингвистического обеспечения компьютерного моделирования создан целый ряд эффективных ЯВУ:

GPSS для имитационного моделирования, HYNET для имитационного моделирования вычислительных сетей, VHDL для моделирования цифровых сметем, ADA-подобный язык CHILL для программирования и моделирования АСУ связи и компьютеризированных автоматических телефонных станций, HOCUS для имитационного моделирования, HL-I для описания и моделирования гибридных ВС, VRML для моделирования виртуальной реальности и др. Для систем с числовым управлением используются такие известные ЯВУ как NC, APT, и др. Язык ISETL по синтаксису и структуре весьма близок к языку современной математики, что позволяет использовать его для решения различных задач математического характера, включая ряд направлений математического моделирования. Диалоговый язык SMP содержит все операции традиционной математики и ориентирован на математические вычисления и моделирование. Сразу же после своего создания язык APL получил весьма широкое распространение; среди его основных преимуществ следует отметить наличие широкого набора мощных операторов, позволяющих работать с многомерными массивами, а также возможность расширения языка за счет

30

определяемых пользователем операторов. Язык APL ориентирован на решение научных, инженерно-технических задач, задач моделирования и особенно удобен для описания векторно-матричных задач. На основе языка реализован целый ряд интересных программных систем моделирования, САПР и машинной графики.

Разработка ПО как системного, так и прикладного требует использования целого ряда инструментальных средств, из которых остановимся на языках проектирования программ. Такие языки имеют много общего с обычными ЯВУ, но больше ориентированы на структуру и содержание , чем на удобство использования программ, на них написанных. Эти языки часто используются в структурном программировании. В настоящее время разработан целый ряд ЯВУ, ориентированных на решение перечисленных задач проектирования и разработки ПО различного назначения. Язык Clear, разработанный в 1977 г., предназначен для описания формальных спецификаций ПО, имеет формальные средства иерархического представления сложных спецификаций как сочетаний более простых. В основу языка положены принципы , используемые в алгебре и теории категорий.

Язык Edison предназначен для разработки надежного ПО мультипроцессорных ВС режима реального времени; он относится к языкам блочной структуры и включает средства модульного программирования и параллельной обработки. Язык MOHLL является машинно-ориентированным со структурами управляющей логики типичного ЯВУ, типы и структуры данных которого накладываются на архитектуру конкретной ЭВМ. Язык допускает использование разнообразных объектов типа: бит, байт, слово и т.д. Подобные языки являются в определенной мере альтернативными ассемблерным языкам при решении задач системного программирования на уровне интерфейс - аппаратная среда ЭВМ. К данному типу можно отнести также языки Babbage и PL/360. Наконец, язык BCPL (на основе которого был разработан известный язык С), предназначен для системного программирования и содержит управляющие структуры для обеспечения структурного программирования.

Четырехуровневая иерархия языков программирования

Лингвистическое обеспечение систем автоматического проектирования (САПР) включает в себя совокупность естественных языков проектировщиков с их проблемной ориентацией, алгоритмических языков программирования и машиннозависимых языков кодирования управления работой (систему команд) технических средств САПР. Выполняя один из основных принципов создания инструментов САПР - многоязычность, определяющий доступность этих инструментов проектировщикам всех разрядов, специалистам только в своей предметной области, - разработчик САПР строит входной язык инструментов САПР как проблемноориентированный язык (ПОЯ). Этот ПОЯ основан на естественном языке проектировщиков. С другой стороны, все процессы в ЭВМ протекают как взаимодействие кодов, построенных из множеств «1» и «0», соответствующих состоянию элементов ЭВМ, которые находятся в одном из двух физических состояний (1 или 0). Дело, таким образом, состоит в том, чтобы по командам, сформулированным на естественном языке проектировщика, эти «0» и «1» «двигались» так, чтобы в результа-

31

те их движения двигалось решение поставленной проектировщиком задачи.

В табл. 1 приведена языковая иерархия, которая позволяет последовательно переходить от естественных языков проектировщиков (0-й уровень) до машинных языков, на которых функционируют устройства ЭВМ (3-й и 4-й уровни). Такой подход возможен только при наличии трансляторов - программ, реализованных на ЭВМ и предназначенных для перевода описаний с одного формального языка на другой. Первый из этих языков называется входным, второй - выходным. Характерными функциями трансляторов являются лексический разбор текста на входном языке, синтаксический анализ предложений и преобразование их в форму, удобную для хранения и дальнейшего использования в вычислительном процессе. В частности, синтаксически управляемый транслятор (СУТ) позволяет на основе формального описания синтаксиса входного языка осуществлять анализ предложений этого языка, а также других входных языков, принадлежащих одному классу по грамматике. В соответствии с табл. 1 требуется, по крайней мере, четыре транслятора для всей иерархии языков.

Таблица 1. Языковая иерархия.

32