Программное обеспечение и его разработка

Глава 2 Вычислительная машина и способы ее использования

Едва ли возможно изучать законы полета, не изучая самого самолета. Обсуждение этих законов обычно проводится в предположении, что слушатели понимают основные принципы действия рулей, закрылков и т. п. К моему ужасу, я часто обнаруживал, что мое представление об аппаратуре вычислительной машины немного, но в главном отличается от представлений моих коллег. Итак, прежде чем заняться более глубоким изучением программного обеспечения, мы просто обязаны изучить ЭВМ и способы ее использования.

Одним из значений слова «определить» является «установить границы». Предлагаемое ниже определение как раз и обрисовывает и устанавливает границы. Определение дается в два этапа, сначала определяется собственно вычислительная машина, а затем запоминаемая программа и универсальная ЭВМ.

Определение: Вычислительная машина — устройство, которое автоматически и непрерывно что-то вычисляет, выбирая свои действия из множества заранее установленных.

Подробнее обсудим некоторые моменты.

Вычислить: «Выяснить или определить с помощью какого-либо процесса». Это слово можно интерпретировать многими способами, я использую его в самом широком смысле. Сравнить — это вычислить. Измерение это также вычисление.

Автоматически и непрерывно: Пущенное в ход человеком, данное устройство будет работать «до конца» — до тех пор, пока задание не будет выполнено полностью. Теоретически оно может работать бесконечно долго, если управляемый устройством процесс не имеет логического конца. Здесь мы отмечаем способность проводить операции в течение длительного периода времени без вмешательства человека.

Выбор действия из множества заранее установленных: Человек вводит несколько альтернативных вариантов последовательностей операций, а вычислительная машина в соответствии со своими собственными внутренними процессами «выбирает» ту ветвь, которую надо выполнять в данный момент. Все ветви заранее определяются человеком, который программирует для этой машины.

Это определение подходит для всех вычислительных машин, а не только для универсальных. Попробуем теперь обрисовать различия между специализированными и универсальными ЭВМ. Наиболее четкое из всех когда-либо встречавшихся мне разграничений проведено в высказывании знаменитого Джона фон Неймана, написавшего в 1946 г. меморандум, навсегда связавший его имя стой архитектурой ЭВМ, которая используется нами и до сих пор. В этом меморандуме впервые появилась четкая формулировка определения универсальной вычислительной машины. Там говорилось, что во всех специализированных машинах, которые применялись уже много лет, все команды были встроены таким образом, что являлись неотъемлемой частью самого устройства. Другими словами, алгоритм, выполняемый машиной, является частью конструкции этой машины. Фон Нейман указал, что машина может и другим способом контролировать ход операций — с помощью чисел, заносимых в машину.

Очевидно, что машина должна иметь возможность запоминать некоторым образом не только цифровую информацию, необходимую для проведения данных вычислений, например граничные значения, таблицы функций и промежуточные результаты вычислений, а также и команды, которые управляют последовательностью операций, выполняемые с числовыми данными. В специализированной машине эти команды являются неотъемлемой частью устройства и составляют часть разрабатываемой структуры. Универсальная машина должна иметь возможность проводить любые вычисления, которые могут быть выражены как вычисления над числами.

Универсальная вычислительная машина — это такая вычислительная машина, команды которой записаны в память и могут быть достаточно быстро заменены там другими командами без какого-либо инженерного вмешательства.

Даже если бы смена команд происходила медленно (скажем, за несколько часов), мы все же имели бы универсальную машину, хотя и медленную.

Это определение отделяет универсальную цифровую вычислительную машину (ЦВМ) от ручного калькулятора и от сложных автоматов, плотно заселивших наше технологическое общество.

Это определение может быть применимо к замечательным и недорогим устройствам, которые производятся на основе больших интегральных схем (БИС). Оно проводит различие между электрической схемой и вычислительной машиной, между калькулятором и ЭВМ.

Это определение охватывает все вычислительные машины, будь то микро-, мини-, миди- или макси-машины. Различие между микро- и мини-ЭВМ очень нечеткое, и постепенно сотрется по мере прогресса БИС. Через несколько лет все вычислительные машины станут микро-ЭВМ и будут целиком располагаться на одном полупроводниковом кристалле.

Не будем продолжать обсуждение этого определения. Это уведет нас в сторону от вопросов программного обеспечения. Всякое определение важно, а это к тому же точно и полезно.

То, как будет использоваться вычислительная машина, определяет и потребность в программном обеспечении. Здесь нам полезно будет взглянуть, как человек использует орудия труда. Мак Лухан утверждает, что каждое орудие представляет собой продолжение функций человеческих органов.

Какие же способности людей расширяются с помощью вычислительных машин? Оказывается, две очень разные человеческие характеристики — его ум и воля.

«Новинка» — популярная телевизионная передача рассказала однажды о вычислительной машине, названной «умной машиной». Однако ЭВМ это больше, чем просто дополнительный мозг, и этот факт имеет глубокое влияние на программное обеспечение, которое мы должны разрабатывать с учетом того, что вычислительная машина является еще и продолжением нашей воли.

«Продолжение» мозга. Высокая скорость работы ЭВМ позволит людям решить неразрешимые до сих пор задачи. Тысячи людей, вооруженных арифмометрами, работая тысячи лет, не смогли бы проделать тех вычислений, которые проводит большая ЭВМ за считанные минуты. Такое использование позволяет вооружить наш мозг, дать возможность решить задачу, выполнить огромное множество арифметических операций.

«Продолжение» воли. В несколько ином смысле вычислительная машина «продолжает» человеческую волю. Она выполняет приказы и делает выбор между вариантами, невзирая на то, присутствует рядом человек или нет. Именно эта способность выбирать из разных вариантов и делает ее продолжением человеческой воли. Причем в этом смысле скорость работы ЭВМ совершенно несущественна.

Если лишить машину возможности выбора, она превратится в простое расширение человеческого мозга! Реализуется такой выбор с помощью команд условного перехода, которые являются воплощением функции выбора.

Люди и новые орудия труда. Люди всегда начинают с того, что используют новые орудия труда для решения старых задач. Только через годы или даже десятилетия продолжительного опыта новое орудие начинает использоваться для новых целей. Вычислительные машины быстро проникают во все новые области применения. И именно для этих новых применений разработка программного обеспечения особенно трудна.

Телеграф заменил верховых посыльных. Радио сменило телеграф. Однако надежды на то, что радио будет использоваться вместо телефона (что приведет в исчезновению проводов), не оправдались; это, по-видимому, связано с отсутствием секретности при радиопередачах. Любой, кто имеет радиоприемник, может спокойно слушать все разговоры. Прошло 20 лет использования радио, прежде чем совершенно случайно не было обнаружено, что радио это великое средство для развлечения — некий дантист из Питтсбурга начал по субботним дням «трансляцию» музыки из своего гаража, и началась новая эра радиовещания и развлечений с доставкой на дом. То самое свойство, которое не позволило радио сделаться заменой телефона, и сделало его мощным орудием индустрии развлечений.

Дэвид Сарнов, предвидя такое использование радио, в своем полуфантастическом меморандуме писал за целое десятилетие до начала передач упомянутого дантиста:

Мне пришел в голову план развития, в результате выполнения которого радио станет обычным предметом домашнего обихода, каким является пианино или фонограф. Идея состоит в доставке музыки на дом без использования проводов. В прошлом уже делались такие попытки с проводами, но они не удались, так как провода в эту схему явно не вписываются. Радио — это как раз то, что нам необходимо. Можно разработать специальный приемник в виде простейшего «музыкального радиоящика», приспособленного для работы на нескольких различных длинах волн, менять которые можно будет простым поворотом выключателя и нажатием единственной кнопки…

Меморандум Сарнова в точности предсказал то, что и произошло в действительности. Однако его руководство посмеялось над ним, и передачи начала вести первой не его фирма.

Прогресс в использовании вычислительных машин шел в точности по общей схеме. Сначала они выполняли то, что делалось и раньше, без них, и было хорошо известно — платежные ведомости, инвентаризация, баллистические и инженерные расчеты. Лишь постепенно захватывались новые области применения — справочные системы, управление информационными системами и системы разделения времени.

Наконец, вычислительные машины начали использовать в той области, которую я называю управление процессами, и именно здесь, в этой новой области использования теперь уже «старого» орудия труда, нам наиболее трудно проводить разработку программного обеспечения.

Одна из главнейших проблем, связанных с вычислительными машинами, состоит в их крайней разносторонности — их можно использовать буквально для всего. Как еще в 1936 г. показал Тюринг, любая функция или процесс, которые можно выразить с помощью какого-либо алгоритма, могут быть выполнены очень простой машиной, если, конечно, не принимать во внимание временные факторы.

В 1910 г. Бертран Рассел и Альфред Норт Уайтхед выпустили труд «Principia Mathematica», в котором выдвинули принцип, согласно которому основанием всех математических дисциплин является логика. Тем самым доказательство теорем, решения различных задач можно рассматривать в терминах специального вида утверждений, каждое из которых может быть истинным или ложным. Мы обнаруживаем, что вычислительная машина это гораздо более сложное устройство, нежели просто арифметический вычислитель, это еще и логическая машина.

Документы, описывающие различные использования вычислительных машин, состоят из сотен и сотен пунктов. Можно продолжать составление таких списков до бесконечности, но занятие это совершенно бесполезное. Куда больше пользы принесет попытка разделить виды использования вычислительных машин на качественные категории, отличающиеся друг от друга требованиями к аппаратуре, программному обеспечению, людям. Различия должны быть достаточно глубокими, чтобы такое деление было полезным всем тем, кто создает сложные системы, основанные на использовании вычислительных машин.

Мы будем рассматривать пять различных типов использования:

Тип 1. Обработка данных

Тип 2. Решение научных задач

Тип 3. Информационные системы

Тип 4. Диалоговые системы решения задач

Тип 5. Управление процессами

И история развития, и терминология вычислительной техники провели четкое различие между машиной, используемой для коммерческих расчетов — процесса, который отмечен как обработка данных, — и машиной для решения задачи, той машиной, что, собственно, и называется вычислительной машиной. Аппаратура, разрабатываемая для одного из этих использований, сильно отличалась от аппаратуры, применявшейся в другой области. Лишь недавно (1964) одна и та же аппаратура получила возможность работать и там и там, выполняя обе задачи.

Вычислительная машина для решения научных задач была устроена так, чтобы наиболее быстрым образом производить вычисления. Обрабатывающая машина — обрабатывающая данные — была машиной ввода/вывода, машиной, которая управляла внешними файлами. В течение первых 12 лет выпуска вычислительных машин фирма IBM сопровождала две различные ветви машин — машины для обработки данных и научные машины.

Серия машин IBM/360, объявленная в 1964 г., изменила положение, поскольку для IBM стало слишком дорого разрабатывать, строить и сопровождать две различные ветви.

Бухгалтерские расчеты проводятся постфактум. Учет векселей, ведение регистрационных журналов, составление платежных ведомостей и проведение инвентаризации есть всего лишь работа с записями о прошедших событиях. Разработанная для проведения быстрых расчетов баллистических траекторий вычислительная машина, отвергнутая в свое время фирмой IBM, была доведена до состояния экономической рентабельности корпорацией Sperry Rand в 1952 г. Пользователи заставили ее составлять платежные ведомости и инвентарные списки.

Многие называют большие вычислительные машины «большими арифмометрами». На основе небольшого числа исходных данных мощная машина может работать часами, решая уравнение теплопроводности или строя прогнозы погоды.

После нескольких лет использования люди осознали, что все необходимые им данные находятся «внутри» и вполне доступны. Было написано специальное программное обеспечение, и пользователи получили возможность вводить запросы в вычислительную машину и получать от нее ответы на эти запросы. Родился новый вид использования вычислительных машин.

Если отдельный пользователь решает на машине математическую или логическую задачу, по ходу дела вмешиваясь в решение, говорят, что пользователь работает в «диалоговом», или «интерактивном», режиме.

Когда в одно и то же время одной и той же вычислительной машиной могут пользоваться сотни пользователей, то говорят, что все они работают в режиме разделения времени. Это еще один способ выполнять работы, связанный с использованием ЭВМ по типу I или типу II. Отличие проявляется в использовании машины в целом, каждый отдельный пользователь может этих отличии и не замечать.

Разделение времени уменьшает «время ожидания решения», то есть время, проходящее от момента передачи задачи в вычислительный центр до получения результата решения. Тем самым доводится до максимума доля творчества человека в отношении: «процесс решения задачи»/«процесс созидания». В коммерческих приложениях типа III имеют дело с данными — файлами, записями, страховыми полисами, счетами, расписками, индексами клиентов. Огромные, многотомные файлы. Изнурительная работа по прочесыванию огромных файлов для нахождения единственного подходящего, выполнение простейших вычислений — иногда даже тривиальных, — и затем снова работа с файлами. Критическими характеристиками при этом являются скорость движения магнитной ленты, время доступа к диску, количество томов, размещаемых на диске, а также структура файла.

Пользователи типа IV занимаются именно вычислениями, а не файлами в смысле файлов со страховыми полисами, выданными компанией миллионам различных людей. При этом обрабатываются большие количества данных, но это не файлы, а скорее массивы. Узким местом при этом являются скорость вычислительной машины и планирование процесса, необходимые для своевременного выполнения заданий.

Однако для обеспечения работы по типу IV сотен пользователей, подключаемых к ЭВМ в диалоговом, интерактивном, режиме, необходимо делать многое из того, что делается и для коммерческих приложений, — запоминать имена и местоположения пользователей, времена их работы и многие другие более простые вещи. В этом смысле между использованиями по типам III и IV есть некоторое перекрытие.

Я разделил их по тем причинам, что, во-первых, использование по типу IV создает целую индустрию, а вид использования (разделение времени) и диалоговый режим существенно отличают этот тип от простой обработки данных и, во-вторых, для машин, используемых по типам III и IV, необходима весьма различная аппаратура, а значит, и разное программное обеспечение.

Если ЭВМ используется для выполнения или для помощи человеку в выполнении или слежении за некоторым процессом и мы не можем продолжать его выполнение без постоянного получения промежуточных результатов, мы используем машину по типу V. Процесс может быть простым, например управление огнями светофора, но может быть и весьма запутанным, как, например, система помощи авиадиспетчерам по предотвращению столкновений самолетов или система резервирования мест на самолетах, которая одновременно взаимодействует с тысячами служащих транспортных агентств.

Управление процессом неотделимо от выполнения процесса и обычно работает в режиме реального времени. Вычислительная машина должна успевать выполнять свою работу за время, отводимое для управления.

Для пользователей тип V выглядит так же, как и типы III и IV, но любые сбои ведут при этом к полному нарушению управляемого процесса.

Требования высокой помехозащитности и малого времени ответа приводят к необходимости разрабатывать один из самых сложных видов программного обеспечения. Программно-аппаратная система, выводящая ракету на перехват другой ракеты, построена в основном на тех же математических принципах, что и задачи расчета баллистических траекторий, необходимость решения которых привела к возникновению ЭВМ Однако теперь работы должны выполняться без каких-либо сбоев, в режиме реального времени, поскольку перехват должен выполняться именно в этот момент, когда вторая ракета подойдет к расчетной точке. И большая тяжесть работ по достижении поставленной цели падает на программное обеспечение.

При использовании по типу III, когда работа людей не может быть выполнена без одновременной работы машины, мы переходим в область управления процессами, т. е. начинаем использовать машину по типу V.

Итак, тип V основывается на использованиях по типам III и IV.

Тип V появляется, когда комбинация задач типов IV и III приводит к значительным усилиям по ведению сложных разработок. Современная аппаратура достаточно легко справляется с задачами типа V! Узким местом таких систем является программное обеспечение.

Эволюция использования вычислительных машин шла непрерывно от типа I к типу V.

Тип I перешел в тип III. Было бы логично попытаться по запросу получить данные, находящиеся «внутри», в ЭВМ. Каково среднее заполнение самолетов рейса Вашингтон — Париж в августе?

Использование типа III имеет значительное отличие от типа I. Люди взаимодействуют с вычислительной машиной. И опять-таки основная тяжесть этого ложится на программное обеспечение!

Пользователи типов I и II не имеют прямых контактов с машиной. Задания помещаются на перфокарты или магнитные ленты, и затем программист или ответственный по лаборатории ожидает, пока работа не будет выполнена, после чего они получают результаты, обычно отпечатанные на бумаге.

Пользователи типов III и IV непосредственно взаимодействуют с вычислительной машиной с помощью пишущей машинки или терминала с телевизионным экраном и клавиатурой. Они ведут диалог. Это совершенно не похоже на первые два случая, и для обеспечения взаимодействия пользователя с машиной нужно писать специальные программы (см. рис. 2.1).

Пять видов использования по-разному влияют и на аппаратуру, и на программное обеспечение.

В больших системах типа III есть одно интересное, но очень «хитрое» место. Фактором, ограничивающим производительность аппаратуры, становится в них время доступа к диску. Большая часть действий в подобных системах связана с модификацией данных, поэтому необходимо постоянно осуществлять «поиски» этих данных. При этих «поисках» приходится простаивать в очередях, пока механизмы доступа к диску не дадут возможности осуществить обращение к нему. Программное обеспечение должно строиться так, чтобы число одновременных поисков было максимальным. Очевидно, что чем больше дисков в системе, тем большее перекрытие становится возможным. В некоторых реализациях имеются сотни отдельных дисков.

Работы по программированию системы «Скайлэб» велись в Хьюстоне как продолжение работ над проектом «Апполон XV». Аппаратура осталась та же самая, что и для «Аполлона»; программное же обеспечение изменялось. Это было в некотором роде бедствие. Работы были закончены в положенный срок, но цена, которую пришлось заплатить группе примерно из 700 профессионалов, оказалась непомерной. Сверхурочная работа часто приводит к изнеможению и упадку сил.

Что же произошло? Почему столь опытная группа, имевшая за своими плечами 10 лет успешных разработок космических систем, т. е. всей системы Апполон и системы посадки на Луну, вдруг оказалась в таком положении? Ответ, кажущийся простым сейчас, в то время не был очевиден.

Скайлэб была очень большая система типа III, которая постепенно превратилась в систему типа IV, и сбои в системе были исключены. Группа ожидала, что это будет система типа IV, не ожидая уклона в сторону системы типа V.

На борту космической лаборатории были проведены сотни экспериментов в реальном времени, и данные поступали от них тоже в реальном времени. Их надо было собирать, сортировать, запоминать, снабжать указателями, помечать и классифицировать — и все это в реальном времени. Ни NASA, ни фирма IBM не предвидели столь существенных отличий в применении систем, поэтому для выполнения работы пришлось создавать совершенно новое программное обеспечение.

Рис. 2.2 может быть использован как иллюстрация к большим системам типа V, а также к некоторым из систем типов III и IV. Он совершенно не отражает положение дел в системах типов I и II, хотя часто выдается за неоспоримую истину во многих книгах и докладах. Диаграмма, изображенная на нем, соответствует только той области, откуда она вышла, т. е. командным и управляющим вычислительным системам ВВС, как и было указано в докладе ВВС США.

Нужно постоянно помнить об одном часто не принимаемом во внимание факте, связанном с программным обеспечением. Оно слишком велико и разносторонне, чтобы его можно было обсуждать сколько-нибудь длительное время без предварительного указания того, какая область, часть или тин программного обеспечения обсуждается. Этот термин слишком широк, чтобы использовать его без определяющих прилагательных.

Разрабатывать программное обеспечение с каждым днем становится все труднее.

Разрабатывать программное обеспечение с каждым днем становится все легче.

Оба этих утверждения верны. Кажущееся их противоречие друг другу проистекает из широчайшего многообразия мира программного обеспечения. Давайте посмотрим, где же разработка программ становится проще.

Очень упрощенные, но достаточно верные графики могут значительно прояснить складывающуюся ситуацию. Давайте бросим взгляд на вычислительный мир (рис. 2.3). В 1952 г. он состоял из одной[4] машины — UNIVAC I.

В 1980 г. этот мир значительно расширился, вычислительные машины стали появляться как на нижних, так и на верхних частях шкалы (рис. 2.4).

После этого, в середине 1960-х гг. «миникомпьютеры» — термин относится скорее к цене, чем к размеру, — сместили положение вычислительных машин на шкале еще ниже (рис. 2.5).

В настоящее время благодаря использованию сверхбольших интегральных схем научились создавать микрокомпьютеры, вполне размещающиеся на ладони. Это снова заставляет нас перестраивать картину. Увеличивая масштаб (рис. 2.6), мы можем увидеть, что же произошло за эти годы в мире вычислительных машин — стоимость их уменьшилась, а емкость памяти и производительность увеличились.

Машины становятся все более мощными (точка А). Они становятся настолько дешевыми, что проникают в такие области (точка В), куда до сих пор вычислительные машины не допускались Программное обеспечение, конечно, следует за аппаратурой и в точках А и В. Оно маленькое и простое В, большое и сложное в А.

Цифровые схемы превратились в цифровые вычислительные машины (ЦВМ) — а это означает, что они стали программируемыми Этот великолепнейший прибор стоит теперь сущую безделицу В результате цифровые вычислительные машины проникли в такие области применения, которые ранее не могли бы оправдать таких сложных средств (см. рис 2.7)

Число элементов на кристалле удваивается каждый год, цена, надежность и мощность при этом остаются на прежнем уровне. Если бы автомобильная промышленность продвигалась вперед такими же темпами, то, по сведениям журнала «National Business Magazine», мы имели бы автомобили, которые весили бы около двухсот граммов, тратили бы около двух литров бензина на полтора миллиона километров и стоили бы примерно 2 доллара 70 центов.

Возникновение технологии СБИС стирает грань между схемами и вычислительными машинами. Является ли кристалл размером 2,5 × 1,25 см с процессором и памятью в 128 слов (рис. 2.8) вычислительной машиной? Конечно же, да. А ведь между тем, как следует обращаться с электрической схемой, с одной стороны, и вычислительной машиной — с другой, имеется большая разница. И этому есть причина для вычислительных машин требуются программы.

Поскольку вычислительные машины становятся столь дешевыми, мы обнаруживаем их внедрение повсюду. Они используются в игрушках, автомобилях, телевизорах, копировальных устройствах, ракетах, приборах, станках — всюду. И все эти использования подразумевают наличие программ.

Если мы разрабатываем одну программу и выполняем ее на тысячах вычислительных машин, мы делим стоимость программы на число машин и получаем стоимость «одной» программы.

Эта характеристика не отражает стоимости продукции, мы просто тиражируем программу.

Таким образом, программа, заложенная в телевизионный приемник, имеет пренебрежимо малую стоимость — одна программа на 500 000 кристаллов, т. е. на 500 000 телевизоров! Программное обеспечение может составлять основную долю в стоимости системы управления спутниками, где одна вычислительная машина управляет и спутником, и линией связи (см. рис. 2.9).