книги из ГПНТБ / Журавлев, Ю. П. Системное проектирование управляющих ЦВМ

§ 2.10. МЕТОДИКА ВЫБОРА ВНУТРЕННЕГО ЯЗЫКА УПРАВЛЯЮЩЕЙ ЦВМ

Задача выбора внутреннего языка управляющей ЦВМ решается поэтапно.

ного списка операций в настоящее время остается от­ крытым, и проблема выбора внутреннего языка управ­ ляющей цифровой машины, затронутая в настоящей главе, предполагает задание этого списка. Однако в неко­ торых случаях выбор основного списка операций может производиться с ориентацией на некоторый прототип, в качестве которого служит основной список операций какой-нибудь ЦВМ.

Ниже рассматривается одна из возможных процедур выбора основного списка операций.

Эта процедура состоит из трех этапов:

—алгоритмизации задачи,

—моделирования задачи с помощью универсальной

ЦВМ,

—выбора основного списка команд.

Алгоритмизация задачи включает:

—выбор математического метода,

—систематизацию исходных данных, расчленение их на входные переменные и необходимые для решения за­ дачи константы,

—выделение логических условий, ограничений и до­ пущений, которые могут существенно повлиять на окон­ чательный результат решения,

—составление блок-схемы алгоритма, определяющей порядок и последовательность переработки информации,

и описание ее в терминах какого-либо алгоритмического языка.

Разработанный алгоритм должен обладать следующи­ ми свойствами:

—определенностью (детерминированностью) порядка выполнения операций;

—универсальностью, т. е. способностью многократно­ го решения задачи с различными исходными данными;

—результативностью, т. е. гарантией получения одно­ значного решения за конечное число шагов вычислитель­ ного процесса.

Ш

Вид алгоритма зависит от формы математического описания задачи и при преобразованиях расчетных фор­ мул может видоизменяться. Одновременно с этим будет изменяться общее количество элементарных вычисли­ тельных операций и их процентное соотношение. Послед­ нее обстоятельство позволяет путем моделирования процесса решения задачи на универсальной ЦВМ варьи­ ровать процесс составления алгоритма посредством на­ правленного изменения вида расчетных формул с целью выбора основного списка команд.

Моделирование включает:

— составление программы решения задачи в терми­ нах внутреннего языка некоторой универсальной ЦВМ

иввод ее в машину (или трансляцию задачи);

—статистический анализ составленной (оттранслиро­ ванной) задачи в динамическом режиме, т. е. набор ста­ тистических данных по частотному спектру операций и объему вычислительных работ.

В результате моделирования получаются данные о том, какой процент операций каждого типа, имеющих­ ся в списке команд этой универсальной ЦВМ, участвует в процессе переработки информации в соответствии с ис­ следуемым алгоритмом.

Основной список операций выбирается, исходя из ре­ зультатов обработки полученных статистических данных. Выбор заключается в следующем.

Вначале анализируется весь частотный спектр без учета спецкоманд той ЦВМ, с помощью которой выпол­ нялось моделирование. Наиболее часто встречающиеся операции вносятся в основной список команд проектируе­ мой ЦВМ и одновременно исследуется возможность за­ мены некоторых редко встречающихся операций или их объединения с другими. Затем на основе умозрительных соображений направленным образом изменяют выявлен­ ный состав команд основного списка путем добавления некоторых команд, отсутствующих в списке моделирую­ щей машины, и выполняют повторное моделирование, в результате которого этот список может вновь изме­ ниться, и т. д. С каждым уточнением основного списка операций проводится количественный анализ объема вы­ числительных работ.

Необходимо отметить, что выше речь шла о простей­ ших арифметических, логических и управленческих опе­ рациях, хотя принципиально нет препятствий, чтобы

111

]фймер, [15] и приложение 1 настоящей книги). В конце своей работы программа-анализатор выдает на печать следующие характеристики программ алгоритмов управ­ ления:

а) Частотный спектр

/= 1, 2, ...,«,

операций основного списка. б) Частотный спектр

jDa~'{Paj}, / = 1, 2, . . ., Ra—1,

относительных адресов. в) Частотные спектры

/= 1, 2, . . ..S'max,

цепочек элементарных операций допустимой длины. г) Частотный спектр

относительных кодов операций.

Как указывалось выше, количество всевозможных цепочек последовательных операций фиксированной дли­ ны сильно зависит от числа исходных операций, вклю­ чаемых в состав цепочки и от длины последней. Напри­ мер, если в основной список входит 20 операций,.™ раз­ личные цепочки длиной в 5 последовательных операций, составленных из этих двадцати, превышают три мил­ лиона.

В реальной программе, состоящей из Nup команд основного списка операций, количество различных цепо­ чек любой фиксированной длины не может превышать числа NИр даже при условии, что она составлена только из различных цепочек. Если же учесть тот факт, что ре­ альные программы имеют объемы, не превышающие не­ скольких десятков тысяч команд, и содержат большое количество повторяющихся цепочек различной длины, то станет очевидным, что реальные частотные спектры цепо­ чек последовательных операций с нулевыми частотами во много раз уже теоретически возможных частотных спектров. Анализ результатов экспериментальных иссле­ дований частотных спектров цепочек последовательных операций показывает, что с увеличением длины цепочки

реальные спектры с ненулевыми Частотами сильно сужа­ ются. Все это дает возможность относительно быстро и

цепочек операций в командах первого дополнительного списка осуществляется в соответствии с выражениями, полученными из (2.7):

где R*u, l*i — допустимые значения разрядностей отно­ сительных адресов и соответствующих им длин цепочек операций.

В результате составляется таблица допустимых отно­ сительных адресов и соответствующих им длин цепочек операций, как это сделано в § 2.5.

б) Определение допустимых разрядностей одноадрес­ ных фрагментов и, следовательно, допустимых длин цепо­ чек операций в командах второго и третьего дополни­

в) Выбор операций первого дополнительного списка осуществляется таким образом, что из всех частотных спектров цепочек операций, допустимой для первого до­

цепочки длины U.

г) Оптимальная разрядность Ry усеченных кодов опе­ раций для максимального сжатия исходных программ выбирается на основе соотношения (см. § 2.5)

которое предполагает, что частоты рЭг появления опера­ ций основного списка не возрастают с увеличением ин-

114

ных форматов команд второго и третьего дополнитель­ ных списков.

7-й этап. И с п ы т а н и е м о д е л и в н у т р е н н е г о я з ы к а . На этом этапе программы анализируемых алго­ ритмов, записанные в терминах основного списка команд, исследуются на «сжатие», т. е. на возможность замены групп последовательно выполняемых команд одиночны­ ми командами дополнительных списков. При каждой воз­ можности такая замена осуществляется с одновременной фиксацией как самого факта замены, так и цепочки, типа формата и т. д. Испытание модели внутреннего языка должно проводиться по вполне определенным правилам, совокупность которых образует основу алгоритма «сжа­ тия» программ (см. § 2.9) .

На основании результатов «сжатия» программ и по­ лученных реальных частотных спектров уточняется мо­ дель внутреннего языка проектируемой ЦВМ. Это уточ­ нение заключается в том, что все цепочки с нулевыми или очень низкими реальными частотами, обусловленны­ ми пересекаемостью их с другими цепочками, исключа­ ются из дополнительного списка. Точно так же исключа­ ются и форматы для относительных и усеченных кодов операций с нулевыми или очень низкими реальными ча­ стотами появления. Одновременно с этим проектировщи­ ком могут быть включены в модель дополнительно неко­ торые цепочки и форматы на основе каких-либо умозри­ тельных выводов.

После этого модель повторно испытывается на «сжа­ тие» программы и в случае получения удовлетворитель­ ных результатов на этом процесс выбора внутреннего языка проектируемой управляющей ЦВМ заканчивается.

Эффективность построения модели внутреннего язы­ ка, использующего принципы относительной адресации, всегда выше эффективности последнего, не использую­ щего эти принципы.

Седьмой этап завершает процесс выбора и обоснова­ ния внутреннего языка управляющей ЦВМ. На этом эта­ пе окончательно уточняются все списки команд, система форматов и разрядность команд.

Нетрудно заметить, что выбор внутреннего языка управляющей ЦВМ в соответствии с предлагаемой мето­ дикой требует выполнения большого объема вычисли­ тельных работ, связанных с набором статистических дан­ ных и их обработкой.

116

§ 2.11. ЗАМЕЧАНИЯ ПО ВЫБОРУ ВНУТРЕННЕГО ЯЗЫКА

1. Наличие мощных вычислительных систем с развитым математическим обеспечением и большой емкостью памяти позволяет автоматизировать процесс выбора вну­ треннего языка управляющих ЦВМ.

Эволюция развития средств вычислительной техники привела к реальной возможности создания в настоящее время ЦВМ четвертого поколения, обладающих разви­ тыми системами команд, запоминающими устройствами емкостью в несколько миллиардов битов, быстродейст­ вием до нескольких миллионов операций в секунду и мощным математическим обеспечением.

Математическое обеспечение таких машин позволяет значительно расширить области и масштабы применения ЦВМ за счет использования специальных языков раз­ личного уровня многих типов. К низшим уровням отно­ сятся символические языки (автокоды, мнемокоды и др.), которые в той или иной мере связаны с техническими ха­ рактеристиками машины и являются машинно-ориенти­ рованными. К языкам высших уровней относятся языки, тесно связанные не с цифровой машиной, а с ее назна­ чением, т. е. с характером решаемых задач. К таким поо- блемно-ориентированным языкам относятся АЛГОЛ, ФОРТРАН, КОБОЛ, СОЛ и др.

Использование машинно-ориентированных и програм­ мно-ориентированных языков потребовало разработки программных средств, обеспечивающих повышение эф­ фективности ЦВМ в целом. Создаваемые с этой целью программы позволяют в значительной мере освободить программистов и операторов в процессе подготовки и решения задач от участия в организации работы про­ граммных и аппаратурных компонент, а также обеспе­ чивают их взаимодействие при работе в различных ре­ жимах. Эти программы, помимо трансляции текстов с ориентированных языков на внутренний язык машины, выполняют ряд функций, связанных с учетом, отладкой, контролем и т. п. Эти программы вместе с программами интерпретирующих и компилирующих систем, динамиче­ ского распределения памяти, прерывания по приорите­ там, управления периферийным оборудованием и кон­ троля за его работой, а также стандартными подпрограм-

117

мами объединяются специальной программой, называе­ мой супервизором.

Для автоматизации процесса выбора внутреннего язы­ ка проектируемых управляющих ЦВМ с помощью подоб­ ных систем необходимо дополнить их математическое обеспечение специальными программами-анализаторами для определения частотных спектров операций, относи­ тельных адресов, цепочек последовательных операций, а также программами выбора системы дополнительных форматов команд, сжатия п сравнения различных моде­ лей внутренних языков по критерию экономии памяти для программ.

2. Преобразующие грамматики Gx и Gs (§§ 2.7, 2.8) описаны весьма конспективно с единственной целью — не загромождать текст излишними подробностями, затруд­ няющими понимание их структуры. В целях упрощения все фрагменты второго и третьего дополнительных спи­ сков предполагались одноадресными, а соответствующие

им символы алфавитов и Ед являлись поэтому упо­

рядоченными парами. Систему правил грамматики Gx следовало бы дополнить правилами, позволяющими про­ водить перекодировку исходных программ с использо­ ванием двух-, трех- и многоадресных фрагментов.

тики Gs используют переменную базу. Для полноты кар­ тины необходимо ввести в эти грамматики и отображе­ ния с постоянной базой. Введенные упрощения снижают эффективность соответствующих конечных преобразова­ телей и в итоге — эффективность внутреннего языка ма­

Наконец, количество относительных адресов выходно­ го символа шифрирующей грамматики Gx не всегда рав­ но количеству адресов кортежа соответствующей цепоч­ ки входных символов. Например, если символы входного алфавита 2i грамматики Gx суть трехадресные команды, в которых один из адресов служит для указания места засылки результата операции только лишь для того, что­ бы его извлечь оттуда при выполнении следующей команды (если это нужно), то ясно, что эта пара адрессв двух соседних трехадресных команд не должна учи­ тываться при анализе всего кортежа адресов. Подобные нюансы можно обнаружить и в случае одноадресных или

118

двухадресных команд. При построении алгоритма сжа­ тия это необходимо учитывать, исходя из конкретного состава основного списка команд.

3. Рассмотренная в § 2.10 методика выбора внутрен­ него языка управляющих ЦВМ обладает достаточной общностью и может в частных случаях приводить к вы­ бору внутренних языков уже известных типов.

Пусть к моменту испытания модели внутреннего язы­ ка ЦВМ, предназначенной для функционирования в не­ которой конкретной АСУ, были определены все дополни­ тельные списки команд и системы их форматов и пусть после отсева неиспользуемых команд и соответствующих им форматов в результате работы алгоритма сжатия ока­ залось, например, что все команды сжатой программы имеют один и тот же формат и относятся только ко вто­ рому дополнительному списку. Тогда каждый фрагмент можно рассматривать как отдельную команду. Усечен­ ный код операции становится полноразрядным кодом операции, поскольку никакие другие коды операций не используются. Адресная часть фрагмента содержит один или несколько относительных адресов. Подобные системы команд имеют, например, ЦВМ «Днепр» и 1ВМ/360, при­ чем первая из них содержит в коде команды два девяти­ разрядных относительных адреса, а вторая — один две­ надцатиразрядный относительный адрес.

Если после сжатия оказалось, например, что все команды сжатой программы имеют одинаковый формат и относятся только к первому дополнительному списку, причем база постоянная и равна нулю, то каждый отно­ сительный адрес превращается в полноразрядный фак­ тический адрес, а коду обобщенной операции ставится в соответствие вполне определенная цепочка элементар­ ных операций. Подобные системы команд описываются в работах [2, 16] и уже имеются у некоторых ЦВМ.

Если же после работы алгоритма сжатия исходная программа не сжалась, то полученный в результате вну­ тренний язык входит в семейство внутренних языков большинства известных в настоящее время ЦВМ.

Таким образом, рассмотренная методика обладает широкими возможностями и может приводить к выбору различных типов существующих и перспективных вну­ тренних языков управляющих ЦВМ.

4. Техническая реализация принципов относительной адресации приводит к необходимости изменения струк­

119