46827 (Аппаратура, программное обеспечение и микропрограммы), страница 3

Языки высокого уровня открывают возможность машинно-независимого программирования. Большинству пользователей компьютер нужен только как средство реализации прикладных систем. Языки высокого уровня позволяют пользователям заниматься преимущественно задачами, специфичными для их конкретных прикладных областей, не вникая в особенности применяемых ими машин. Благодаря этому существенно повышается скорость процесса программирования, обеспечивается обмен программами между машинами различных типов, и у людей появляется возможность разрабатывать эффективные прикладные системы, не затрачивая времени и сил на полное изучение внутренней структуры машины.

Перевод с языков высокого уровня на машинный язык осуществляется при помощи программ, называемых компиляторами. Компиляторы и ассемблеры имеют общее название «.трансляторы». Написанная пользователем программа, которая в процессе трансляции поступает на вход транслятора, называется исходной программой; программа на машинном языке, генерируемая транслятором, называется объектной программой, или выходной (целевой) программой.

2.3.4 Система управления вводом-выводом (IOCS)

Подробные канальные программы, необходимые для управления вводом-выводом, и различные подпрограммы для координации работы каналов и процессоров являются достаточно сложными. Создание супервизорной программы, учитывающей все сложности выполнения операций ввода-вывода, освобождает прикладного программиста от необходимости самому писать подобные программы. Такая супервизорная программа носит название системы управления вводом-выводом (IOCS).

В 50-х годах пользователи обычно включали исходный код IOCS в свои программы на языке ассемблера. Пакет IOCS, уже написанный и отлаженный, фактически ассемблировался каждый раз заново как часть каждой индивидуальной программы, что приводило к значительному увеличению времени трансляции. Поэтому на многих машинах, как правило, использовались готовые, заранее ассемблированные программы IOCS. Программист, работающий на языке ассемблера, писал операторы со ссылками на места расположения ключевых программ в готовом коде IOCS.

Еще одна проблема использования концепции IOCS была связана с тем, что полный пакет программ IOCS зачастую занимал значительную долю основной памяти, оставляя мало места для кода прикладных программ пользователя. Поэтому некоторые пользователи занимали в памяти место не нужных им модулей пакета IOCS своими программами. Другие пользователи разрабатывали свои собственные, более компактные пакеты. Однако в конце концов пользователи поняли, что самое рациональное — это предоставить системе IOCS возможность выполнять все функции по управлению вводом-выводом, и были просто вынуждены увеличивать объемы (дорогостоящей) основной памяти своих вычислительных машин. Такой подход стал по сути стандартным — и операционные системы начали включать все больше и больше машинно-ориентированных программ, так что разработчики прикладных систем смогли сконцентрировать свои усилия на создании программ прикладного характера. Это привело к тому, что операционным системам потребовались большие емкости основной памяти. К счастью, стоимость устройств основной памяти постоянно снижается.

2.3.5 Спулинг

При спулинге (вводе-выводе с буферизацией) посредником между работающей программой и низкоскоростным устройством, осуществляющим ввод-вывод данных для этой программы, становится высокоскоростное устройство, например дисковый накопитель. Вместо вывода строк данных непосредственно, скажем, на построчно печатающее устройство программа записывает их на диск. Благодаря этому текущая программа может быстрее завершиться, с тем чтобы другие программы могли быстрее начать работать. А записанные на диск строки данных можно, распечатать позже, когда освободится принтер. Для этой процедуры название «спулинг» весьма подходит, поскольку она напоминает намотку нитки на катушку, с тем чтобы ее можно было при необходимости размотать.

2.3.6 Процедурно-ориентированные и проблемно-ориентированные языки

Языки высокого уровня бывают либо процедурно-ориентированными, либо проблемно-ориентированными. Процедурно-ориентированные языки высокого уровня — это универсальные языки программирования, которые можно использовать для решения самых разнообразных задач. Проблемно-ориентированные языки предназначаются специально для решения задач конкретных типов. Такие языки, как Паскаль, Кобол, Фортран, Бейсик и ПЛ/1 обычно считаются процедурно-ориентированными, а такие языки, как GPSS (язык моделирования) и SPSS (язык для выполнения статистических вычислений),— проблемно-ориентированными. 1)

2.3.7 Быстрые компиляторы без оптимизации и оптимизирующие компиляторы

Когда программы разрабатываются и отлаживаются, компиляции производятся часто, а выполняются программы обычно недолго — пока не обнаружится очередная ошибка. В этих условиях вполне приемлемы быстрые компиляторы без оптимизации. Они позволяют быстро получить объектную программу, однако ее код может оказаться совершенно неэффективным с точки зрения как занимаемой памяти, так и скорости выполнения. После того как программа отлажена и готова для производственной эксплуатации, при помощи оптимизирующего компилятора для нее генерируется эффективный машинный код. Оптимизирующий компилятор работает гораздо медленнее, однако обеспечивает получение объектного кода очень высокого качества.

В 70-х годах господствовало мнение о том, что хороший программист, работающий на языке ассемблера, может создать гораздо лучший код программы, чем оптимизирующий компилятор, В настоящее время оптимизирующие компиляторы настолько эффективны, что генерируемый ими код по качеству не уступает или даже превосходит код, созданный высококвалифицированным программистом на языке ассемблера. Благодаря этому программы, которые должны быть исключительно эффективными (например, операционные системы), больше не приходится писать на языке ассемблера. Сегодня крупные операционные системы в большинстве случаев пишутся на языках высокого уровня и при помощи оптимизирующих компиляторов очень высокого качества транслируются в эффективный машинный код.

2.3.8 Интерпретаторы

Существует один интересный и распространенный вид трансляторов, интерпретаторы, которые не генерируют объектную программу, а фактически обеспечивают непосредственное выполнение исходной программы. Интерпретаторы особенно распространены в системах проектирования программ, где программы идут, как правило, лишь небольшое время до момента обнаружения очередной ошибки. Интерпретаторы распространены также в сфере персональных компьютеров. Они свободны от накладных затрат, свойственных ассемблированию или компиляции. Однако выполнение программы в режиме интерпретации идет медленно по сравнению с компилированным кодом, поскольку интерпретаторам надо транслировать каждую команду при каждом ее выполнении.

2.3.9 Абсолютные и перемещающие загрузчики

Программы для выполнения должны размещаться в основной памяти. Распределение команд и элементов данных по конкретным ячейкам основной памяти является исключительно важной задачей. Решение этой задачи иногда осуществляет сам пользователь, иногда транслятор, иногда системная программа, называемая загрузчиком, а иногда — операционная система. Сопоставление команд и элементов данных с конкретными ячейками памяти называется привязкой к памяти. При программировании на машинном языке привязка к памяти производится в момент кодирования. Уже давно наблюдается тенденция откладывать привязку программы к памяти на как можно более поздний срок, и в современных системах виртуальной памяти привязка осуществляется динамически в процессе выполнения программы. Отсрочка привязки программы к памяти обеспечивает увеличение гибкости как для пользователя, так и для системы, однако это связано с существенным повышением сложности трансляторов, загрузчиков, аппаратных средств и операционных систем.

Загрузчик — это системная программа, которая размещает команды и данные программы в ячейках основной памяти. Абсолютный загрузчик размещает эти элементы именно в те ячейки, адреса которых указаны в программе на машинном языке. Перемещающий загрузчик может загружать программу в различные места основной памяти в зависимости, например, от наличия свободного участка основной памяти в момент загрузки (называемое временем загрузки).

2.3.10 Связывающие загрузчики и редакторы связей

В первых вычислительных машинах программист писал на машинном языке программу, которая содержала все команды, необходимые для решения конкретной задачи. Даже сложные и в определенном смысле опасные процедуры управления вводом-выводом в каждой программе на машинном языке приходилось кодировать вручную.

В настоящее время программы пользователя зачастую содержат лишь незначительную часть команд и данных, необходимых для решения поставленной задачи. В составе системного программного обеспечения поставляются большие библиотеки подпрограмм, так что программист, которому необходимо выполнять определенные стандартные операции, может воспользоваться для этого готовыми подпрограммами. В частности, операции ввода-вывода обычно выполняются подпрограммами, находящимися вне программы пользователя. Поэтому программу на машинном языке, полученную в результате трансляции, приходится, как правило, комбинировать с другими программами на машинном языке, чтобы сформировать необходимый выполняемый модуль. Эту процедуру объединения программ выполняют связывающие загрузчики и редакторы связей до начала выполнения программы.

Связывающий загрузчик во время загрузки объединяет необходимые программы и загружает их непосредственно в основную память. Редактор связей также осуществляет подобное объединение программ, однако он создает загрузочный модуль, который записывается во внешнюю память для будущего использования. Редактор связей играет особенно важную роль для производственных систем; когда программу необходимо выполнять, ее загрузочный модуль, сформированный при помощи редактора связей, может быть загружен немедленно — без накладных затрат времени (часто весьма больших) на повторное объединение отдельных частей программы.

2.4 Микропрограммы

Принято считать, что автором концепции микропрограммирования является профессор Морис Уилкс. В своей статье в 1951 г. (Wi 51) он предложил принципы, которые легли в основу современных методов микропрограммирования. Однако начало реального внедрения микропрограммирования связано с появлением System/360 в середине 60-х годов. В течение 60-х годов изготовители компьютеров применяли микропрограммирование для реализации наборов команд машинного языка (Ни 70).

В конце 60-х — начале 70-х годов появилось динамическое микропрограммирование, предусматривающее возможность легкой загрузки новых микропрограммных модулей в управляющую память, служащую для выполнения микропрограмм. Благодаря этому стало возможным динамично и часто менять наборы команд вычислительной машины. И сейчас уже никого не удивит, если в мультипрограммных системах новых поколений будут предусматриваться возможности предоставления различных наборов команд различным пользователям, с тем чтобы в процессе переключения процессора с программы на программу можно было также осуществлять переход с одного набора машинных команд на другой, необходимый следующему пользователю.

Микропрограммирование вводит дополнительный уровень средств программирования, нижележащий по отношению к машинному языку компьютера, и тем самым оно позволяет определять конкретные команды машинного языка. Подобные возможности являются неотъемлемой частью архитектуры современных компьютеров и имеют громадное значение с точки зрения обеспечения высоких скоростных характеристик и защиты операционных систем.

Микропрограммы размещаются в специальной управляющей памяти очень высокого быстродействия. Они состоят из индивидуальных микрокоманд, которые гораздо более элементарны по своей природе и более рассредоточены по функциям, чем обычные команды машинного языка. В компьютерах, где набор команд машинного языка реализуется при помощи микропрограммирования, каждой команде машинного языка соответствует целая и, .быть может, большая микропрограмма,/Тем самым сразу же становится очевидным, что микропрограммирование окажется эффективным только в том случае, если управляющая память будет обладать гораздо большим быстродействием; чем основная.

2.4.1 Горизонтальный и вертикальный микрокод

Команды микрокода можно разделить на горизонтальные и вертикальные. Выполнение вертикальных микрокоманд очень похоже на выполнение обычных команд машинного языка. Типичная вертикальная микрокоманда задает пересылку одного или нескольких элементов данных между регистрами.

Горизонтальный микрокод действует совсем по-другому. Каждая его команда содержит гораздо большее число бит, поскольку может задавать параллельную операцию пересылки данных для многих или даже всех регистров данных устройства управления. Горизонтальные микрокоманды являются более мощными, чем вертикальные, однако может оказаться, что соответствующие микропрограммы гораздо сложнее кодировать и отлаживать.

2.4.2 Выбор функций для микропрограммной реализации

Для разработчика очень важно правильно решить, какие именно функции вычислительной машины реализовать при помощи микрокода. Микрокод предоставляет реальную возможность повысить быстродействие вычислительной машины. Реализуя часто используемые последовательности команд микропрограммно, а не обычным программным способом, разработчики добиваются существенного повышения показателей быстродействия. Читателям, которые будут знакомиться с функциями операционных систем по мере проработки настоящей книги, рекомендуется тщательно анализировать, для реализации каких из этих функций может быть эффективно использован микрокод.

2.4.3 Эмуляция

Эмуляция — метод, позволяющий сделать одну вычислительную машину функциональным эквивалентом другой. Набор команд машинного языка эмулируемого компьютера микропрограммируется на эмулирующем компьютере — и благодаря этому программы, представленные на машинном языке первого компьютера, могут непосредственно выполняться на втором. Фирмы-разработчики компьютеров широко применяют эмуляцию при внедрении новых машин, и пользователи, привязанные к старым компьютерам, получают, например, возможность без всяких изменений выполнять свои ранее отлаженные программы на новых машинах. Тем самым процесс перехода с машины на машину становится менее сложным и болезненным.