автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Применение принципа эмуляции при реализации системы символьной обработки

Ордена Ленина Институт прикладной математики жмени М. В. Келдыша РАН

На правах рукописи

Рубин Александр Григорьевич

ПРИМЕНЕНИЕ ПРИЩИТА ЭМУЛЯЦИИ ПРИ РЕАЛИЗАЩМ СЖТЕШ СЖВОЛЫЮИ ОБРАБОТКИ

Специальность 05.13.11 - математическое я программное обеспечение вычислительных мамин, комплексов, систем я сетей

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1982

Работа выполнена в Ордена Ленина Институте прикладной математики лют М.В.Келдша РАН

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

В. К. Смирнов

Официальные оппоненты - доктор {жзихо-катеыатических наух

В. Б. Бетелкн; - кандидат физико-математических наух А. К. Петренхо.

Ведущая организация - Институт электронных управляющих

машин СИНЭУЮ.

Защита диссертации состоятся " "_ 1992 г.

в _ часов на заседав** специализированного совета Д 002.40.01

при Институте прикладное математики имени N. В. Келдыша РАН (125047, г.Москва, Миусская пл., 4).

С диссертацией можно оо накопиться в библиотеке Института. Автореферат разослан " "_ 1992 г.

Ученый секретарь / ,

специализированного совета ЛА^Р / -

канд.{вв.-мат. наух ' /И. А. Бахарев/

' ! ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Во многих областях науки н техники, связанных с разработкой аппаратуры и программного обеспечения, нашел широкое применение принцип эмуляции. Он заключается в имитации Сбез потери функциональных возможностей) процессов функционирования одной системы средствами другой системы. Использование указанного подхода позволяет сократить сроки и стоимость разработки, а в ряде случаев и повысить эффективность функционирования разрабатываемых систем.

В диссертационной работе исследуются проблемы эмуляции и рассматривается применение соответствующего принципа при реализации ряда основных компонентов системы символьной обработки ССОО). Работа выполнена в рамках проекта, связанного с созданием аппаратных средств поддержки систем символьной обработки и искусственного интеллекта СИЮ, осуществляемого в НИМ ни. М. В.Келднаа.

Актуальность темы. Одним из перспективных направлений развития вычислительной техники является разработка специализированных процессоров, функционирующих в составе универсальных вычислительных комплексов и сетей ЭВМ. В настоящее время наблюдается значительный рост числа приложений, связанных с символьными преобразованиями и построением систем ИИ. Поэтому разработка и внедрение в традиционную вычислительную среду специализированных символьных процессоров (ССГО, способных повысить общую производительность современных ВС, является актуальной задачей.

Для решения указанной задачи требуется создание значительных объемов специализированного программного обеспечения и аппаратуры, что существенно задерживает внедрение ССО. Поэтому особую актуальность приобретает принцип эмуляции, обеспечивающий при реализации ССО эффективное использование ухе готового или стандартного оборудования и программного обеспечения.

Широкое применение этого принципа на различных этапах проектирования ВС, начиная от разработки специализированных процессоров до их включения в универсальную вычислительную среду, отражает активный интерес специалистов к проблемам эмуляции и

интенсивное развитие работ в указанной направлении. В то же время концепция эмуляции остается не формализованной, отсутствует систематизация областей и способов ее применения.

Использование эмуляции в качестве базового принципа реализации ряда компонентов ССО позволяет обеспечить достижение требуемых функциональных возможностей системы на основе применения доступных технических средств и решений. Таким образом, исследование проблем эмуляции, предпринятое в связи с проектированием и реализацией ООО, является актуальным и практически важным.

Цели работы:

1. Исследовать проблемы построения системы символьной обработки, включающей специализированный символьный процессор, на базе универсальных и готовых программно-технических средств и определить основные требования к такой системе.

2. Разработать принципы построения системы символьной обработки со специализированным Лисп-процессором.

3. Выполнить проектирование и реализацию системы символьной обработки со специализированным символьным процессором.

Научная новизна. В свете современных представлений в области архитектуры ВС проведено комплексное исследование проблем эмуляции, рассматриваемых в диссертации в качестве основного объекта исследования. Проведена систематизация приложений и способов применения этого принципа.

Предложены формальные схемы и разработана технология использования принципа эмуляции при реализации ССО, проанализированы достоинства, недостатки и условия применимости указанного подхода. Продемонстрирован опыт систематического использования концепции эмуляции при реализации ряда основных компонентов ВС, включающей ОСП.

Практическая значимость. Щишенение эмуляции обеспечило сокращение сроков и стоимости разработки, повьваение ее технологичности и эффективности, преемственность по отношению к имевшемуся программному обеспечению. Эмуляция была использована в качестве базового принципа при реализация ряда основных компонентов ООО:

- специализированного символьного процессора, ориентированного ва язык Лисп;

- средств связи символьного процессора с универсальной вычислительное средой;

- средств, обеспечивающих диалоговое взаимодействие пользователя со специализированным символьным процессором.

Результаты проектирования и эксплуатации ССО подтвердили адекватность выбранного подхода поставленным перед разработчиками задачам, а также универсальность использованного принципа разработки ВС.

Технология проектирования, отработанная на основе систематического применения принципа эмуляции, может быть рекомендована при построении других ВС, к которым предъявляются аналогичные требования.

Реализация результатов работы:

1. На основе принципа эмуляции разработан и реализован конвертер с подмножества языка Лисп в язык Рефал СЛИРА). Конвертер вошел в состав математического обеспечения ССП ЕС2702, эксплуатирующегося в Институте.

2. На основе принципа эмуляции организовано подключение ССП к универсальной ЭВМ и сети ЭВМ коллективного пользования.

Самостоятельное значение имеет разработка и реализация в составе сети СЕКОП эмулирующего концентратора терминалов н системы пересылки файлов СЭФЕС). Указанная реализация позволила в короткие сроки организовать в рамках сети диалоговую работу с ЕС ЭВМ и обеспечить оперативное решение задачи транспортировки символьной информации между ЕС ЭВМ и ЭВМ других типов.

3. С использованием принципа эмуляции разработано и реализовано несколько модификаций дисплейных диалоговых операторов, вошедших в состав математического обеспечения ССП ЕС2702. Они внедрены и успешно эксплуатируются на ЭВМ серии ЕС в ряде организаций и ВЦ.

Апробация. Основные результаты диссертационной работы докладывались на первой Международной конференции молодых ученых и специалистов по проблемам проектирования и применения дискретных систем в управлении СМинск, 1977), на первой Всесовзной конференции "Технология программирования" СКиев, 1979), на одиннадцатом Всесоюзном семинаре по вычислительным сетям СРига, 19S6), на научно-техническом семинаре "Машинная реализация систем искусственного интеллекта" СМосква, МДНТП, 1988), на объединенном семинаре в ИПМ им. М.В.Келдыша СМосква, 1991).

Публикации. По теме диссертации опубликовано И печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 147 наименований. Общий объем работы - 119 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулированы цели диссертационной работы, обоснована актуальность и научная новизна выполненных исследований, приведен краткий обзор содержания диссертации по главам.

В первой главе, носящей постановочный характер, на основе мирового опыта разработки Лисп-процессоров исследуются современные тенденции в реализации ООО, формулируются ключевые проблемы, существующие в этой области, и определяются основные технические требования к проектируемой ООО с символьным процессором.

Заметному росту числа приложений, связанных с символьной обработкой, способствовало появление первых практических результатов в области ИИ. Одним на наиболее распространенных языков, ориентированных на символьную обработку, является яэых Лисп. Интерес к задачам символьной обработки и ИИ вызвал стремление к поисху эффективной и дешевой архитектуры и аппаратной базы для реализации языка Лисп. Для эффективной реализации языка Лисп

стали разрабатываться ССП, предназначенные для его аппаратной поддержки. В течение последних лет мировой рывок Лисп-процессоров ежегодно увеличивался приблизительно на 50Х.

Исходя из актуальности эффективной реализации языка Лисп, была поставлена следующая задача, решению которой посвядена диссертационная работа:

Определить архитектуру, принципы построения и реализовать ССО, включающую специализированный Лисп-процессор.

Для получения высокопроизводительной системы необходимо наиболее полное отражение природы языка Лисп в аппаратуре. Однако ряд объективных условий згставил нас отказаться от попытки аппаратной реализации архитектуры Лисп-процессора и обратиться к его макетированию на базе универсальной ЭВМ. Эти условия:

- жесткие ограничения по срокам и стоимости разработки ССО;

- доступность лнвь вполне определенного арсенала стандартных программно-технических средств ЕС ЭВМ;

- недоступность более перспективной аппаратной базы п соответствующих средств автоматизации проектирования.

На выбор указанного подхода также оказал влияние положительный опыт проектирования ССП с микропрограммной поддержкой. В частности, работы по микропрограммной реализации языка Рефал, которые привели вначале к созданию макета ССП, а затем - процессора ЕС2702.

Перечисленные обстоятельства определили выбор серийных программно-технических средств ЕС ЭВМ в качестве базы для построения ССО и использование микропрограммной поддержки для отражения в»архитектуре ССП специфики языка Лисп. С учетом вы=е-изложенного постановка задачи была дополнена следующим образом: Система должна удовлетворять основным требованиям при заданных ограничениях, касающихся стожостп а сроков разработки, необходимости использования серийных универсальных технических средств и применения стандартного нлн готового программного обеспечения.

Среди наиболее актуальных проблем, существующих в области разработки ССО и требующих своего разрешения, в диссертации были выделены следующие:

- проблема согласования специфических объектов и операций входного языка символьной обработки СЛиспа) и доступной аппаратной базы его реализации;

- проблема интеграции специализированных средств символьной обработки в традиционную вычислительную среду;

- проблема эффективного взаимодействия пользователя со специализированными средствами символьной обработки.

В заключении первой главы на основе комплексного подхода к построению ССО с технической, экономической и функциональной точек зрения определяются основные требования, предъявляемые к проектируемой ССО, включающие:

- невысокую трудоемкость разработки системы, непосредственно влияющую на сокращение сроков ее создания;

- экономичность системы, определяющую низкую стоимость ее проектирования, реализации и эксплуатации;

- более высокую эффективность символьной обработки, чем для универсальной ВС;

- надежность аппаратуры и программного обеспечения системы;

- универсальность системы, сохраняющей в целом возможности ВС общего назначения;

- гибкость архитектуры средств символьной обработки, допускающей их последующее изменение и развитие;

- доступность пользователю средств символьной обработки;

- удобство взаимодействия пользователя системы со специализированными средствами символьной обработки.

Необходимо было определить эффективный принцип реализации ССО с Лисп-процессором, который позволил бы решить поставленную задачу, удовлетворив основным требованиям к системе в конкретных сложившиоя условиях разработки.

Во второй главе производится выбор и обоснование принципа эмуляции в качестве базового принципа проектирования ООО с Лисп-процессором, позволяющего удовлетворить основным требованиям к ССО. В свете современных представлений проводится комплексное исследование эмуляции и осуществляется выбор базы реализации ООО со специализированным Лисп-процессором.

В начале главы делается обзор наиболее известных областей применения принципа эмуляции. Рассматривается опыт использования

этого подхода при проектировании операционных систем и ЭВМ для языков высокого уровня, вычислительных комплексов и сетей ЭВМ, при разработке терминального оборудования и пр.

Далее рассматривается суть понятия эмуляции, прослеживаются истоки возникновения и эволюция этого понятия, проводится исследование характерных особенностей принципа эмуляции и разрабатывается технология применения этого принципа при реализации ВС.

Эмуляция определяется как принцип реализации ВС, предполагающий интерпретацию заданной системы машинных операций в виде эквивалентной последовательности других операций. Эмуляция включает совокупность программно-технических присксз и средств, обеспечивающих возможность выполнения на некоторой ВС Сбез изменения) программ, использующих коды и способы выполнения операций, подготовленные для другой ВС. Появление самой идеи эмуляции и универсальность ее приложений связана с иерархической, модульной природой организации сложных систем.

Прежде всего, архитектура ВС рассматривается как совокупность функциональных уровней и определяется архитектурой каждого из них. Нижние уровни используются как инструмент для создания более высокого уровня. Различные уровни системы рассматриваются как процессоры, которые используются для интерпретации более высоких уровней. Интерпретатор при этом может рассматриваться как (микропрограммный эквивалент устройства управления ЭВМ, применяемый для эмуляции одной ЭВМ на другой. Каждый процессор реализуется в виде нехоторой физической либо абстрактной Свиртуальной) машины и имеет свой внутренний язык для описания действий внутри процессора. В основе виртуальных уровней лежат алгоритмы, реализованные программным либо микропрограммным способом.

Общность принципов разработки сложных систем базируется ва фундаментальном свойстве, заключающемся в том, что все исполнители алгоритмов фактически сводимы друг к другу, а различие их с практической точки зрения заключается лишь в различии эксплуатационных характеристик. Поскольку в теоретическом плане проектирование логики машины и программирование являются эквивалентными задачами, функции аппаратных средств могут представляться программами (микропрограммами) и наоборот.

Эмуляция в узком смысле или традиционная микропрограммная эмуляция означает интерпретацию виртуального процессора с помощью микропрограмм другого реального процессора. В том случае, если определяется некоторый виртуальный процессор и его интерпретация производится программными средствами, этот прием называется эмуляцией в широком смысле или программной эмуляцией. С тех пор как стала использоваться микропрограммная память с перезаписью, которая функционально мало чем отличается от оперативной памяти, утвердилось понятие программной эмуляции - принципиально мало чем отличающейся от микропрограммной эмуляции.

Далее во второй главе предлагаются две абстрактные схемы эмуляции, обеспечивающие решение практических задач проектирования ВС, и намечается переход от абстрактных схем к технологии реализации ВС на основе эмуляции.

Эмуляция обычно используется в целях "повышения квалификации" и совершенствования архитектуры существующей системы и, в частности, решает две конкретные задачи:

1. Расширение функциональных возможностей системы Сза счет обеспечения программной совместимости с другой системой, программы которой предполагается "позаимствовать").

2. Повышение производительности ВС в некотором интересующем пользователя классе задач Сза счет подбора наиболее подходящего для этого класса задач состава машинных операций)

В первом случае эмуляция представляет собой способ расширения архитектуры исходной системы, в результате применения которого она воспроизводит архитектуру другой системы. Первая схема преследует цель - обеспечить простоту реализации и малые сроки разработки при достижении приемлемой производительности.

Во втором случае эмуляция представляет собой способ специализации архитектуры действующего виртуального процессора, обеспечивая оптимальный набор машинных операций применительно к реализуемому языку или решаемой задаче. Вторая схема преследует основную цель - достижение более высокой эффективности функционирования в определенном классе задач при ограниченной трудоемкости реализации.

Сочетание двух предложенных схем на практике позволяет одновременно удовлетворить казалось бы противоречивым требовави-

ям универсальности и эффективности, специализации и приспособляемости, предъявляемым к ССО. В совокупности две указанные схемы определяет технологию реализации ВС на основе эмуляции.

В завершающем разделе второЯ главы производится выбор базовой архитектуры, конфигурации и способа реализации ССО с Лисп-процессором в рамках концепции эмуляции.

При выборе наиболее целесообразной программно-аппаратной базы для реализации ССО, включающей специализированный Лисп-процессор, с учетом принятых ограничений о необходимости максимального использования серийного оборудования и доступного программного обеспечения, оценивались следующие варианты:

- ВС, включающая ЭВМ серии ЕС, с реализацией на базе последней полномасштабной микропрограммной специализированной Лисп-системы;

- ВС, включающая ЭВМ серии ЕС, с реализацией на базе последней средств микропрограммной поддержки основных функций интерпретатора промышленной программной Лисп-системы;

- ВС, включающая ССП с входным языком Рефал, с реализацией на его базе специализированного Лисп-процессора.

В качестве базы для реализации Лисп-процессора был выбран последний вариант ВС, который позволял, оставаясь в рамках отработанной идеологии Рефал-процессора и в полной мере используя весь арсенал его программного обеспечения, оборудования и средств комплексирования, построить желаемую ССО.

Таким образом, проектируется ССО, состоящая из специализированного Лисп-процессора в составе универсальной вычислительной среды. При этом ССП с языком Лисп реализуется на базе действующего Рефал-процессора, а для связи ОСП с универсальной вычислительной средой и пользователем применяются готовые средства, предоставляемые специализированной Рефал-системой.

Сохраняя имеющийся задел аппаратных и программных средств, эмуляция позволяет ценой ограниченных дополнительных вложений Соколо ЗОЯ от стоимости разработки новой системы) обеспечить адаптацию существующей системы обработки х новым требованиям пользователя. Эмуляция позволяет заменить процесс разработки новых прикладных программ существенно более регулярным процессом преобразования программного продукта.

Третья глава посвящена вопросам практического применения принципа эмуляции для реоения основных проблем проектирования ССО. В этой главе обсуждаются технологические аспекты разработки и реализации основных компонентов ССО с ССП.

В разделе 3.1 детально рассматриваются вопросы программной эмуляции Лисп-процессора на базе специализированного символьного процессора ЕС2702 с входным языком Рефал. Определяется сущность и достоинства метода конвертирования, используемого для повышения "квалификации" специализированного Рефал-процессора.

Благодаря применению конвертирования с подмножества языка Лисп в Рефал удалось использовать готовое программное и микропрограммное обеспечение специализированного Рефал-процессора. С экономической точки зрения подобный подход дал возможность получить мобильную реализацию языка Лисп при минимальных трудозатратах. С методологической точки зрения - позволил отработать технологию построения единой виртуальной машины для подмножества языков символьной обработки.

При выборе наиболее предпочтительного варианта реализации языка Лисп СЦ) на базе специализированного Рефал-процессора обсуждаются три распространенные схемы, используемые для создания языковых процессоров с помощью универсального метаязыка рекурсивных функций Рефал СЦ.) :

- первая схема предполагает построение компилятора на языке Ц. с исходного языка Ц в другой Собъектный) язык Ц> Спричем Ц> не совпадает с Ц);

- вторая схема предусматривает реализацию на языке Ц. интерпретатора исходного языка Ц;

- третья схема предполагает создание конвертера на языке Ц с исходного языка Ц в другой (объектный) язык Ц>.

Построение компилятора является довольно трудоемкой задачей и используется преимущественно в тех случаях,когда уровни языков Ц и Ц> существенно различны. Интерпретационная схема обладает существенным недостатком, связанным с низкой эффективностью выполнения программ. Последний подход не требует крупных трудозатрат и применяется, как правило, именно в тех случаях, когда языки Ц и 1-2 являются языками приблизительно одного уровня.

Для реализации языка Лисп СЦ) на Рефал-процессоре был вы-

¿ран последние вариант, связанный с созданием конвертера. Причем в данном случае язык Рефал СЦ.Э, являющийся входным языком ССП, используется одновременно в качестве как объектного, так и инструментального языка, на котором реализуется конвертер CLg = Ц.Э.

Указанный подход является следствием использования принципа программной эмуляции виртуального Лисп-процессора на виртуальной Рефал-мавине, осуществляющей преобразование Лисп-программ к объектному виду и их последующее исполнение.

Конвертер Kj. с подмножества языка Лисп в Рефал С ЛИРА), написанный на Рефале, позволяет получить из исходной Лисп-программы Pj, обрабатывающей некоторые данные D' Сзаданные "статически"), функционально эквивалентную ей Рефал-програыму Рр. При этом формально выполняется следующее преобразование: KpCPjCD')) -> PrCD')

Последующая обработка программы PrCD') выполняется специализированным Рефал-процессором.

Принятый способ реализации Лисп-процессора обладает рядом существенных достоинств:

- простотой и компактностью реализации, основанной на глубокой общности языков Лисп и Рефал;

- использованием единого языка реализации - Рефал;

- мобильностью реализации;

- определенными результатами в направлении создания интегрированной системы программирования, сочетающей в себе достоинства обеих систем программирования СЛисп и Рефал):

а) введением в Лисп-систему эффективного аппарата сопоставления с образцом, органически присущего Рефалу;

б) введением в систему разнообразных стандартных функций и программных средств, отсутствующих в одной системе, но присутствующих в другой;

в) использованием в ряде случаев более эффективных процедур управления памятью из Рефала Сем. гл.4) и др.

Благодаря применению эмуляции удалось в 6-8 раз сократить сроки разработки Лисп-процессора по сравнению с его возмохной полномасштабной микропрограммной реализацией. Одновременно было получено сокращение времени выполнения Лисп-программ на ССП ЕС2702 в 1.5 раза по сравнению с их выполнением на программной Лисп-системе Сна эквивалентной аппаратной базе).

В разделе 3.2 рассматривается использование принципа эмуляции для интеграции ОСП в универсальную вычислительную среду.

В начале раздела обсуждается вопрос целесообразности подключения символьного процессора к универсальной ВС. Внедрение ССП в существующее компьютерное окружение позволяет:

- исключить необходимость резкого изменения традиционного программного обеспечения;

- предоставить специализированные средства символьной обработки и ИИ большему числу пользователей;

- преодолеть ограничения, касающиеся недостатка ресурсов средств символьной обработки;

- иметь в ВС наряду с эффективной символьной обработкой и традиционные функции числовой обработки и ввода-вывода;

Затем в разделе формулируются основные функции универсальной вычислительной среды, связанные с поддержкой функционирования ССП, в частности:

- загрузка ССП и управление ходом выполнения задач в ССП;

- отработка запросов ССП на традиционные виды обслуживания (ввод-вывод, числовую обработку) и сервисное обслуживание (средства отладки, сбор статистики и пр.);

- подготовка и хранение информации для ССП;

- организация использования ССП как системного ресурса в условиях мультипрограммного режима работы;

- распараллеливание символьной обработки на ССП и традиционных видов обработки в универсальной ВС.

Далее в разделе 3.2 описывается использование принципа эмуляции при организации подключения ССП к универсальной ЭВМ серии ЕС. Обсуждаются возможные способы комплексирования ССП и ЕС ЭВМ, обосновывается выбор наиболее рационального варианта подключения и рассматривается его реализация.

По-видимому, наиболее распространенным архитектурным решением является использование ССП в качестве сопроцессора универсальной ЭВМ. Первым ССП, для которого нами решалась задача комплексирования, был макет Рефал-процессора, построенный на базе микропрограммного процессора, обладающего собственной системой микрокоманд. В этом случае исключалась возможность использования средств комплексирования однородных ЭВМ серии ЕС. Поэтому была

разработана нетрадиционная схема подключения ССП к универсальной ЭВМ на основе эмуляции.

Для осуществления связи универсальной ЭВМ с макетом ССП был предложен вариант, предполагающий имитацию на макете ССП функций контроллера инициативных внесших устройств ЕС ЭВМ. ССП выбирается каналом, реагирует на запросы последнего аналогично обычному контроллеру, но не используется для управления устройствами, а решает задачи, связанные с символьной обработкой.

Подключение ССП к универсальной ЭВМ через графический и физический методы доступа с микропрограммной эмуляцией на ССП функций контроллера терминалов ЕС ЭВМ несмотря на простоту обеспечило большие преимущества при реализации и эксплуатации:

- не потребовалось использование специальных программно-аппаратных средств ксмплексирования и внесение изменений в типовую версию операционной системы на ЕС ЭВМ;

- отладка взаимодействия компонентов ВС проводилась одновременно с отладкой микропрограммного обеспечения ССП благодаря возможности имитации работы ССП с помощью обычного дисплейного терминала;

- подключение ССП к селекторному каналу ЭВМ обеспечило достижение высокой скорости обмена между компонентами ВС.

Используя положительный опыт эмуляции терминалов, ЕС2702 был также включен в обслуживание ОС на ЕС ЭВМ через графический н физический методы доступа. Благодаря этому удалось существенно упростить реализацию.

Далее раздел 3.2 посвящен описанию применения принципа эмуляции для обеспечения доступа к ССП ЕС2702 из сети коллективного пользования СЕКОП.

В ходе эксплуатации ССП было рассмотрено и апробировано несколько вариантов подключения ССП в качестве специализированного информационного процессора к сети ЭВМ коллективного пользования. При этом во всех случаях применялся метод программно-аппаратной эмуляции контроллера локальных терминалов универсальной ЭВМ зерни ЕС. Таков подход позволил значительно упростить протоколы эбкена и алгоритмы подключения ССП к сети ЭВМ.

Интеграция автономного варианта ССП в сетевое окружение предполагает использование для этой цели процессора с микропрограммной реализацией операций символьной обработки, построенного на базе универсальной ЭВМ, обладающей стандартным каналом ввода-вывода. Возможность включения в сеть двухпроцессорного комплекса с ССП рассматривается при наличии в составе указанного комплекса наряду с микропрограммным процессором, предназначенным для выполнения символьной обработки, также универсальной ЭВМ со стандартным каналом ввода-вывода.

Средством аппаратной поддержки связи сетевого терминального процессора сети с ССП является специально разработанное для этой цели многоадресное устройство сопряжения - адаптер интерфейсов.

В данном случае вся сеть, включая адаптер интерфейсов, выступает в качестве контроллера терминалов по отношению к каналу той универсальной ЭВМ, при непосредственной поддержке или на базе которой функционирует ССП.

Принципиальным при реализации подключения ССП в универсальную вычислительную среду оказался отказ от построения и применения на ССП специализированного сетевого программного обеспечения и программно-аппаратных средств комплексирования ЭВМ. Для этой цели, как правило, использовались простые стандартные средства взаимодействия с периферийным оборудованием универсальных однопроцессорных ЭВМ.

Пользователям сети предоставляется возможность доступа к ССП как с локальных терминалов универсальной ЭВМ, так и с удаленных терминалов сетевых терминальных процессоров сети ЭВМ.

Существенное влияние на выбор принципа эмуляции в качестве основного подхода при организации подключения ССП к универсальной ЭВМ и сети ЭВМ коллективного пользования оказал опыт разработки диалоговых средств символьного процессора.

В разделе 3.3 рассматривается применение принципа эмуляции при реализации диалоговых средств взаимодействия пользователя с символьным процессором из универсальной вычислительной среды.

В данном разделе обоснованы основные функции операторов ССП, отражающих специфику диалоговой работы, сформулирован соответствующий набор диалоговых операторов, рассмотрены принципы и выбор адекватных базовых средств их реализации.

Предлагаемые операторы диалога включает возможность работы как с отдельной строкой, так и с группой строк - буфером экрана терминала, позволяет совыецать выдачу информации на экран с приемом ответа от пользователя, обеспечивают "продергивание" СгсгоШпд) изображения на экране терминала и пр.

Архитектура виртуального процессора диалога представлена в терминах многоуровневой иерархической модели. Рассматриваются варианты реализации диалоговых операторов ССП на базе средств различных виртуальных процессоров, соответствующих промежуточным уровням архитектуры диалогового процессора. Использование принципа эмуляции при построении диалоговых средств ССП способствует преодолению семантических разрывов благодаря сближению по функциональному содержанию различных уровней архитектуры процессора диалога.

Реализовано несколько модификаций диалоговых средств взаимодействия пользователя с ССП для различных типов терминального оборудования, системного программного окружения Сметодов доступа, диалоговых подсистем, операционных систем) н среды функционирования Соднопроцессорная среда, вычислительный комплекс, сеть ЭВМ) при сохранении исходных спецификаций операторов. В ходе работы было проведено исследование и сопоставление следующих вариантов реализации диалоговых средств ССП:

- на базе собственных канальных программ без поддержки ОС;

- на базе физического метода доступа при поддержке ОС;

- на основе макрокоманд логических методов доступа при поддержхе операционной системы;

- на базе подпрограмм универсальных диалоговых подсистем, функционирующих при поддержхе операционной системы.

На физическом уровне реализации диалоговых средств осуществляется детальное управление процессом функционирования терминалов. Использование всех возможностей последних позволяет добиться высокой эффективности выполнения диалоговых операций. Однако на этом уровне низка степень участия программных средств в управлении вводом-выводом. Росту логического уровня средств реализации диалоговых операций сопутствует повышение степени их автоматизации и поддержки средствами операционной системы.

В то же время средства диалоговых подсистем и логических методов доступа оказались менее приспособленными для эффективной реализации на их базе предлагаемых диалоговых операторов. Реализация операторов на основе указанных средств потребовала значительных ресурсов памяти для размещения диалоговых подпрограмм и ощутимого времени обращения к ним.

Подобно микропрограммной эмуляции, использованной в целях специализации базовых операций Лисп-процессора Сгл. 4), в данном случае целесообразной оказалась программная эмуляция функционально-ориентированного набора операторов виртуального процессора диалога с помощью системы команд канального процессора универсальной ЭВМ. Архитектура канала универсальной ЭВМ серии ЕС оказалась достаточно гибкой для эффективной эмуляции предложенного набора диалоговых операторов ССП.

В четвертой главе приводятся некоторые итоги разработки ССО, построенной на основе систематического применения принципа эмуляции, и рассматриваются возможности совершенствования специализированного Лисп-процессора, входящего в состав ССО.

В начале главы показано, каким образом применение принципа эмуляции в реализации основных компонентов ССО с ССП позволяет удовлетворить требованиям, предъявляемым к проектируемой ССО.

Затем рассматривается один из важных результатов работы, касающийся возможности более эффективного управления памятью в Лисп-процессоре, построенном на базе специализированного Рефал-процессора с помощью эмуляции. В итоге машинных экспериментов на вероятностной модели были определены условия, при которых стратегия управления памятью в Лисп-процессоре, реализованном на базе Рефал-системы, оказывается более предпочтительной по сравнению с традиционной стратегией, характерной для Лисп-системы.

Затем демонстрируются результаты исследований, направленных на повышение производительности специализированного Лисп-процессора.

Рассматриваются итоги экспериментов, касающихся использования трансформационного подхода и концепции смешанных вычислений применительно к задаче оптимизации Рефал-програын, полученных на выходе конвертера и функционально-эквивалентных исходным

Лисп-программам. При этом па оптимизировавши программах достигается повышение производительности Лисп-процессора приблизительно на 25-50% по сравнении с использованием исходных программ.

Для оценки эффективности микропрограммной эмуляции базовых функций и основной системы команд Лисп-процессора применялась традиционная методика, основанная на подсчете суммарного времени выполнения соответствующих операций Сс учетом реальной частоты их использования) для некоторого набора Лисп-тестов. Расчетное увеличение производительности от использования микропрограммной поддержки по сравнению с чисто программной реализацией Лиспа на эквивалентной аппаратной базе составляет приблизительно 3 раза.

В заключении четвертой главы подводятся краткие итоги проектирования, реализации и эксплуатации ССО с символьным процессором. Принцип эмуляции был апробирован при создании трех важнейших компонентов ССО Срис.13:

- при реализации специализированного Лисп-процессора Сзыуляция языка);

- при организации средств подключения и связи ССП с универсальной ЭВМ и сетью ЭВМ Сэмуляция интерфейса);

- при разработке диалоговых средств взаимодействия пользователей ССО с символьным процессором Сэмуляция диалога)

Рис.1. Эмуляция компонентов системы символьной обработки

Использование эмуляции позволило в несколько раз сократить время разработки перечисленных компонентов системы символьной обработки по сравнению с традиционным подходом, предполагающим их полномасштабную программно-аппаратную реализацию. Применение указанного принципа способствовало существенному уменьшению стоимости их реализации благодаря адаптации, как правило, серийного универсального или готового специализированного программного обеспечения и оборудования. Высокая производительность и технологичность разработки обеспечивалась в одних случаях благодаря применению микропрограммирования вместо проектирования специализированного оборудования, в других - использованию программирования вместо микропрограммирования.

Описанные в работе компоненты используются в составе ССО, включающей ССП ЕС2702, а также в ряде других систем, функционирующих в Институте и сторонних организациях. Полученный опыт реализации и предложенная методика оказались полезными при разработке специализированного Лисп-процессора для персональной ЭВМ, создаваемого на перспективной элементной базе.

Опыт разработки и эксплуатации систем символьной обработки подтвердил целесообразность использования эмуляции в качестве базового принципа при реализации компонентов подобных систем.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертационной работе и выносимые на защиту:

1. В итоге проведенных исследований сформулированы основные требования к системе символьной обработки со специализированным символьным процессором, создаваемой на основе универсальных и готовых программно-технических средств.

2. Предложена и обоснована технология разработки ССО со специализированным Лисп-процессором на базе принципа эмуляции.

3. На основе систематического применения принципа эмуляции реализованы и апробированы основные компоненты ССО.

По теме диссертации опубликованы следующие работы: 1. Рубин А. Г., Смирнов В. К. Использование средств ОС ЕС ЭВМ для создания специализированных программных модулей связи с другими процессорами. - Препринт / ИПМ АН СССР. - М., 1973. -N24. - 27 с.

2. Озеркова В. Г., Рубин А. Г., Синицын В. Н. Подключение специализированного микропрограммного процессора к ЕС ЭВМ через стандартный интерфейс ввода-вывода. // Тезисы докл. Первой Международной конф. молодых ученых по проблем, проектор, и примен. дискретных систем в управлении. - Минск, 1977. - С. 310-312.

3. Рубин А. Г., Смирнов В. К., Каминская И. В. Запуск задач в пакет кз диалогового редактора для алфавитно-цифровых дисплеев в ОС ЕС ЭВМ. - Препринт / КПМ АН СССР. - М., 1978. - N 47. - 24 с.

4. Мямлин А. Н., Смирнов В. К., Ковалев Э. С., Меламед В. И., Рубин А.Г., Тульский В. П., Пржеблевская С. К. Специализированный символьный процессор. // Технология программирования. Тезисы докладов Всесоюзной конф. / ИК АН УССР. - Киев, 1979.

5. Наумов Н. А., Рубин А. Г., Смирнов В. К. Об одном способе реализации входных языков для символьного процессора. -Препринт / ИПМ АН СССР. - М., 1981. - Н 146. - 27 с.

В. Зарубин А. Г., Кащеев В. Я., Кузнецов Ю. М., Мямлин А. Н., Рубин А. Г. Включение ЭВМ серии ЕС в сеть СЕКОП // Материалы Одиннадцатого Всесоюзного семинара по вычислительным сетям.-Ч.З. - Рига, 1986. - С. 226-229.

7. Кацеев В. Я., Кузнецов Ю. М., Мямлин А. Н., Рубин А. Г. Сеть СЕКОП. Организация диалоговой работы с ЕС ЭВМ. - Препринт / ИПМ АН СССР. - М., 1987. - N 15. - 19 с.

8. Смирнов В.К., Рубин А.Г. Лисп-процессоры - аппаратная база для систем искусственного интеллекта. // Машинная реализация систем искусственного интеллекта / Под ред. Л. Т.Кузина. - М., Энергоатомиздат, 1988. - С. 49-58.

9. Рубин А.Г., Смирнов В. К. Вопросы реализации диалоговых средств специализированного символьного процессора. Препринт/ ИПМ АН СССР. - М., 1990. - N 123. - 28 с.

10.Рубин А.Г., Рубина И. Г. Эмуляция - универсальный принцип, используемый при разработке вычислительных систем// Зарубежн. техника связи. Сер.: Радиосвязь. Радиовещание. Телевидение. Экспресс-информация. Вып.1. - М., 1990. - 28 с.

11.Мямлин А.Н., Рубин А.Г., Смирнов В.К. Лисп-процессоры. Искусственный интеллект: Книга 3. Программные и аппаратные средства: Справочник/ Под ред.В.Н.Захарова, В.Ф.Хорошевского, М.: Радио и связь, 1990. - С. 293-311.