Основные понятия
Алгоритм — это предписание (приказ или система приказов), определяю щее процесс преобразования исходных данных в .искомый результат к обладаю щее следующими свойствами:
- определенностью, т. е. точностью и понятностью для исполнителен; благо даря этому свойству процесс выполнения алгоритма носит механический ха рактер;
- результативностью, т. е. способностью приводить к получению искомого результата после конечного числа достаточно простых шагов;
- массовостью, т. е. пригодностью для решения любой задачи из некоторого класса задач.
Из определения алгоритма видно, что процесс его выполнения должен быть дискретным, состоять из отдельных шагов, алгоритмических актов. Тре бование простоты этих шагов связано с тем, что, допуская неограниченную сложность шагов, мы лишим понятие алгоритма всякой определенности. Свой- ство алгоритма приводить к решению за конечное число шагов называется потенциальной осуществимостью.
Естественные языки малопригодны для того, чтобы на них формулировать определенные и точные предписания. Алгоритм, следовательно, должен быть предписанием на формальном языке.
Каждая ЭВМ разрабатывается для решения в основном задач некоторого класса. В связи с этим требуется, чтобы ЭВМ обеспечивала возможность вы полнения в требуемых сочетаниях некоторого набора операций, принятых за элементарные.
Элементарными машинными операциями являются ввод информации в ячейку оперативной памяти из какого-либо другого запоминающего устрой ства, выдача информации из ячейки, а также любая операция, которая: реали зована аппаратурно; имеет исходные данные, являющиеся результатами эле ментарных машинных операций и фиксированные в одной или нескольких ячейках; дает результат, фиксируемый в одной отдельной ячейке и доступный, но не обязательный для использования в качестве исходного данного какой- либо элементарной операции машины; не может рассматриваться как комплекс более простых машинных операции, удовлетворяющих трем предыдущим усло виям.
Системой операций называется совокупность всех машинных операций, предусмотренных в ЭВМ.
Команда представляет собой элементарное предписание, предусматриваю щее выполнение некоторой группы операций.
Основными операциями ЭВМ являются арифметические, логические, пере носы, переходы, когда машина осуществляет переход от выполнения одной ко манды к выполнению другой, выборка команд из оперативной памяти и останов машины («стоп»). Основными операциями над буквенной информацией явля ются: определение длины слова; перенос слова с одного места оперативной памяти в другое; выделение определенной части заданного слова; включение между словами пробелов; деление строки слов на более мелкие строки; срав нение двух слов. Обычно перечисленные операции называют редактированием.
Программирование
ЭВМ обычно применяют либо для решения отдельных задач (принадле жащих к некоторому классу), либо для решения комплекса взаимосвязанных задач различных классов.
При решении на ЭВМ некоторой задачи (класса задач) работа распадается на следующие этапы:
-
математическую формулировку задачи;
-
разработку методики ее решения;
-
разработку алгоритма ее решения и запись ее на некотором языке программирования;
-
программирование;
-
отладку программы на машине;
-
подготовку исходных данных, решение задачи на ЭВМ.
Описанный комплекс работ называют проблемным программированием.
При разработке системы программ для решения комплекса взаимосвязан ных задач, при разработке каждой программы описанная последовательность работ сохраняется. Кроме того, появляется ряд дополнительных этапов ра боты, связанных с необходимостью обеспечить единство системы. Комплекс ра бот по созданию системы программ для решения взаимосвязанных задач назы вают системным программированием.
Математическая формулировка задачи. Эта работа заключается в опреде лении состава и характера исходных данных для решения задачи, в определе нии исходных результатов, записи условия задачи с помощью математических обозначений. Математический аппарат, применяемый при математической фор мулировке задачи, зависит от того, к какому классу принадлежит задача.
Разработка методики решения задачи. Методика решения считается раз работанной тогда, когда установлены зависимости всех искомых результатов от исходных и указаны такие методы получения искомых результатов, кото рые могут быть реализованы на ЭВМ. При обнаружении непригодности вы бранных методов в процессе решения задачи на ЭВМ необходимо вернуться к этапу разработки методики.
Разработка алгоритма решения задачи. Алгоритм решения задачи разра батывается на основе методики ее решения. Алгоритм разрабатывается на языке математических описаний, а затем записывается на алгоритмическом языке из числа так называемых языков программирования. Разработка алго ритма решения задачи должна осуществляться с учетом особенностей ЭВМ.
Применяя ЭВМ для решения задачи, необходимо учитывать следующие ее особенности:
- большое, но ограниченное количество цифр в изображениях чисел;
- большую скорость выполнения операций над числами, хранящимися в опе ративной памяти;
- сравнительно малую скорость ввода исходных данных и вывода резуль татов;
- сравнительно малую скорость обмена числами между оперативной па мятью и внешними запоминающими устройствами;
- сравнительно небольшую емкость оперативной памяти при весьма большой емкости внешних запоминающих устройств;
- возможность случайных сбоев машины и вытекающую отсюда необходи мость контроля ее работы.
Программирование. Программирование заключается в записи разработан ного алгоритма на языке программирования (например, на так называемом языке АССЕМБЛЕРА или на АЛГОЛе, ФОРТРАНе, КОБОЛе, ПЛ/I), выпол няемой вручную, и последующей трансляции на машинный алгоритмический язык.
Трансляцией называется процесс равносильного преобразования алгоритма, заданного на языке программирования, в алгоритм на машинном языке. Этот процесс выполняется с помощью специальной программы, называемой транс лятором.
Отладка программы на машине. Отладка программы на машине пресле дует цель устранить в программе неправильности и включает: контроль про граммы; поиск и определение содержания (диагностику) ошибок; исправле ние обнаруженных ошибок.
Подготовка исходных данных. Решение задачи на ЭВМ. Исходные данные задачи, подлежащие вводу в ЭВМ, должны быть предварительно перенесены с бланков или документов на перфоленты или перфокарты. Этот процесс произ водится на специальных перфорирующих устройствах, снабженных клавиату рой. В процессе перфорации возможны ошибки как в результате случайных сбоев перфорирующих устройств, так и в результате погрешностей в работе операторов-перфораторщиков. Все ошибки, внесенные в информацию, во время перфорации и ввода должны быть устранены.
Как правило, для ввода информации в вычислительную машину исполь зуются либо 80-колонные ПК, либо бумажная ПЛ. На больших машинах име ется и то и другое. Перфокарта содержит 12 строк, и, следовательно, в каж дой колонке возможно 12 пробивок; в поперечном направлении перфоленты допускаются 5, 6, 7 и 8 позиции пробивки. Таким образом, теоретически воз можно использование алфавита от 25=32 до 212=4096 символов, но на прак тике в колонке перфокарты редко встречается более 3 пробивок, так что, как правило, используемый алфавит содержит от 40 до 80 символов. Среди обору дования вычислительной машины имеется самостоятельное устройство воспро изведения на бумаге информации, содержащейся на перфокартах и перфолен те в виде, удобном для чтения ее человеком. В результате мы получаем то, что обычно называется листингом, или распечаткой.
После ввода в ЭВМ программ и исходных данных решение задачи произ водится автоматически.
Математическое обеспечение ЭВМ
Математическое обеспечение (МО) ЭВМ можно определить как некоторое собрание программ, каждая из которых может быть практически применена пользователем одна или в совокупности с некоторыми другими программами для решения задач, либо для выполнения некоторых работ, связанных с про граммированием, либо для создания определенного режима работы ЭВМ.
В систему МО вычислительных машин могут входить следующие группы программ:
-
операционная система программ;
-
система средств программирования;
-
приложения к программам;
-
система программ поддержания математического обеспечения;
-
система испытательных программ, предназначенных для контроля ис правности ЭВМ.
Операционная система содержит в себе программы, определяющие режим работы ЭВМ и расширяющие ее операционные возможности. В состав опера ционной системы входит ряд программ, из которых основными являются сле дующие:
диспетчер — программа, обеспечивающая определенный режим работы ЭВМ;
супервизор, или монитор,— программа, обеспечивающая работу, задавае мую машине человеком-оператором в рамках установленного для нее режима;
ряд служебных программ, таких, как программы ввода исходных данных, программы редактирования и выдачи результатов, загрузчик — программа для ввода в оперативную память так называемых рабочих программ, т. е. программ решения задач, библиотекарь — программа для ввода подпрограмм по выпол нению макрооперацпй и самих подпрограмм макроопераций, программа обще ния операционной системы с человеком-оператором.
Для работы операционной системы большое значение имеют возможности, которыми обладают современные машины (и которых не было у машин пер вого поколения): наличие системы прерываний, защиты памяти, защиты ко манд и маскирования прерываний.
Сущность работы диспетчера заключается в том, что любое прерывание в работе машины он относит либо к числу тактических и в этом случае немед ленно передает управление и информацию о прерывании супервизору, либо к числу стратегических. В последнем случае он сам разрешает прерывание. Текст, соответствующий этой реакции, назовем выводом.
Супервизор планирует по требованию человека-оператора порядок выпол нения программ и распределяет между ними наличное оборудование ЭВМ, организует их очередь и поддерживает в этой очереди порядок. Основные за дачи, стоящие перед супервизором,— это: управление ходом работы ЭВМ; под держивание связи с человеком-оператором.
Существуют различные режимы функционирования ЭВМ, обеспечение ко торых является одним из основных назначений диспетчера.
Ряд режимов связан с решением задач, представленных в виде так назы ваемого пакета работ. При этом весь пакет снабжается информацией о входя щих в него задачах и их преимуществах друг перед другом (система приори тетов).
Выполнение пакета работ производится под управлением супервизора. При этом может осуществляться однопрограммная, двухпрограммная или многопро граммная работа машины. Эффективность ее использования в значительной мере зависит от того, каким образом объединены работы в пакет. Пакет счи тается составленным хорошо, если центральный процессор (арифметическое устройство и устройство управления) не простаивает. Описанные режимы на зывают пакетными режимами. Современные ЭВМ допускают при этом одно временное выполнение до 16 работ.
Режим с разделением времени характеризуется тем, что к ЭВМ одновре менно подключено большое число дистанционных устройств ввода-вывода ин формации, называемых терминалами. Если при пакетной работе пользователи не допускаются к пульту управления, то при режиме с разделением времени каждый из них общается с машиной без участия оператора. Диспетчер обес печивает последовательное предоставление небольших отрезков времени всем находящимся в очереди пользователям. В течение времени, измеряемого не сколькими секундами, машина понемногу обслуживает каждого пользователя. Режим разделения времени удобен в тех случаях, когда выполнение машинных работ должно протекать в виде диалога между ЭВМ и пользователем. Эго имеет место при отладке программ на ЭВМ, при решении информационных задач типа вопрос-ответ.
Система средств программирования содержит ряд трансляторов-программ для перевода алгоритмов, заданных на различных входных языках програм мирования, на машинный язык. Обычно система средств программирования содержит трансляторы с алгоритмических языков трех уровней.
Процесс перевода алгоритма и процесс его выполнения машиной могут сочетаться одним из двух способов.
Первый способ, получивший название компиляции, заключается в том, что процесс выполнения алгоритма машиной осуществляется после того, как процесс его перевода полностью завершен. Название «компиляция» возникло в связи с тем, что первоначально имелся в виду процесс перевода, основанный на соединении в одно целое заранее заготовленных частей (подпрограмм), соответствующих определенным частям переводимого алгоритма. Впоследст вии это название распространили и на случай «динамического» перевода, не связанного с использованием заранее заготовленных текстов.
Второй способ сочетания процесса перевода и процесса выполнения алго ритма получил название интерпретации. Этот способ заключается в том, что отдельные части алгоритма сразу после перевода выполняются, после чего та же процедура осуществляется над другими частями алгоритма и т. д.
Для компиляции характерно, что осуществляющая ее программа-компиля тор во время выполнения алгоритма уже не нужна и не находится поэтому в оперативной памяти ЭВМ. Применение же метода интерпретации требует присутствия программы-интерпретатора в оперативной памяти ЭВМ во время решения задачи.
Каждый из методов имеет свои достоинства, однако метод интерпретации является более гибким. Кроме того, он упрощает задачу распределении па мяти, хотя и требует большого дополнительного расхода памяти для хранения самой интерпретирующей программы.
Системы средств программирования новейших ЭВМ часто основываются на так называемом принципе модульности. Модулями называют «куски» алго ритмов, заданных на языке исполнительной системы или на входном языке про граммирования, для которых выполнены следующие условия:
«куски» алгоритмов, заданных на языке исполнительной системы, должны быть снабжены дополнительной информацией, достаточной для того, чтобы при соответствующей их переработке из них можно было собрать программу, заданную на языке исполнительной системы;
«куски» алгоритмов, заданных на входных языках программирования, должны быть снабжены дополнительной информацией, достаточной для того, чтобы при соответствующей переработке их можно было преобразовать в мо дули, заданные на алгоритмическом языке исполнительной системы.
Принцип модульности заключается в том, что программы на языке испол нительной системы собирают из модулей. Модули на языке исполнительной системы могут накапливаться в библиотеке. Модульный принцип позволяет при сборке программы использовать модули, составленные на различных алго ритмических языках. Возможность накапливать модули и затем их многократ но применять позволяет экономить труд программистов.
Все программы математического обеспечения должны быть элементами некоторой библиотеки. Библиотекой стандартных программ называется коллек ция заранее составленных программ, в которой каждая программа снабжена дополнительной, идентифицирующей ее информацией. Данные о всех програм мах должны быть сведены в общую таблицу, называемую каталогом. Каталог должен позволять находить подпрограмму по ее имени и по ее назначению.
В библиотеку собирают обычно специально составленные и специально оформ ленные программы.
Перечисленные средства программирования целесообразно применять для решения различных задач (проблем). При этом считается, что программы от дельных задач (проблем) могут быть и не очень «хорошие», зато суммарным расход средств на программирование и решение задачи на ЭВМ бывает обычно меньше, чем при составлении более «хороших» программ.
Математическое обеспечение АСУ
Математическое обеспечение (МО) АСУ — это система методов, приемов и средств, позволяющих эффективно разрабатывать программы решения на ЭВМ конкретных задач АСУ, управлять работой ЭВМ в процессе решения этих задач, контролировать правильность работы ЭВМ.
Основными положениями, которыми необходимо руководствоваться при создании МО АСУ, являются следующие:
- совместимость и базирование разрабатываемого МО АСУ на имеющемся МО ЭВМ;
- ориентированность выбираемых средств МО на задачи АСУ;
- достаточное разнообразие средств автоматизации программирования;
- возможность эффективного внесения изменений в рабочие программы;
- возможность однозначного и исчерпывающего описания алгоритмов;
- возможность оптимизации работы программ частного применения;
- модульность построения программ.
МО АСУ служит для представления пользователю широкого спектра услуг по технологии программирования. Его можно разделить на две части: состав ление управляющих программ и составление обрабатывающих программ.
Управляющие программы осуществляют первоначальную загрузку опера тивной памяти машин и управление работой АСУП, включая обработку пре рываний, распределение работы каналов, загрузку программ из библиотеки в оперативную память. Управляющие программы обеспечивают многопрограм мную работу, осуществляют связь с оператором.
Обрабатывающие программы включают в себя систему автоматизации программирования и обслуживающие программы.
Функции системы автоматизации программирования следующие: запись программ на входных языках программирования; трансляции программ на внутренний язык ЭВМ; объединение (сборка) нужных конфигураций (сегмен тов) из стандартных подпрограмм; отладка программ на уровне входных языков; корректировка программ на уровне входных языков.
Основными задачами обслуживающих программ являются следующие: запись программ в библиотеку; исключение программ из библиотеки; пере запись программ с одного магнитного носителя на другой, печать и вывод про грамм на перфоносители; вызов нужных программ в процессе работы в опера тивную память и настройка ее по месту размещения.
Основными компонентами МО АСУ являются системная диспетчерская программа и библиотека стандартных подпрограмм и типовых программ, пред назначенных для обработки производственно-экономической информации.
Системная диспетчерская программа обеспечивает функционирование АСУП в режиме, определенном производственно-хозяйственной или административ ной деятельностью.
Библиотека стандартных подпрограмм, имеющаяся в МО ЭВМ, является переходной ступенью к разработке системной библиотеки, ориентированной на процессы обработки информации в АСУ. Системная библиотека должна содержать:
программы ввода и преобразования в машинную форму документов и дру гих письменных источников исходных данных;
программы для организации машинных массивов, характеризуемых как большими объемами, так и сложностью их структуры, для эффективного поиска и извлечения требуемых данных из массивов;
программы для преобразования данных в наиболее приемлемую для чело века форму (в виде графиков, схем, изображений) и вывода их на внешние устройства.
Языки программирования
Языком программирования называются знаковые системы, применяемые для описания процессов решения задач на ЭВМ. По своему характеру языки программирования делятся на три группы:
- формальные алгоритмические языки;
- формальные неалгоритмические языки программирования;
- не вполне формализованные знаковые системы, применяемые при программирова нии.
Формальные языки программирования. К этой группе языков относятся: алгоритмические языки машин и операционных систем; машинно-ориентирован ные алгоритмические языки; проблемно-ориентированные алгоритмические языки; универсальные машинно-независимые алгоритмические языки.
Языками операционных систем называются алгоритмические языки, вос принимаемые комплексами, образованными из ЭВМ и разработанной для них программы-диспетчера (иногда называемой также супервизором).
Составление программ непосредственно вручную на языке машины или операционной системы в настоящее время не применяется, так как требует от программиста запоминания большого количества деталей, без которых не возможно строить программу из команд.
Машинно-ориентированные алгоритмические языки содержат выразитель ные средства, позволяющие в записи алгоритма указать, с помощью каких тех нических средств должны выполняться те или иные его части и каким образом при этом должны быть использованы запоминающие устройства. К числу ма шинно-ориентированных языков программирования относятся автокоды и не которые языки, приближающиеся по своим возможностям к универсальным алгоритмическим языкам, например AЛMO.
Проблемно-ориентированные алгоритмические языки это такие языки, ко торые специально разработаны для описания процессов решения задач некото рого узкого класса, например задач линейной алгебры, статистики, задач обработки данных и т. п. В частности, к проблемно-ориентированным языкам относится КОБОЛ.
Универсальные машинно-независимые алгоритмические языки пригодны для создания алгоритмов решения задач весьма широких классов. К числу этих языков относятся уже упомянутые АЛГОЛ, ФОРТРАН, ПЛ/1.
Из числа универсальных машинно-независимых алгоритмических языков исключение составляет ЯЛС. Назначение этого языка не сводится к тому, чтобы быть языком программирования. ЯЛС используется как первый этап описания алгоритмов при программировании на машинном языке или на языке АССЕМБЛЕРА (операторный метод программирования; записанный на ЯЛС алгоритм вручную переводится на язык машины или язык АССЕМБЛЕРА).
В таблице ниже приводятся сравнительные данные формальных языков про граммирования.
Не вполне формализованные знаковые системы. Эти языки обычно исполь зуются при программировании вручную или на предварительном, выполняе мом вручную этапе автоматизированного программирования. Их примером яв ляется блок-схема программы. Блок-схема программы представляет собой укрупненное описание программы, при котором отдельные ее части изобра жаются в виде «блоков» (прямоугольников, ромбов, кружков и т. п.), внутри которых на естественном языке (например, на русском) излагается содержа ние этих частей. Связь между блоками (частями программы) изображается с помощью линий, обозначающих передачу управления. Линии могут быть снабжены надписями, указывающими условия, при которых происходит пере дача управления. Блок-схемы аналогичны алгоритмам, записанным на ЯЛС с помощью обобщенных операторов, но отличаются от них тем, что значение блоков изложено на естественном, неформальном языке, тогда как в ЯЛС обобщенные операторы снабжены расшифровкой на точном формальном языке.
В настоящее время известно более 2000 различных алгоритмических язы ков и более 700 областей их применения для решения соответствующих задач на ЭВМ.
Различают языки программирования следующих уровней:
-
язык нулевого или низшего уровня — машинный код;
-
язык первого уровня — мнемокод, или язык символического кодиро вания;
-
язык второго уровня — автокод (макрокод);
-
языки третьего уровня (высшего)—проблемно-ориентированные языки.
В качестве входных языков в зависимости от вида задач АСУП целесо образно применять проблемно-ориентированные языки различного типа
Сравнительные данные формальных алгоритмических языков программирования
|
Класс алгоритмических языков программирования
|
Учет особенностей ЭВМ
|
Характеристика класса задач
|
Способ программирова ния
|
Условная оценка качества программ
|
|
Машинные языки
|
Полный
|
Определяется особенностями ЭВМ
|
Вручную
|
Высокая
|
|
Машинно-ориентирован ные языки
|
Частичный
|
Определяется особен ностями ЭВМ
|
Автоматизированный
|
Удовлетворительная
|
|
Проблемно-ориентирован ные языки
|
Незначительный
|
Узкий
|
Автоматизированный
|
Удовлетворительная
|
|
Универсальные машинно независимые языки
|
Отсутствует или весь ма незначительный
|
Весьма обширный
|
Автоматизированный
|
Невысокая
|
(например, для анализа — АЛГОЛ, ФОРТРАН и др., для экономических за дач— АЛГЭК и др., для информационных задач —КОБОЛ, СИНТОЛ и др.).
Рассмотрим некоторые из алгоритмических языков программирования.
АЛГОЛ-60. Название языка происходит от английских слов Algorithmic Language. Он был разработан группой ученых различных стран в 1960 г. и получил повсеместное распространение. Причины успеха заключаются в его близости к обычному математическому языку, в удобстве описания широкого класса задач, универсальности и полной независимости от конкретной ЭВМ, строгой формализации языка от алфавита до самых сложных конструкций.
АЛГОЛ-60 не только универсальный язык программирования, но и меж дународный язык описания алгоритмов.
Основой записи алгоритмов на языке АЛГОЛ-60 является последователь ность операторов, разделенных символом «;». К этой последовательности опера торов, являющихся единичными действиями в языке, присоединяется последо вательность описаний, дающих транслятору информацию о необходимых свойствах, используемых в операторах. Описания, например, дают информа цию о классах чисел, используемых в качестве значений переменных, о раз мерности массивов чисел и т. д. Такое объединение описаний и операторов в этом языке называется блоком.
Программой в языке АЛГОЛ-60 называется блок, или составной опера тор, который не содержит внутри другого оператора и не использует другой оператор, не содержащийся в нем.
Вычислительные центры, в которых ведется программирование на АЛГОЛе, должны накапливать опыт не в виде полных АЛГОЛ-программ, а в виде описаний процедур. Это связано с тем, что готовые АЛГОЛ-программы включить в новые программы практически невозможно, тогда как описания процедур для этого специально предназначены.
В СССР АЛГОЛ-60 получил распространение в виде некоторых его ва риантов.
ФОРТРАН. Слово ФОРТРАН образовано из двух английских слов (For mula Translator). Одной из важнейших особенностей языка ФОРТРАН явля ется то, что он относительно свободен от специфики конкретной вычислитель ной машины. ФОРТРАН является машиннонезависимым языком программи рования.
Накоплены обширнейшие математические программные библиотеки на этом языке, включающие как стандартные (часто используемые) программы, так и множество специальных программ, применяемых для решения специфи ческих задач.
Повсеместное внедрение ФОРТРАНа в практику программирования про исходит благодаря его качествам, из которых следует отметить, во-первых, его простоту по сравнению с другими алгоритмическими языками (например, АЛГОЛом); во-вторых, благодаря отсутствию слишком сложных конструкций оттранслированные программы получаются более эффективными по сравнению с программами, составленными на других языках; в то же время ФОРТРАН пригоден для программирования большинства вычислительных алгоритмов;
в-третьих, в ФОРТРАНе имеются очень мощные средства для связи человека с машиной: выдаваемая ЭВМ информация представляется в виде, привычном для ученых и инженеров. И наконец, в-четвертых, ФОРТРАН хорошо приспо соблен для эффективного использования внешних устройств ЭВМ.
Алгоритм решения задачи, записанный с помощью ФОРТРАНа, состоит из последовательности операторов. Эти операторы могут принадлежать к не скольким различным типам. Вместе взятые операторы, определяющие алгоритм решения задачи, составляют исходную программу. После того как исходная программа написана и отперфорирована на перфокартах, она преобразуется с помощью транслятора ФОРТРАНа в рабочую программу.
Первый оператор — оператор-заголовок, имеющий вид || PROGRAMa ||, где а —имя программы, а последний — оператор конца (оператор || END ||) и совокупность подпрограмм. Основная программа и каждая подпрограмма локализуют в себе метки операторов, а также имена переменных, массивов и других величин, позволяя тем самым использовать в разных подпрограммах и в основной программе одни и те же метки и идентификаторы. Связь между основной программой и подпрограммами осуществляется с помощью соответ ствующих операторов обращения.
При составлении программ на ФОРТРАНе рекомендуется придерживаться следующего порядка следования операторов: 1) оператор-заголовок основной программы (подпрограммы); 2) оператор описания файлов; 3) неявный опе ратор задания типа; 4) явный оператор задания типа, оператор задания раз меров, оператор задания общих областей; 5) оператор задания эквивалентно сти; 6) оператор-функция, оператор-процедура; 7) оператор задания формата, выполняемые операторы (безусловные, условные, ввода, вывода); 8) оператор конца.
КОБОЛ. Название языка происходит от английских слов Common Busi ness Orientated Language. КОБОЛ — проблемно-ориентированный алгоритмиче ский язык, предназначенный для описания процессов решения задач и обра ботки данных. В настоящее время КОБОЛ является единственным широко распространенным языком высокого уровня для программирования экономи ческих задач. Его широкая популярность объясняется тем, что КОБОЛ доста точно близок к естественному языку, на котором обычно формулируются и решаются экономические задачи.
Отличительные особенности языка КОБОЛ состоят в следующем:
язык в известном смысле является подмножеством английского языка; написанный на КОБОЛе текст можно понимать без предварительной подго товки;
на языке хорошо описываются данные со структурой, типичной для дело вых бумаг; эти данные могут относиться к личным делам, товарам, финансам (допускаются и комбинированные данные);
в языке делается попытка решения проблемы полной совместимости, т. е. независимости от специфики конкретных вычислительных машин.
Программа на языке КОБОЛ состоит из четырех частей, называемых раз делами. Эти разделы имеют следующие названия: раздел идентификации, раз дел оборудования, раздел данных и раздел процедур. В разделе процедур содержится собственно программа, но она не имеет смысла (или в лучшем случае не полностью определена), если неизвестна структура подлежащих обработке данных, определяемая в третьем разделе. Раздел оборудования де лится в свою очередь на секцию конфигураций и секцию ввода-вывода, а раз дел данных — на секцию массивов, секцию рабочей памяти и секцию констант. В начале раздела (секции) находится название раздела (секции), за которым следует точка; название с точкой занимает отдельную строку. Содержимое раздела или секции состоит из предложений, сгруппированных в именованные параграфы.
В КОБОЛе значительно облегчено внесение в программу мелких измене ний, необходимых при обработке коммерческой информации.
В КОБОЛе основной единицей ввода-вывода является файл данных. Каждый файл состоит из записей. Один и тот же файл часто используется в различных программах в зависимости от характера решаемых задач. Опи сание файлов является очень строгим и не допускает изменений.
Разработчики учли возможность использования для трансляции программ одной машины, а для решения задачи по составленной программе — другой машины. Кроме того, одна и та же КОБОЛ-программа допускает трансляцию на языки различных ЭВМ, имеющих различные комплекты оборудования.
СОЛ. Цифровое моделирование как эффективный метод исследования завоевывает все большую популярность среди специалистов, занимающихся анализом и проектированием сложных систем.
Очень часто специалист по системам испытывает трудности в составлении программы, моделирующей работу исследуемой им системы. Причиной этого может быть чрезвычайная сложность систем, которые практически невозможно описать математически. Задачами такого типа изобилует, в частности, прак тика создания контрольно-измерительных и управляющих систем. Для облег чения составления программ в настоящее время применяются языки автома тического программирования (специализированные моделирующие языки), которые позволяют при наименьших затратах времени на подготовку и реали зацию задач на ЭВМ строить и исследовать программы, моделирующие ра боту исследуемой системы.
При этом элементы специализированного языка являются, как правило, довольно универсальными и могут быть. применены к широкому классу моде лируемых явлений. Кроме того, специализированные моделирующие языки по сравнению с универсальными существенно упрощают программирование вы числительных и логических операций, характеризующих моделируемую си стему. Вместе с тем упрощается и связь между постановщиком задачи и про граммистом. Это достигается благодаря следующим чертам специализирован ных моделирующих языков:
- возможности фиксировать структуру распределения памяти машины между переменными и параметрами. Это распределение является более дета лизированным и совершенным, чем то, которое достигается при использовании большинства универсальных языков;
- наличию набора инструкций, упрощающих смену состояний моделируе мой системы. В большинстве случаев это осуществляется стандартной управ ляющей или временной подпрограммой, контролирующей последовательность реализации подпрограмм;
- наличию набора инструкций, определяющих необходимость реализации той или иной подпрограммы в определенное время;
- наличию команд для выполнения стандартных или часто встречающихся операций, связанных со случайными числами и вероятностными распределе ниями;
- наличию команд, упрощающих получение и регистрацию статистических показателей во время прогона моделирующей программы.
Рассмотрим некоторые специализированные алгоритмические языки моде лирования.
Универсальный моделирующий язык GPSS наиболее широко используется, отличается простотой и наглядностью. Он не требует знания программирова ния и машинных операций. Моделирующая программа представляется в виде блок-диаграммы, что особенно привлекательно для непрограммистов.
Алгоритмический язык SIMSCRIPT принято считать наиболее мощным моделирующим языком в настоящее время. Благодаря ряду своих уникальных черт он применим для самого широкого класса задач. Однако этот язык срав нительно сложен, диагностические средства для отладки программ ограни чены. Кроме того, потенциальный потребитель этого языка должен знать ФОРТРАН, иметь опыт программирования.
Внимание специалистов, связанных с решением проблем моделирования, привлекают специализированные языки, разработанные для этих целей на базе АЛГОЛа. Среди таких языков автоматического программирования наи более совершенными являютсяSIMULA и SOL (СОЛ).
Примером одного из наиболее удачных специализированных алгоритмиче ских языков, предназначенных для моделирования дискретно изменяющихся систем, является язык СОЛ — Simulation Orientated Language.
Язык СОЛ построен на базе универсального языка программирования АЛГОЛ, имеет такую же структуру и использует основные его элементы. Для описания широкого класса процессов с дискретными событиями СОЛ пред ставляет универсальную систему понятий, и потому он во многих отношениях очень похож на проблемно-ориентированные языки автоматического програм мирования, такие, как АЛГОЛ или ФОРТРАН. Однако языку СОЛ присущи основные черты, отличающие его от этих языков: СОЛ обеспечивает механизм моделирования асинхронных параллельных процессов, удобные обозначения для случайных элементов внутри арифметических выражении, автоматические средства сбора статистических данных о компонентах моделируемой системы. С другой стороны, многие черты проблемно-ориентированных универсальных языков не используются в СОЛе не потому, что они несовместимы с ним, а скорее потому, что они вносят большие усложнения в его схему, не расширяя его возможности. Принципы, положенные в основу построения языка и напи сания моделирующих программ на нем, позволяют строить модели сложных систем в удобной для чтения форме.
ПЛ/I. Название языка происходит от английских слов Programming Language/One.
Язык ПЛ/I появился после создания целого ряда весьма совершенных языков, и, конечно, эти языки-предшественники оказали существенное влияние на его структуру. Так, в нем сохранены от АЛГОЛа блочная структура про граммы, возможность динамического распределения памяти, имеется аппарат вызова процедур, способ задания форматов, используемый в ФОРТРАНе, и т. д. Но много и новых черт. Язык удобен для моделирования, решения ло гических задач, исследования логических схем, решения задач в реальном масштабе времени, разработки систем математического обеспечения. Возмож но использование разного типа данных (двоичных, десятичных, символьных, комплексных чисел, матриц и т. д.), однако весьма сложно организовывать эти данные в массивы, таблицы, тексты, анкеты, картотеки и т. и. Имеется боль шой набор стандартных функций и процедур. В языке ПЛ/I разработана удач ная система операции, управляющих всеми процессами ввода, вывода и обмена информацией между основными и запоминающими устройствами. Все эти осо бенности производят впечатление сильной перегруженности языка. Следует иметь в виду и недостатки: описание языка неудовлетворительно, оно не фор мализовано.
ПЛ/I — многоцелевой язык программирования, предназначенный не только для экономического и научно-технического программирования, но также для программирования работ в реальном масштабе времени и для создания систем программирования.
Одной из основных целевых установок при разработке языка было дости жение модульности, т. е. возможности использовать в главной программе уже транслированные программы в качестве отдельных модулей без повторной трансляции. Была учтена необходимость обеспечения как можно большей про стоты и удобства написания программ. При этом необходимость составления общих и подробных логических схем программ все еще сохраняется, но при соответствующем опыте программирования на языке ПЛ/Iможно избежать большой и утомительной работы, связанной с написанием программы на ма шинном языке.
В языке ПЛ/I каждому описателю переменной, каждой уточняющей кон струкции-дополнению и каждой спецификации придана «интерпретация (прин цип) умолчания». Это означает, что всюду, где язык предоставляет несколько возможностей, а программист не указал никакой, компилятор применяет «интерпретацию умолчания», т. е. подразумевается некоторая из возможностей, предусмотренная в языке на этот случай. В качестве таких подразумеваемых для каждой конструкции возможностей в языке выбраны те, которые, вероят нее всего, потребуются программисту.
Программы на языке ПЛ/I пишутся в свободной форме; программист может сам разработать нужные ему формы записи программ. При этом обес печен доступ ко всем средствам системы ЭВМ.
Операторы программы, записанной на языке ПЛ/I, объединяются в «бло ки». Блоки выполняют важные функции: они определяют область действия переменных и других имен, так что одно и то же имя в разных блоках может использоваться для различных целей; они позволяют отводить ячейки памяти под переменные только на время выполнения данного блока и освобождать их для использования в других целях по прекращении работы блока.
РПГ. Язык РПГ предназначен для автоматизации программирования за дач но обработке экономической информации. Содержание этих задач в ос новном исчерпывается следующими процессами: ведением файлов (т. е. орга низация, хранение, корректировка и обновление), сортировкой файлов, состав лением и печатью различных бухгалтерских документов, таких, как перечни, ведомости, таблицы, сводки, отчеты и др. Как правило, расчеты занимают небольшую часть общего объема решения задач. При решении таких задач удобно использовать РПГ особенно на этапе составления и выдачи отчетов. В этом случае предполагается, что входные файлы, которые используются для подготовки отчетов, созданы и отсортированы при помощи других средств.
РПГ позволяет производить некоторые вычисления (обычно несложные и стандартные) над входными данными, сформировать отчет и выдать его на печать. Входные данные могут быть введены с устройств ввода карт, магнит ных лент или устройств памяти прямого доступа. Кроме создания отчета РПГ позволяет корректировать и обновлять входные файлы, а также создавать новые файлы. В РПГ есть средства, позволяющие проводить операции с таб лицами (например, поиск требуемого элемента таблицы и вывод таблицы), а также средства для организации связи программы РПГ с программами, напи санными на других языках и используемыми для решения этой же задачи.
Особенностью языка является то, что программист не должен расписывать последовательность операций для решения задачи (алгоритм задачи), а дол жен только описать на специальных бланках входные данные, используемые для создания отчета, вычисления, производимые над этими данными, и фор мат отчета.
На основании этой информации транслятор РПГ формирует рабо чую программу, и затем созданная программа обрабатывает входные файлы и печатает требуемый отчет.
Подготовка отчета с помощью РПГ состоит из следующих основных эта пов: определения данных задачи и способа их обработки; составления исход ной программы; перфорации исходной программы; получения рабочей про граммы; выполнения рабочей программы.
Перед написанием программы поставленной задачи требуется выполнить некоторый его анализ. Нужно определить входные данные, формат и тип записей входных данных, используемые поля записей и их положение, способ обработки данных, количество и вид итогов, которые должны быть подсчи таны, формат печатного отчета и других выходных данных.
После того как установлены входные и выходные данные задачи и способ их обработки, нужно описать эти данные на соответствующих бланках РПГ. Существует несколько типов бланков РПГ, каждый из которых предназначен Для записи определенной информации. На бланках описания входных данных перечисляются все входные файлы, описывается структура и отличительные признаки всех типов записей каждого из файлов и расположение используе мых полей в записях. На бланке вычислений указывается, какую обработку входных данных нужно выполнить. На бланке описания выходных данных описывается формат требуемого отчета и других выходных файлов. На бланке описания файлов и бланке дополнительной информации указываются харак теристики используемых в программе файлов (входных, выходных, таблич ных и т. д.). Исходной программой называется информация, указанная на бланках РПГ для решения данной задачи.
После написания программы на соответствующих бланках текст про граммы перфорируется на картах.
Для получения рабочей программы сначала нужно выполнить трансля цию исходной программы. Для этого к картам исходной программы добав ляются некоторые управляющие карты, такие, как управляющая карта тран слятора РГ1Г и карты управляющих операторов — УПРАВЛЕНИЯ ЗАДА НИЯМИ, необходимые для работы транслятора РПГ. После трансляции по лученный модуль может быть отредактирован с помощью РЕДАКТОРА. В ре зультате редактирования получается готовая для выполнения программа (загрузочный модуль), которая называется рабочей программой. Компиляция и редактирование необходимы для получения желаемого отчета.
Рабочая программа может быть выполнена непосредственно после транс ляции и редактирования либо в любой другой момент времени. Рабочая про грамма считывает подготовительные входные файлы, обрабатывает их и в результате получает отчет и другие выходные файлы.
АЛГАМС. Алгоритмический язык АЛГАМС ориентирован на машины средней мощности; основой его стало подмножество языка АЛГОЛ-60.
Важной проблемой, которая решена в АЛГАМСе, является введение про цедур ввода-вывода. В АЛГАМСе расширен набор стандартных функций, имеется также возможность использования библиотечных подпрограмм. В АЛГАМС включены средства, позволяющие дать указание о возможной сег ментации программы, так называемые идентификаторы части, а также сред ства, дающие возможность эффективно использовать буферную память ЭВМ путем описания некоторых из массивов особыми идентификаторами.
Оператор ввода состоит из идентификатора INPUT и следующего за ним списка фактических параметров, заключенного в круглые скобки. Первый па раметр определяет номер канала, через который вводят данные, остальными фактическими параметрами являются простые переменные, идентификаторы массивов или переменные с индексами.
При вводе текста последовательным элементам массива начиная с ука занного объекта ввода присваиваются целые значения, соответствующие по следовательным символам вводимой строки в смысле процедуры=ТЕХТ. Процедура = ТЕХТ определяется следующим образом: <оператор текст> ::=ТЕХТ (<строка>, <переменная с индексами>).
Идентификатором процедуры ввода является слово OUTPUT. Оператор имеет четыре вида: оператор вывода чисел, оператор логических значений, опе ратор вывода текста и оператор размещения. Оператор вывода состоит из идентификатора OUTPUT и следующего за ним списка фактических парамет ров, заключенного в круглые скобки. Первый фактический параметр процедуры определяет номер канала вывода, второй параметр определяет формат выво димых данных, а все остальные — объекты вывода. Имеются средства редак тирования при выводе информации на печать.
БЭЙСИ К. Название языка происходит от английских слов Beginners all Purpose Symbolic Instructioncode. Он получил широкую популярность благо даря своей простоте, легкости в изучении и большим возможностям для реше ния самых различных задач. Во многих мини-ЭВМ этот язык принят в каче стве основного разговорного языка. Язык БЭЙСИК представляет собой язык программирования. Он удобен для решения научно-технических задач неболь шого объема как по количеству выполняемых операций, так и по количеству исходных и результирующих данных. Важнейшей особенностью языка явля ется то, что он приспособлен для шаговой реализации. Это означает, что после каждого изменения исходного текста программы на языке БЭЙСИК можно перетранслировать не всю-программу, а только те ее операторы, которые были изменены. Возможность шаговой реализации языка БЭЙСИК позволяет со кратить затраты машинного времени на перетрансляцию. Это в свою очередь позволяет ускорить цикл отладки настолько, что становится целесообразной отладка БЭЙСИК-программ в режиме диалога.
Помимо возможности накапливать большие программы, состоящие из перенумерованных операторов языка БЭЙСИК, предусмотрены так называе мые прямые команды, т. е. такие, которые исполняются тотчас же после ввода их с пульта программиста (с телетайпа). В режиме прямых команд могут использоваться не только административные директивы типа RUN—запуск исполнения, LIST — распечатка текста, SAVE — сохранить текст программы в библиотеке, BYE — конец сеанса работы; любой оператор языка БЭЙСИК, введенный без порядкового номера, исполняется в режиме прямой команды. Это позволяет, в частности, распечатывать и изменять значения переменных в любой момент выполнения программы.
Служебное слово Выполняемое действие
PRINT Отпечатать текст сообщения, заключенный в кавычки, или зна чение арифметического выражения (предварительно вычислив его), или значения переменных
READ Прочитать или выбрать очередные числа из массива отладочных данных и заслать их в указанные переменные
INPUT Ввести числа с пульта программиста и заслать их в указанные переменные
LET Присвоить переменной значение выражения
GO ТО Перейти к выполнению оператора с заданным номером
IF Если заданное условие выполнено, то необходимо выполнить дей ствие, указанное в данном операторе, иначе — перейти к вы полнению следующего оператора
DATA Данные; этот оператор не выполняется. Он описывает блок отла дочных данных (чисел). Совокупность блоков отладочных данных образует массив отладочных данных
END Конец программы
Таким образом, шаговая схема компиляции в сочетании с режимом пря мых команд позволяет эффективно отлаживать БЭЙСИК-программы в ре жиме диалога.
Программа на языке БЭЙСИК состоит из операторов, каждый из которых начинается со служебного слова. Служебное слово определяет тип оператора и характер действий, осуществляемых при его выполнении.
При решении многих задач необходимо представление данных в виде таб лиц. Используя возможности некоторых операторов языка БЭЙСИК, можно формировать таблицы различных форматов.