Модели вычислений

Традиционная модель

Из материалов предыдущего раздела видно, что подходы к решению программистских задач при использовании различных языков отличаются друг от друга. Иногда эти различия непринципиальны и сводятся лишь к текстовому представлению программы, а иногда они довольно существенны. Если различия непринципиальны, то мы говорим, что языки имеют сходную модель вычислений.

Модель вычислений языка не обязательно совпадает с моделью вычислений, заложенной в оборудование. Эти модели расходятся, если сама машина имеет традиционную архитектуру. Более того, даже машины другой архитектуры программно моделируются на машинах традиционной архитектуры. В дальнейшем мы будем пользоваться термином традиционные языки, понимая под этим языки, модель вычислений которых унаследована от традиционной архитектуры машин. Архитектура, впервые использованная Конрадом фон Цузе ^{1В подавляющем большинстве книг она называется по имени фон Неймана, опубликовавшего под своим именем результаты английских коллег-союзников, а также результаты фон Цузе, находившегося тогда в США в фактическом рабстве как военнопленный.} еще на рубеже 30-40-х гг. XX в., в несколько модифицированной форме до сих пор принята почти для всех вычислительных машин.

В этой архитектуре вычислительной системы имеются следующие три элемента:

1. Память,предназначенная для хранения произвольных значений. Значения на аппаратном уровне представляются как последовательности битов.
2. Процессор, способный выполнять команды, т. е. интерпретировать последовательности битов как инструкции для активизации предписываемых этими инструкциями действий.
3. Управляющее устройство, способное указывать команды, которые должен выполнять процессор (иногда управляющее устройство рассматривается как составная часть процессора).

Эти элементы обладают следующими особенностями.

1. Однородность памяти. Память машины рассматривается как вектор, состоящий из одинаковых ячеек, способных принимать (от процессора) любые значения.

   Значение в ячейке, с точки зрения процессора, является последовательностью битов фиксированной длины без каких бы то ни было ограничений.
2. Линейная адресация. Ячейки памяти идентифицируются адресами: числами от нуля до максимально возможной для данной машины величины (обозначающей последнюю ячейку). Адреса служат указателями для процессора, откуда следует извлекать или куда помещать значение.

   Из однородности памяти следует, что команды и данные (перерабатываемые значения) располагаются в единой общей памяти и одинаково адресуются.
3. Пассивность памяти. Ячейка памяти всегда содержит какое-то значение. Полученное ячейкой значение не может быть изменено иначе как при выполнении специальной команды процессора, предназначенной для этого действия, - команды засылки, или присваивания, значения. Изменяемая ячейка указывается своим адресом.
4. Активность процессора. Процессор всегда выполняет некоторую команду, закодированную последовательностью битов в ячейке и извлеченную из памяти. Команды могут иметь операнды, т. е. в них, как правило, указываются адреса ячеек, над которыми выполняются предписываемые действия. Именно процессор, в соответствии с тем, какую команду он должен выполнить, интерпретирует значение ячейки-операнда как число, символ, адрес в памяти и др. Число операндов команды называется ее адресностью, а адресность большинства команд - адресностью машины. Различаются одно-, двух- и (в настоящее время реже) трехадресные машины, а также машины с нефиксированной адресностью.
5. Централизация управления. Управляющее устройство содержит адрес команды, назначаемой для выполнения процессором. Если эта команда является командой передачи управления, при ее выполнении определяется адрес ячейки, содержащей команду, которая должна выполняться после текущей, и этот адрес становится новым содержимым устройства управления. В противном случае адрес команды, назначаемой процессором для выполнения следующей, есть текущее содержимое устройства управления, увеличиваемое на единицу (очередная выполняемая команда содержится в ячейке памяти, следующей за текущей). Таким образом, управляющее устройство можно моделировать как регистр, называемый счетчиком команд. Этот регистр модифицируется автоматически либо командами передачи управления ^{2Такой взгляд полезен программисту при разработке интерпретирующих программ, когда ему нужно промоделировать передачи управления.}.
6. Наличие канала связи между памятью и процессором. Для передачи данных или команд между памятью и процессором используется специальное оборудование, называемое каналом связи. Работа канала осуществляется в случаях, когда требуется:
   1. подать очередную команду процессору для выполнения (активизируется управляющим устройством);
   2. получить операнды для выполнения команды (активизируется процессором);
   3. изменить значение ячейки при выполнении команды (активизируется процессором).

Такую архитектуру будем называть традиционной.

Традиционная архитектура машины конкретизируется для соответствующей среды применения. В частности, она всегда дополняется устройствами ввода и вывода данных.

На рис. 2.1 показано взаимодействие устройств традиционной машины.

Рис. 2.1. Схема выполнения двухадресной команды на машине традиционной архитектуры

В команде КО₁О₂ К — код операции, O₁ и O₂ — адреса операндов. Команда размещена по адресу 3. Сплошными стрелками отмечена передача информации по каналу. Пунктирные стрелки обозначают действия, которые осуществляются непосредственно до исполнения команды (запрос кода команды по адресу 3) и после нее (указание на необходимость запроса команды, следующей в памяти за исполняемой).

Традиционная архитектура ЭВМ сформировалась в условиях ненадежности физических элементов. В частности, по этой причине выбран довольно примитивный способ управления: переход к следующей команде или к команде по принудительно задаваемому адресу. А в дальнейшем, несмотря на появление качественно новой элементной базы, стремительный рост производства машин такого типа препятствовал смене архитектуры.

Есть причина, из-за которой увеличение эффективности традиционных машин принципиально ограничено. Повышение быстродействия процессора как активного элемента оборудования приводит к росту скорости счета лишь в пределах, определяемых скоростью канала связи между процессором и памятью: если она невысока, то процессор будет простаивать, ожидая очередной команды, операндов или окончания выполнения присваивания ^{3Схема выполнения команды на рис. 2.1 иллюстрирует интенсивность работы канала машины фон Цузе. Для выполнения двухадресной команды КО₁О₂ требуется шесть обращений к каналу. Интересно, что первоклассный программист, посмотрев на рисунок, увидел лишь четыре обращения. Дело в том, что на физическом уровне при чтении ячейки происходит ее стирание, и поэтому требуется восстановление ее содержимого. Для прочтения трех ячеек нужно шесть операций, а факт перезаписи некоторых из них не увеличивает числа обращений к памяти в том случае, если сама команда запрограммирована корректно на аппаратном уровне.}. Темпы роста скорости процессора выше, чем у канала связи.

На эти принципиально непреодолимые ограничения классической модели вычислений указал Бэкус еще в середине семидесятых годов (Тьюринговская лекция Бэкуса [ 35 ] ), назвав канал связи памяти с процессором узким местом (буквально bottleneck ) традиционной модели.

Традиционная архитектура машин менее всего связана с конкретным классом решаемых задач. Она скорее связана с двумя наиболее распространенными и наиболее низкоуровневыми стилями программирования: структурным и автоматным программированием.

Под стилем программирования мы понимаем внутренне концептуально согласованную совокупность средств, базирующуюся на некоторой логике построения программ. Теоретические исследования последних десятилетий показали, что различным классам задач и методов соответствуют различные логики построения программ, и эти логики несовместимы друг с другом. Логики (и, соответственно, стили программирования) дают самую общую оболочку, не зависящую от конкретных предметных областей и даже от конкретных методов. Как только мы уясняем себе особенности методов, стили начинают конкретизироваться далее. Так, известный Вам (поскольку именно он преподается в качестве единственно существующего во всех современных учебных пособиях по началам программирования) структурный стиль конкретизируется в циклический либо рекурсивный варианты (ипостаси).

Для разных стилей логики построения несовместимы, поэтому прежде чем обсуждать стили в системе, мы познакомимся с примерами реализации различных стилей. Но еще до этого целесообразно рассмотреть другие архитектуры машин.