книги из ГПНТБ / Королев, Л. Н. Структуры ЭВМ и их математическое обеспечение учебное пособие

и мощным средством, позволяющим достаточно быстро наращивать и видоизменять модули операционной систе­ мы. Это является важным достоинством системы.

Говоря о МО, следует подчеркнуть, что большинство программ, созданных для машины «Минск-22», без пере­ делок могут быть выполнены на 32-й модели. Эта преем­ ственность позволила обеспечить 32-ю модель большим пакетом прикладных задач, главным образом относя­ щихся к сфере инженерных и планово-экономических расчетов.

3.3. Машины М-220 и М-222. К машинам высокой пр изводительности относится несколько типов машин, про­ граммно преемственных с машиной М-20. Это машины БЭСМ-ЗМ, БЭСМ-4, М-220, М-222. Эти машины отли­ чаются от М-20 не только тем, что они выполнены не на лампах, а на полупроводниках, но и тем, что объем их оперативной памяти увеличен. Соответственно в систему команд добавлен ряд команд, позволяющих переклю­ чаться с одного куба памяти на другой. Причем это пе­ реключение может быть сделано раздельно для чисел и для команд. Это позволяет, например, программу хранить в одном кубе, а числовой материал — в другом. Структура машин БЭСМ-ЗМ, БЭСМ-4 и даже М-220 в прин­ ципе мало чем отличается от структуры машины М-20, их внутренние информационные связи аналогичны. Эти машины снабжены более усовершенствованными устрой­ ствами ввода-вывода и устройствами внешней памяти на лентах и барабанах.

По современным понятиям, система команд машин типа М-20 обладает целым рядом недостатков, а именно: слабо развитая система модификации адресов, по су­ ществу, наличие только одного индексного регистра на все три адреса команды, отсутствие аппарата, позво­ ляющего строить свободно перемещаемые программы (отсутствие базирования), и, наконец, трехадресная система команд не столь удобна для реализации трансля­ торов с языков высокого уровня, как безадресная или одноадресная система. Тем не менее для М-20 были раз­ работаны трансляторы с языка АЛГОЛ-60 (ТА-1, ТА-2), была разработана интерпретирующая система обраще­ ния к библиотеке стандартных программ, в состав ко­ торой входили многие хорошо отработанные и прове­ ренные подпрограммы.

60

Большой объем программ, созданных для М-20, дал основание при выборе системы команд для машин, предназначенных для научных расчетов, остановиться на системе команд М-20 с тем, чтобы не затрачивать огромного труда на переработку большого задела в об­ ласти программ. Это — один из любопытных примеров того, как программирование может тормозить развитие структуры вычислительных машин. В то же время машины БЭСМ-4 и М-222, преемственные по системе основных команд с машиной М-20, обладают чертами современных ЭВМ: развитой системой прерываний, воз­ можностью защиты памяти, возможностью связи с дру­ гими ЭВМ.

Вначале 60-х годов для одной из машин типа М-20 была разработана программа автооператор, позволяющая автоматизировать управление потоком задач через ма­ шину. Принцип работы автооператора состоял в том, что по окончании программы управление передавалось на резидентную часть управляющей программы автоопера­ тора, всегда находящуюся в памяти, и автооператор' автоматически вызывал для счета следующую программу

смагнитной ленты или с перфокарт. В соответствии с отперфорированными директивами автооператор органи­ зовывал вызов отладочных программ трансляторов и т. п.

Для того чтобы эффективно организовать работу авто­ оператора, потребовалось ввести в аппаратуру машины систему прерывания и произвести ряд других изменений

вструктуре с тем, чтобы можно было реально совмещать ввод следующей программы со счетом предыдущей.

Всерийную машину М-222 на основе опыта исполь­ зования автооператора была включена система прерыва­

ния и расширены возможности одновременной работы с несколькими внешними устройствами.

Машина М-222 является вполне современной маши­ ной по своей структуре, наличию аппарата прерываний, организации связи с внешними абонентами.

В ее комплект может быть подключено до восьми блоков ОЗУ тем самым объем его может быть доведен до 32 тысяч слов. Объем памяти на магнитных барабанах может быть увеличен до 192 тысяч слов и на магнитных лентах — до 32 млн. слов. В структуре машины предусмот­ рены два «магистральных» направления, к каждому из которых может быть подключено по три канала для связи

61

с другими машинами, т. е. предусмотрена возможность работы машины М-222 в комплексе с другими машинами. Блок-схема М-222 представлена на рис. 5.

Неотъемлемой частью машины является внутреннее математическое обеспечение, в основу которого поло­ жены идеи, реализованные в автооператоре. Программадиспетчер этой машины реализует функции управляю­ щей программы, организуя совмещенный со счетом обмен по нескольким параллельным направлениям и управляя последовательностью и режимами прохождения про­ грамм через машину.

Математическое обеспечение семейства машин М-20 создавалось в течение более 10 лет, главным образом, силами научно-исследовательских институтов и высших учебных заведений, в которых эти машины широко ис­ пользовались.

В первые годы появления машины М-20 основу ее математического обеспечения составляли системы ис­ пользования библиотечных стандартных программ. Это системы ИС-2 и ССП-2.

Система ИС-2 построена по принципу динамической загрузки библиотечных подпрограмм в область опера­ тивной памяти, выделяемой программистом. Стандарт­ ные программы (СП), входящие в состав библиотеки ИС-2, писались в машинных кодах в так называемых условных адресах. Условный адрес по смыслу является цифровым именем переменной, и в некоторых случаях его можно рассматривать как относительный адрес. Условные адреса в момент динамической загрузки стан­ дартной программы в выделенную область памяти под­ вергаются настройке по месту. Настройка внутренних условных адресов, т. е. адресов, локализованных в дан­ ной СП, состоит в том, что к коду условного адреса при­ бавляется константа, вычисляемая в зависимости от места, определенного в памяти для загрузки СП.

Более сложный процесс происходил над так называе­ мыми внешними условными адресами и условными адре­ сами для обозначения параметров. В этом случае ус­ ловные адреса играют роль имен. Каждая СП сопро­ вождается таблицей, описывающей внешние условные адреса, и связывание внешних переменных одной про­ граммы с переменными другой, в которой определяются эти внешние переменные, основано на перестройке этих

63

таблиц путем достаточно сложного процесса пересчета внешних условных адресов в истинные адреса. В поле, отведенном для загрузки СП, может быть размещено несколько СП в порядке обращения к ним в динамике счета. В том случае, если для новой СП не хватает места, все поле очищается, и его заполнение производится снова. Иногда такой процесс отнимает много времени, так как каждое считывание СП нз библиотеки требует обращений к магнитной ленте, на которой, как правило, хранятся все СП.

Вторая система использования библиотеки стандарт­ ных программ ССП-2А построена по принципу статиче­ ской загрузки. До исполнения программы, содержащей обращение к библиотечным СП, производится их вызов из библиотеки, настройка по месту, по внешним пере­ менным и по параметрам обращения. После того, как исходная программа и все вызванные СП увязаны в еди­ ную систему, начинается исполнение «собранной» про­ граммы, в ходе которого уже не происходит обращений к магнитной ленте. Система ССП-2А, таким образом, выполняет функции статического загрузчика. Составле­ ние библиотечных программ в условных адресах с ис­ пользованием машинных кодов, очевидно, требует оченг высокой профессиональной квалификации программи­ стов, выполняющих эту работу.

В середине 60-х годов был создан автокод для машин семейства М-20. Этот машинно-ориентированный симво­ лический язык позволял программировать уже не в -ус­ ловных адресах, а используя символические имена переменных. В языке достаточно хорошо развит аппарат указания внешних имен и аппарат указания парамет­ ров. Очень важно, что транслятор с автокода, так назы­ ваемый Автокодир, создает стандартную программу, пригодную для помещения в библиотеку ИС-2 или ССП-2А.

Можно считать, что автокод в какой-то степени завер­ шил линию развития системы библиотечных программ, предоставив вполне современное и удобное средство их написания.

С появлением новых машин семейства М-20: БЗСМ-З, БЭСМ-4, БЭСМ-4М, М-220, М-222, обладающих большим объемом оперативной памяти, системы использования библиотечных программ подверглись соответствующей

64

модификации и в настоящее время известны под назва­ нием ИС-22, ССП-2А.

Второе направление в области разработки систем программирования для машин этого семейства связано с созданием трансляторов с языков высокого уровня типа АЛГОЛ. Эти работы начались одновременно и велись параллельно с разработкой систем использова­ ния СП.

Первый транслятор с некоторого подмножества языка АЛГОЛ для М-20 был создан под руководством С. С. Лаврова и В. А. Степанова в 1962 г. Эта система получила название ТА-1. По отношению к полному АЛГОЛ-60 самое существенное ограничение в системе ТА-1 касается запрещения рекурсий. Тем не менее эта система быстро завоевала популярность в силу своей простоты и достаточно высокой эффективности. В системе ТА-1 были предусмотрены средства, позволяющие поль­ зоваться системой библиотечных программ ИС-2. В даль­ нейшем система ТА-1 совершенствовалась. В настоящее время она известна под названием ТА-1М и приспособ­

работы были выполнены под руководством М. Р. ШураБура. Несущественные ограничения по сравнению с пол­ ным языком в системе ТА-2 связаны с исключением редко используемой конструкции динамических собст­ венных массивов и с запрещением в качестве параметров передавать метку как целое. В остальном Есе конструк­ ции языка АЛГОЛ-60 воспринимаются системой ТА-2 в полном соответствии с официальной версией АЛГОЛ-60. Естественно, что система ТА-2 более сложна по струк­ туре и программы, полученные после трансляции, в ряде случаев менее эффективны по сравнению с такими же программами, полученными в системе ТА-1. Следует оговориться, что подобное сравнение неправомочно, так как «область определения» ТА-2 намного шире области определения ТА-1. В дальнейшем система ТА-2 подверг­ лась модернизации с учетом новых возможностей, поя­ вившихся в семействе машин М-20, а также за счет до­ бавления некоторых оптимизирующих средств, позволяю­ щих получать более эффективные рабочие программы.

Эта модернизированная система получила название ТА-2М. Приблизительно в то же время, в которое ве­ лась разработка систем ТА-1 и ТА-2, под руководством А. П. Ершова началось создание АЛЬФА-системы. Ос­ нову системы составляет алголоподобный язык АЛЬФА. Он отличается от АЛГОЛа-60, с одной стороны, рядом Ограничений на использование рекурсий и, с другой Стороны, некоторыми расширениями за счет введения! матричной арифметики. Создатели транслирующей си­ стемы АЛЬФА затратили много усилий, добиваясь того, чтобы полученные после трансляции программы рабо­ тали максимально эффективно. АЛЬФА-транслятор — первый в нашей стране оптимизирующий транслятор. Разработчики этой системы внесли большой вклад в теорию программирования, в теорию эквивалентных преобразований алгоритмов и программ. В АЛЬФАсистеме реализованы алгоритмы экономии памяти, экономии вычислений, экономии циклов.

Анализ рабочих программ, полученных по АЛЬФАсистеме, показывает, что по качеству — объему зани­ маемой памяти и времени счета — они почти не уступа­ ют программам, составленным опытными программи­ стами.

В начале 70-х годов для машин семейства М-20 раз­ работан транслятор с языка ФОРТРАН, так называемая система Ф-20. Язык ФОРТРАН в настоящее время полу­ чил широкое распространение в Советском Союзе и со­ перничает с АЛГОЛом-60, трансляторы с которого поя­ вились у нас намного раньше. ФОРТРАН более прост в освоении, и конструкции, которые он предоставляет пользователю, более прозрачны и проще реализуются на машинах. Для программирования большинства прак­ тически необходимых задач инженерных и научно-тех­ нических расчетов тех возможностей, которые предо­ ставляет ФОРТРАН, оказывается вполне достаточно.

Для машин семейства М-20, обладающих системой прерываний, а именно для БЭСМ-4М, М-220, М-222, разработано несколько операционных систем, обеспечи­ вающих режим пакетной обработки, т. е. режим автома­ тического пропуска пакетов программ пользователей без участия оператора. Таких операционных систем к на­ стоящему времени насчитывается три: ОС4-220 для машин БЭСМ-4М, М-220, ОС для БЭСМ-4/МГУ и ОС

66

в темпе нескольких килогерц. Это важно для машин, предназначенных для управления технологическими про­ цессами. Как известно, машины «Урал» являются уни­ версальными машинами, ориентированными на решение планово-экономических и управленческих задач.

Машины «Урал» могут комплектоваться различными внешними и оперативными запоминающими устройст­ вами: магнитными барабанами (НБ-11) емкостью от 180 тыс. до 1,5 млн. битов, накопителями на магнитных лентах от 1 до 8 млн. слов (24 разряда), накопителями на магнитных дисках типа НД-3 емкостью от 5 до 40 млн. слов.

Оперативное запоминающее устройство может ком­ плектоваться из блоков ферритовой памяти, емкостью 8192 или 16 384 слов (24 разряда + 2 разряда для конт­ роля), с циклом обращения 9 мксек, и блоков памяти со временем обращения 3 мксек и объемом в 16 тысяч 48-разрядных слов. Для машин серии «Урал» разрабо­ таны стандартные устройства сопряжения с телеграф­ ными линиями, с устройствами ввода-вывода и устрой­ ства для связи с другими машинами.

Перечисленные выше унифицированные устройства представляют собой как бы кирпичики, из которых можно строить различные по мощности и назначению вычисли­ тельные машины.

Эта унификация модулей машин «Урал», однако, в меньшей степени простирается на арифметические устройства и совсем не распространяется на устройства управления. Арифметические устройства машин «Урал-11, -14, -16» отличаются не только схемно, но и по функциям, которые они могут выполнять.

Так, например, основное АУ «Урала-14» может вы­ полнять действия над числами и словами переменной длины от 1 до 24 разрядов. Арифметическое устройство «Урала-11» обрабатывает операнды только двух типов (12-разрядные и 24-разрядные). Основное АУ «Урала-16» может обрабатывать слова и числа разрядностью от 1 до 48 битов. Устройство управления, которое организует выполнение команд и определяет связи между всеми устройствами машины, для каждой машины свое, и у каждой машины, по существу, собственная система команд, хотя и имеется много общих черт (одноадресность, модификация).

68

Например, в машинах «Урал-11, -14» предусмотрены действия с десятичными числами. В системе команд ма­ шины «Урал-16» таких действий не предусмотрено. В машинах «Урал-14, -16» имеются базисные регистры, в машине «Урал-11» таковых нет, но в ней большее число индексных регистров.

Количество команд для машин различно и составляет 150, 230 и 300 соответственно для машин «Урал-11», -14, -16». Таким образом, в машинах «Урал» отсутствует программная совместимость сверху вниз и снизу вверх на уровне внутреннего машинного языка.

Далее мы более подробно рассмотрим принцип про­ граммной преемственности (совместимости) и обсудим его достоинства и недостатки. Существует точка зрения, что преемственность на уровне внутреннего языка не яв­ ляется необходимой и даже вредна и отсутствие таковой в машинах ряда «Урал» едва ли следует отнести к его недостаткам.

В состав математического обеспечения каждой из машин включен машинно-ориентированный входной язык АРМУ (Автокод Ряда Машин «Урал») и соответ­ ствующие трансляторы на конкретные внутренние языки. Задачи, написанные на языке АРМУ, как утверждают его авторы, могут решаться на любой из машин «Урал-11, -14, -16». Таким образом, в данном случае проведен принцип программной совместимости на уровне входного языка типа языка символического кодирования и обеспе­ чивается совместимость снизу вверх. Быстродействие этих машин составляет 50, 45, 100 тысяч операций в се­ кунду соответственно для машин «Урал-11, -14, -16». То есть быстродействие «Урала-14» несколько меньше быстродействия «Урала-11».

В состав математического обеспечения машин вклю­ чены языки АЛГОЛ-60, АЛГАМС, АЛГЭК и соответст­ вующие трансляторы с этих языков на язык АРМУ. В состав МО «Урала-16» входит операционная система организующая пакетную обработку данных. Эта опера­ ционная система успешно прошла испытания в 1970 г.

3.5. ЭВМ БЭСМ-6. Разработка машины БЭСМ-6, глав­ ный конструктор которой академик С. А. Лебедев и зам. главного конструктора доктор технических наук В. А. Мельников, была закончена в конце 1966 г. Машина вступила в строй в 1967 г. БЭСМ-6 обладает рядом инте­

69