Исполнение программы
Содержание
Любая обработка информации на компьютере осуществляется по программе. Выполнением программы занимается процессор (см. “Процессор”), при этом сама программа хранится, как правило, в ОЗУ (см. “Память оперативная”) и считывается оттуда в процессор по мере необходимости. Вопрос о том, каким образом программа попадает в оперативную память, рассматривается отдельно в статье “Загрузка ПО”.
Каждая программа состоит из отдельных двоичных команд (см. “Машинная команда”), так что выполнение программы есть не что иное, как поочередное выполнение этих команд. Рассмотрим последовательность действий ЭВМ при выполнении каждой из команд программы.
Важной составной частью любой фоннеймановской машины является счетчик адреса команд. Этот специальный внутренний регистр в устройстве управления процессора постоянно указывает на ячейку памяти, в которой хранится следующая команда программы.
Пусть в рассматриваемый момент времени текущее значение счетчика команд уже определено. Тогда дальнейшие действия процессора определяются следующим алгоритмом.
1. Согласно содержимому счетчика адреса команд считывается очередная команда программы. Ее код обычно заносится на хранение в специальный регистр УУ, который носит название регистра команд.
2. Счетчик команд автоматически изменяется так, чтобы в нем содержался адрес следующей команды. В простейшем случае для этой цели достаточно к текущему значению счетчика прибавить некоторую константу, определяющуюся длиной команды.
3. Считанная в регистр команд операция расшифровывается, извлекаются необходимые данные, выполняются требуемые действия и, если это предусмотрено операцией, производится запись результата в ОЗУ.
Далее все действия повторяются заново. Поскольку на втором этапе счетчик адреса команд был изменен, то в ходе нового цикла будет выполняться другая команда.
Рассмотренный основной алгоритм работы ЭВМ (его также часто называют программным принципом работы ЭВМ) позволяет шаг за шагом выполнить хранящуюся в ОЗУ линейную программу. Если же требуется изменить порядок вычислений для реализации развилки или цикла, достаточно на этапе 3 в счетчик команд занести новый адрес (именно так происходит условный или безусловный переход).
Как отчетливо видно из приведенной выше блок-схемы, основной алгоритм не является “самостартующим”: ему требуется определить первоначальное содержимое счетчика, т.е. фактически адрес самой первой команды. В старых машинах это делал оператор ЭВМ. В современных компьютерах при включении питания или при нажатии на кнопку сброса (reset) в счетчик аппаратно заносится стартовый адрес находящейся в ПЗУ программы инициализации всех устройств и начальной загрузки ЭВМ (см. “Загрузка ПО”).
В любом случае, как только первоначальный адрес задан, все дальнейшие действия процессора предопределены выполняемой программой. Мы видим теперь, что вся деятельность ЭВМ есть непрерывное выполнение тех или иных программ, причем программы эти могут, в свою очередь, загружать новые программы и т.д.
В современных компьютерах для ускорения основного цикла выполнения команды используется метод конвейеризации, позволяющий реализовать перечисленные выше этапы алгоритма параллельно. Используются также и другие способы, которые направлены на ускорения выполнения команд программы.
Уместно подчеркнуть, что программный способ управления компьютером делает его необычайно гибким и позволяет на одном и том же оборудовании решать самые разнообразные задачи (включая даже такие, которые в момент изготовления машины еще не были известны!).
Методические рекомендации
Курс информатики основной школы
Школьникам следует дать представление об ЭВМ как об автомате, выполняющем программу в соответствии с относительно несложным алгоритмом. Авторы самого первого школьного учебника информатики 10 подчеркивали методическую важность этого понятия. “Основной алгоритм работы процессора является важнейшим материалом данного параграфа. Следуя командам этого алгоритма, процессор осуществляет автоматическое исполнение программы, находящейся в памяти ЭВМ. В принципе этот алгоритм чрезвычайно прост... Но его общеобразовательное значение очень велико: разобравшись в основном алгоритме процессора, учащиеся узнают, как происходит автоматическое исполнение программы, хранящейся в памяти компьютера, т.е. как осуществляет ЭВМ автоматическую обработку информации. Учитель должен добиваться от школьников понимания сути предлагаемого материала, а не его механического выучивания”.
Очень важно обратить внимание учеников на следующее обстоятельство: если посмотреть на основной алгоритм без учета деталей исполнения команды, то становится очевидным, что он годится практически для любого исполнителя, скажем, Кенгуренка. Так что ЭВМ — это самый настоящий исполнитель алгоритмов. Особенность данного исполнителя заключается в том, что команды, которые ЭВМ способна выполнять, являются максимально универсальными, в то время как Кенгуренок и остальные учебные исполнители способны работать только с узкоспециализированными командами. Важно понимать, что на базе относительно небольшого набора универсальных команд компьютера может быть смоделирован любой специализированный исполнитель: этим мы постоянно пользуемся на практике, когда работаем с программной поддержкой учебных исполнителей. Таким образом, компьютер — это универсальный исполнитель алгоритмов.
Курс информатики в старших классах
Стандарт не содержит прямого указания на необходимость повторения и углубления материала о программном принципе работы ЭВМ. Тем не менее, учитывая его важность, можно рекомендовать это сделать в рамках изучения темы “Аппаратное и программное обеспечение компьютера” (см. “Аппаратное и программное обеспечение”). Поскольку речь в ней обязательно пойдет о соотношении компонентов hard и soft, повторение принципов аппаратной основы выполнения программы видится вполне уместным. Более того, на новом уровне можно провести дискуссию о том, как в рамках основного алгоритма можно реализовать не только линейные задачи, но также разветвляющиеся или циклические. При наличии достаточного времени можно обсудить систему команд компьютера (см. “Машинная команда”).
Интересным мировоззренческим вопросом является исполнение команды “Останов”. Стоит объяснить ученикам, что в самых первых ЭВМ такая команда действительно завершала вычисления, после чего машина прекращала работу и ждала действий человека-оператора. Но позднее, когда задачи в машинах стали выполняться под руководством управляющих программ, окончание очередной задачи приводило к передаче управления программам-администраторам более высокого уровня; первоначально их называли мониторами, или супервизорами, сейчас этим занимается хорошо известная любому грамотному пользователю операционная система (см. “Операционная система”).
10 Изучение основ информатики и вычислительной техники: Методическое пособие для учителей и преподавателей средних учебных заведений. В 2 ч. Ч. 2 / А.П. Ершов, В.М. Монахов, М.В. Витиньш и др. М.: Просвещение, 1986, 207 с. (см. § 2 “Основной алгоритм работы процессора”).
