Введение к работе
Актуальность темы. Тема настоящей работы непосредственно
связана с исследованиями в области автоматизации программирования в части проблем организации инструментальных средств.
Проблема автоматизации программирования возникла в первые годы появления ЭВМ, она менялась по своему содержанию совместно с развитием аппаратных средств, расширением спектра задач, решаемых с помощью вычислительной техники, с изменением требований, предъявляемых к качеству и объему услуг, предоставляемых при программировании. Если па ранних этапах развития программирования "вершиной" автоматизации программирования являлись средства, обеспечивающие программирование на языках типа автокода и машиноориеитированных языках, то на сегодня речь идет о применении современных технологий, основанных на комплексной поддержке решения задачи на ЭВМ от этапов проектирования до кодирования и подготовки разрабатываемой системы, как программного продукта.
Вычислительная техника сегодняшнего дня, ее области
применения, особенности программирования обладают целым
спектром свойств и качеств, существенно влияющих на возможные
принципы организации инструментальных средств
программирования. Выделим следующие характерные черта современных вычислительных систем и сфер их применения, которые приводят к новым проблемам, требующим своего решения.
Первое. Революция в области технологий производства и разработки вычислительной техники и ее элементной базы, определила существенное сокращение сроков создания новых вычислительных машин, снижение их стоимости, что привело к появлению новых, нетрадиционных сфер применения вычислительных систем, к необходимости создания новых технологий, сокращающих сроки разработки качественного программного обеспечения новых ЭВМ. В частности, возникли требования сокращения сроков и стоимости создания инструментальных средств программирования для новых вычислительных систем. Этого можно добиться путем создания программного обеспечения, основанного на унификации и многократном использовании машинонезависимых компонентов.
Второе. Неотъемлемой характеристикой современных вычислительных систем является широкое использование параллелизма при обработке информации. От локального параллелизма, заложенного внутри процессорных элементов (на
уровнях устройств управления, арифметических устройств), до
многопроцессорных систем, обладающих сложными
межпроцессорными взаимосвязями. Важной и далеко еще не решенной проблемой является учет подобных архитектурных особенностей ЭВМ при трансляции: выявление фрагментов программ, преобразование которых позволит наиболее полно использовать вычислительную систему.
Третье. Активно развивается применение вычислительных систем при управления техническими объектами. Если раньше применение специализированных управляющих ЭВМ было прерогативой крупных производств, военных приложений, авиации, космоса, то на сегодня применение встроенных компьютерных устройств характерно для подавляющего большинства современных бытовых приборов. При этом следует отметить, что традиционные проблемы, связанные с особенностями архитектуры и программирования управляющих ЭВМ, остаются в повестке дня.
Характерной особенностью современных вычислительных
систем, объединяющих в себе последние две тенденции, является
формирование класса специализированных вычислительных систем,
обладающих специфическими архитектурными особенностями,
позволяющими исиользовать данные ЭВМ для эффективного
решения конкретных типов задач. Это ведет к расширению понятия
специализированной ЭВМ от систем, применяемых в управлении
техническими объектами, до специализированных систем,
ориентированных на решение сложных задач математического
моделирования, информационного поиска и доступа к данным,
которые также как и управляющие вычислительные системы, имеют
значительные особенности в архитектуре и программировании.
Примерами подобных ВС могут служить транспьютерные системы,
процессорные матрицы, вычислительные системы обработки
графической информации, NON STOP системы и т.п. С точки
зрения инструментальных средств программирования
специализированных вычислительных систем, актуальным является решение проблемы оптимизации программ, учитывающей архитектурные особенности целевых ЭВМ.
Представленные выше характеристики современных вычислительных систем определяют набор проблем, требующих своего решения, а также актуальные свойства и специфические качества, которым должны удовлетворять средства программирования подобных ЭВМ.
Одной из основных особенностей организации современного программного обеспечения (операционных систем, систем программирования, СУБД и т.п.) является тенденция его унификации и применения многократно используемых компонентов. При этом традиционным является подход, заключающийся в максимальном разделении и унификации машшюнезависимых компонентов программного обеспечения и компонентов, ориентированных на конкретные свойства той или иной вычислительной системы. Применение данного подхода в современных условиях требует решения многих проблем при организации систем программирования, таких как разработка методов, позволяющих сократить стоимость и сроки создания систем программирования, повысить надежность за счет использования многократно используемых и, в свою очередь, многократно тестируемых компонентов (исправление ошибки на этом уровне не является локальным для конкретной ЭВМ, а тиражируется для всех машин, на которых применяется система), унифицировать трансляторы для языков высокого уровня, что в свою очередь ведет к сокращению числа различных диалектов (определяемых реализацией) для одного и того же языка высокого уровня. Все это приводит к необходимости нового прочтения применимости систем кросе- программирования. Бели ранее эти системы применялись исключительно для нроіраммировапия узко специализированных управляющих ЭВМ и, в большинстве случаев, строились на базе языков уровня ассемблера или машиноориентированных языков, то сегодня актуальным является разработка и использование многофункциональных систем кросс программирования, применимых для широкого класса задач и основанных на традиционных языках высокого уровня. Подобные системы возможно использовать как в кросс -режиме, так и в резидентном режиме.
Следующей характерной чертой организации современных систем программирования является проблема автоматизации построения машинно-ориентированных компонентов. Должны быть исследованы и разработаны новые методы, позволяющие решать проблему автоматизации построения или адаптации компонентов систем кросс-программирования, учитывающие конкретные особенности вычислительных систем. К таким компонентам, в частности, относятся средства машинно-ориентированной оптимизации программ, генерации кода, отладки.
Современная система программирования, кроме традиционных
свойств и возможностей, должна обладать свойствами
конструктора, на базе которого можно создавать новые системы
программирования, удовлетворяющие специфическим
требованиям, определяемым условиями применения. Таким
образом, система программирования должна быть открыта для
модификации и развития с целью учета особенностей
программирования тех или иных специализированных ЭВМ, и
позволяющая служить ядром как для создания узкоспециальных
систем кросс-программирования управляющих ЭВМ, так и для
достаточно универсальных систем, например, для
программирования различных типов высокопроизводительных
вычислительных систем.
Обобщая, можно говорить об актуальности разработки систем
программирования, обладающих перечисленными выше
свойствами, с использованием принципиальной возможности
разделения машинно-ориентированных компонентов системы и
компонентов, ориентированных на те или иные свойства
конкретных архитектур (а возможно и специфики применения). Это
определяет актуальность исследований и разработки
многофункциональных систем кросс-программирования.
Целью исследований, представленных в диссертации, являлись
исследования и разработка новых подходов к организации
инструментальных систем программирования специализированных
ЭВМ и их экспериментальная апробация, основанная на идеях
многофункциональных систем кросс-программирования,
построенных на использовании компонентов, адаптируемых к
особенностям целевых вычислительных систем.
Научная новизна работы состоит в исследовании и разработки
новых подходов и алгоритмов в организации систем
программирования, основанных на принципах построения
многофункциональных систем кросс-программирования.
Разработана и апробирована методика построения
многофункциональных систем кросс-программирования,
адаптируемых для различных архитектур ЭВМ.
Практическая ценность полученных результатов состоит в
предложенной методике разработки инструментальных средств
программирования, ориентированных на применение в широком
спектре задач. Разработана экспериментальная
многофункциональная система кросс-программирования. Имеется
положительный опыт ее внедрения в ряде промышленных и
научных организаций.
Методы исследований. Настоящие исследования основываются на
анализе современных архитектур вычислительных систем, теоретических основах компиляции, теории выявления зависимостей и оптимизации программ, теории генерации кода. Благодарности. Автор выражает глубочайптую благодарность всем тем студентам, аспирантам и сотрудникам кафедры АСВК факультета ВМиК МГУ, кто более 10 лет принимал непосредственное участие в данных исследованиях. В первую очередь хочется отметить неоценимый вклад Т.И.Даниярходжаева, В.Ю.Маслова. Г .В.Нишанова, С.Ш.Артыгалина, Е.Ю.Марьяскина. Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих семинарах, конференциях и совещаниях:
на IV конференции молодых ученых закавказских республик(Тбилиси, 1986г.);
на Всесоюзной конференции "Методы трансляции и конструирования программ" (Новосибирск, 1988г.);
на VII международном семинаре "Проблемы информатики и ее применения в управлении, обучении и научных исследованиях" (НРБ, София, 1999г.)
на конференции ДИАЛОГ 87" (Тбилиси 1988г.);
на расширенном заседании семинара института прикладной математики им.И.Н.Векуа (Тбилиси 1989г.);
на научно-исследовательском семинаре института проблем кибернетики АН СССР (Москва, 1989г.);
на ИХ международном семинаре "Проблемы информатики и се применения в управлении, обучении и научных исследованиях" (Москва, 1989г.)
на заседании рабочей группы по локальным вычислительным сетям (Смоленск, 1989г.);
на 15-всесоюзной школе-семинаре по вычислительным сетям. (Москва. 1990г.);
на IX международном семинаре "Проблемы информатики и ее применения в управлении, обучении и научных исследованиях" (НРБ, София, 1990г.)
на ігаучно-исследовательском семинаре вычислительного центра Сычуаньского университета (КНР, Чэнду, 1990г.);
на научно-исследовательском семинаре Сычуаньского политехнического института (КНР, Чэнду, 1990г.);
на научно-исследовательском семинаре вычислительного центра Пекинского университета (КНР, Пекин, 1991г.);
на всесоюзной конференции смешанные вычисления и преобразования программ. (Новосибирск, ВЦ СОАН СССР, 1991г.);
Совещание по программированию и математическим методам решения физических задач (Дубна, 1993г.);
на семинаре компании Votek (США, Огайо, Коламбус, 1993г);
на семинаре компании AT&T (США, Огайо, Коламбус, 1996г);
на Ломоносовских чтениях (МГУ, факультет ВМиК 1997г.);
на Московском городском семинаре по программированию под руководством М.Р.Шура-Бура (1997г.);
на научно-исследовательском семинаре кафедры АСВК факультета ВМиК.
Настоящая работа поддерживалась в соответствие с Программами
Правительства России: "Информатизация России", "Университеты
России", "Российский фонд фундаментальных исследований".
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 28
печатных работ.
Объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав,
заключения, списка литературы и приложений.
Постановка задачи. Исследование и разработка методов
построения инструментальных средств программирования
современных вычислительных систем, адаптируемых к конкретным
архитектурам ЭВМ и предметным областям.
