Введение
Микропроцессорная техника широко используется в настоящее время во всех отраслях народного хозяйства для автоматизации технологических процессов, решения научных и инженерно-экономических задач.
Персональные компьютеры стали доступными довольно широким слоям населения.
Благодаря алгоритмическим языкам пользователь микроЭВМ может вообще не иметь представления о принципах построения и архитектуре микроЭВМ и успешно решать свои проблемные задачи.
Поэтому в большинстве методических разработок, рекомендациях и лабораторных практикумах по программированию основное внимание уделяется языку программирования в отрыве от аппаратной части и программного обеспечения. Такой подход не допустим для будущих специалистов в области робототехнических систем и автоматизации технологических процессов. При первом же знакомстве с языком программирования студенты должны получать определенные знания об аппаратной части микроЭВМ, так как тот или иной алгоритмический язык является составной частью программного обеспечения, неразрывно связанного с технической основой микроЭВМ.
На первой стадии обучения предлагается алгоритмический язык BASIC. Обычно рассматривают одну из версий широко используемого в микроЭВМ языка BASIC применительно к конкретной микроЭВМ. В то же время известно, что выпускаемые нашей промышленностью микроЭВМ почти ничем не отличаются по структурной схеме и базируются на известных принципах построения больших и миниЭВМ, от которых они отличаются технологией изготовления и конструкцией. Между собой микроЭВМ могут отличаться конструкцией, системой команд и программным обеспечением. В робототехнических системах и для целей автоматизации производства широко используются микроЭВМ различных семейств, несовместимых между собой по системам команд. Количество версий алгоритмического языка BASIC вместе с диалектами в мире насчитывается несколько сотен. Наибольшее отличие состоит не в диалекте (т.е. замене одних символов на другие), а в меньшей или большей возможности ее за счет дополнительных команд и операторов.
Кардинальным выходом из такой ситуации считается унификация и стандартизация технических средств микропроцессорной техники и языков программирования, в частности языка BASIC. В США принят стандарт на этот язык. Вслед за США стандарт ввела Европа, причем стандарт языка совместим с американским. В том объеме, в каком изучают язык BASIC начинающие, он практически ничем не отличается почти во всех версиях и как система записи программы не зависит от класса микроЭВМ (DEC или INTEL).
Студентам предлагается на выбор три версии языка BASIC: GW-, Quick- и TURBO-BASIC.
1. Общие сведения о микроэвм. Выбор языка программирования
1.1. Общие сведения о микроЭвм.
Начало микропроцессорной техники было положено американской фирмой INTEL, создавшей в 1971 г. первый 4-разрядный микропроцессор первого поколения I4004 по заказу японской фирмы JAPANEEZE для настольного калькулятора. За короткий срок микропроцессорная техника благодаря успехам микроэлектронной технологии прошла бурный период своего развития. Современный период характеризуется широким использованием однокристальных 32-разрядных микропроцессоров с системами команд фирмы INTEL (например, PENTIUM) и фирмы DEC (DIGITAL EQUIPMENT CORPORATION) и появлением 64-разрядных микропроцессоров (например, ITANIUM), относящихся к VLIW-процессорам с очень большой длиной командного слова (VERY LONG INSTRUCTION COMMAND).
К микропроцессорным средствам вычислительной техники (МСВТ) относятся микропроцессорные комплекты и секции (МПК), микропроцессоры (МП), микроЭВМ, включающие персональные компьютеры (ПЭВМ), и микроконтроллеры (МК). МикроЭВМ – это сложная система предназначенная для обработки информации, состоящая из двух основных частей: аппаратной (технической) и программной, выполненную на основе больших или сверхбольших интегральных схем (БИС или СБИС) в виде многоплатной, одноплатной, однокорпусной или однокристальной системы.
Отличительной особенностью микроЭВМ является высокая надежность, небольшая стоимость и малые габариты. Совокупность этих качеств позволяет рассматривать микроЭВМ как новое, программно-аппаратное средство автоматизации, обеспечивающее широкую доступность при решении различных задач автоматизации, включая и те, которые раньше считались нерентабельными.
МикроЭВМ применяются в роботах, робототехнических комплексах (РТК), гибких производственных модулях и системах (ГПМ и ГПС), в станках с ЧПУ, в системах автоматизированного расчета (САПР), в автоматизированных системах управления (АСУ), в локальных информационных и управляющих сетях, в приборостроении, в бытовой технике и в сельском хозяйстве.
С другой стороны, микроЭВМ являются удобными и доступными как для инженерно-экономических и научных расчетов, так и в качестве личных ЭВМ. Отличительной особенностью этого класса микроЭВМ необходимо считать низкую стоимость, доступную для всех. Это важное преимущество способствует повышению компьютерной грамотности населения и возрастающему использованию ПЭВМ для целей автоматизации.
Третье важное направление применение МСВТ - широкое использование их при создании супер-ЭВМ, больших и мини-ЭВМ с новыми возможностями и архитектурой.
СуперЭВМ – это новый класс многопроцессорных машин с конвейерной организацией вычислений и быстродействием свыше триллиона операций в секунду. Современные большие ЭВМ широко используют принцип распределения вычислительной мощности, используются, как правило, на вычислительных центрах. Мини-ЭВМ представляют класс ЭВМ с меньшей стоимостью и вычислительной мощностью.
Мини-ЭВМ используются для целей автоматизации в вышестоящих ступенях иерархических АСУ, в универсальных вычислительных комплексах (УВК), в автоматизированных рабочих местах для конструкторов (типа АРМ), в САПР и т.д.
Все современные микроЭВМ, а также большие и мини-ЭВМ, не использующие принцип параллельной обработки информации, относятся к машинам последовательного действия (машинам фон-Дж.Неймана), в которых команды выполняются последовательно одна за другой.
Принцип действия таких ЭВМ наглядно отражает обобщенная структурная схема, показанная на рисунке 1, хотя она и не отражает принципов построения и архитектуры современных машин. Обобщенная структурная схема любой системы, в частности ЭВМ, содержит обычно характерные блоки, которые встречаются в системах данного класса. В обобщенную структурную схему ЭВМ входят следующие блоки и устройства ввода информации (УВВ), память, устройства выводы информации (УВыВ); процессор (МП), в котором показывают два основных узла (арифметико-логическое устройство (АЛУ) и устройство управления (УУ)), и программное обеспечение (ПО).
В качестве УВВ используются клавиатурный терминал (клавиатура), мышь, джойстик, сканер, факс (телефон, телеграф), модем, световое перо, цифро-аналоговый преобразователь и периферийная память. В больших ЭВМ широко применяется перфокарточное устройство, считающееся надежным вводом информации. В мини-ЭВМ используются фотосчитывающие устройства.
Память ЭВМ может включать оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянно запоминающее устройство (ПЗУ), перепрограммируемое ПЗУ (ППЗУ), КЭШ-память и различную периферийную память (гибкие магнитные диски, жесткий магнитный диск (винчестер), Flash-память, CD-диски типа ROM, CD-диски типов R и RW, DVD-диски и магнито-оптические диски). Сверхоперативной памятью считаются регистры общего назначения (РОН), которые входят в процессор.
Устройства вывода информации тоже многообразны: видеотерминал (монитор), печатающее устройство (принтер, плоттер), телефон, телеграф, модем, графопостроитель, звуковые и световые сигнализаторы, а также многочисленные световые табло.
Процессор - это функционально законченное устройство обработки информации и управления всеми узлами и блоками ЭВМ, выполненное на основе МПК, БИС или СБИС в одном корпусе или в одном кристалле. В состав микропроцессора обычно включается, кроме АЛУ и УУ, регистры общего назначения (РОН), схемы управления вводом-выводом и интерфейс микропроцессора.
Рисунок 1. Обобщенная структурная схема ЭВМ последовательного действия
Состав каждой части микроЭВМ (так же, как и любой ЭВМ) определяется вычислительной мощностью и областью применения. При увеличении количества устройств ввода/вывода и вычислительной мощности процессора персональные ЭВМ становятся профессиональными микроЭВМ, так как стоимость их значительно возрастает.
Все блоки микроЭВМ обращаются друг с другом при помощи электрических сигналов, которые представляют данные, команды и управляющие сигналы. Связь функциональных узлов (модулей) микропроцессорной системы осуществляется с помощью электрических проводников, называемых линиями. Линии, сгруппированные, но некоторому функциональному признаку или назначению, объединяются в шины (шина данных, шина управлении, адресная шина). Совокупность шин, служащих для обмена информацией между компонентами системы, образует магистраль интерфейса. Термин интерфейс (сопряжение) имеет два значения. С одной стороны, интерфейс - это совокупность средств и правил связи двух объектов. В то же время интерфейс - это средство стандартного подключения периферийных устройств ввода-вывода (совокупность унифицированных шин, элементов физического соединения и алгоритмов управления обменом информации между компонентами средств ввода-вывода).
Работа микроЭВМ осуществляется с помощью последовательности команд программы, написанной для решения конкретной задачи. Такая программа называется программой пользователя или проблемной программой. Каждая из этих команд представляет простое обращение к устройству управления, которое управляет работой всей машины в целом. УУ принимает управляющую информацию от памяти, которая сообщает, какие действия надо осуществлять и где в памяти расположены данные, над которыми должны производиться эти действия. После того, как УУ определяет, какую именно команду необходимо исполнить, оно выдает управляющие сигналы, позволяющие открыть и закрыть соответствующие вентили по всей вычислительной системе. В результате таких действий данные могут поступать от одного функционального устройства к другому при выполнении операции, заданной выбранной командой.
Как только АЛУ заканчивает выполнять свою часть в данной операции, УУ может выдавать необходимую управляющую информацию, разрешая передачу результатов обратно в память или направляя эти результаты к какому-нибудь устройству вывода. Это делается для фиксации результатов на другом носителе, например, на диске. В конце выполнения команды УУ заставляет машину выбрать и декодировать следующую команду. На каждую команду УУ откликается определенной совокупностью микрокоманд, которые, как правило, хранятся в ПЗУ или ППЗУ, причем структура микрокоманд аналогична структуре команд. Такое управление называется микропрограммным
Таким образом, устройство управления осуществляет следующие функции: а) выработку машинной команды; б) декодирование соответствующей последовательности микрокоманд; в) управление вентилями для выполнения операциями над полями данных; г) изменение состояния микроЭВМ для выполнения следующей операции.
Однако обработка какой-то величины при выполнении текущей команды может оказывать влияние на выбор следующей команды. Поэтому необходимо обеспечить проверку условий осуществления перехода. Под переходом (или передачей управления) понимается выбор между управляющей последовательностью, которая следует непосредственно за выполненной командой, и некоторой другой последовательностью. Операция перехода может быть условной и безусловной. При условном переходе производится проверка условия.
Управляющие сигналы формируются из тактовых сигналов, специального генератора, которые служат для синхронизации, декодирования задания последовательности действий и проверки состояний.
Программное обеспечение должно находиться на каком-нибудь носителе информации типа память. В некоторых микроЭВМ ПО размещается в ОЗУ или ППЗУ, но, как правило, хранится в периферийной памяти: на гибких магнитных дисках (ГМД), винчестере, или в кассетах магнитофонов.
Структура и состав ПО зависят от класса ЭВМ, ее вычислительной мощности, объема основной и периферийной памяти, от специфики или общности решаемых задач.
В общем случае ПО включает 3 основных компонента: операционную систему (ОС), систему программирования (СП) и пакеты прикладных программ (ППП).
ОС представляет совокупность программных блоков для управления всеми узлами и блоками микроЭВМ через устройство управления. СП позволяет программисту пользоваться языками программирования, библиотекой стандартных программ и средствами отладки. Она представляет совокупность средств и методов создания и отладки программ. ППП - это программы, подготовленные для употребления готовых программ пользователями.
В ПО могут отсутствовать ППП, а СП может быть ограниченной. Часто под операционной системой для решения специальных задач (особенно для управляющих ЭВМ) понимается основная управляющая программа и системные программы.
Основная управляющая программа (ОУП) является важнейшей из всех программ ОС. ОУП подчинена устройству управления микроЭВМ.
Обычно управляющие программы состоят из программных блоков, например, из стандартной программы для организации исполнения, блока прерывания программ, блока организации ввода-вывода информации, блока связи с оператором, блока обнаружения и отработки ошибок и т.п. Число таких блоков может быть различным. Когда их число определенно, они объединяются (генерируются) в специфическую для данной микроЭВМ (класса микроЭВМ) или системы управляющую программу.
Аналогично генерируется ОС в целом.
Управляющее устройство микроЭВМ обрабатывает либо программы пользователя, либо программы ОС.
Таким образом, ОУП совместно с УУ решает задачи, которые в микропроцессоре жестко не закоммутированы аппаратными средствами.
Наиболее распространенными ОС для микроЭВМ системы DЕС является операционная система ОС ДВК, которая программно совместима с операционными системами ФОДОС, РАФОС, РАФОС-2, используемыми в мини-ЭВМ системы DEC.
В микро- и мини-ЭВМ системы INTEL широко используется операционная система MS DOS (версия 6.2 и 7).
Что касается пользователя ЭВМ, то прежде чем решать какую-нибудь задачу, он должен ее алгоритмизировать и составить схему алгоритма в соответствии с ГОСТ 19002-80 и 19003-80. Алгоритм представляет конечную последовательность правил, однозначно определяющих процесс преобразования исходной информации для получения результата. Схема алгоритма не зависит от языка программирования.
Языки программирования принято разделять на машинно-зависимые и машинно-независимые. К машинно-зависимым относят машинный язык и язык АССЕМБЛЕРа. К машинно-независимым относятся языки высокого уровня: процедурные, или предписывающие и непроцедурные (описательные). Процедурные языки являются алгоритмическими, к ним относятся проблемно-ориентированные (например, MARVEL, APT), процедурно ориентированные (ФОРТРАН, ПАСКАЛЬ, BASIC и др.), объектно-ориентированные (КЛАСКАЛЬ, СМОЛТОК и СИМУЛА). При использовании непроцедурных языков (ВИЗИКАЛЬК, МУЛЬТИПЛАН и ПРОЛОГ) описательная программа констатирует, какой результат желателен, не указывая, как этого достичь, что освобождает программиста от обязанности разрабатывать алгоритм.
В настоящее время широкое распространение получили объектно-ориентированные языки, например, ТУРБО-ПАСКАЛЬ под MS DOS, языки программирования, считающиеся средами программирования под WINDOWS (DELPHI, C++, JAVA).
Для обеспечения работы по программированию разработано большое количество программных оболочек (например, NORTON COMMANDER для MS DOS, FAR MENEGER для WINDOWS), которые являются надстройками над ОС, реализуются путем программирования клавиш для выполнения соответствующей команды.