Машинно ориентированное программирование

Разбить на страницы

Показывать лекцию целиком

Рассматривается два подхода к машинно независимому эффективному программированию. Язык Forth - пример организации вычислений над стеком. Можно рассматривать как язык-ядро с возможностью практически неограниченного проблемно-ориентированного расширения. Язык Little - пример традиционной организации вычислений над структурированными битовыми строками. Основные конструкции аналогичны фортрановским, но с учетом современных решений, упрощающих реализацию компилятора. Оба языка допускают порождение эффективного кода "хорошо" написанных программ [,].

Появление в 70-х годах микропроцессорных средств с малым объемом памяти и сравнительно невысоким быстродействием вызвало очевидные трудности в применении привычных языков высокого уровня. Не удивительно, что поиск подходящих средств программирования сменил приоритеты в оценке свойств языков и систем программирования. На передний план вышли машинно-ориентированные языки-оболочки, поддерживающие достижение эффективности и компактности программ при достаточном уровне абстрагирования от конкретики процессоров, сравнимом с абстрагированием в языках высокого уровня. Особо ярким явлением в эти годы стал язык Forth, сохранивший многочисленных приверженцев и в наши дни, когда пресс технических характеристик изрядно помягчал []. Little приведен как пример альтернативного подходе к решению проблемы машинно ориентированного программирования.

Наиболее убедительное применение Forth получил как средство разработки специализированных систем, создаваемых по методике раскрутки, начиная с тщательно минимизированного ядра с рядом последовательных шагов расширения в рамках единой оболочки. Сам язык устроен по такому же принципу, так что такая технология пошагового программирования впитывается при изучении идей и средств системы программирования на базе Forth-а. Кроме общеизвестных примеров про системы управления астрономическими телескопами и лазерами, следует упомянуть IBMCAD - аналог системы инженерного AutoCAD и систему автоматизации издательского дела МРАМОР. Для последней именно на Форте была создана предельно компактная операционная система объемом около 4 килобайт. Форт был успешно применен при реализации языка PostScript, до сих пор используется при разработке видеоигр и систем начальной загрузки ОС, чувствительных к скорости срабатывания. При значительном внешнем несходстве Форт обладает концептуальным родством с языком Лисп, что побудило в 80-е годы к разработке языка ФоЛи, объединяющего достоинства обоих языков.

Программирование на Форте требует вдумчивости и аккуратности. Достижимость лаконичных форм дается ценой нестандартных индивидуальных решений, мало приспособленных к передаче программ в чужие руки. Лозунги "Программируйте все сами!" и "Не бойтесь все переписывать заново!" правильно отражают подход к программированию на Форте. Успех достигается явным максимализмом в тщательной отладке и способностью видеть задачу программирования в развитии.

Язык Форт предложен Чарльзом Муром в 1968 году. К середине 70-х Форт стал третьим по популярности после Бейсика и Паскаля, завоевавшим свои позиции при освоении микропроцессоных средств. По технике программирования Форт весьма похож на макроассемблер, только вместо системы команд над машинными словами в нем используется система операций над стеком.

Программирование на Форте сопровождается систематической сверткой понятий, синтаксис применения которых созвучен польской записи. Можно сказать, что хорошая программа на Форте - это специализированная виртуальная машина, приспособленная к дальнейшему расширению по мере развития постановки задачи.

Система программирования для языка Форт содержит пару интерпретатор-компилятор, причем техника компиляции весьма эффективна. Система использует единый порядок представления данных и команд в программе - все это последовательности слов. Данные располагают перед операциями по их обработке. Операция - это известное системе слово. Данные просто загружаются на стек, из которого операция их берет в соответствии с ее числом параметров.

Слова система хранит в словарях, образующих контекст исполнения программы. Непрерывная среда разработки программ содержит средства отладки, управления разработкой и методами обработки текста программы, включая гибкое сочетание интерпретации и компиляции.

Все это позволяет утверждать, что Форт - это и технология, и философия, и язык программирования, обеспечивающий управляемый компромисс между сложностью разработки программ и удобным программированием в терминах задачи.

Хорошо написанные на Форте программы обладают гибкостью, универсальностью, компактностью, расширяемостью и простотой. Удобочитаемость программ не входит в число достоинств этого языка, но при определенных лингвистических навыках потенциально достижима. Возможна выработка стиля программирования на Форте типа мимикрии под другие языки.

Массовое распространение Форта по времени совпало с интенсивным обновлением микропроцессорных средств, расширением их возможностей и эксплуатационных характеристик. Это повлияло на приспособленность языка к обеспечению совместимости и переносимости программ на разные версии Форта своими средствами, а также существенную открытость для программиста.

Традиционно отмечаемые недостатки Форта:

сложность записи программ для новичков;

необходимость понимания всех процессов исполнения программы;

трудность отчуждения программы от системы программирования;

нестандартность языка, это не типовой язык программирования;

строго последовательное исполнение потока операций;

слабый контроль ограничений на оперативную память;

неполный цикл разработки не приспособлен к производству.

Активный популяризатор Форта Мур отметил: "Форт не уравнитель, а усилитель!"

Итак, программа на Форте строится как последовательность слов. Данные - это тоже слова. Логическое значение "истина" - 0. В качестве элементарных данных выступают литеры, целые без знака и со знаком, неотрицательные целые, адреса, двойные слова и др. типы данных.

Имеются константы TRUE и FALSE, символизирующие логические значения.

Заключение в кавычки "строка" означает вариант со счетчиком и ограничитель - 0

Состояние системы программирования можно исследовать на уровне системных переменных. Различается состояние компиляции (создание кода программы) и интерпретации (непосредственное исполнение программы). Если STATE = 0, то система ведет исполнение программы.

Системная переменная BASE задает систему счисления.

Исполнение программы организовано как диалог над стеком. Каждая команда знает, что взять из стека и во что преобразовать:

DROP  (X --)Круглыми скобками  выделена схема изменения стека 
                           = сбросить из стека
DUP        (X -- X X)                      = скопировать вверх
NIP        (X1 X2 -- X2)                   = сбростиь предпоследний
OVER       (X1 X2 -- X1 X2 X1)             = предпоследний наверх
PICK       (XN ... X0 N -- XN ... X0 XN)   = выборка из середины стека
ROLL       (XN ... X0 N -- XN-1 ... X0 XN) = перестановка на заданную глубину
ROT        (X1 X2 X3 -- X2 X3 X1)          = перестановка трех верхних элементов
SWAP       (X1 X2 -- X2 X1)                =  обмен местами
TUCK       (X1 X2 -- X2 X1 X2)             = копирование под вершину
DEPTH      (-- N)                          = глубина   
?DUP       (X -- X X\=0)                   = ? истина

Кроме обычных арифметических операций имеются эффективно реализуемые:

1+ 
1-  
2+ 
2- 
2/ половина

Слово стека занимает 16 разрядов, но имеются операции над двойными словами - в 32 разряда:

2drop 
2dup 
2over 
2rot 
2swap

Есть вариант умножения чисел без потери точности - результат пишется в двойное слово:

UM*      (a,b -> cc)

Система программирования использует при работе ряд стеков:

R - стек возвратов
C - стек компиляции
F - стек чисел 
S  - стек словарей

Имеются операции, работающие с адресами и памятью:

@          (adr -- x)     чтение - разыменование
!          (x adr --)     запись

ALLOCATE   выделить память
FREE       освободить память
RESIZE     заменить размер
IOR        код завершения операции   

ALLOT  (N -- адр)  резервирование памяти в словах
HERE   (-- А)      адрес слова
,                  компиляция со стека
UNUSED (-- N)      остаток памяти

Операции заполнения памяти предусматривают следующие вариции кодов росписи:

FILL       char
ERASE      0
BLANK      пробел

Возможно пересылка блоков памяти:

CMOVE
CMOVE>
MOVE

Арифметические операции:

+
-
*
/   (n1 n2 -- n3)

*/  (n1 n2 n3 -- n4)   n1 * n2/n3  "рабочая лошадка", эффективно выполняющая 
  часто встречающееся сочетание операций.

*
OVER
-
SWAP
DUP
*
+

Новые слова можно вводить в форме:

: имя опр;

:SQ
DUP   (-- A,B,B)
* SWAP (B**2, A)
DUP * (B**2, A**2)
+;   (B**2 + A**2)

Интерпретирующий автомат для языка Форт по сложности сравним с автоматом для ассемблера. Основная разница - словарь Форта хранит определения произвольной длины, а таблица меток ассемблера хранит адреса фиксированного размера.

Средства размещения слов в словарь:

IMMEDIATE (--) немедленное исполнение в любом состоянии
FORGET         убрать из словаря

Обозначение систем счисления:

DECIMAL
HEX
LITERAL

Моделирование переменных и констант:

VARIABLE  имя               - переменная в словарь 
знач имя !                  - присвоить = запись в переменную
имя @              (a -- x) - чтение в стек из переменной
знач CONSTANT имя  (X --)   - создание константы по стеку
имя                (-- x)   - конст -> стек
знач VALUE имя     (X --)   - переименование

Богато представлена логика и операции сравнения:

and 
or 
xor 
not
< 
= 
> 
<>
<= 
>= 
<>
0< 
0= 
0>

Средства управление процессами - ветвления: условное выражение и переключатель.

усл IF часть-то THEN
усл IF часть-то   ELSE часть-иначе  THEN  

зн-0   CASE
зн-1  OF  ветвь1 ENDOF
---
---

[ветвь-иначе]   ENDCASE

Моделирование циклов:

кон-зн нач-зн DO тело-цикла  LOOP
кон-зн нач-зн DO тело-цикла шаг +LOOP
              ?DO - м.б. ни разу

I - текущее значение счетчика
J - внешний цикл

UNLOOP сброс счетчика
LEAVE  выход из цикла

... BEGIN ... AGAIN  бесконечный цикл
          ... усл WHILE ... REPEAT ...
                   !ложь______!
... BEGIN ... усл UNTIL
                   !ист________!

Манипулирование стеками:

n STACK s   новый стек S размера N
ws PUSH     запись в стек
 S POP      перенос в стек данных
 s POP  
 s ST@      скопировать
 s ST!      сброс стека

Современные реализации Форта предоставляют средства работы с очередями, управления компиляцией, локализации переменных, обработки структур данных. Системы программирования на Форте содержат препроцессор CREATE, средства работы со статическими динамическими метками, объявления отношений, связывания имен, подключения альтернативных словарей и использования системных вызовов. Возможно работа на уровне обычного ассемблера:

CODE ... ENDCODE

KEY    ввод с клавиатуры
KEY?   есть ли символ?
ACCEPT [=EXPECT ]  ввод строки
PARSE  адр слова в буфере и его длина

При работе со словарем, рассматриваемым как список слов, можно применять отношение порядка:

ORDER    - в порядке поиска

Имеются средства работы с событиями, исключениями (0 - успех) и прерываниями:

CATCH - THROW

Можно создавать метаопределения:

CREATE DOES>

Таким образом обеспечены базовые функциональные возможности, характерные для систем программирования для языков высокого уровня.

В отличие от языка Forth предложенный Дж.Шварцем машинно независимый машинно ориентированный язык программирования Little включает средства обработки битовых строк в привычную языковую схему языка Фортран. Сохраняется обычная система подготовки и понимания программ, меняются лишь операции по обработке данных и набор встроенных типов данных. Данные - это битовые строки произвольной длины, а операции обеспечивают манипулирование битовыми строками как на уровне отдельных подстрок и битов, так и на уровне крупных, совместно используемых блоков и структур данных. []

X = 23
.f. 1,10, a (2)  = 44   /*  в поле с 1 по 10-й разряд записать 44 */
.ch. 5, text = 'A'      /*   в 5-й символ текста записать 'A' */

subr START;          /*  Разбор оператора присваивания  языка Little */
   size SYM (48);
      call SCAN (SYM);    /*  Чтение первого символа */
      call ASSIGN;         
   return;
end;

subr ASSIGN;   /* Разбор оператора присваивания,           
                              первый символ которого уже прочитан процедурой SYM */

   if TC(SYM).EQ. TC ( '.' )            go to ASS;
   if TC(SYM).EQ. TC (NAME) go to NAME1;
                                                     ERROR;

/ASS/    call SCAN (SYM);  /* левая часть*/
          IF TC (SYM).ne. TC (PREF) ERROR;
             call SCAN (SYM);

          IF TC (SYM).ne. TC ( '.' ) ERROR;
              call SCAN (SYM);
              call SCAN (PREF); /* f, s, e, ch */
                                               /* выделение поля из левой части */
              call SCAN (SYM);

     IF TC (SYM).ne. TC (NAME) ERROR;
                                                       go to NAME1;

/NAME1/    call SCAN (SYM);
                if TC(SYM).EQ. TC ( '=' ) go to NAME2;
                if TC(SYM).EQ. TC ( '(' ) go to RI-PAR;
                                                         ERROR;

/RI-PAR/      call SCAN (SYM);
                IF TC (SYM).ne. TC (EXPR) ERROR;
                      call SCAN (SYM);
                IF TC (SYM).ne. TC ( ')' ) ERROR;
                     Call SCAN (SYM);
                IF TC (SYM).ne. TC ( '=' ) ERROR;
                                                        go to NAME2;  

/NAME2/      call SCAN (SYM);
               IF TC (SYM).ne. TC (NAME) ERROR;
           return;

/NO/   end;

Средства машинно ориентированного программирования обычно доступны в системах программирования для языков высокого уровня в виде операций или команд, образующих линейные участки. Язык Little не получил особого распространения, хотя был успешно применен для эффективной реализации языка сверх высокого уровня Setl. Принятые в нем решения представляют интерес как эксперимент по разработке многоуровневых систем программирования.

Страницы: