Автор: Черемных С.В. Гиглавый А.В. Поляк Ю.Е.
Теги: компьютерные технологии вычислительные машины и устройства дискретного действия (цифровые вычислительные машины и устройства) электроника электротехника эвм
ISBN: 5-256-00162-0
Год: 1988
Похожие
Текст
GB. Черемных
АВГиглавый
Ю.Е. Поляк
От микро»
процессоров
к персональным
ЭВМ
Москва
«Радио и связь»
1988
5фЧ«ИМ0в 1/1 г'-1'; -
БИБЛИОТЕКА
ББК 32.972
4-46
УЖ 681.325.5-181.4+681.322-181.4
Рецензенты: доктор теки, наук профессор И. М. Витенберг,
кацд. теки, В. М. Бржбрю
Редакция литературы по вычиелпелшой тепел»
Черемных С. В. и др. '
4-46 От микропроцессоров к персональным ЭВМ/С. В. Черем-
ных, А. В. Гиглавый, Ю. Е. Поляк. - М.: Радио и связь. 1988. —
288 с.: ил.
ISBN 5-256-00162-0.
Рассматриваются микропроцессоры я персональные ЭВМ (ПЭВМ)
на их основе как новый инструмент в инженерной деятельности.
Даются примеры применения программируемых микрокалькуляторов
и ПЭВМ для решения инженерных задач — от расчетов по формулам до
принятия решений. Приводятся характеристики отечественных и
зарубежных профессиональных ПЭВМ.
Для инженеров, использующих автоматизированные рабочие
места на базе микроЭВМ или занимающихся их разработкой.
2405000000—161 . оо
Ч | " 11 "" 11,1 151—оо
046(01) -88
ББК 32.972
ISBN 5-256-00162-0
© Издательство „Радио и связь”, 1988
ПРЕДИСЛОВИЕ
Книга, которую вы держите в руках, — не учебник и не сбор-
ник рецеитов по правилам работы с персональными ЭВМ (или персональ-
ными компьютерами). В ней предпринята попытка рассмотреть в целом
такие вопросы, как причины и предпосылки появления персональных
ЭВМ (ПЭВМ), их свойства, позволяющие говорить о них как о массовом
вычислительном инструменте, и место среди других средств вычислитель-
ной техники. Особое внимание уделено применению ПЭВМ в качестве
средства автоматизации инженерного труда, приведены примеры реали-
зации конкретных задач.
Книга такого рода лет 8—10 назад просто не могла появиться: тогда
не существовало основной предпосылки к ее написанию - самих ПЭВМ.
Еще через 8-10 лет она во многом устареет: одни вопросы покажутся
наивными, другие неуместными, наконец, за этот срок сменятся минимум
два поколения технических средств. По этой причине авторы решили не
отводить слишком много места описанию технических деталей. Даже
в первой главе, где обсуждаются история создания и конструктивные
особенности ПЭВМ, акцент делается на родовых признаках ПЭВМ, их
характерных чертах с точки зрения пользователя, т. е. на всем том, что
делает персональную ЭВМ подлинно персональной (разумеется, не в смыс-
ле обладания, а по характеру применения).
К числу дискуссионных в этой главе относятся и вопросы формиро-
вания парка ПЭВМ. Эти вопросы актуальны прежде всего потому, что
развитие парка ПЭВМ носит взрывной характер и направления этого раз-
вития никак нельзя считать стабильными. Пользователь ПЭВМ в отли-
чие от пользователя ЭВМ общего назначения (таких, как ЕС ЭВМ) стал-
кивается с необходимостью самостоятельно отслеживать эволюцию ПЭВМ
и отбирать среди них те, которые наилучшим образом отвечают его по-
желаниям. Динамика развития парка ПЭВМ ясна из единственного при-
мера — всего за 8 лет (с 1982 г. по 1990 г.) объем сбыта ЭВМ этого класса
в США возрастет с 5,7 до 57,4 млрд, долларов.
Во второй главе рассматриваются возможности базовых программ-
ных средств персональных компьютеров, прежде всего — широко тира-
жируемых пакетов программ. Если технология программирования (точ-
нее, кодирования) прикладных программ претерпела с переходом на
ПЭВМ сравнительно малые изменения, то масштабы применения готовых
программ увеличились настолько, что это стало наиболее характерной
чертой, отличающей ПЭВМ от ЭВМ предыдущих поколений. Выбор и
3
освоение пакетов программ, составляющих, как принято теперь гово-
рить, операционную обстановку ПЭВМ, могли бы стать для пользовате-
ля-инженера весьма трудоемкой задачей, если бы не были найдены новые
модели диалога человек — машина.
Хотя от начала применения таких „дружественных” приемов обще-
ния с персональным компьютером нас отделяют считанные годы, их
эффективность уже не вызывает сомнения у массового пользователя.
Так, известны пакеты программ для ПЭВМ, годовой тираж которых превы-
шает 600 тыс. экземпляров. Переход от линейной, к плоскостной схеме
расположения информационных объектов на экране ПЭВМ вызвал к жиз-
ни действительно новую технологию программирования, предлагающую
в распоряжение пользователя сценарную модель диалога с участием круп-
ных, информационно емких объектов. О том,'-какую роль сыграет в сис-
темном программировании освоение модели полиэкранного диалога,
можно — и то весьма предварительно — судить по лавинообразному рас-
пространению так называемых интегрированных пакетов программ.
На фоне таких радикальных перемен в диалоговых системах на первый
взгляд удивительной кажется чрезвычайная популярность Бейсика, став-
шего наиболее распространенным языком программирования для ПЭВМ.
Место этого языка в программном обеспечении современных и будущих
ПЭВМ является предметом полемики. По мнению авторов, Бейсик в на-
стоящее время весьма удачно „заполняет брешь” в ожидании новых ком-
пактных и гибких диалоговых систем программирования, которые должны
продемонстрировать достижение качественно нового уровня надежности
процесса программирования.
Еще один вопрос, волнующий каждого, кто сталкивается с использо-
ванием готовых программных средств : будут ли эти пакеты .без каких-
либо изменений выполняться именно на данной модели ЭВМ, под управ-
лением конкретной операционной системы? Проблема создания такого
мобильного (переносимого) программного обеспечения продолжает оста-
ваться одной из наиболее актуальных. В гл. 2 проводится анализ условий
совместимости различных типов ПЭВМ и операционных систем, выяв-
ляются причины несовместимости.
В третьей главе речь идет о новом инструментарии инженера и эконо-
миста, ставшем доступным благодаря использованию ПЭВМ. При созда-
нии автоматизированных рабочих мест (АРМ) в различных сферах дея-
тельности особую роль приобретает программное обеспечение решения
наиболее массовых задач, относящихся к разным предметным областям.
Наряду с пакетами, выполняющими сервисные функции, в него должны
входить программы — „решатели” определенных классов задач. В этой
главе приведены примеры программ, часто применяемых на практике:
решение уравнений, вычисление интегралов, решение задачи линейного
программирования и др. Отмечаются новые возможности, открывающиеся
с появлением ПЭВМ. Завершает главу описание нескольких АРМ, реали-
зованных для решения задач планирования и управления.
4
Каждое вычислительное устройство, от калькулятора до суперЭВМ,
должно занимать вполне определенное место в арсенале исследователя,
прячем это место зависит, конечно, от специфики решаемой задачи. Это
относится и к ПЭВМ- Какое же место она должна занимать в инженерной
деятельности? В какой области применение ПЭВМ будет максимально
эффективным?
Сейчас нельзя однозначно ответить на эти вопросы: слишком быстро
меняется ситуация, все более разнообразным по составу становится парк
ЭВМ, увеличивается и опыт их применения, который пока не обобщен
в нужной степени. Авторы все же попытались „нащупать” границу приме-
нимости ПЭВМ „снйзу” (со стороны калькулятора) на примере хотя и
узкого, но характерного класса инженерных задач.
В четвертой главе рассмотрены два класса моделей — модель А, описы-
вающая взаимодействие двух связанных осцилляторов (возможно, одна
из самых популярных моделей в физике и технике), и модель В, в кото-
рой те же два осциллятора являются частью более, сложной колебатель-
ной системы. В целом эти две модели обеспечивают естественную и удоб-
ную для целей изложения иерархию сложности при последующем анализе.
Рассмотренные задачи не являются чисто расчетными. Они объединены
общей идеей исследования первопричин неустойчивости в каждой из двух
моделей взаимодействия осцилляторов, следствием которой является
неограниченный рост амплитуд колебаний каждого из них.
Во всех случаях цель анализа — не цифры, а понимание, т. е. не столько
конкретный расчет параметров колебаний, сколько выявление факторов,
как формирующих, так и устраняющих неустойчивость.
Эти задачи по сложности образуют перевернутую пирамиду, для их
анализа используются как калькуляторы, так и ПЭВМ. Задачи подобра-
ны таким образом, что в середине этой пирамиды применение ПЭВМ
становится весьма целесообразным, а в основании — просто необходимым.
В то же время вблизи вершины этой пирамиды эффективным представ-
ляется использование калькуляторов.
Близким к границе возможностей персонального компьютера (даже
типа IBM PC, теперь уже классического) является полное исследование
модели В. В цепочке исследований этой проблемы: „постановка задачи —
алгоритмизация — технология анализа - реализация диалоговых про-
цедур - вычислительный эксперимент - оптимизация” главное внима-
ние уделяется теперь созданию технологии анализа и соответствующих
диалоговых процедур взаимодействия человека с ЭВМ в ходе исследований
и принятия решений.
Без глубокой проработки этих этапов, важнейших для любых видов
инженерной деятельности сегодня, применение персональных компьюте-
ров не дает такого повышения производительности труда инженера, на ко-
торое мы вправе рассчитывать. Для подтверждения этой точки зрения
уместно, вероятно, сослаться на похожую ситуацию в промышленности,
где необходимым условием эффективности внедрения вычислительной
5
техники является глубокая предварительная подготовка производства —
„нельзя автоматизировать беспорядок!”.
Отметим также, что материал этой главы позволяет в какой-то мере
оценить затраты труда инженера-прЬграмшгста на создание диалоговой
среды применительно к задаче средней степени сложности. По-видимому,
типичная для создателей учебных программ ситуация, когда 1 ч работы
на ПЭВМ требует 10-15 ч предварительной работы программиста но созда-
нию модели и сервисного обслужгазания, характерна и для инженерной
деятельности с использованием ПЭВМ.
* Такое соотношение времени предварительной работы программиста
(который одновременно может являться ижженером-разргботчиком)
и длительности непосредственного рентами задачи в процессе численного
эксперимента на ЭВМ предостерегает от слшпком легкомыслетгаого отно-
шения потенциальных пользователей ПЭВМ к проблеме внедрения компью-
теров в их повседневную практику. Эта проблема достатоздо серьезна.
В обстановке, когда крупные промышленные фирмы оснащают десятки
тысяч рабочих мест персональными компьютерами (фирма IBM — 150 тыс.
АРМ иа базе ПЭВМ, фирма General Motens — 31 тыс. таких АРМ), задача
подготовки кадров выдвигается на передний план.
Заключительная, пятая, глава посвящена вопросам организации под-
готовки и переподготовки инженеров, работающих с ПЭВМ. Владение осно-
вами вычислительной техники я методами информатики является необхо-
димым профессиональным качеством каждого инженера и научного работ-
ника. Перед высшей школой стоит серьезнейшая задача — создать систему,
обеспечивающую необходимый уровень подготовки специалистов, а также
оперативную и действенную систему повышения квалификации, л первую
очередь в плане формирования всеобщей компьютерной грамотности.
Здесь также возникает много вопросов (больше, чем известно апробиро-
ванных решений!): что является технической базой компьютеризации?
сколько необходимо создать рабочих мест? что они должны включать?
как организовать обучение? что отразить в учебных курсах? какое про-
граммное обеспечение необходимо разработать? Этот список можно про-
должать.
В процессе обучения вычислительная техника играет двоякую роль.
При подготовке системных программистов., разработчиков новых вычис-
лительных устройств сами ЭВМ являются предметом изучения. В то же
в^емя они представляют собой мощное, невиданное ранее средство обу-
чения. Однако огромный дидактический потенциал ЭВМ может быть реа-
лизован лишь при условии создания программного обеспечения, позволяю-
щего организовать автоматизированное обучение отдельным дисциплинам.
В последней главе книги рассмотрены связанные с этим методические и
организационные проблемы в том виде, как они представляются •сегодня,
описаны существующие варианты их решения.
В ближайшем будущем ПЭВМ станет привычным атрибутом рабочих
мест миллионов студентов, аспирантов, инженеров, научных работников.
6
Условия их труда должны быть здоровыми и безопасными. Вопросам орга-
низации рабочего места посвящен специальный раздел, где рассмотрены
психологические и эргономические аспекты диалога человека и ЭВМ.
Персональный компьютер стал, по мнению большинства специалис-
тов, наиболее полноценным воплощением ЭВМ четвертого поколения.
Действительно, только массовое применение ПЭВМ заполняет те обшир-
ные „экологические ниши”, которые пустовали на предыдущих этапах
развития вычислительной техники. Для того чтобы стать эффективным
инструментом инженерного труда, персональный компьютер объединил
в себе более десятка ранее разрозненных функций, которые приходилось
реализовывать с помощью специализированных устройств.
Алан Кэй, которому принадлежит первая идея конструкции персональ-
ного компьютера, дает такое определение: ___во-первых, во-вторых и
в-третьих, компьютер — это инструмент общения”. Общение инженера
с компьютером и при помощи компьютера с коллективным разумом
всего инженерного сообщества становится важнейшим объектом исследо-
вания в ходе создания ЭВМ новых поколений.
Глава 1
КОНСТРУКЦИЯ ПЕРСОНАЛЬНЫХ ЭВМ
1.1. МИКРОПРОЦЕССОРЫ
ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ
В последние 20—25 лет мы являемся свидетелями стреми-
тельного развития вычислительной техники. Скорость вычислений компью-
тера выросла в тысячи раз, в то же время его размеры, как и потребление
энергии, уменьшились в 10 000 раз. Цены на. логически? элементы ком-
пьютеров снижаются ежегодно на 25%, на устройства памяти — на 40%.
Это обусловило появление персональных ЭВМ или персональных компью-
теров — малогабаритных и недорогих устройств, предоставляющих, одна-
ко, пользователю практически те же вычислительные ресурсы, какими
обладали в начале 60-х годов большие, а в начале 70-х — мини-компьютеры.
25 лет назад расходы по эксплуатации окупались лишь в том случае,
если ЭВМ обслуживала крупное предприятие. Мини-ЭВМ 70-х годов были
уже „по карману” отдельным подразделениям такого предприятия. Сей-
час персональный компьютер доступен небольшим научным и производст-
венным коллективам и даже отдельным пользователям, предоставляя
каждому иэ них немыслимые прежде информационные и вычислительные
ресурсы.
Считается, что первый персональный компьютер появился в продаже
в 1975 г. [85J. В конце 19Д2 г. только в США в личном пользовании нахо-
дилось уже более миллиона таких машин; а в 1985 г. общий объем сбыта
персональных компьютеров и дополнительных устройств к ним составил
в США более 6 млрд, долл.; в 1987 г. парк персональных ЭВМ в мире
превысил 30 млн. единиц.
Каждое поколение ’ ЭВМ возникало на собственной элементной базе
(табл. 1.1); Первые ЭВМ, как известно, были ламповыми, их сменили
машины на транзисторах, а затем появились ЭВМ на интегральных схемах
С появлением каждого нового поколения ЭВМ росли их ресурсные воз-
можности — емкость памяти и производительность, уменьшались их габа-
ритные размеры. При этом компьютеры Ьтановились более надежными,
что упрощало их техническое обслуживание.
Как видно, налицо хотя и очень быстрый, но все же эволюционный
процесс развития вычислительной техники. Появление же персональных
8
Таблица 1.1 Прколейия ЭВМ
Поколение ЭВМ
Аппаратные средства
Элементная база Примеры систем
Программные
средства
_ Вид
обрабаты-
ваемых
данных
Первое (50-е годы) Электронные лампы ENIAC, БЭСМ, „Стрела" Двоичное кодирование Двоичные числа
Второе (начало Транзисторы IBM-7O9, Язык ассемб- Числа
60-х г.) „Минск”, М-220 лера
Третье (конец Интегральные IBM-360, PDP-11, Языки высо- Числа и некото-
60-х г.) схемы АСВТ-М, ЕС ЭВМ кого уровня рые виды текс-
товой информа-
ции
Четвертое:
ЭВМ общего на- СИС, БИС ОЗУ IBM-370, ОС, СВМ, Числа,
значения БЭСМ-6/„Эльб- СИОД, КАМА, тексты
РУС” ОКА, другие
ППП
малые ЭВМ вы- Секционные Prime, DG Eclipse, ЯВУ, ППП Числа с-плаваю-
сокой произво- МП, БИС, СИС VAX, СМ ЭВМ, щей точкой,
дительности „Электроника” массивы
малые ЭВМ мас- Секционные и СМ ЭВМ, „Элект- ЯВУ, ППП, Числа с фикси-
сового приме- однокристаль- роника”, язык ассемб- рованной точ-
нения ные МП, БИС, DEC PDP/LSI 11 лера кой, биты, век-
СИС торы
профессиональ- Серии МП ЕС ЭВМ, СМ ЭВМ; ППП, ЯВУ Таблицы, текс-
ные и учебные БИС, БИС „Искра”, „Элект- ты, графика,
ПЭВМ ОЗУ/ПЗУ роника”, ДВК, файлы
IBM, Apple,
Atari, MSX .
промышленные Однокристаль- ETC ЛИУС-2, Кросс-средства, Сигналы, логи-
микропроцес- ные микро- Реми Конт, Бейсик, ПОЯ ческие пере-
сорные конт- ЭВМ, ЗУ ЦМД Intel, Allen Bradley менные, пре-
роллеры БИС ОЗУ/ПЗУ, рывания
БИС АЦП/ЦАП
Примечание. БИС и СИС - большие и средние интегральные схемы, ОЗУ и
ПЗУ - оперативное и постоянное запоминающие устройства, АЦП и ЦАП - ’аналого-
цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, ЗУ ЦМД - запоминающее устрой-
ство на цилиндрических магнитных доменах, ЯВУ — языки высокого уровня, ППП —
пакеты прикладных программ, ПОЯ - проблемно-ориентированные языки.
ЭВМ (ПЭВМ) как нового класса ЭВМ, по мнению многих специалистов,
может служить толчком к подлинно революционному перевороту во всех
областях человеческой деятельности, а возможно, и в методах челове-
ческого мышления.
с
9
МИКРОПРОЦЕССОРЫ: НАЧАЛО И ЭВОЛЮЦИЯ
- Основой компьютера любого поколения является процессор,
включающий арифметическое устройство, устройство управления и опера-
тивную память. В микроЭВМ аналогичные функции выполняет микропро-
цессор (МП). Если процессор распространенной лет 15-20 назад ЭВМ
„Минск-32” занимал площадь около 2 кв. м, то современные МП десятка-
ми умещаются на ладони.
В 1971 г. компании Intel Corporation удалось создать интегральную
схему с полным набором элементов, характерным для центрального
процессора. Размер слова первого МП составлял всего 4 бита, но уже
через год фирма Intel выпустила 8-разрядный микропроцессор, а в 1974 г.
появился его улучшенный, вариант Intel-8000.
В дальнейшем Intel-8000 был оснащен интегральными схемами па-
мяти и Другими компонентами, что привело к созданию первых програм-
мируемых микрокомпьютеров для управления производственными про-
цессами.
В настоящее время микропроцессоры стали одним из основных видов
Продукции электронной промышленности за рубежом. Цена микропро-
цессоров в момент их появления составляла около 160 долл, за схему.
Затем в течение трех месяцев 1975 г. она упала на 50—70%, что повлекло
за собой резкое расширение сфер использования МП. За последующие
10 лет цены на МЛ снижались 1—2 раза в год.
В табл. 1.2 даны общие характеристики МП, показывающие прогресс
в этой области за последнее время.
С реализацией микроЭВМ на основе 16- и 32-разрядных МП, а также
с использованием кристаллов памяти с произвольной выборкой емкостью
64 Кбит широкое распространение получили микроЭВМ с емкостью опера-
тивной памяти до 1—2 Мбайт.
Таблица 1.2. Общие характеристики микропроцессоров
Характеристика МП Число разрядов
4 8 16 32
Год Появления первой 1971 1972 1974 1981
микросхемы Число элементов в од- 2300 , 10 000 70 000 450 000
ном кристалле Функциональное на- Бытовая ап пара- Контроллеры, ПЭВМ ППЭВМ высо-
значение тура, простейшие простейшие кой производи-
Тактовая Частота, МГц терминалы микроЭВМ тельности
0,4 1-2 2-5 10-20
Цена (в относительных единицах) 1 5 50 250
10
С точки зрения вычислительных возможностей все современные МП
можно разделить на четыре основных класса в зависимости от формата
обрабатываемой информации: для обработки 4-, 8-, 16- и 32-разрядных
данных. Промежуточное положение между 8-разрядными и обычными
16-разрядными занимают 16-разрядные МП с 8-разрядной внешней шиной
данных. Они представляют собой специальные модификации обычных
16-разрядных МП и обладают практически той же вычислительной мощ-
ностью, но в них используются более дешевые аппаратные схемы управ-
ления шиной.
Заметим, что практически все МП, кроме МП с наращиваемой разряд-
ностью, реализованы в одном кристалле. Поэтому в настоящее время
под МП чаще всего понимается устройство, реализованное именно на одном
кристалле. Отметим также, что наиболее многочисленными являются одно-
кристальные 4-разрядные устройства, имеющие широкое применение в раз-
личных бытовых приборах и средствах автоматизации.
За последние годы несколько расширился парк 8-разрядны$ МП.
Однако наиболее популярным из 8-<разрядньгх продолжает оставаться
микропроцессор тала Z80 фирмы ^Zitog (США^ .Яродолжаетсятасже интен-
сивное совершенствование 16-разрядных МП. Значительно расширился
нарк вспомогательных БИС для мшсропродассоров, используемых в со-
ставе систем.
Интенсивная разработка вспомогательных БИС обусловлена необходи-
мостью повышения быстродействия микропроцессорных систем, которое
достигается за счет распараллеливания обработки данных мемодг несколь-
кими модулями системы. Для распараллеливания используются как вспо-
могательные процессорные БИС, так и различные БИС контроллеров.
Расширяется выпуск контроллеров для различных периферийных
устройств, контроллеров передачи данных и т. д. Выпускается целый ряд
аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей для сопряжения
МП с аналоговыми системами. Типичные 8-разрядные преобразователи
имеют в настоящее время быстродействие от 2 до 100 тыеда преобразова-
ний в секунду.
Средний срок обновления номенклатуры МП за рубежом составляет
2,5 года. Несколько поколений микропроцессоров сменилось и в СССР.
Наиболее широкое распространение к середине 80-х годов получили микро-
процессорные серии БИС К580 (получающая развитие в варианте с умень-
шенным энергопотреблением — КМОП-технология, см. далее), K18Q1 и
КТ8Т0. Продолжается развитие серии К588, находящей применение в спе-
циализированных микропроцессорных устройствах промышленного на-
значения. В высокопроизводительных процессорах малых ЭВМ и специа-
лизированных процессорах применяются секционные МП БИС серий
К1802иК1804.
Данные об объемах продаж микропроцессорных БИС, однокристаль-
ных микроЭВМ приведены в табл. 13.
В настоящее время начинает прослеживаться тенденция к использо-
ванию в портативных машинах МП, выполненных по КМОП-технологии
а
Таблица 1.3. Объем продаж микропроцессоров за рубежом
Страна Объем продаж, млн. долл.
1983 1986
Микропроцессорные БИС и однокристальные микроЭВМ
США 1425,4
Страны Западной Европы 221,1
Япония ‘ 473,0
МикроЭВМ
США 8190,0
Япония 1731,4
2823,0
23 700
и потребляющих значительно меньшую мощность, чем обычные «МОП
микропроцессоры. Это позволяет портативным микроЭВМ в течение не-
скольких десятков часов работы функционировать с никель-кадмиевыми
батареями, не подключаясь к сети переменного тока. В зависимости от
состава периферийного оборудования стоимость портативных персональ-
ных микроЭВМ составляет 800—8500 долл.
В США объемы продаж персональных микроЭВМ составили, как уже
говорилось, в 1983 г. около 6,5 млрд. долл. В последующие годы темпы
их роста составили в среднем 45,4% в год, и к 1987 г. объемы продаж
достигли 20 млрд. долл.
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРОВ
На рис. 1.1 схематически представлены современные методы
изготовления МП. Анализ технологий показывает, что сейчас имеет место
нреобладание МОП-технологии над методами создания биполярных при-
боров. Некоторые типы МП выпускаются по технологии, предусматриваю-
щей применение интегральной инжекционной логики.
Обеспечивающая выпуск наиболее дешевых МП, рМОП-технология
была первой, использованной в производстве микропроцессоров. Необ-
ходимо учитывать, что МП, изготовленные по этой технологии, имеют мини-
мальное быстродействие из всех других (табл. 1.4). Наиболее распро-
страненная разновидность МОП-технологии — лМОП-технология. Она
позволяет существенно повысить плотность размещения элементов на
кристалле и добиться многократного повышения быстродействия по срав-
нению с МП, реализованными по рМОП-технологии. Наиболее широко
лМОП-технология применяется для изготовления однокристальных 8- и
16-разрядных МП. Совершенствование лМОП-технологии происходит по
хорошо известной спортивным болельщикам схеме „гонки за лидером”;
' 12
I Ocmtmu методы изгапсвяения Mapapaiaapef'i
роль лидера выполняет технология массового производства схем ОЗУ,
в процессе освоения которой достигнуты рекордные уровни степени инте-
грации. Специалистам хорошо известна корреляция — подобно тому, как
схемы ОЗУ емкостью 64 Кбит проложили дорогу 16-разрядным пМОП-
микропроцессорам, схемы следующего поколения (256 Кбит) являются
предвестниками появления серийных 32-разрядных МП.
Применение новых технологических приемов в сочетании со все боль-
шим распространением методов автоматизированного проектирования
и контроля БИС породило большое количество модификаций базовой
иМОП-технологии (например, так называемая высокоплотная иМОП-тех-
нология). Усовершенствованную иМОП-технологию к 1985 г. в США ис-
пользовали более 10 фирм, которые выпускали по различным разновид-
ностям этой технологии десятки типов МП. При этом, начиная со второй
Таблица 1.4. Сравнение полупроводниковых технологий
Технология Среднее время вы- полнения операции Потреб- ляемая мощ- ность Степень интегра- ции Отказо- устойчи- вость Стои- мость „Воз- раст” техно- логии
рМОП 1 0,7 0,3 0,5 0,2 1
«МОП 0,5 0,6 0,5 0,7 0,3 U8
КМОП , 0,4 0,2 1 1 0,5 0,5
ТТЛ-Шот ки 0,3 0,9 0,2 0,3 0,9 0,5
ЭСЛ 0,2 1 0,1 0,2 .1 0,3
И’Л 0,8 0,3 0,3 0,4 0,5 0,4
Примечание. Данные приводятся в относительных единицах.
13
половины 80-х годов, наибольшее внимание было сосредоточено на
освоении так называемых БИС обрамления - схем, дополняющих централь-
ный микропроцессор ПЭВМ и позволяющих наиболее эффективно реали-
зовать в конструкции ПЭВМ принцип модульности. Можно утверждать,
<цо 1983 г. в мировой практике разработки ПЭВМ стал годом пикового
применения пМОП-технологии с одновременным бесповоротным пере-
ходом к принципу открытой архитектуры персонального компьютера.
Следующий качественно новый уровень в развитии технологии ПЭВМ
будет связан с переходом к использованию элементов, построенных по
КМОП-технологии.
КМОП-технология обеспечивает более удачное соотношение между
быстродействием и потребляемой мощностью, чем рМОП- и иМОП-техно-
логии. Основными ее достоинствами являются высокая помехоустойчи-
вость, возможность сохранения информации при отключении источника
питания запоминающего устройства. Эту технологию саму по себе, а также
в сочетании с другими технологиями к 1985 г. использовали более 20 фирм
США, выпускавших около 30 типов МП. Она применялась в основном для
выпуска 8-разрядных МП, хотя известны 4- и 12-разрядные МП, изготов-
ленные по этой технологии. В 32-разрядных МП КМОП-технология стано-
вится преобладающей.
„Высококачественная” МОП-технология (НМОП), разработанная в по-
следние годы благодаря усилиям таких фирм, ведущих в области создания
микропроцессоров, как Intel и Motorola, применяется в производстве 8-,
16- и 32-разрядных МП. Она позволяет повысить плотность размещения
элементов на кристалле и добиться повышения производительности МП.
Эту технологию саму по себе, а также в сочетании с другими технологиями
к 1985 г. использовали более 10 фирм США, изготовлявших около 25 типов
МП. Практически все эти МП использовали один уровень напряжения
питания (5 В).
Технология ТТЛ-микропроцессоров и микропроцессоров с диодами
Шотки в основном применялась при изготовлении МП с наращиваемой
разрядностью. Микропроцессоры с диодами Шоткн являются наиболее
быстродействующими среди серийно выпускаемых устройств и обеспечи-
вают уменьшение потребляемой мощности на 80% по сравнению с ТТЛ-
микропроцессорами. В число фирм - изготовителей таких МП входили
ведущие в области МП корпорации, в частности, Intel, Motorola, Fairchild.
Особенно широко в области этих технологий развернуты работы на фирме
Advanced Micro Devices (AMD).
Результаты анализа выпуска МП с учетом их использования для по-
строения микроЭВМ показали, что наиболее распространенной к середине
80-х годов являлась иМОП-технология. Так, МП типов Z80A н Z80, на ос-
нове которых изготовляется около 40% номенклатуры микроЭВМ в США,
производятся по пМОП-технологии с использованием кремниевых затво-
ров. Производство МП типа Intel 8080А — третьего по популярности в США
микропроцессора (7% номенклатуры микроЭВМ) осуществляется по
14
Таблица 1.5. Критерии выбора технологии МП
Требования к системе Подходящая технология
Низкая стоимость рМОП, лМОП, КМОП
Малые габаритные размеры рМОП, лМОП, КМОП
Высокое быстродействие ЭСЛ, ТТЛ-Шотки
Малая потребляемая мощность КМОП
Высокая надежность лМОП, КМОП
Сопрягаемосгь с:
ТТЛ ТТЛ-Шотки, КМОП
КМОП ТТЛ-Шотки, КМОП
ЭСЛ ЭСЛ
Распространенность рМОП, лМОП
Наличие БИС памяти большой емкости (той же лМОП. КМОП
технологии)
Наличие развитого программного обеспечения лМОП, КМОП
основной- лМОП-технслогии; МП типов Intel 8085, 8085А/8085АН, на осно-
ве которых выпускается примерно 5% номенклатуры микроЭВМ, изготов-
ляются по НМОП-технологии.
По НМОП-технологии изготовляется и МП М68000 фирмы Motorola,
на основе которого реализуется 40% номенклатуры выпускаемых в США
микроЭВМ. Микропроцессор 6502 фирмы Rockwell, на основе которого
изготовляется 5% номенклатуры выпускаемых в США микроЭВМ, произ-
водится по пМОП-технологии. И, наконец, входящий в десятку наиболее
распространенных в США микропроцессоров тип МС 6809 фирмы Motorola
изготовляется по модификации. НМОП-технологии, предусматривающей
использование кремниевых затворов.
Таким образом, существующие технологии производства МП могут
удовлетворить самые различные вкусы потребителей (табл. 1.5).
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРОВ И МИКРОЭВМ
Области применения МП хорошо известны. Они продол-
жают расширяться в связи с постоянным совершенствованием МП и сни-
жением их стоимости. Так, в последнее время в архитектуре вычислитель-
ных систем МП начинают использоваться не только в качестве централь-
ного блока, но и для управления периферийным оборудованием.
Фирма AMD (США) разработала на основе своего 16-разрядного
микропроцессора А29116 устройство управлевдя цветным графическим
дисплеем, в котором реализован микропрограммный принцип управления.
Устройство позволяет выполнять следующие основные функции: регене-
рацию содержания динамического ОЗУ дисплея, регенерацию изображения
на экране дисплея, преобразование изображения. При этом устройство
управляет выбором оттенков 16 основных отображаемых цветов. Общий
набор оттенков составляет 16 млн. Простейшими графическими преобра-
15
зованиями, осуществляемыми с помощью устройства управления, явля-
ются построение точки, линии, символа. На основе этих простейших преоб-
разований могут быть выполнены и более сложные операции, в том числе
перемещение и вращение изображения, а также изменение его масштаба.
Базовый вариант устройства управления рассчитан на обработку двумер-
ных изображений.
Все активнее внедряются МП в робототехнику. В частности, благодаря
их использованию сталр возможным экономически оправданное произ-
водство адаптивных роботов и роботов с элементами искусственного
интеллекта, имеющих большое число степеней подвижности и оснащенных
развитыми сенсорными системами. В этой связи интересно рассмотреть
разработку фирмы Intelledex (США) — робототехническую систему типа
605, в состав которой входят: манипулятор с шестью степенями подвиж-
ности, устройство управления и система технического зрения. Устройство
управления роботом реализовано на основе: микропроцессора Intel 8086,
выполняющего основные функции управления; 12 микропроцессоров,
управляющих двигателями приводов руки робота; микропроцессора
Intel 8088, управляющего рабочими инструментами и принимающего
сигналы от их датчиков. Система технического зрения выполнена на осно-
ве МП 8086. Она позволяет различать до ста различных деталей. Для
программирования робота 605 разработан специализированный язык
Робот-Бейсик, который включает более ста команд, имеющих только
робототехническое назначение.
Роботы 60 применяются для монтажа печатных плат, сборки накопи-
телей на магнитных дисках типа „Винчестер” и монтажа схемных плат
накопителей на магнитной ленте. Возможности устройства управления
роботом 605 позволяют подключать к нему до 12 дополнительных при-
боров по желанию пользователя.
Наличие МП приводит к возникновению новых отраслей робототех-
ники. Так, в начале 80-х годов за рубежом началось производство персо-
нальных роботов. Первой моделью персонального робота был Hero 1 фир-
мы Heath (США), постушгвший в продажу в 1982 г. и предназначенный
для обучения. Робот выполнен на базе микропроцессора Motorola 6808.
К настоящему времени фирма распродала уже несколько сотен таких
роботов. Цена Hero 1 не превышает 2,5 тыс. долл.
Американская фирма Androbot специализируется на создании персо-
нальных роботов для домашних нужд. Первая модель домашнего робота
Торо оснащена синтезатором речи; он способен перемещаться по комна-
те. Программирование робота Торо возможно на языках Бейсик, Topo-
logo и Topoforth. В соответствии с программой робот Торо может в тече-
ние 30—40 мин выполнять транспортные операции, например разносить
угощение на вечере. Цена робота Торо не превышает 2 тыс. долл. Про-
граммы на языках Topologo и Topoforth поставляла гея на кассетах магнит-
ной ленты.
Фирма Androbot разработала и более сложную модель домашнего
робота — BOB (Brains on board — встроенный интеллект). Робот ВОВ вы-
16
полнен на основе трех 16-разрядных микропроцессоров Intel 8088. Первые
модели робота ВОВ оснащены ОЗУ и ПЗУ емкостью 50—60 Кбайт, кото-
рая может быть значительно увеличена благодаря наличию встроенных
средств адресации памяти емкостью 3 Мбайт. В настоящее время про-
граммное обеспечение позволяет роботу перемещаться, обходя препятст-
вия, и произносить несколько фраз. Дальнейшее развитие программы
позволит использовать его для обучения детей, выполнения различных
хозяйственных работ, охраны дома. Цена робота ВОВ составляет около
2,5 тыс. долл.
Производство роботов в ближайшее время станет одним из активных
секторов рынка сбыта микропроцессоров. По прогнозам фирмы Future
Computing (США), только объем производства бытовых роботов к 1990 г.
составит от 500 тыс. до 1 млн. в год.
Потребление микропроцессоров автомобильной промышленностью
продолжает увеличиваться. Уже в 1981 г. 6,5 млн. автомобилей в США
были оснащены микропроцессорами. Крупнейшая автомобильная фирма
General Motors сама является изготовителем МП, способным выпускать
их более 2000 штук в день. Как показывают автомобильные выставки
последних лет, интерес к микропроцессорной технике неуклонно возрас-
тает (фирмы ФРГ Volkswagen, BMW, Daimler-Benz, американские, англий-
ские и японские фирмы). Режим работы двигателя, скорость транспорт-
ного средства, климатические условия внутри салона — все регулируется
с помощью микроЭВМ. Управляющие импульсы к механизмам блокиров-
ки дверей, стеклоподъемников, зеркал заднего вида, регулировки наклона
спинки и положения кресла водителя передаются с помощью устройств
волоконной оптики. Данные о положении кресла водителя и наружного
реркала заднего вида содержатся в одном запоминающем устройстве и
могут быть вызваны нажатием кнопки и переданы непосредственно к ис-
полнительным механизмам.
Статистический анализ областей применения микроЭВМ показывает,
что из более чем 400 моделей, выпускаемых фирмами США и стран Запад-
ной Европы, основная часть используется в системах автоматизации эконо-
мических и научных расчетов (83 и 180% соответственно), 60—70% всех
выпускаемых микроЭВМ применяются в составе систем управления техно-
логическими процессами, интеллектуальных терминалов и контроллеров
для управления периферийным оборудованием. Кроме того, микроЭВМ
используются в сфере обучения (7%), а также для разработки и отладки
программного обеспечения (17%) [78}.
В начале 80-х годов на основе микроЭВМ начали создаваться локаль-
ные вычислительные сети. В настоящее время, по мнению американских
специалистов, наиболее совершенными являются сети фирм Corvus и
Nestar (США), достаточно высоко оценивается также продукция фирм
Apple и IBM. Существуют локальные сети, в состав которых входят как
микроЭВМ, так и ЭВМ большой вычислительной мощности. Так, фирма
Network Systems Corporation (США) разработала сеть, в которую входят
17
/Иг • .
esBee-тат, .. .
БШ» ДЖ) .ч;
микроЭВМ фирмы IBM и ЭВМ большой вычислительной мощности мо-
дели Cyber 200 фирмы Control Data Corporation.
ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
МИКРОПРОЦЕССОРОВ
Оценка технического уровня изделий основывается на учете
многочисленных показателей, характеризующих качество данных изделий.
Время выполнения простейших операций определяется минимальным
временем сложения двух операндов, находящихся в регистрах. В случае,
если одно или оба слагаемых находятся не в регистрах, а в ЗУ, учитывается
также время пересылки слагаемых в регистры и время записи полученной
суммы в ЗУ. При ограниченном числе регистров дополнительное время
расходуется на их освобождение для выполнения операций сложения. В не-
которых МП время выполнения простейших операций увеличивается при
сложении отрицательных величин. В большинстве современных МП это
время составляет от нескольких сотен наносекунд до нескольких микро-
секунд, в отдельных моделях 4-разрядных МП оно достигает нескольких
десятков микросекунд.
Число команд является характеристикой функциональной гибко-
сти МП.
Регистры общего назначения являются программно-доступными рабо-
чими регистрами МП, которые могут быть использованы как для опера-
тивного хранения операнда, так и для хранения базового адреса, счетчика,
модификатора и прочих элементов программы. Число регистров общего
назначения существенно влияет на быстродействие МП. В некоторых со-
временных микропроцессорах эта величина достигает 128.
Одной из важнейших характеристик МП с точки зрения удобства
обращения к памяти является возможность прямой адресации памяти,
т. е. работы в таком режиме, когда адресная часть команды имеет прямой
адрес, определяющий непосредственно ячейку памяти, которая содержит
требуемый операнд. Этот режим отличается от режима косвенной адреса-
ции, при котором сначала осуществляется обращение к той части памяти,
где хранятся адреса операндов, а затем уже реализуется поиск операнда.
В современных МП редко используется режим косвенной адресации в чис-
том виде — как правило, применяются регистры с косвенной адресацией.
Максимальная адресуемая емкость памяти современных МП состав-
ляет несколько сотен Кбайт, а в отдельных модецях достигает 16 Мбайт.
Мощность рассеяния является параметром, зависящим от технологии
выполнения МП, степени интеграции элементов на кристалле и топологии
схемы. Данный параметр влияет на тепловой режим эксплуатации и в итоге
.на надежность МП. В современных микропроцессорах максимальная мощ-
ность рассеяния составляет около 1,5 Вт. Мощности* рассеяния мини-
мальна у МП, выполненных по КМОП-технологии: она не превышает
50 мВт.
18
Число уровней напряжения питания характеризует простоту и удоб-
ство эксплуатации МП в составе различных систем. Предпочтительными
являются МП, способные работать с одним уровнем напряжения питания,
например 5 В. Однако сложность схемных решений, применяемых для
расширения функциональных возможностей, приводит к тому, что для
ряда моделей МП используется 2 или 3 уровня напряжения.
Длина команды представляет собой количество двоичных разрядов
(бит), необходимых для формирования выполняемой команды. Команды
могут быть той же длины, что и обрабатываемые микропроцессором инфор-
мационные слова, или в несколько раз (в 1,5; 2 или 3 раза) длиннее. Обыч-
но более короткие команды требуют меньшего времени выполнения. Для
более сложных операций, например, с одним или двумя операндами,
записанными в ЗУ, удобнее исполь.зовать более длинные команды. Таким
образом, возможность использования команд различной длины характе-
ризует гибкость организации вычислительного процесса в МП.
Прерывание представляет собой временное прекращение выполнения
микропроцессором программы для выполнения другой программы с более
высоким уровнем приоритета. В дальнейшем осуществляется возврат МП
к выполнению прерванной программы. Возможность прерываний повы-
шает эффективность работы в реальном масштабе времени.
Прямой доступ к памяти является существенной возможностью микро-
процессора. Он позволяет выполнять операции ввода-вывода одновремен-
но и независимо от операций, выполняемых собственно процессором.
При отсутствии прямого доступа к памяти процессор должен обрабатывать
специальную подпрограмму ввода-вывода для каждого вводимого и вы-
водимого отдельного знака, т. е. работать в режиме программируемого
ввода-вывода.
Для максимального приближения к архитектуре „идеальной” ПЭВМ
часто на практике даже в портативных ПЭВМ применяют несколько микро-
процессоров. Нередко ПЭВМ содержат по 2 „ведущих” микропроцессора
и по нескольку „ведомых”; о причинах возникновения таких конструкций
будет рассказано в гл. 2.
В приложении 2 приводятся функциональные схемы и технические
характеристики различных типов микропроцессоров.
ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ МИКРОПРОЦЕССОРОВ И МИКРОЭВМ
Основные тенденции развития производства МП сводятся
к следующему:
постоянному сближению структур МП и микроЭВМ, которое выра-
жается в том, что на кристаллах кроме микропроцессорных размещаются
схемы запоминающих устройств (постоянного и с произвольной выбор-
кой), таймеров, интерфейсов памяти и ввода-вывода. Такая возможность
появляется в связи с совершенствованием технологии изготовления МП,
позволяющей довести плотность размещения до 100 000 элементов на
19
кристалл; расширению возможности использования МП для управления
периферийными устройствами, в том числе для управления строго опре-
деленными устройствами.
Основными тенденциями развития микроЭВМ являются: оснащение
микроЭВМ все большим набором периферийных устройств, возможность
подключения их к каналам связи, сближение микро- и мини-ЭВМ по функ-
циональным возможностям;
дальнейшее развитие программных средств и, в частности, операцион-
ных систем, ведущее к увеличению гибкости микроЭВМ, а соответственно
и к расширению сфер их применения; создание многопроцессорных мик-
роЭВМ с целью увеличения их производительности;
расширение работ в области создания на базе микроЭВМ локальных
сетей передачи данных;
создание на базе стандартных микроЭВМ контрольно-измерительного
оборудования различного назначения за счет использования дополнитель-
ных специальных плат и соответствующего программного обеспечения.
1.2. ИЗ ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ ПЕРСОНАЛЬНЫХ ЭВМ
НАЧАЛО ПРОИЗВОДСТВА.
ПЕРШЕ МОДЕЛИ И ИХ ИЗГОТОВИТЕЛИ
В 1975 г. американская фирма MITS разработала устройство
со столь гибкой конфигурацией, что его можно было считать серийным
персональным компьютером. Он получил название Altair 8800 и стоил
в первом варианте порядка 6 тыс. долл.
В первое время лидерами в создании новой индустрии компьютеров
выступали фирмы MITS, IMSAI Manufacturing Corporation. Продукция этих
фирм находила спрос в основном у любителей, знакомых с электроникой
и проявляющих интерес к устройству компьютеров, который они могли
удовлетворить предоставившейся им возможностью самим собирать слож-
ные машины из отдельных ее конструктивных узлов. К 1978 г. основная
доля рынка персональных компьютеров принадлежала уже другим фир-
мам - Radio Shack, Commodore Business Machines и Apple, которые считали,
что увеличить объем сбыта персональных компьютеров можно, только
внедрив их в деловую практику и в домашний обиход. Они наладили
выпуск систем блочно-модульной конструкции, когорте отличались
простотой эксплуатации и были рассчитаны на потребителей, не имеющих
никакой подготовки в области вычислительной техники. Успехи этих фирм
вызвали интерес к производству новой техники у таких признанных
изготовителей больших ЭВМ, как International Business Machines и Burroughs
Corporation, а также у ряда компаний, специализирующихся иа производ-
стве мини-компьютеров, в частности Digital Equipment Corporation и Hew-
lett-Packard Company, в результате они тоже присоединились к числу
фирм - изготовителей подобных ЭВМ.
20
Главные позиции на рынке персональных компьютеров (согласно дан-
ным об- объемах сбыта в первой половине 80-х годов) занимали фирмы
Apple, Radio Shack, Commodore и IBM. Несмотря на то, что зти фирмы
в основном специализируются на разработке и производстве ЭВМ для эко-
номических приложений и в этой сфере стремятся сохранить ведущее по-
ложение, они предпринимают4 усилия по освоению и других секторов
рынка. ' '
Свою первую экспериментальную модель фирма Apple (первоначаль-
но — двое молодых людей) создала в 1976 г. Первые четыре года источ-
никами финансирования были в основном личные средства ее основателей
и их друзей. Но уже к 1981 г. объем сбыта продукции фирмы Apple достиг
33 млн. долл, (в 2,9 раза больше, чем в 1980 г.), причем прибыль соста-
вила 39,4 млн. долл. - в 3,4 раза выше по сравнению с предыдущим годом.
По официальным сведениям, компания контролирует 23% рынка США,
на который она поставляет только 76% своей продукции. Взначительной
степени такой успех фирмы обусловлен ее политикой, направленной на сти-
мулирование поставщиков, программных средств и внешних устройств,
совместимых с ее компьютерами. Для машин Apple создано в настоящее
время более 13 тыс. прикладных программ, и почти все они разработаны
независимыми поставщиками. Следует отметить, что первые три модели
этой фирмы, появившиеся в продаже, были построены на основе одного
и того же 8-разрядного МП.
Компания Radio Shack, с 1963 г. принадлежащая фирме Tandy Cor-
poration, занималась производством и розничной продажей электронной
техники еще задолго до того, как в номенклатуре ее продукции появи-
лись вычислительные маштшы. Хотя сбыт ЭВМ этой фирмы и возрастал
довольно устойчивыми темпами, ее доля рынка упала с 50% в 1978 г. до
.22% в 1982 г. Компания Radio Shack продает самые разнообразные изделия
Вычислительной техники, многие из которых изготовляются на ее собст-
венных предприятиях. Она имеет отлично налаженную систему сбыта:
кроме 8 тыс. универсальных магазинов по продаже электронной продук-
ции, ей принадлежит сеть американских и заграничных торговых центров,
бюро по оформлению аренды и техническому обслуживанию, а также
школы по подготовке специалистов в области вычислительной техники.
Программное обеспечение фирма Radio Shack либо разрабатывает само-
стоятельно, либо закупает у других поставщиков.
Компания Commodore начала свою деятельность в 1958 г. в качестве
предприятия по продаже пишущих машинок. В 1976 г. она приобрела
фирму MOS Technology — первого изготовителя микропроцессора, который
до сих пор используется в компьютерах компаний Apple и Atari. Фирма
Conimodore занимает первое место среди компаний, торгующих персо-
нальными компьютерами за пределами США. Оиа, в частности, контроли-
рует 65% европейского рынка. Эта фирма выпускает обширную номенкла-
туру недорогих изделий (одна из самых дешевых ее ЭВМ стоит около
100 долл.) и занимает прочные позиции на рынке обучающих систем.
21
Корпорация IBM, крупнейший в мире изготовитель оборудования
для обработки данных, долгое время доминировала на рынке больших
ЭВМ, ие уделяя при этом сколько-нибудь существенного внимания малым
машинам. Однако в середине 1981 г. она занялась производством и сбытом
персональных компьютеров и быстро преуспела в своем начинании. Сейчас
она контролирует значительную часть рынка таких машин.
Политика фирмы IBM в области производства персональных компью-
теров строилась на основе широкого привлечения других компаний, не
ограничиваясь при этом приобретением у них программных средств и ис-
пользованием их в качестве торговых пасредаако® или организаций, за-
нимающихся техническим обслуживанием. Персональные компьютеры
фирмы IBM оснащены дисковыми накопителя;®! компании Tandon Cor-
poration, мониторами, закупаемыми на Тайване, и принтерами, постав-
ляемыми Японией. Фирма организовала также подразделение, которое
занимается „изданием” программ, приобретаемых у сторонних про-
граммистов.
Вырвавшихся вперед лидеров настигают другие американские комги-
нии, такие, как Xerox Corporation и Atari, а также ряд японских фирм,
среди которых Nippon Electric Со., Ltd.
РЫНОК ПЭВМ
Рынок персональных компьютеров (рис. 1.2) можно подраз-
делить на четыре сектора: ЭВМ для экономических приложений, бытовые
компьютеры, машины для ндучных .расчетов И обучающие системы. Пер-
вое место среди них, значительно обогнав другие, заняли ЭВМ для различ-
ных приложений в сфере экономики (55% общего числа проданных персо-
Рис. 1.2. Персональные компьютеры в различных сферах применения { 79]:
1 — экономик*; 2 — быт; 3 — научные исследования; 4 — обучение
22
няпьиых компьютеров). В США насчитывается 14 млн. самостоятельных
предприятий, и даже самые малые из них являются потенциальными по-
купателями персональных компьютеров. Но основными потребителями
этой категории ЭВМ следует считать 36-миллионную армию служащих.
Поставщики ПЭВМ считают, что большинство служащих в конце концов
в своей повседневной деятельности будут пользоваться теми или иными
персональными компьютерами.
В настоящее время персональные компьютеры лучше всего отвечают
потребностям небольших фирм или отдельных пользователей. Однако
и более крупные организации начинают, хотя и медленно, осознавать
привлекательность автоматизированных рабочих мест — „станций”
(Personal Work Stations), оснащенных вычислительной техникой. Такие
станции можно соединять между собой с помощью локальных сетей
[18, 46]. Персональные компьютеры уже сейчас обладают достаточной
мощностью для реализации большинства функций персональных рабочих
станций.
В середине 80-х годов опубликованы данные о „населенности” пред-
приятий и конструкторских бюро крупных фирм США персональными
компьютерами. Чжло их на самой фирме IBM превысило 150 тысяч, а на
таких крупных фирмах, как General Motors, General Electric, Texas Instru-
ments, составляет от 20 до 30 тысяч.
Бытовые компьютеры наиболее близко знакомы потребителям и ак-
тивно рекламируются. В 1981 г. их было продано 175 тыс. на сумму
350 млн. долл. К середине 80-х годов только одна фирма Commodore
продала около 10 млн. бытовых компьютеров типа Commodore 64. В Япо-
нии с 1985 г. по 1987 г. объем сбыта стандартизованных бытовых компью-
теров серии MSX приблизился к 2 млн. штук. Большая часть этих ЭВМ
приобреталась для развлекательных целей (главным образом для телеви-
зионных игр), хотя широким спросом пользовались и высокоэффектив-
ные вспомогательные „учебные пособия” для детей, процессоры текстов,
электронные пункты связи и средства планирования личного бюджета.
Разрабатываемые новые шкеты программ значительно расширят круг
задач, решаемых такими ЭВМ в быту. Как ожидается, средняя стоимость
полностью укомплектованной бытовой системы, которая в 1981 г. со-
ставляла приблизительно 2 тыс. долл., к 1990 г. снизится до 400 долл.
Объем -сбыта профессиональных ПЭВМ на мировом рынке уже давно
превысил 1 млн. Компьютеры этой категории по сравнению с личными
ЭВМ для других сфер применения должны обладать большими вычисли-
тельными возможностями и оснащаться устройствами, которые обеспе-
чивают эффективное сопряжение их с аналитическим оборудованием
и измерительными приборами. Поэтому рассматриваемая категория
компьютеров характеризуется наличием специализированного аппарат-
ного обеспечения и обширной номенклатуры программных средств для
конкретных приложений.
Потенциальный объем сбыта учебных ПЭВМ огромен, однако он в зна-
чительной степени зависит от финансовых средств, имеющихся в распоря-
23
женин учебных организаций. Системы автоматизированного обучения во-
влекают учащегося в живой процесс общения с интересующим его пред-
метом практически в любой области знаний и позволяют каждому само-
стоятельно организовать этот процесс. В настдящее время умение обра-
щаться с компьютером все в большей степени рассматривается как один
из элементарных навыков, которым обязан овладеть каждый человек.
Более того, по-видимому, недалек тот день, когда специалистам самых
разных профессий будут необходимы определенные знания в. области
программирования. Прививать такие навыки, несомненно, следует уже
в начальной и средней школах. Учитывая, что учащийся, который умеет
обращаться с компьютером какой-либо конкретной модели, в один пре-
красный день, возможно, пожелает приобрести знакомую ему ^ашину,
фирма Commodore решила продавать свои ЭВМ школам и колледжам
с 30%-ной скидкой; в свою Очередь, компания Apple начала бесплатно по-
ставлять персональные компьютеры начальным и средним школам.
О ПРОФЕССИЯХ ПЭВМ
В табл. 1.6 представлены в общем виде области применения
персональных ЭВМ в историческом аспекте. В США в настоящее время
более одной пятой численности работающих занято учрежденческим тру-
дом. Затраты на конторские операции во многих компаниях составляют
свыше половины общей суммы накладных расходов, причем темпы роста
этих затрат превышают 7% в год. Использование персональных компьюте-
ров дает возможность поднять производительность труда служащих и
эффективность работы учреждений. На предприятии, где уже эксплуати-
руется мощная ЭВМ, персональные компьютеры берут на себя часть нагруз-
ки центральной системы, которая в этом случае может уделять больше вни-
мания обработке информации в „пакетном” режиме, например автома-
тизированному начислению заработной платы и учету наличных запасов.
Таблица 1.6. Области при глеиеяня ПЭВМ
В прошлом В настоящем . В будущем
Простые расчеты Среднее и высшее об- Экспертные и консультационные разевание системы, сложные тренажеры Обработка текстовой Интегрированное информационное документации обслуживание населения Инженерные расчеты Экономические рас- Системы обеспечения принятия ре- четы - шений Проектирование Интегрированные производствен- ные системы Тренажеры, инструмен- Научный эксперимент Вычислительный эксперимент, ба- тальные системы „ зы знаний, обработка изображений
24
Персональные компьютеры позволяют автоматизировать различные виды
конторских работ, которые до сих пор зачастую выполняются с помощью
пишущих машинок, калькуляторов и множительных аппаратов.
Руководящие работники различных предприятий утверждают, что
более 80% своего рабочего времени они тратят на подготовку и проведе-
ние совещаний и других деловых встреч, а также на сбор информации
или выработку решений путем анализа вариантов. Персональные компью-
теры призваны облегчить выполнение всех зтйх операций. В частности,
новые программные средства „деловой графики” дают возможность
быстро подготовить слайды и печатные материалы для совещаний. С по-
мощью винчестерских НМД и программ для записи в память обширных
баз данных (и управления ими) индивидуальный пользователь может ана-
лизировать большие информационные массивы, определять направления
развития и выявлять возникающие трудности. Программы обработки
данных, такие, например, как SuperCalc, позволяют руководящему персо-
налу оценивать варианты в процессе принятия решения, задавать компью-
теру вопросы типа „Что произойдет, если ... ?” и практически мгновенно
получать на них ответ. Перечисленные задачи в принципе можно решить
и с помощью мощной центральной машины, но гораздо эффективнее при-
менять для данной цели персональный компьютер. Это значительно дешев-
ле и не требует специальной технической подготовки.
Основной областью применения персональных микроЭВМ в США
является автоматизация экономических расчетов, для которых исполь-
зуется 60—70% всего парка этих машин. Примером персональной
микроЭВМ для автоматизации экономических расчетов стала выпускав-
шаяся в начале 80-х годов фирмой Apple Computer (США) ЭВМ LISA
(Locally Integrated Software Architecture). Модель LISA была создана на осно-
ве микропроцессора 68000 фирмы Motorola и рассчитана на обработку
32-разрядных слов. Емкость оперативного ЗУ микроЭВМ 1 Мбайт, емкость
постоянного ЗУ 16 Кбайт. В стандартный комплект ЭВМ входили также
дисплей и телетайп. МикроЭВМ LISA использовалась и для работы в ка-
честве интеллектуального терминала. На смену этой ПЭВМ с 1985 г., при-
шла более совершенная модель этой же фирмы Macintosh.
Значительное число (30-40%) персональных микроЭВМ, эксплуати-
руемых в США, применяется для автоматизации научных и инженерных
расчетов, обработки текстовой информации, подготовки и отладки про-
грамм для других микроЭВМ, создания технических средств числового
программного управления станками и роботами, а также для управления
бытовыми приборами и в сфере обучения. Производство персональных.
микроЭВМ для этих применений развивается также высокими темпами.
К 1983 г. объемы их выпуска увеличились в 2 раза по сравнению с 1980 г.
К 1985 г. еще в 2 раза увеличился объем выпуска микроЭВМ для научных
расчетов и в 1,5 раза — микроЭВМ, используемых для управления быто-
выми приборами и обучения.
25
В последние 1—2 года за рубежом появилась новая область примене-
ния персональных микроЭВМ — создание на их основе высокоточных
измерительных и испытательных систем путем подключения к стандарт-
ным машинам донолниведьиых специализированных плат и разработки
соответствующего программного обеспечения. Все это позволяет исполь-
зовать микроЭВМ в качестве осциллографов и вольтметров, а при под-
ключении интеграторов сигналов и цифровых индикаторов создавать
ва их основе законченные контрольно-измерительные и испытательные
системы.
Примером такого измерительного устройства является разработан-
ный фирмой Northwest Instrument Systems Inc (США) цифровой осцил-
лограф модели 85 uscope. Сменный модуль превращает персональную
микроЭВМ Apple П или Apple Це фирмы Apple Computer (США) в програм-
мируемый осциллограф (частота 50 МГц) с возможностью выборки и хра-
нения данных измерений. Модель Apple Пе реализована на микропроцес-
соре 6502А фирмы Rockwell, обрабатывающем 8-разрядные слова с ис-
пользованием команд длиной 8, 16 и 24 биг. Емкость оперативного ЗУ
данной микроЭВМ 64 Кбайт, постоянного ЗУ 16 Кбайт, время цикла 300 ис.
.В качестве внешних ЗУ используются накопители на магнитных но-
сителях. Модуль поставляется с операционными программами, обеспечи-
вающими запись/считывание параметров сигналов на дисковых накопи-
телях, усреднение их, воспроизведение показаний цифрового вольтметра
и документирование результатов измерений. Программные средства со-
держат дополнения, необходимые для работы с программами пользова-
теля, написанными на языке Бейсик или Ассемблер. Эти программы
могут резидентно размещаться в микроЭВМ наряду с прикладными
программными средствами.
Фирма Northwest Instrument Systems Inc разработала также два типа
источников сигналов и логический анализатор, которые в сочетании
с персональной микроЭВМ и цифровыми измерительными приборами об-
разуют испытательную систему с возможностью генерации задающих сигна-
лов и измерения параметров испытываемых изделий. Известны анало-
гичные системы на базе персональных компьютеров фирмы IBM.
Следует отметить, что такой подход к использованию персональных
микроЭВМ ведет к значительному расширению их рынков сбыта и росту
спроса на сравнительно недорогую и надежную контрольно-измеритель-
ную аппаратуру, потому что применение специальных сменных плат в стан-
дартных микроЭВМ оказывается экономически более эффективным, чем
выпуск в ограниченных количествах специализированных сложных при-
боров с вычислительными блоками.
К сказанному можно добавить, что зачастую невозможна точно пред-
видеть, какие функции будут выполнять персональные компьютеры на том
иди ином предприятии. Как показывает опыт работы многих организаций,
персональный компьютер не только решает уже известные задачи, но, что
гораздо важнее, позволяет выявлять, а затем и разрешать ранее не обна-
26
ружейные проблемы (подобно тому, как врач находит скрытые симптомы
давней болезни).
1.3. ЧТО ТАКОЕ ПЕРСОНАЛЬНАЯ ЭВМ
К ОПРЕДЕЛЕНИЮ .
Не существует строгого определения ПЭВМ, как в свое
время не было определения и мини-ЭВМ.
В настоящее время персональным компьютером называют ЭВМ, кото-
рая имеет в качестве основного набор следующих свойств:
1) стоимость — минимальная, доступная для индивидуального пользо-
вателя;
2) аппаратное обеспечение — в состав ПЭВМ входит системный блок,
включающий процессор и клавиатуру, монитор, периферийную память
в виде кассетных накопителей на магнитной ленте (НИЛ) или магнитных
дисках (НМД), печатающие устройства. При отсутствии собственной пери-
ферии ПЭВМ может иметь каналы для подключения системного блока
к аналогичным устройствам других систем;
/ 3) элементная база — необходимая вычислительная мощность ПЭВМ
обеспечивается путем использования современной микропроцессорной
техники. Емкость памяти, с которой работает процессор, должна быть
не менее 64 Кбайт,
4) операционная система — является „невидимой” и ,дружественной”
по отношению к пользователю (не требует от него специальной базовой
поготовки); она обеспечивает с достаточной скоростью реакции диалого-
вый (интерактивный) режим работы пользователь — ЭВМ;
5) язык программирования — высокого уровня, по крайней мере ис-
пользуется один из наиболее распространённых в настоящее время (Форт-
ран, Кобол, Бейсик и др.);
Диалог с пользователем
Диалог с объектом Диалог с другими ЭВМ
Контроллер Микропроцес-
минропроца- । соре памяти
горный L—___
Микропроцес-
сор "с памятъЛ
Контроллер
микропроцее
сорный
Микропроцес-
сор ч
центральный
Рис. 1.3. Связи между аппаратуройи программами ПЭВМ
27
6) программное обеспечение ПЭВМ в целом ориентировано на массо-
вого пользователя, обладает достаточной гибкостью, позволяющей рас-
ширять библиотеку программ для разнообразных применений в промыш-
ленности, научных исследованиях, обучении и других областях.
ПЭВМ предназначена для массового пользователя в качестве современ-
ного инструмента в решении задач практически во всех областях интеллек-
туальной деятельности доступного (для этого инструмента) уровня слож-
ности. Взаимодействие между аппаратурой и программами ПЭВМ пред-
ставлено на рнс. 1.3.
„АНАТОМИЯ” ПЭВМ
Напомним, что всякий компьютер предназначен для восприя-
тия, хранения, обработки и выдачи информации. Любую задачу он с по-
мощью вспомогательных средств разбивает на отдельные логические опе-
рации, производимые над двоичными числами, причем в одну секунду
осуществляются сотни тысяч или миллионы таких операций.
Главным элементом компьютера является центральный процессор
(ЦП), выполняющий основные арифметические или логические действия,
а также контролирующий работу всей системы. В качестве ЦП обычно ис-
пользуется микропроцессор — интегральная схема на кристалле кремния
(обычно 6X6 мм). На других кристаллах размещается основная память
компьютера, реализующая хранение инструкций (команд на выполнение
операций) и данных. Имеется также ряд дополнительных ИС, которые
организуют процедуры ввода-вывода информации и обеспечивают функции
управления. ИС монтируют на пластмассовую схемную плату с нанесен-
ными на нее проводниками для взаимного соединения ИС и подвода пита-
ния к ним. Плату устанавливают в корпус; некоторые образцы машин
содержат более одной схемной платы. -
Информация вводится в компьютер с клавиатуры или поступает
из внешней памяти, например, с накопителей на магнитных лентах или
дисках. Результаты вычислений отображаются на экране терминала, в ка-
честве которого используется либо устройство видеоотображения на основе
электронно-лучевой трубки, входящее в состав компьютера и наэывае-
- мое монитором, либо обычный телевизионный приемник. Результаты
могут выдаваться и в форме распечатки на бумаге; для этой цели служит
отдельное печатающее устройство — принтер. Предусматривается также
подключение устройства под названием модем (модулятор — демодуля-
тор) ; оно преобразует цифровую информацию с компьютера в электри-
ческие сигналы для передачи их по телефонным линиям.
Процессор и внешние устройства составляют аппаратное обеспечение
компьютера. На рис. 1.4 подробно представлены элементы такого аппарат-
ного обеспечения, включающего в себя устройства для обработки и хра-
нения данных, обмена информацией с пользователем и связи с другими
электронными системами. Основные узлы соединены между собой шиной —
28
Дисплей
Модем
Клавиатура
Рис. 1.4. Аппаратное обеспечение персонального компьютера („Hardware”) (79]
Диеновый
наноаитель
Последова-
тельный
интерфейс
Параллель-
ный
интерфейс
Печатающее
устройство
параллельными проводами. Устройство обработки, содержащее, как пра-
вило, не только ИС самого микропроцессора, но и ряд вспомогательных
микросхем, осуществляет большую часть вычислительных операций и
управляет всей системой. Исходные данные можно ввести в систему с кла-
виатуры. При нажатии некоторой клавиши формируется строго опреде-
ленный код, который заносится в память изображений и таким образом
может выводиться на экран дисплея (монитора).
Основная память, состоящая из набора ИС, хранит программы и дан-
ные, с которыми система постоянно работает. Такая память называется
также ОЗУ (оперативное запоминающее устройство). Считывание или из-
менение любого ее элемента может осуществляться независимо от всех
остальных элементов. В отличие от ОЗУ внешняя память (обычно — нако-
питель на магнитных дисках), как правило, имеет большую емкость, одна-
ко обмен информацией с ней ведется медленнее и более крупными блоками
данных. Компьютер соединяется с другими устройствами, например печа-
тающим устройством или модемом, который обеспечивает связь с дру-
гими ЭВМ через телефонную сеть, с помощью интерфейсов. Последова-
тельный интерфейс передает информацию в виде серии одиночных битов,
а в параллельном интерфейсе по нескольким линиям за один такт пере-
сылается. целый набор (в большинстве случаев восемь) битов.
В табл. 1.7 представлены данные, отражающие относительную стои-
мость различных компонентов персонального компьютера.
Само по себе аппаратное обеспечение не может выполнять никаких
операций; для его работы требуется множество программ, совокупность
29
Таблица 1.7. Относительная стоимость компонентов ПЭВМ
(в процентах от себестоимости, принятой за 100%)
Компоненты стоимости Производительность ПЭВМ
высокая средняя низкая
Аппаратное обеспечение
схемная плата 1,8 2,5 5,7
микропроцессор 1,1 0,5 1,7
ЗУПВ ОЗУ 3,3 5,7 1,1
ПЗУ 0,7 1,2 1,1
блок питания 3,7 5,7 11,4
клавиатура 4,4 5,7 11,4
резисторы и другие компоненты 2,9 4,4 4,4
накопитель на гибких дисках 15,5 — —
адаптер НМД 5,2 — —
оплата рабочей силы 3,7 3,8 5,7
общая стоимость аппаратного 42,4 29,5 42,8
обеспечения
Организация сбыта 9,6 15,1 6,6
Исследования и разработки 6,6 10,1 5,7
Накладные расходы и цр. 41,3 45,2 44,5
Общие затраты без стоимости апла- 57,6 70,4 57,2
ратного обеспечения
Себестоимость Около Около Около
1300 долл. 800 долл. 200 долл.
которых называется программным обеспечением. На рис. 1.5 представлены
элементы программного обеспечения. Его основу составляет операционная
система (ОС) — набор программных средств,, осуществляющих управле-
ние вычислительными ресурсами машины, контроль хранения программ
и другой информации, а также координацию прохождения различных
заданий.
Процедуры, определяемые пользователем, выполняются с помощью
Прикладных программ. В принципе прикладную программу можно со-
ставить так, что она будет выполняться без участия ОС, но в этом случае
в ней пришлось бы предусмотреть подробные инструкции по распределе-
нию ресурсов как ОЗУ, так и дисковой памяти, и по управлению функцио-
нированием внешних устройств, подключенных к компьютеру. Как пра-
вило, все эти функции берет на себя ОС. Чтобы ЭВМ могла выполнить
программы, они должны быть представлены на машинном языке (в виде
последовательности двоичных цифр). Перевод (трансляция) на такой
язык осуществляется с помощью программ, называемых ассемблерами,
компиляторами, интерпретаторами. Ассемблеры и компиляторы трансли-
руют всю программу до ее выполнения, а интерпретаторы переводят
инструкции одну за другой по мере прохождения программы.
Для большинства ПЭВМ характерно использование постоянного запо-
минающего устройства (ПЗУ), обладающего всеми свойствами ОЗУ, кроме
30
Служебные Языки Языки
программы программировании общения
Магистрат
Рис. 1.5. Элементы программного обеспечения ПЭВМ („Software”) [ 79]
одного — содержимое ПЗУ не может быть изменено пользователем. Храня-
щиеся в ПЗУ программы оказываются, таким образом, защищенными
от ошибок и аварийных ситуаций, однако „право” на размещение в ПЗУ
имеют только те программы, от которых критическим образом зависит
готовность ЭВМ к работе. В гл. 2 вопрос использования ПЗУ рассмотрен
более подробно.
Данные, хранящиеся во внешней памяти ПЭВМ, объединяются по
выбранному пользователем признаку в массивы (другое широко распро-
страненное название — файлы). Только после того, как пользователь сфор-
мировал или иным образом подготовил файлы, ПЭВМ выполняет задание:
решает дифференциальные уравнения, заполняет платежные документы
или редактирует текст письма. Программы, как правило, хранятся во внеш-
ней памяти и вызываются в основную память, как только возникает необ-
ходимость в решении конкретной прикладной задачи.
На рис. 1.6 представлены функции ОС, большая часть которых благо-
даря иерархическому (многоуровневому) принципу построения любых
программ для ЭВМ остается невидимой для пользователя. При включении
ПЭВМ запускается программа первичной загрузки, которая переводит
машину.в состояние ожидания вызова требуемой пользователю программы.
31
После поиска программы по имени в каталоге (справочнике) файлов внеш-
ней памяти (любая программа — это еще и файл) происходит загрузка
названной программы, и ОС переходит в режим обслуживания обращений
Инструкция
пользователя ОЗУ ВЗУ
Функции
ОС
1. ЭВМ
включена
Первичныйм
грузчик ПЗУ
Справочник Резидентный (размещенный в ПЗУ)
файлов первичный загрузчик загружает вс
файлов
ОС
Справочник
файлов
Пустая
зона
ОС
вейсик-ин-
терпрета-
„ пгоп
Прикладная
программа!
принхавная
программа!
Пустаязона
ОС загружает справочник файлов
ОС выводит на монитор сообщение о
том, что компьютер находится в
„системном режиме"
Z вызов
вейсин-ин-
mepnpemamopi.
3. Заерузна
прикладной
программы
Первичный за-
грузчик ПЗУ
ОС
Справочная
файлов
бСйсик-интер
претатор
Пустил зона
Первичный за-
грузчик ПЗУ
ОС
Справочник
файлов
бейеин-интер
претатор
Прикладная
программа!
Пустаязона
Справочник ОС читает справочник файлов с целью
файлов контроля наличия и размеров Вейсик-
— интерпретатора
ОС
Кейт* пи- ЧР проверяет, имеется ли в памяти
тепЛпйтп- достаточное пространство для разме-
й,5р щения интерпретатора (в нашем случае
। г । — Л?/
Прикладная ' •
программа! gg ц^/рает приказ на загрузну
пртуууую бейсик-интерпретатора
программа!
—. На монитор выводится сообщение о птом,
Пустаязона что компьютер в режиме интерпретации
Вейсик-пркрамм
Справочник
файлов
ОС
Вейсик-ин-
megngema-
Прикладная
программа!
Приклабная
программа!
Пустаязона
6ейсин-интерпретатор доновирует
инструкцию
Инструкция требует доступа н висну,
бейсик-интерпретатор запрашивает
содействия ОС 1
ОС проверяет наличие файла и необходи-
мага пространства в основной памяти
Файл загружается в основную память
Управление передается Вейсик-илтерпре-
татору и на монитор выроется
сообщение
Рис. 1.6. Некоторые функции операционной системы { 79]
32
со стороны загруженной программы. Чем меньше действий требуют эти
обращения со стороны пользователя, тем более дружественной являет-
ся ОС.
Наиболее современные операционные системы для ПЭВМ, ориентиро-
ванные на массового пользователя, почти не используют для общения
с ним языка словесных команд, сколь бы краткими эти команды не были.
Вместо этого пользователю предоставляется на экране дисплея набор до-
пустимых в данный момент действий — в виде слов или пиктограмм —
и наименований доступных программе объектов. Остается лишь выбрать
объект и тип действия над ним, для чего наряду с клавиатурой исполь-
зуются манипуляторы, „ведущие” на экране легко различимый маркер
(например, стрелку). Понятно, что такой бесклавиатурный диалог сводит
к минимуму необходимость изучения операционных систем.
ХАРАКТЕР ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПЭВМ
Преимущества ПЭВМ перед компьютерами других типов
первыми ощутили профессионалы, принадлежащие к двум большим
группам.
Программисты оценили диалоговый характер общения с ПЭВМ, при
котором исчезли ограничения, свойственные крупным системам коллек-
тивного пользования, и появились важные новые возможности — свобод-
ное использование комбинаций графики и текста, наличие собственного
архива файлов и резко возросшая номенклатура устройств ввода-вывода
информации. Свидетельством того, что программисты признали ПЭВМ,
является тот очевидный факт, что всего за несколько лет на них реализо-
ван практически полный набор средств программирования; более того,
продуктивность ПЭВМ как инструмента программиста подтверждается
появлением новых языков программирования и значительным усовер-
шенствованием уже известных языков.
Специалисты, потребности которых переросли возможности програм-
мируемых калькуляторов, нашли в ПЭВМ давно ожидаемое ими объеди-
нение простоты использования со значительными вычислительными ресур-
сами. Наиболее важным результатом первых лет работы профессионалов
с ПЭВМ явилось осознание того факта, что прикладное программное
обеспечение перестает быть наиболее консервативным, инерционным эле-
ментом вычислительной системы. Именно среди программистов, работаю-
щих на ПЭВМ, начал практиковаться отказ от программирования на уров-
не машинных команд. Возврат на новом техническом уровне к индиви-
дуальному характеру программистского труда снял сложные проблемы
организации труда бригад специалистов в условиях „принудительной”
коллективизации, ярко описанные в известных монографиях по техноло-
гии программирования1. Разумеется, разделение труда сохраняется, но 1 2
1 См., например, Брукс Ф. П. Как проектируются и создаются программные
комплексы: Пер. с англ. -- М.: Наука, 1979.
2 Зак. 8 54 33
оно строится на совершенно иных принципах. Так, операционная система
UNIX (см. гл. 2) возникла как результат многолетнего труда многих не-
ависимых групп программистов, каждая из которых вносила свой профес-
сиональный вклад в достижение общей цели.
Первый опыт работы на ПЭВМ профессионалов, не стремящихся стать
высококвалифицированными программистами, помог прояснить требо-
ания к составу и функциям автоматизированных рабочих мест. Во-первых,
стало очевидно, что требования к ресурсам ЭВМ в таких применениях
часто оказывались завышенными; свидетельством тому — быстрый рост
номенклатуры АРМ на базе 8- и 16-разрядных ПЭВМ. Во-вторых, собствен-
ные ресурсы ПЭВМ позволяют снять существенную часть нагрузки с высо-
копроизводительных ЭВМ, к которым эти ПЭВМ подключаются; отсюда
вс возрастающее в последние годы разнообразие схем соединения ПЭВМ
с крупными ЭВМ.
В большинстве моделей ПЭВМ, выпускавшихся в 1977—1981 гг., уста-
навливались 8-разрядные микропроцессоры (т. е. с длиной слова, равной
8 бит); позднее получили распространение ПЭВМ на основе 16-разрядных
микропроцессоров. Как упоминалось в § 1.1, некоторые из таких микро-
процессоров имеют 8-разрядную шину данных, что позволяет несколько
упростить и удешевить конструкцию ПЭВМ. С 1985 г. на мировом рынке
появляются ПЭВМ с 32-разрядными микропроцессорами [46], что свиде-
тельствует о предстоящем существенном расширении области применения
ПЭВМ в инженерных расчетах. Стоимость 32-разрядных ПЭВМ превышает
стоимость простейших 8-разрядных ПЭВМ в 80—100 раз, однако следует
помнить, что оба эти типа компьютеров принадлежат к широкому непре-
рывному спектру ПЭВМ.-Существование широкого спектра важнейших
характеристик ПЭВМ — стоимости, производительности и др. — вынуж-
дает задать вопрос: по какому признаку судят о принадлежности ЭВМ
к классу персональных компьютеров? Как убедится далее читатель, этот
признак — простота модели общения с разнообразными ресурсами ЭВМ.
Основными „партнерами” микропроцессора в структуре ПЭВМ явля-
ются полупроводниковые устройства памятц. В постоянной памяти
(ПЗУ) хранится информация, которая обеспечивает готовность ПЭВМ
к немедленному использованию сразу же после включения питания.
Такая информация состоит, естественно, в основном из программ: эти
программы образуют ядро операционной системы и часто дополняются
хранимым в ПЗУ интерпретатором какого-либо диалогового языка про-
граммирования или текстом наиболее часто используемой прикладной
программы. Информация, находящаяся в постоянной памяти, не может
быть изменена; пользователь может лишь заменить микросхемы или
специальные кассеты ПЗУ, если ему необходимо изменить „набор врож-
денных инстинктов” своей ПЭВМ. В современных моделях ПЭВМ емкость
ПЗУ достигает сотен килобайт, и во многих случаях съемные кассеты
ПЗУ оказываются более удобным носителем текстов программ, чем
наиболее распространенные магнитные носители информации.
34
Информация, размещаемая в оперативной памяти ЭВМ, может быть
подвергнута любой обработке. Из этого свойства оперативной памяти
следует, в частности, важнейшее, требование к ее характеристикам: по
быстродействию микросхемы ОЗУ должны быть наилучшим образом
согласованы с микропроцессором ПЭВМ, а общая емкость ОЗУ должна
приближаться к пределу, диктуемому диапазоном адресов в конкретной
модели микропроцессора (до 256 Кбайт в микропроцессоре К1801ВМ2,
до 1 Мбайта в микропроцессоре К1810ВМ86). Емкость обычно исполь-
зуемых в ПЭВМ микросхем динамической полупроводниковой памяти
отражает уровень микроэлектронной технологии. В 80-х годах развитие
згой технологии обеспечит переход от микросхем емкостью 16 Кбит
к микросхемам емкостью 1—4 Мбит. Для крупносерийных ПЭВМ второй
половины 80-х годов типичным является использование микросхем ОЗУ
с емкостью 64 либо 256 Кбит.
При выборе ПЭВМ пользователь обычно ориентируется на ту модель,'
емкость ОЗУ которой позволит разместить целиком самую большую из
требующихся ему прикладных или системных программ. На практике
этот выбор не представляет особых трудностей, поскольку уже сложились
„молчаливые договоренности” между поставщиками оборудования и
авторами крупнотиражных программ относительно объема ОЗУ. Так,
для большинства современных 16-разрядных ПЭВМ емкость ОЗУ равна
640 Кбайт, что определяется особенностями архитектуры микропроцес-
сора типа К1810 и не ставит авторов программ в стесненное положение.
Дополнительные модули оперативной памяти, поставленные для ПЭВМ,
все чаще используются в качестве „кваэидисков”, дополняя по своим
возможностям (прежде всего — это скорость обращения) накопители
на магнитных дисках. На универсальных ЭВМ, с помощью'которых
решаются крупные задачи, сложилась практика искусственного разделе-
ния больших программ на так называемые перекрытия, т. е. фрагменты,
загружаемые в оперативную память по мере надобности; этот прием широ-
ко используется и на малых ЭВМ серии СМ. Для ПЭВМ использование
этого приема означает неизбежное снижение темпа человеко-машинного
диалога, и авторы программ прибегают к нему крайне редко.
Операционная система ПЭВМ и пакеты прикладных программ, входя-
щие в комплект автоматизированных рабочих мест, представляют собой
примеры программ, внутренняя структура которых остается невидимой
для массового пользователя. Однако характер использования ПЭВМ даже
в системах, сдаваемых заказчику „под ключ”, требует наличия в составе
программного обеспечения средств программирования, доступных поль-
зователю. Обширная учебная литература сегодня ориентирует будущих
пользователей ПЭВМ на изучение курса микропроцессорной техники, не-
отъемлемой частью которого является курс программирования в машин-
ных командах (непосредственно или в простейших символических обозна-
чениях). В то же время школяный курс „Основы информатики^ вычис-
лительной техники” [63], опирающийся на переход к применению учеб-
2»
1$
ных ПЭВМ, целиком ориентирован на изучение языков программирова-
ния, весьма далеких по основным конструкциям от уровня машинных
команд. Всегда ли знание машинных команд необходимо для решения
задач на ПЭВМ?
Микропроцессор воспринимает лишь ограниченный набор инструк-
ций (команд), каждая из которых должна состоять из последовательности
двоичных цифр. К примеру, одна последовательность может „приказать”
процессору переписать некоторую величину из основной памяти во внутрен-
ний регистр, называемый аккумулятором, а на основании другой после-
довательности машина складывает два числа, уже находящиеся в аккуму-
ляторе. Программу можно написать в подобных машинных инструкциях,
но такая работа весьма утомительна и почти всегда приводит к многочис-
ленным ошибкам.
Следующим по уровню абстракции является, язык ассемблера, где
двоичные последовательности заменяются символами и словами, которые
оператору значительно проще запомнить. В этом случае инструкцию по
загрузке аккумулятора можно записать в виде слова LDA, а инструкцию
сложения с его содержимым — как А (сокращения соответственно выраже-
ний load accumulator — загрузить аккумулятор и add — сложить). Програм-
ма, получившая наименование ассемблера, распознает такую „мнемониче-
скую” инструкцию и преобразует ее в соответствующую последователь-
ность двоичных Знаков. В некоторых языках ассемблера можно по спе-
циальному признаку задавать и вызывать целую серию инструкций. Однако
программа, написанная на языке ассемблера, имеет ряд недостатков:
должна отдельно определяться каждая инструкция, подлежащая выпол-
нению с помощью процессора, и, кроме того, программисту приходится
следить за прохождением в машине каждой инструкции и каждого элемен-
та данных.
От необходимости составлять задание для процессора в соответствии
с его набором инструкций (системой команд) и знать во всех подробнос-
тях конфигурацию аппаратных средств программиста освобождает язык
высокого уровня. Например два числа, которые необходима сложить,,
можно просто обозначить какими-нибудь именами, скажем Х и Y. От
программиста не требуется указывать процессору, в каких ячейках основ-
ной памяти размещаются зти числа, он задает лишь операцию как таковую,
например, в виде X + Y. Программа, зарегистрировав адреса, по которым
размещались указанные переменные, формирует последовательность инст-
рукций на машинном языке, которые производят загрузку чисел в акку-
мулятор и их сложение.
Как известно, существуют две обширные категории программ — интер-
претаторы и компиляторы, которые транслируют (переводят) программу,
написанную на языке высокого уровня, в машинный код. Программа,
написанная на интерпретируемом языке, записывается в память в виде
последовательности команд языка высокого уровня. В процессе выпол-
нения этой программы другая программа — интерпретатор транслирует
36
все команды одну за другой в группы инструкций машинного языка,
каждая из которых немедленно выполняется. При использовании жег
компилятора весь цикл трансляции завершается до начала выполнения
программы. Преимущество интерпретатора заключается в том, что можно
проконтролировать результат каждой операции. Однако программа, транс-
лированная с помощью компилятора, как правило, выполняется значи-
тельно быстрее, поскольку она целиком уже переведена в машинный код.
Одним из самых первых языков высокого уровня был Фортран;
в настоящее время получил распространение ряд его версий (диалектов).
Программы, написанные на Фортране, транслируются посредством компи-
лятора. Основные области его приложения — научные расчеты. При работе
с персональными компьютерами наиболее широко применяется язык
Бейсик, созданный в 60-х годах специалистами Дартмутского колледжа.
Первоначально Бейсик планировали использовать в качестве языка для
обучения студентов приемам программирования, однако ныне с его по-
мощью программируют любые типа задач.
Имеются также десятки других языков высокого уровня, пригодных
для составления микрокомпьютерных программ. Выбор того или иного
языка для написания определенной программы нередко диктуется харак-
тером решаемой задачи; например, язык Лисп получил признание у мно-
гих специалистов в области искусственного интеллекта. Кроме того, выбор
языка иногда определяется и индивидуальным стилем работы програм-
миста. В последние годы, к примеру, завоевал популярность язык Паскаль.
Это обусловлено тем, что по сложившемуся убеждению, принципиальная '
основа написанных на нем программ достаточно ясна.
В какой же мере возможности компьютера соответствуют возлагаемым
на него надеждам? Ответ на этот вопрос зависит от способности компьюте-
ра реализовать прикладные программы. Именно поэтому владельцы персо-
нальных компьютеров расходуют больше средств на программное, а не на
аппаратное обеспечение. Эти расходы могут выражаться либо в финансо-
вых затратах на приобретение готовых программ, либо в затратах на их
составление. Если пользователь не намерен сам расширить программное
обеспечение собственной ЭВМ, то при ее выборе он должен ориентиро-
ваться на уже имеющиеся программные средства системы, оценив их
„широту”, т. е. число прикладных задач, для которых имеются соответст-
вующие программы, и „глубину” — число существующих программ для
решения каждой такой задачи.*
За последнее время получило развитие создание прикладных программ
программистами, работающими самостоятельно. Многие программы харак-
теризуются высокой степенью специализации. Такими, в частности, явля-
ются программы для финансовых расчетов, программы проведения (при,
наличии необходимого лабораторного оборудования) анализа крови со
скоростью нескольких тысяч проб в час или программы для проектирова-
ния мостов. Другие программы более универсальны и предназначаются
для широкого класса задач. К ним, например, относятся программы для
37
обработки текстов: они позволяют упростить составление и редактирование
любых типов документов — от писем и памятных записок до журнальных
статей и книг. Такая программа широко использовалась и при подготовке
рукописи.книги, которая в данный момент перед вами.
Наибольшую популярность среди программ для персональных компью-
теров завоевала программа VisiCalc, поставляемая фирмой ViaCorp. VisiCalc
представляет собой „Электронную таблицу” (см. § 3.2). Она размешается
в памяти компютера и обеспечивает вывод на экран таблицы форматом
63 столбца на 254 строки. Таблицу можно перемещать на экране по гори-
зонтали и вертикали с целью просмотра различных ее участков. Каждая
символьная позиция таблицы (пересечение столбца и строки)' на экране
соответствует некоторой записи в памяти машины. Пользователь строит
необходимую ему рабочую матрицу, назначая (т. е. ставя в соответствие)
каждой такой записи какую-нибудь метку, число или формулу; на экране
в соответствующей позиции таблицы будут изображаться назначенные
метки, числа или результат применения формулы.
Основным достоинством любых программ работы с электронными
таблицами является простая и в любой момент времени остающаяся на-
глядной для пользователя модель общения с ПЭВМ. Для начального освое-
ния таких программ достаточно тех несложных навыков, которые помогает
приобрести простейший микрокалькулятор. Точно так же осваивается
и диалоговый язык программирования: популярность языка Бейсик и
других подобных ему языков объясняется прежде всего возможностью
„плавного перехода” от умений и навыков, доведенных до автоматизма
у любого инженера (работа с калькулятором, за чертежным столом, спич-
ным архивом), к умению формулировать план решения задачи и програм-
мировать детали этого плана-алгоритма. Диалог с ПЭВМ — это всегда путь
от сколь угодно простых понятий к сколь угодно сложным.
КОНСТРУКЦИЯ ПЭВМ
Знакомство с ПЭВМ было бы неполным, если не взглянуть,
хотя бы поверхностно, на конструкцию ПЭВМ, включая периферийные
устройства.
На рис. 1.7 схематически представлено расположение основных узлов
персонального компьютера фирмы IBM на схемной плате. Габаритные раз-
меры платы 216X305 мм. На ней смонтировано большое число кремние-
вых микросхем; каждая имеет размер примерно 6,5X6,5 мм и размещена
в прямоугольном пластмассовом корпусе с выводами. Микросхемы и пас-
сивные компоненты (резисторы и конденсаторы) соединяются между
собой „печатными” проводниками. 16-разрядный микропроцессор модели
8088 фирмы Intel содержит более 20 тыс. транзисторов и имеет тактовую
частоту около 5 МГц. Системные программы размещаются в ПЗУ, а в ОЗУ
хранятся те программы и данные, которые меняются в процессе работы
системы.
38
15
5
16 m
5
4
0 OODtU MJ
0 OODOEOn;nDDDD
0 OOOODODOlDOODD
0 OODODOOD|OODOD
----------!DqDODDD
□0
□□
s
7
8
-9
10
a
>74
ШГП1!
Рис. 1.7. Расположение основных узлов на
схемной плате персонального компьютера
фирмы IBM [ 79]:
1 — разъемы для дополнительных модулей;
2 — гнезда для дополнительных микросхем;
3 — память с произвольной выборкой;
4 — выход звуковой сигнализации; 5 — ши-
на ввода-вывода для НМЛ; 6 — шика ввода-
вывода для клавиатуры; 7 — микропроцес-
сор Intel; 8 — гнездо для дополнительного
процессора; 9 — времязадающий конденса-
тор; 10 — тактовый генератор; 11 — пере-
ключатели изменения конфигурации систе-
мы; 12 — порт ввода-вывода; 13 — схема
прямого доступа к памяти; 14 — схемы вре-
менной задержки, дешифраторы кодов уст-
ройств и другие вспомогательные приборы;
15 — ПЗУ; 16 — таймер
Рис. 1.8. Примеры компоновки ПЭВМ:
a) TRS-8O; б) Apple; в) IBM PC; г) Compass Computer
39
Компоновка монитора в ПЭВМ. На рис. 1.8 схематически изображены
некоторые варианты типичных современных компоновок монитора
в ПЭВМ:
моноблочная настольная (TRS-8O - рис. 1.8,а),
модульная (Apple — рис. 1.8,6),
модульная с улучшенной эргономикой (IBM PC — рис. 1.8,в),
портативная рабочая станция (Compass Computer — рис. 1.8,г).
Точечно-матричный принтер. На рис. 1.9 изображен основной элемент
матричного 'принтера. Это относительно недорогое, быстродействующее
(до 200 зн./с) и универсальное устройство: принтер может воспроизводить
уменьшенные, увеличенные или „яаярные” знаки и даже графические
изображения в соответствии с командами от компьютера. Печатающая
головка представляет собой вертикальную матрицу из игл. По мере пере-
мещения головки над бумагой иглы выталкиваются в нужной последова-
тельности, прижимают красящую ленту к бумаге и формируют набор
точек (на рисунке слева). В данном случае каждая прописная буква фор-
мируется на матрице 7X5 точек, еще две иглы предусмотрены для печати
нижних выносных элементов, например буквы р. Иглы приводятся в дви-
жение отдельными соленоидами (рисунок справа).
Притер с лепестковым шрифтоносителем. В первой половине 80-х го-
дов получшо распространение печатающее устройство на основе лепест-
кового шрифтоносителя. Принтер такой конструкции печатает со ско-
ростью от 20 до 55 эн./с документы „типографского качества”. Смена
пластмассового диска с лепестками, на которых расположены литеры
шрифта, производится вручную. Этот недостаток все более сужает область
эффективного применения принтеров этого типа.
Если для первых моделей ПЭВМ номенклатура принтеров практиче-
ски исчерпывалась этими двумя разновидностями, jo во второй половине
80-х годов разнообразие технологий печати становится одним из отличи-
тельных свойств ПЭВМ. Совершенствуется термопечать; нагреву подвер-
Рис. 1.9. Точечно-матричный принтер
Магнит Привад
40
гается не лист специальной бумаги, а термодиффузионная красящая лента.
Благодаря увеличению числа игл в головке улучшается качество шрифта
и растровых графических изображений как в принтерах ударного дей-
ствия, так и в безударных (термических) принтерах. Наконец, в по-
следние годы удается существенно снизить стоимость лазерных принтеров,
использующих разновидность метода ксерографии.
Устройства ввода информации. Номенклатура этих устройств для
ПЭВМ сегодня наиболее широка. Наряду с клавиатурами получают рас-
пространение манипуляторы, позволяющие управлять движением мар-
кера на экране дисплея и подтверждать выбор координат нужного объек-
та (буквы, элемента изображения) нажатием одной из двух-трех встроен-
ных клавиш. Планшеты с чувствительной к прикосновению поверхностью
позволяют работать с эскизами чертежей, передавая в память ПЭВМ наборы
координатных пар для выбранных точек изображения. Известны манипу-
ляторы, позволяющие вводить в ПЭВМ координаты трехмерных поверх-
ностей. С ростом числа профессиональных применений ПЭВМ получают
развитие все новые способы ввода информации, что, в свою очередь, порож-
дает новые модели диалога с ПЭВМ.
Распространение БИС нового класса — так называемых цифровых
процессоров сигналов — позволяет ожидать появления к концу 80-х годов
массовых устройств ввода речевых сигналов и „непосредственного” ввода
изображений с телевизионных камер.
Накопители на гибких магнитных дисках. На рис. 1.10 изображено
устройство накопителя (устройства внешней памяти) на гибких магнит-
ных дисках. Пластмассовый диск с ферромагнитным покрытием вращается
со скоростью 300 об./мин. Головка чтения-записи передвигается шаговым
двигателем по радиусу диска и устанавливается над одной из концентри-
ческих дорожек. Такие накопители схожи между собой по компоновке,
Рис. 1.10. Накопительна гибких магнитных дисках
41
но различаются по диаметру используемого диска и габаритным размерам
дисковода. Если в самых первых моделях ПЭВМ использовались довольно
громоздкие устройства с диаметром диска 208 мм, то в современных
моделях удалось довести высоту дисковода (по оси вращения диска)
до 20—30 мм с одновременным переходом к дискам, имеющим диаметр
133 или 90 мм. При записи на обеих сторонах гибкого диска его емкость
достигает 1—1,5 Мбайт.
Гибкий даек помещается в защитный конверт или жесткий футляр,
что делает его удобным сменным носителем информации; с его появле-
нием практически отпала нуэеда в перфокартах и перфолентах.
Накопители на жветкж магнитных дисках. Потребность в хранении
информации в несколько десятков мегабайт, характерная для ряда про-
фессиональных применений ПЭВМ, удовлетворяется путем включения
в их конструкцию накопителей на жестких герметизированных магнит-
ных дисках (широко известно название первой экспериментальной модели
такого накопителя „Винчестер”)- Важное значение для ПЭВМ приобрела
унификация габаритных размеров накопителей обоих типов. Для хранения
резервных копий информации, хранящейся на дисках типа „Винчестер”,
в ПЭВМ применяются как сменные гибкие диски, так и специальные кассе-
ты магнитной ленты с повышенной плотностью записи.
Как уже отмечалось, из всего комплекса оборудования персональной
ЭВМ важнейшим для массового пользователя является наличие удобных
и простых в управлении периферийных устройств с развитыми функцио-
нальными возможностями. Технические данные современных периферий-
ных устройств и модулей расширения приведены в приложении 3.
1.4. ПАРК ПЕРСОНАЛЬНЫХ ЭВМ - КАКИМ ЕМУ БЫТЬ
КОНЦЕПЦИИ РАЗВИТИЯ ПАРКА
Реально существующие различия в экономическом механизме
социализма и капитализма, естественно, накладывают отпечаток и на проб-
лему создания, производства и применения ПЭВМ. Стихийно складываю-
щаяся структура парка машин этого класса в капиталистических странах,
многообразие типов этих ЭВМ в'знашггельиой степени объясняются борь-
бой фирм-производителей — диктата гигантов (типа IBM), с одной стороны,
и поисков мелкими фирмами собственных путей выживания — с другой.
Организация массового производства и применения ПЭВМ в условиях
социализма должна решать задачу создания рационального экономически
обоснованного минимизированного по затратам парка ПЭВМ, обеспечи-
вающего в первую очередь рост производительности труда в наиболее мае-,
совых областях социальной и производственной деятельности. Как ожи-
дается, повышение производительности труда должно быть достигнуто
42
за счет применения ПЭВМ в основном в составе автоматизированных
рабочих мест работников промышленности и непромышленной сферы,
что позволит обеспечить:
повышение обоснованности принятия решений, ускорение процесса
их формирования и реализации;
повышение качества продукции за счет улучшения качества проекти-
рования и технологии изготовления;
сокращение сроков проектирования.и внедрения новых разработок;
сокращение сроков разработки новых технологических процессов;
повышение эффективности научных исследований;
внедрение безбумажной технологии обработки информации, „электрон-
ной” почты;
создание интегрированных систем управления за счет объединения
отдельных автоматизированных рабочих мест в систему с распределен-
ными вычислительными ресурсами на базе локальных и распределенных
сетей;
повышение производительности труда управленческих, инженерно-
технических и научных работников;
высвобождение численности работающих за счет устранения промежу-
точных звеньев между профессионалами-исполнителями;
улучшение социально-бытовых условий.
Реализация этих целей станет возможной только при условии высо-
кого качества и надежности ПЭВМ и достижения определенного уровня
компьютерной грамотности общества в целом, в связи с чем необходимой
предпосылкой к широкому внедрению ПЭВМ в профессиональной сфере
является их широкое применение в сфере образования..
Производство ПЭВМ в СССР в массовых масштабах в настоящее время
только налаживается. Обсудим хотя бы вкратце стоящие перед промыш-
ленностью проблемы.
Анализ использования ПЭВМ в различных областях показывает, что
любую задачу, решаемую с их помощью, можно отнести к одному из клас-
сов, соответствующих следующим сферам применения:
административно-управленческие работы и экономические расчеты;
автоматизация научно-исследовательских работ;
автоматизация проектирования, инженерная графика;
образование;
делопроизводство.
При этом каждый класс задач порождает свои специфические требо-
вания к программному обеспечению и способу работы на конкретном
автоматизированном рабочем месте, к самому персональному компьютеру.
Поскольку назначение ПЭВМ — создание автоматизированных рабочих
мест служащих, инженеров, исследователей, врачей и т. п. во всех отраслях
промышленности и непромышленной сфере, то число областей их приме-
нения определяется числом профессий. Однако решаемые во всех извест-
ных сферах'применения задачи в основном могут быть сведены к указан-
43
ным выше пяти классам. Это позволяет организовать массовый выпуск
ПЭВМ при минимальном количестве моделей машин и отдельно выпускае-
мых средств расширения, позволяющих пользователю создавать на месте
необходимую ему конфигурацию.
При выборе архитектуры ПЭВМ следует учитывать прежде всего нали-
чие требуемой элементной базы и возможность построения на ней ПЭВМ,
отвечающих требованиям основных сфер. При этом надо иметь в виду,
что для создания ПЭВМ необходим не только микропроцессор, но и целый
набор СБИС обрамления (контроллеры памяти, периферийных устройств
и т. д.). Поэтому разработка нового архитектурного типа ПЭВМ оправды-
вается только в том случае, если существующие типы не позволяют решать
задачи какого-либо класса.
По мнению авторов, для удовлетворения требований основных сфер
применения в настоящее время достаточно иметь три архитектурных типа
ПЭВМ: 1) 8-разрядная на базе микропроцессора К580, 2) 16-разрядная
на базе микропроцессора К1810 и 3) 16-разрядная на базе микропроцес-
сора К1801. Выбор этих архитектурных типов диктуется, с одной стороны,
необходимостью иметь достаточно мощные (16-разрядные) машины для
решения сложных задач трех первых классов, а с другой — необходимостью
минимизировать стоимость ПЭВМ: при массовом выпуске (миллионы
штук) каждый рубль избыточных задач на оборудование приводит к боль-
шим потерям.
Говоря об архитектурных типах ПЭВМ (фактически - семействах
ПЭВМ, так как появление новых микропроцессорных СБИС с расширен-
ными возможностями позволит строить программно-совместдмые семей-
ства ПЭВМ каждого из указанных типов) и об их распределении по сферам
применения, следует иметь в виду, что ПЭВМ второго и третьего типов
весьма близки по технико-экономическим характеристикам и могут иметь
общий набор периферийных устройств. Это позволяет применять любой
из них для таких областей, как экономика, интегрированные системы
управления, САПР и САНИ, с очень близкой (или одинаковой) эффек-
тивностью.
Необходимость производства ПЭВМ этих трех архитектурных типов
определяется тем, что для более простых сфер (образование, делопроиз-
водство и др.) явно целесообразно применение в основном ПЭВМ на базе
микропроцессора К580, которые ближе к ПЭВМ на К1810, тоща как для
САПР и САНИ целесообразно использовать на верхнем уровне машины
СМ ЭВМ, и ПЭВМ с микропроцессорами серии К1801 обеспечат частичную
программную совместимость с ними. В то же время при использовании
машин ЕС ЭВМ для САПР и САНИ на верхних уровнях частичную функ-
циональную совместимость с ними могут обеспечить ПЭВМ на базе микро-
процессоров серии К1810, Этот подход позволяет увязать разработки,
производство и использование ПЭВМ в СССР и в социалистических стра-
нах с ЭВМ других классов.
44
Состав базовых ЭВМ соответствует только минимальным требованиям
сфер применения; в конкретных применениях состав их может изменяться
за счет средств расширения дополнительных модулей и устройств, выпус-
каемых отдельно. К ним относятся средства расширения вычислительных
возможностей (память, спецпроцессоры и т. д.), средства расширения со-
става оборудования (печатающие устройства и дисплеи специальных типов,
диски, графопостроители и т. д.), устройства связи с объектом (в том
вдсле - выходы на приборные интерфейсы и КАМАК) и др. Некоторые
модули расширения могут устанавливаться непосредственно в системный
блок базовой ПЭВМ, другие — в дополнительный блок расширения, разме-
щаемый рядом с системным блоком базовой ПЭВМ.
При условии стандартизации основных технических решений, поло-
женных в основу разработки ПЭВМ, можно добиться единого набора пери-
ферийных устройств и внутри каждого из архитектурных типов единого
набора модулей расширения. В итоге обеспечивается создание всего много-
образия требуемых для различных областей применения конфигураций
технических средств без затрат на избыточное оборудование.
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ПЭВМ
В РАЗЛИЧНЫХ СФЕРАХ ПРИМЕНЕНИЯ
(ИЗ ЗАРУБЕЖНОГО ОПЫТА)
• Требования сферы бытового применения. 1. Низкая стои-
мость. Рынок сбыта ПЭВМ для бытового применения очень чувствите-
лен как к стоимости аппаратных средств базовой конфигурации, так и
к затратам на дополнительно приобретаемое программное обеспечение.
Именно потому, что этот рынок является потребительским, требования
к сбыту ПЭВМ должны быть точно такими же, как и для любых товаров
массового потребления. Для аппаратных средств здесь существуют три
уровня цен: 100, 500 и 1000 долл. Верхняя граница той части семейного
бюджета, которая может быть выделена на приобретение вычислительной
машины минимальной конфигурации, находится примерно на уровне
1000 долл. Что касается программных средств, то цены здесь составляют
25-50 долл, для пакетов, связанных с организацией досуга, и 50-200 долл,
для пакетов, связанных с ведением семейного бюджета.
2. Расширяемость. Возможность расширения базовых систем посред-
ством подключения дополнительных периферийных устройств, ЗУ и кана-
лов связи, а также удобство постепенного преобразования их в совмести-
мые снизу вверх более мощные вычислительные системы — вот те факторы,
которые 'влияют на решение о приобретении ПЭВМ для бытового при-
менения.
3. Обучающие программы. Помимо организации досуга персональные
ЭВМ применяются также для обучения и тренировки. Сюда включаются
изучение языка Бейсик, элементарной математики, обучение чтению и
45
другим школьным предметам, а также использование учебных программ
средней школы.
4. Игры. Программные средства вычислительных машин обеспечивают
организацию досуга и игр; этот аспект применения ПЭВМ требует наличия
в их составе устройств для формирования динамических цветных изобра-
жений и звуковых эффектов.
5. Интеграция с другими домашними системами. В этом случае должна
предусматриваться аппаратура для подключения ПЭВМ к домашней системе
организации досуга, которая пока еще располагает только телевизионным
экраном, но в дальнейшем будет дополнена стереоаппаратурой, демонстра-
ционной телевизионной техникой, выходами в телефонную сеть и сеть
передачи данных.
Требования деловой сферы. 1. Память. Применение ПЭВМ в деловой
сфере требует большой емкости оперативной и вспомогательной памяти
для организации средних и больших баз данных. Как правило, современ-
ные коммерческие ПЭВМ имеют ОЗУ емкостью не менее 128 Кбайт и
внешние ЗУ емкостью примерно 1 Мбайт на гибких дисках и 10 Мбайт
на жестких винчестерских дисках.
2. Получение твердых копий. Необходимость подготовки отчетов,
служебных записок и диаграмм в удобном для использования виде тре-
бует наличия устройств текстового и графического вывода информации
на печать с высокой разрешающей способностью.
3. Развитое программное обеспечение. Обычно пользователь не обла-
дает ни должной квалификацией, ни ресурсами для самостоятельной раз-
работки программного обеспечения. А это значит, что такие пользователи
вынуждены нести значительные расходы на приобретение имеющихся
в продаже пакетов прикладных программ. В деловой сфере предпочте-
ние отдается аппаратным средствам, обеспечивающим поддержку широ-
кого набора операций редактирования, обработки текстов, табличных вы-
числений, построения графиков и ведения баз данных.
4. Поддержка. Выход из строя системы в деловой сфере приводит
к значительно более серьезным последствиям, чем в домашних условиях.
Поэтому пользователи требуют существенной поддержки со стороны
либо поставщика, либо посредника, либо внутрифирменного ремонтно-
консультационного центра для достижения приемлемого диапазона возмож-
ностей и времени восстановления системы.
Требования научной сферы. 1. Специализация системы. Пользователи
в научной среде нередко хотят получить аппаратные и программные сред-
ства для какой-либо узкой области применения. Например, использование
ПЭВМ в научно-исследовательской химической лаборатории обязательно
потребует приобретения устройств сопряжения с оборудованием, не входя;
Щим в комплект Машин (например, газовыми хроматографами, много-
канальными анализаторами, спектрометрами), и специального программ-
ного обеспечения для интеграции внешних систем с ПЭВМ. Если же готовых
программ не существует, пользователь ищет хорошие средства программи-
46
рования и отладки для самостоятельной разработки программного обеспе-
чения.
2. Высокое быстродействие. Поскольку в большинстве случаев при-
менение ПЭВМ в научной сфере связано с интенсивными вычислениями,
она должна обеспечивать высокую скорость выполнения численных
расчетов и эффективную передачу блока данных, что можно осуществить,
например, путем включения сопроцессора, предназначенного для выпол-
нения арифметических операций.
3. Среда программирования. Так как научные работники зачастую сами
разрабатывают программы, среда программирования должна быть богатой
и гибкой. В ней должны присутствовать такие средства, как экранные
редакторы, символьные отладчики и другие инструментальные программ-
ные средства.
Требования сферы обучения. 1. Удобство пользования. Для стимули-
рования обучения и концентрации внимания учащихся ПЭВМ должны осна-
щаться простыми в обращении программными средствами ведения актив-
ного диалога и удобными средствами общения с машиной.
2. Низкая стоимость. Учебные заведения, как правило, имеют огра-
ниченный бюджет и потому не могут позволить себе приобретать дорогие
системы с широкими функциональными возможностями.
3. Программные средства обучения. Персональная ЭВМ должна предо-
ставлять пользователю программные средства автоматизированного само-
обучения и развитую библиотеку специализированных программ.
4. Факторы окружающей среды. Аудиторная организация обучения
требует разделения основных ресурсов ПЭВМ, чтобы уменьшить затраты
на одного учащегося до приемлемого уровня. Такое разделение дости-
гается планированием работ, организацией локальных сетей или аппарат-
ным мультиплексированием. Кроме того, поскольку ПЭВМ часто исполь-
зуется в одном и том же учебном заведении разными группами учащихся
для разных предметов и в разное время, система должна быть мобильной.
Наконец, чтобы просто уцелеть в условиях учебного процесса, аппаратура
должна быть достаточно надежной.
Разумеется, не существует какой-либо одной модели персонального
компьютера, удовлетворяющего всем этим требованиям. Однако значи-
тельная часть требований покрывается имеющимися уже сегодня моделя-
ми, качество и возможности которых постоянно совершенствуются, а коли-
чество растет (см. приложение 4).
Что же остается „за кулисами” модели человеко-машинного диалога,
оставляющей пользователя один на один с персональным компьютером?
Остается проблема инерционности методов и сложившихся технологий
применения ЭВМ; под воздействием этой инерционности формируются
иной раз учебные программы курсов повышения квалификации для буду-
щих пользователей ПЭВМ. Слишком часто эти курсы оказываются пере-
груженными именно той информацией, которая стремительно устаревает
с переходом к диалоговым методам решения инженерных задач. В то же
47
время все большее значение приобретают задачи, возникающие в связи
с разумным разделением функций между персональными компьютерами
и дорогостоящими высокопроизводительными ЭВМ. „Феномен - персо-
нального компьютера” обусловлен не только появившейся в последние
годы возможностью резкого увеличения численности ЭВМ, но и тем, что
компьютеры этого класса обладают принципиально новой комбинацией
свойств и возможностей по сравнению с ЭВМ предыдущих поколений.
Первые три главы этой книги посвящены рассмотрению общихчерт персо-
нальных компьютеров, составляющих Облик ЭВМ этого класса безотно-
сительно к особенностям конкретных моделей.
fлава 2
ЯЗЫКИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ И ЯЗЫКИ ОБЩЕНИЯ
ДЛЯ ПЕРСОНАЛЬНЫХ ЭВМ
2.1. ЧТО ДОЛЖЕН ЗНАТЬ ИНЖЕНЕР
О ПРОГРАММИРОВАНИИ
ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ
По мере освоения массового производства персональных
компьютеров в странах* СЭВ решающее значение приобретает подготов-
ленность пользователей. Так принято называть специалистов, которые
не являются профессионалами в области вычислительной техники (и не
стремятся ими стать), но нуждаются в прямом, без посредников, доступе
к ресурсам ЭВМ. С учетом намеченных масштабов производства ПЭВМ
очевидно, что проблема ежегодной подготовки примерно стотысячного
контингента специалистов не укладывается в существующую схему повы-
шения квалификации. Решению этой проблемы должно помочь важнейшее
обстоятельство, связанное со специфическими особенностями персональ-
ного компьютера.
Во-Первых, пользователь ПЭВМ не столько занимается программиро-
ванием в прямом смысле этого слова, сколько ведет диалог с готовыми
программами. Такое утверждение способно вызывать естественное недо-
верие у инженера, привыкшего считать, что доступ к ЭВМ требует серьез-
ного .„вступительного взноса” — детального изучения нескольких томов
руководств и инструкций по программированию. Известно, как темпера-
ментно реагируют инженеры-пользователи, освоившие Фортран или ПЛ/1,
на предложение программистов вычислительного центра готовиться к пере-
ходу на новую версию операционной системы или к освоейию нового
компилятора.
48
Во-вторых, пользователь ПЭВМ получает возможность непосредствен-
ного обращения к информации, представленной в привычной для него
форме — в виде текстов, таблиц и чертежей. Работа с такими крупными
объектами, как документ или сборочный чертеж, на экране дисплея ПЭВМ
позволяет инженеру сосредоточиться не на деталях кодирования машин-
ных программ, а на постановке задачи и анализе различных вариантов
ее решения при различных исходных данных. Языки общения, диалога
с персональным компьютером создаются профессиональными программис-
тами прежде всего на основе детальной модели задачи, сформулированной
в терминах, понятных пользователю. В разработанных и готовящихся к вы-
пуску учебниках по школьному курсу „Основы информатики и вычисли-
тельной техники” подчеркивается, что язык программирования служит
для школьников — будущих массовых пользователей ЭВМ — лишь одним
из многих средств практического закрепления знаний, полученных при
изучении алгоритмов и простейших способов их записи. Уменье работать
с информацией и, в частности, решать задачи с помощью ЭВМ (с исполь-
зованием в большинстве случаев готовых программ) безвозвратно вы-
тесняет представление о компьютерной грамотности как умении програм-
мировать с искусным использованием особенностей конкретной ЭВМ.
Для инженера сказанное должно означать, что решающее значение
приобретает его способность выбрать, оценить и умело использовать гото-
вую прикладную программу. Проведение расчетов по уникальным алго-
ритмам требует освоения языков программирования, однако и здесь
залогом эффективной работы является применение „сборочных” мето-
дов проектирования программ, опирающихся на широкое использование
программных модулей {12, 23, 28]. С боротые методы существенно
повышают надежность программ. Освоение этих методов необходимо, по-
скольку важной областью применения ПЭВМ становится разработка уни-
кальных управляющих программ для встраиваемых в промышленное
оборудование микропроцессорных контроллеров. Читатель, интересую-
щийся этими вопросами, может найти необходимые сведения в [8, 45].
Тиражирование программных средств в настоящее время осуществ-
ляется организациями, ведущими Государственный фонд алгоритмов и
программ (ГОСФАП). В структуру ГОСФАП входят межотраслевые спе-
циализированные, отраслевые (ведомственные) и республиканские
(территориальные) фонды алгоритмов и программ.
Действующие положения предусматривают выполнение этими фондами
следующих функций:
проведение учета и анализа потребностей массовых пользователей
ЭВМ в программных средствах;
подготовка проектов планов, предусматривающих разработку про-
граммных средств;
организация и проведение экспертизы (аттестации) программных
средств, принимаемых в фонд для тиражирования;
накопление программного и информационного фондов, включая
49
архив эталонных программ и их версий на машинных носителях с' комп-
лектом документации;
проведение расчета и анализа экономического эффекта от использо-
вания программных средств;
ведение справочно-информационной службы по материалам фонда
и взаимодействие с другими фондами.
В ближайшей перспективе фонды программ для персональных ком-
пьютеров призваны решить такие задачи, как проведение активной техни-
ческой политики в области унификации (и, где это целесообразно, стан-
дартизации) программных средств, разработка руководящих технических
материалов по составу и оформлению пользовательской документации и
создание методов массового тиражирования программ для ПЭВМ.
Аттестация программ - это наиболее ответственный этап, который
должен в полной мере отражать требования массовых пользователей ПЭВМ.
Приходится констатировать, что в жизненном цикле программы как круп-
носерийного промышленного изделия этот этап остается наименее исследо-
ванным. Экспертные оценки качества программ, имеющие вид анкет, срав-
нительных таблиц или рецензий, остаются основным методом аттестации.
Расплывчатость таких оценок подчеркивается получившим широкое рас-
пространение „пользовательским фольклором”. Мнение коллеги или
просто случайного собеседника на семинаре становится определяющим,
если пользователю недоступны обоснованные и прошедшие широкое обсуж-
дение аттестационные характеристики программ. Однако в любом слу-
чае субъективность таких оценок заставляет задать вопрос: почему
в производстве программных средств ие применяются в полной мере
механизмы отраслевых и государственных стандартов?
ПОНЯТИЕ О ПРОГРАММНОМ ИЗДЕЛИИ.
ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ПРОГРАММЫ
Мировой опыт показывает, что сегодня разработка стандар-
тов на массовые программные изделия отстает от потребностей пользо-
вателей и едва успевает удовлетворять профессиональных программис-
тов по важнейшим направлениям (САПР, системы связи, автоматизация
научных экспериментов). Основная причина такого положения дел специа-
листам очевидна: программное обеспечение унифицированных (программ-
но-совместимых) ЭВМ третьего поколения в силу самих принципов своего
построения стало громоздким, инерционным — трудно отказаться от уже
освоенного „монолита” программ — и чрезмерно сложным в эксплуата-
ции. Хорошо известен такой пример: по общему объему документации
сопоставимы такие системы, как система выведения-большого полезного
груза на траекторию межпланетного полета, система связи по телефонным
каналам в большой промышленно развитой стране и система программ-
ного обеспечения для одной-единственной серии моделей ЭВМ третьего
поколения. И если конечный эффект от применения первых двух систем
50
инженеру объяснять не приходится, то по поводу третьей остается задать
вопрос — достижение какого результата она гарантирует?
Процесс стандартизации программных средств полезен прежде всего
тем, что он способствует распаду таких „монолитных” систем на функцио-
нальные блоки, располагающиеся по нескольким этажам сложности и
имеющие точно определенную систему связей (или, как принято гово-
рить, протоколов). Постараемся с этой точки зрения оценить состав и
уровень унификации программного обеспечения персональных компью-
теров, осваиваемых в XII пятилетке.
„Нижний этаж” программного обеспечения составляют программы
операщюнной системы ЭВМ, которой поручается организация нормаль-
ного функционирования устройств и реакция на аварийные ситуации,
а также организация взаимосвязи всех остальных программных средств.
Операционная система персонального компьютера на первый взгляд
должна быть много проще подобных систем для высокопроизводительных
ЭВМ — ведь в ее задачи входит обслуживание одного пользователя, рабо-
тающего с довольно ограниченным составом устройств. Однако эта просто-
та достижима лишь в персональных компьютерах минимальной стои-
мости (бытовые и учебные ПЭВМ [7, 58]). Примерами простейших опе-
рационных систем для ПЭВМ являются ОС ДВК [62], РАФОС [14],
МИКРОС-80 [51], МИКРОДОС [56], которые весьма близки по составу
и функциям, хотя и реализованы на ПЭВМ с различными архитектурами.
Операционная система полностью „растворяется” в аппаратуре быто-
вых ПЭВМ, где она размещена в ПЗУ и с точки зрения пользователей не-
отделима от встроенного интерпретатора языка программирования или
текстового редактора. Программы, находящиеся в ПЗУ, как бы автомати-
чески получают все свойства промышленных изделий.
Перечисленные выше операционные системы технически нецелесооб-
разно размещать в постоянной полупроводниковой памяти ПЭВМ. Важней-
шим их свойством является возможность наращивания новых функций
без изменения в аппаратуре. Появившись в системе, это свойство порож-
дает проблему: операционные системы двух однотипных ПЭВМ перестают
быть идентичными, теряется важнейшее свойство промышленного серий-
ного изделия — неотличимость от себе подобных. Единственным практи-
ческим способом решения этой проблемы является введение механизма
версий - „расширенных и исправленных переизданий” сложных системных
программ.
Программа, имеющая несколько версий, уже ие может быть уподоб-
лена детали машины. У такой программы появляются новые свойства
(тиражирование ведется на магнитных носителях, пользователь может
вносить в такую программу некоторые изменения). Соответственно к та-
кой программе, если рассматривать ее как промышленное изделие,
предъявляются новые требования. Основным среди них является требова-
ние совместимости между версиями программы.
Понятие совместимости означает, что пользователь новой версии
программы не отказывается от ставшей для него уже привычной мето-
51
дики работы с программой, а только присоединяет к этой методике по-
явившиеся в новой версии дополнительные возможности. Такая функцио-
нальная совместимость дополняется требованием совместимости по дан-
ным: пользователь не должен при переходе на новую версию программы
вводить в ПЭВМ те данные, которые были подготовлены с помощью преды-
дущей версии этой же программы.
Уже из этих примеров ясно, что жизненный цикл программного изде-
лия, имеющего несколько версий, сложнее, чем для программ, записывае-
мых.в ПЗУ. На рис. 2.1 изображены схемы жизненного цикла программных
изделий для этих двух случаев. Поскольку поддержка каждого этапа жиз-
ненного цикла программы, предназначаемой для массовых ПЭВМ, оказы-
вается дорогостоящим мероприятием, естественно стремление постав-
щиков ПЭВМ к максимальной стабильности характеристик программы.
Для достижения этой цели применяются три взаимодополняющих метода:
метод открытой архитектуры сложных программ, в соответствии
с которым на самом, раннем этапе разработки программы определяются
протоколы взаимодействия между ее отдельными блоками и изменения
в одном блоке не влекут за собой цепной реакции изменений в других
блоках;
создание мобильных программ, которые без изменений (или с мини-
мальными оговоренными изменениями) могут быть использованы на
ПЭВМ' различных типов. Процедуры переноса мобильных программ вы-
полняются, как правило, профессиональными программистами, а полу-
ченный в результате переноса фонд системных и прикладных программ
Рис. 2.1. Жизненный цикл программного изделия:
а) программа, имеющая несколько версий; б) программа — промышленное изделие
52
может быть полностью сохранен для пользователей, переходящих на
новую модель ПЭВМ;
унификация и стандартизация программных изделий. Этот метод при-
меняется редко в связи с врожденной изменчивостью программных изде-
лий, и поэтому чаще пользуются стандартами и другими нормативными
документами, описывающими языки программирования, форматы дан-
ных, методы кодирования информации и т. д.
В то время как для системных (профессиональных) программистов
важнейшей заповедью является соблюдение принципов открытой архитек-
туры, мобильности и унифицируемости программ, для пользователя эти
принципы остаются вещью в себе. Только в тех случаях, когда пользова-
тель сам программирует на языках высокого уровня или пытается органи-
зовать обмен данными между независимо разработанными программами,
он может оценить важность требований, сконцентрированных в этих прин-
ципах. На практике пользователь ПЭВМ чаще будет нуждаться в методиках
аттестации готовых прикладных программ на соответствие своим требо-
ваниям. Один из практически используемых вариантов такой методики
будет детально рассмотрен в § 2.4.
ОТ ПРОГРАММИРОВАНИЯ - К ОБЩЕНИЮ
Диалоговые (или, как еще говорят, интерактивные) модели
работы с ЭВМ были впервые опробованы инженерами-пользователями
еще в начале 60-х годов. Говоря о диалоговом режиме, будем считать,
что полноценный диалог человека с ЭВМ устанавливается только тогда,
когда машина-партнер не навязывает пользователю модели общения,
перегруженной специфически „машинными” подробностями. Хотя сегод-
няшний уровень аппаратуры ПЭВМ еще далек от того, чтобы реализовы-
вать диалог с машиной на языке, близком к естественному, программис-
там удалось найти несколько удачных метафор общения, почти- полностью
заслоняющих от пользователя детали конструкции ЭВМ. Отправной точ-
кой развития всех моделей диалога с ЭВМ является попытка разреше-
ния известного' противоречия - чем проще и удобней для пользователя
модель общения; тем труднее добиться эффективности готовых программ.
Для пользователей, впервые осваивающих ЭВМ после работы на про-
граммируемом инженерном микрокалькуляторе, само существование
этого противоречия является неожиданностью. Привыкнув к тому, что
после освоения правил работы на калькуляторе (пусть даже не очень естест-
венных и изобилующих ограничениями) можно свободно пользоваться
всеми его ресурсами (пусть даже не очень обширными), инженер требует
такой же эффективности от ЭВМ. В ответ он слышит о большом объеме
ядра операционной системы, находящегося в памяти, о низком качестве
программ, получающихся после трансляции исходных текстов на языке
высокого (!) уровня, и о многих других скрытых ограничениях систем-
ных программ. Итак, с одной стороны, гораздо большие, чем у калькуля-
53
тора, ресурсы ЭВМ, а с другой - расходование этих ресурсов на нужды
операционной системы. Отсюда стремление многих инженеров-пользова-
телей освоить программирование на языке ассемблера и, как следствие,
низкая производительность их труда.
Первым инструментом диалогового общения с ЭВМ при решении ин-
женерных задач стал язык программирования Бейсик. Изначальное отно-
шение к этому языку определяет широко распространившаяся его харак-
теристика — „Бейсик — это Фортран для начинающих”. Уважительное
отношение к Фортрану, сложившееся во всем мире среди инженеров-поль-
зователей ЭВМ и обусловленное огромным объемом фонда готовых про-
грамм на этом языке, распространилось на Бейсик стихийно. Однако
прошло не менее десяти лет с появления первых Бейсик-систем учебного
назначения, прежде чем начали появляться Бейсик-системы профессио-
нального уровня. На первых микроЭВМ (таких, как СМ1800 [60]) или
позднее на персональных компьютерах эти системы объединили в себе
Удобство диалоговой разработки и отладки программ с возможностью
получения (путем компиляции) эффективных программных изделий
в машинных кодах. За последние 10-15 лет появились и продолжают
появляться более мощные и удобные языки диалогового программиро-
вания, но ни один из них не приобрел популярности Бейсика. Причины
тому — предельная простота минимального диалекта этого языка и отме-
ченное выше родство с Фортраном.
Параллельно с развитием инструментальных средств диалогового
программирования — редакторов исходных текстов программ, трансля-
торов, компоновщиков и других служебных программ (рис. 2.2) проис-
ходило развитие диалоговых пакетов прикладных программ (ППП).
Само, понятие ППП исторически связано с освоением ЭВМ третьего поко-
ления — прежде всего таких высокопроизводительных машин, как стар-
шие модели ЕС ЭВМ. Состав оборудования таких ЭВМ формировался
Редакторы исходных
текстов программ
Редакторы фрагмен-
тов графических
изображений
Редакторы форма-
тов машинных
Вокумектод
Редакторы текстов,
имеющих произволы.
ную структуру
иблиотени программ
машинной графина.
Интерпретаторы(Вейа1К,
проблем но-ориентирован-
ные мети)
Компиляторы с диалого-
вым управлением (Паскаль;
Си, бейсик,...)
Диалоговые лзыни длп
• работы г базами данных
Дссемблер/дизассемблер
с диалоговым управлением
Программы-конверторы
Компоновщики програм-
мных модулей
Мониторы-отладчики,
программ В машин-
ных кодах
Рис. 2.2. Примерный состав инструментальных средств диалогового программирования
54
под воздействием единственного требования — необходимости свести
к минимуму „непроизводительные”, с точки зрения администрации вычис-
лительного центра, затраты времени на переход от задачи к задаче. На-
стройка ПИП на решение конкретной задачи в этом случае выполняется
пользователем заранее, и все настроечные параметры должны быть объеди-
нены в пакет, передаваемый диспетчеру вычислительного центра (отсюда
термин „пакетный режим”). Ясно, что продолжительность цикла обратной
связи, предопределяющая возможность диалога с ЭВМ, измерялась здесь
часами или сутками. Появление персональных компьютеров, для которых
стоимость основных ресурсов - процессора и памяти — находится обычно
в пределах между 1 и 10 тыс. рублей, обуславливает совершенно другую
модель диалога с машиной. Непроизводительные затраты времени на пере-
ход от задачи к задаче, или от одного этапа решения задачи к другому,
рассматриваются пользователем ПЭВМ как вполне естественные паузы,
свойственные любому нетривиальному диалогу в ходе работы с моделью
изучаемого процесса, с большим архивом и т. п. Многие принципы и
приемы построения ППП, сложившиеся в условиях пакетного режима
использования ЭВМ, оказываются неестественными или неэффективными
с точки зрения пользователя ПЭВМ. Поэтому в восьмидесятые годы систем-
ные программисты, создающие ППП, вошли с совершенно новой пробле-
матикой задач. Начались активные поиски простых моделей диалога, в ко-
торых пользователь непосредственно наблюдает за изменением состояния
решаемой задачи на экране дисплея ПЭВМ.
Ясно, что любые промежуточные этапы кодирования и декодирования
информации ухудшают качество диалога пользователя с ЭВМ. Поэтому
в ПЭВМ используются новые (либо хорошо забытые старые) способы ко-
дирования и представления информации:
использование существенно расширенного по сравнению с ЭВМ преды-
дущих поколений набора символов в алфавите ЭВМ. Новейшие варианты
машинных алфавитов содержат сотни символов и командных кодой, раз-
битых для удобства на функциональные группы;
использование пиктограмм для повышения информационной насыщен-
ности диалога. Именно в ходе общения человека с ЭВМ приходится часто
вспоминать известное высказывание: „одна картинка стоит тысячи слов”;
возможность представления интегральных характеристик больших
массивов чисел в форме графиков и диаграмм, сопровождаемая возмож-
ностью оперативного изменения изобразительных средств в ходе диалога
(отбора наглядного варианта);
использование так называемых функциональных клавиш, нажатие на
которые порождает в памяти персонального компьютера строки по
10-100 символов каждая (этот прием сродни применению стенографии
или кнопок с транспарантами на сложных операторскйх пультах).
Эти возможности ПЭВМ, перечень которых можно продолжить, явля-
ются сами по себе лишь фундаментом для построения диалоговых ППП.
Языки общения с такими ППП принято называть в современном про-
55
граммировании объектно-ориентированными. Объектом в диалоге
является законченный фрагмент текста, изображения или динамической
модели изучаемого пользователем процесса. Изменение состояния про-
граммы в памяти ПЭВМ приводит к немедленному изменению состояния
видимого на экране дисплея представления объекта. Зоны представления
различных объектов на экране могут перекрываться из-за ограниченных
размеров экрана, однако по желанию пользователя объекты, находящиеся
„за кулисами” или „на заднем плане” рабочей части экрана, могут быть
перемещены „на авансцену”. Использование терминологии сценических
постановок неслучайно; работая с объектно-ориентированным представле-
нием данных, пользователь ПЭВМ приобретает статус режиссера, активно
воздействующего на сценарий диалога.
Какие взаимоотношения устанавливаются между языками программи-
рования и языками делового общения с ППП? Многие системы программи-
рования на ПЭВМ вбирают в себя объектно-ориентированный подход, что
прежде всего делает гораздо более наглядными процессы отладки и внесе-
ния изменений в программы (по этому пути развивается известная Р-тех-
нология программирования [12, 13, 28]). Языки общения, в свою очередь,
позволяют при необходимости описывать довольно сложные алгоритмы
работы с текстами, таблицами и т. п., так что симбиоз этих языков оказы-
вается весьма продуктивным.
2.2. РАЗВИТИЕ СРЕДСТВ ПРОГРАММИРОВАНИЯ
ИНЖЕНЕРНЫХ ЗАДАЧ
ФОРТРАН В XXI ВЕКЕ?
> В известном фантастическом фильме „Космическая одиссея
2001 года”, где одним из заметных персонажей стал бортовой компьютер
по имени ХАЛ, зрители-программисты подметили одну курьезную деталь.
На экране компьютера в одном из эпизодов пробегают строки текста,
приглядевшись к которому нетрудно распознать ... фрагмент программы
на Фортране. Оставляя эту деталь на совести консультантов фильма, зада-
димся вопросом: какими факторами обусловлено появление, распростра-
нение и исчезновение языка программирования?
Появившись в конце 50-х годов, когда инженеры были едва ли не един-
ственными пользователями ЭВМ, Фортран немедленно приобрел популяр-
ность. Сам факт наличия Фортран-системы в составе программного обес-
печения новой ЭВМ всегда оказывался для инженера решающим аргумен-
том при выборе машины. Этот язык оказался продуктивным генератором
идей и для системных программистов — из набора программ для работы
с устройствами ввода-вывода, входящих в состав Фортран-систем, выросли
первые операционные системы, системы машинной графики и многочислен-
ные пакеты служебных программ. Удобные, хотя и несколько прямоли-
56
нейные, методы создания библиотек стандартных программ, распределения
памяти при работе программ и обмена данными между программами легли
в основу новой инженерной дисциплины — технологии программирования
больших задач.
Основными структурными единицами программ на Фортране являются
подпрограммы, массивы рабочих ячеек, массивы констант и массивы об-
щих переменных для нескольких подпрограмм (рис. 2.3). Такое разделе-
ние текста программы впервые позволило говорить о модульном, „сбороч-
ном” стиле программирования. Определив набор переменных и указав
их тип (либо приняв рекомендуемые в языке правила именования перемен-
ных), программист-инженер приступает к реализации алгоритмов отдель-
ных подпрограмм. Алгоритмы записываются с помощью формул, приспо-
собленных к чисто линейной, в одну строчку, форме записи, и нескольких
простых служебных конструкций — цикла, ветвления по условию, вызова
других подпрограмм и т. д. Числа являются основным сырьем для обработ-
ки в Фортран-программах: отсюда некоторая неуклюжесть конструкций
языка при работе с текстовой информацией.
В реализации Фортрана допускаются различные ухищрения с целью
экономии общего объема рабочих ячеек памяти, занимаемых программой
после трансляции. В противовес этим ухищрениям другой язык програм-
мирования — Алгол — позволил реализовать экономную схему автоматиче-
ского распределения памяти, что послужило основой для конкуренции этих
языков в практике решения инженерных задач. В течение долгого времени
вопрос экономии емкости памяти без существенного замедления работы
программ остается наиболее актуальным, и соревнование авторов транс-
ляторов в методах оптимизации программ (достижении разумного балан-
са „память-время”) позволило снять с повестки дня ассемблерное програм-
мирование расчетных задач,-
B3U
Массады
файлы)
йблиоте-
анкых
библиотека,
служебных
подпрограмм
Фортран-
системы
<телем
Рис. 2.3. Основные структурные единицы Фортан-системы ,
'кых колозода-
'библиотеки,
исходных и про.
гжрточных текстов
'программ, разрабатыва
смых пользователем
Фортран остается сегодня единственным языком программирования,
реализованным на всех без исключения типах ЭВМ — от персональных
компьютеров до мощнейших супер-ЭВМ. Существует обширная справоч-
ная и методическая литература по программированию на этом языке
(например, [ 6]), публикуются и тиражируются на магнитных носителях
библиотеки и ППП, многие научные монографии содержат в качестве
иллюстраций или приложений тексты Фортран-программ. На фоне этого
тотального успеха пользователи персональных компьютеров должны
помнить только’ об одном „уязвимом месте” в идеологии Фортрана —
отсутствии современных средств обеспечения надежности создаваемых
программ. В Фортране сравнительно легко допустить труднообнаружи-
мую ошибку, а отсутствие диалоговых реализаций языка ограничивает
возможности отладки и тестирования программ.
О НАДЕЖНОСТИ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
Персональный компьютер станет для многих инженеров пер-
вой ступенью на пути к освоению одной из наиболее массовых дисциплин
в практике инженерного труда — технологии проектирования встроенных
микропроцессорных устройств. Эти управляющие и измерительные уст-
ройства радикально отличаются по своей конструкции от простых коман-
доаппаратов, блоков управления для станков с ЧПУ и релейно-контактных
устройств, однако они обязаны унаследовать все лучшее в методике
проектирования устройств предыдущих поколений. И если методы уп-
равления надежностью аппаратуры образуют уже достаточно сложившуюся
область современной технологии, то обеспечение надежности и в особен-
ности контролепригодности (верифицируемости) программ остается
наиболее трудноразрешимой проблемой в современном программировании.
Наиболее детально положение дел в этой области рассмотрено в [ 54];
не отвлекаясь на пересказ содержания этой работы, сосредоточимся
на сравнительном анализе различных языков программирования ПЭВМ
в этом аспекте.
Абсолютная эффективность программ и одновременно их абсолют-
ная ненадежность - основные признаки» ассемблерной технологии прог-
раммирования. Хотя на первый взгляд этому утверждению противоречит
весь опыт эксплуатации таких крупных программных комплексов, как
операционные системы больших ЭВМ, большие управляющие программы
и библиотеки программ для оборудования с ЧПУ, следует различать
надежность, достигаемую в процессе эксплуатации, и надежность, за-
кладываемую как контролируемое свойство программы на этапе ее
проектирования. Источником ненадежности программ на ассемблере
является обычно как раз стремление программиста, достичь эффектив-
ности путем „игры на побочных эффектах”, подобно тому как инженер-
электронщик пытается использовать непаспортные режимы интеграль-
ных микросхем, а шофер-любитель — недостаток бдительности инспек-
58
тора ГАИ. Ни одна из систем программирования на языке ассемблера
не обеспечивает никаких средств контроля надежности программ, за
исключение^! простейших проверок правописания. Программирова-
ние как искусство реализации алгоритмов без механизмов управления
надежностью начинает уступать место системному подходу к проекти-
рованию программ.
Контроль типов данных, участвующих в арифметических и логиче-
ских операциях, стал первым шагом на пути к повышению надежности
программ. Если в Фортране этот контроль носит фрагментарный ха-
рактер (т. е. в конечном счете не позволяет решить задачу надежного
программирования), то в языках Алгол, Симула и Паскаль работа
с данными различных типов, т. е. имеющими различные порождающие
правила, начала приобретать характер всеобъемлющей дисциплины
программирования. Язык Паскаль, вытеснивший Фортран из многих
вузовских учебных программ, содержит разнообразные механизмы
для работы с типами данных и поддерживает процедурный (модуль-
ный) стиль программирования [37]. Пик популярности яз,ыка Пас-
каль совпал по времени с появлением первых персональных компью-
теров, что способствовало появлению обширной учебной литературы
и удачных реализаций Паскаль-систем. Следует отметить, что именно
на базе Паскаля были созданы первые экспериментальные и промыш-
ленные образцы систем программирования для встроенных микропроцес-
сорных устройств (Concurrent Pascal, Micropower Pascal и Др.).
Позже авторы систем программирования для массовых ЭВМ и встроен-
ных микропроцессорных устройств разделились на два лагеря — „глобалис-
тов” и „прагматиков”. Сторонники глобального подхода к обеспечению
надежности программ сгруппировались вокруг проекта, ставившего целью
разработку системы программирования для поддержки полного жизнен-
ного цикла программ во встроенных устройствах. Языком программи-
рования для этой системы стал язык Ада [9]. Существенно, что в каче-
стве отправной точки при выборе характеристик языка был определен Пас-
каль.
С 1979 г. язык Ада проходит тщательную техническую проверку и
оценку в процессе программирования прикладных программ из более- чем
ста областей. Только в 1985 г. реализации пока еще далеко не полной
Ада-системы (подразумевается неполнота системы, но отнюдь не языка:
подмножества и даалекты в нем запрещены) появились на наиболее высо-
копроизводительных моделях персональных компьютеров. С учетом этих
данных можно оценить трудоемкость, свойственную глобальному под-
ходу, и область существования Ада-систем.
Язык Ада отличается от Паскаля стандартным! возможностями мо-
дульного и параллельного программирования, наличием средств сборки
больших программ и рядом новых управляющих конструкций. Способ
описания типов данных близок к принятому в Паскале, но при этом во-
брал в себя черты ряда экспериментальных языков программирования.
59
Важнейшим понятием языка Ада является пакет — основной объект в
структуре программы, который позволяет рассматривать как одно целое
логически связанный набор ресурсов, определять совокупность общих
данных, совокупность связанных подпрограмм и абстрактных (т. е. по-
рождаемых с учетом вводимых пользователем ограничений) типов дан-
ных.
Проект, основанный на языке Ада, является в настоящее время важ-
ным источником идей и частных решений, применяемых при разработке
промышленных систем программирования для персональных компьюте-
ров. Понятие пакета в этом языке может быть эффективно использовано
при создании 111111 для ПЭВМ, авторы которых опираются на объектно-
ориентированный подход (см. § 2.1).
В лагере „прагматиков” отмечают существенную потерю эффектив-
ности программ, свойственную глобальному подходу к обеспечению их
надежности. В отсутствие формальных методов доказательства правиль-
ности практически ценных программ, считают сторонники прагматиче-
ского подхода, следует ориентироваться на простые и легко контролируе-
мые при отладке протоколы обмена данными между модулями прог-
раммы, а сами модули должны иметь минимальные размеры. Далее, по-
скольку отладка и модификация программ в процессе'их эксплуатации —
процесс практически неизбежный, следует стремиться к максимально
высокой тиражности программ (отладка на большом ансамбле -иден-
тичных программ). Отсюда — сопряженное с требованием надежности
требование мобильности программ. Ответственность за соблюдение
строгой дисциплины надежного программирования перекладывается
на программиста, которому для этих цепей предоставляется широкий
набор инструментальных средств (отладочный интерпретатор, целевой
компилятор, редактор исходных текстов, библиотека многочисленных
мелких программ-инструментов и др.).
Читателям, интересующимся этим направлением в технологии
программирования,, целесообразно провести самостоятельный сравни-
тельный анализ таких различных по начальным предпосылкам систем
программирования, как Форт [115] и Си [40]. На этом направлении
получены важные результаты по^ отработке архитектуры виртуальных
машин. Этим термином в программировании обозначают компактные
интерпретаторы придуманных системными программистами наборов
команд,, предельно близких по возможностям к наборам команд реаль-
ных ЭВМ или микропроцессоров, но отличающихся концептуальной прос-
тотой. Разработка виртуальных машин имеет прямое отношение к надеж-
ности программ. Действительно, если программисту удалось придумать
простую архитектуру „идеальной” для его целей машины, то резко сни-
жается вероятность самого существования побочных, эффектов (см.
выше об ассемблерном программировании). Оригинальный подход к ар-
хитектуре виртуальной машины для встроенных микропроцессорных уст-
ройств развивается в системе ДССП-80 [ 4].
60
Обравование Планово-экономи- САПР Научные
чесние расчеты исследования
Рис. 2.4. Языки программирования для ПЭВМ
С учетом сказанного становится очевидным разделение ролей между
различными языками программирования для ПЭВМ (рис' 2.4).
2.3. БЕЙСИК - ФОРТРАН ДЛЯ НАЧИНАЮЩИХ?
ИСТОРИЯ ДИАЛЕКТОВ БЕЙСИКА
Прямыми предшественниками персональных компьютеров
являются терминалы диалоговых систем с разделением времени, получив-
ших распространение в 60-х годах. Разделение времени доступа несколько
десятков или сотен пользователей к дорогостоящим ресурсам высокопро-
изводительных ЭВМ имело одно важное достоинство: хотя паузы и задерж-
ки в диалоге „человек-машина” были неизбежными, именно они создавали
ощущение естественного темпа диалога у пользователя. Сказанное, разу-
меется, относится к хорошо сбалансированным системам. В целом инже-
неры-пользователи высоко .оценили возможности систем с разделением
времени и остро нуждались в диалоговом языке программирования для
решения своих задач. Таким языком стал созданный в 1965 г. сотрудни-
ками Дартмутского колледжа (США) язык Бейсик.
Известны многочисленные реализации этого' языка на малых ЭВМ как
в однопользовательском, так и в многопользовательском режимах (см.
реализацию для операционных систем ДОС РВР/ДОС КП СМ ЭВМ [68],
получившую распространение в вузах стран СЭВ). Относительная просто-
та реализации интерпретаторов Бейсика имеет оборотную сторону: боль-
шинство авторов Бейсик-систем существенно расширяет возможности
языка по сравнению с объявлением в 1968 г. „минимальным” стандартом
Бейсика, полностью оставляя в стороне соображения мобильности поль-
зовательских программ,- Сложившаяся генеалогия Бейсик-систем изобра—
.61
жена на рис. 2.5. По вполне понятым причинам она не отражает все раз*
нообразие реализаций (их число уже давно измеряется сотнями, см.,
например, [111]).
Можно выделить несколько основных этапов развития Бейсика.
Бейсик-системы первого поколения (1965—1970 гг.) были реализо-
ваны преимущественно на высокопроизводительных ЭВМ в составе сис-
тем с разделением времени. Хотя большинство из этих Бейсик-систем'
предназначалось для обучения программированию, в некоторых из них
были заложены отдельные черты профессиональных языков программи-
рования. В частности, Бейсик стал первым распространенным языком,
в котором присутствовали операции иад матрицами. В это же время
появились первые простейшие однопользовательские реализации Бей-
сика для малых ЭВМ, где возможности Бейсика были ограничены
малыми ресурсами процессора и памяти. В результате появился пер-
вый вариант стандарта для „минимального” Бейсика, применение кото-
рого гарантировало мобильность простых вычислительных программ.
Бейсик-системы второго поколения (1971—1976 гг.) развивались
преимущественно на малых ЭВМ. Наибольшую известность получили
реализации на ЭВМ фирмы DECK (США) — язык Бейсик-плюс —
и на ЭВМ, ставшей предшественницей персональных компьютеров,
Ванг-2200. Для Бейсик-систем этого поколения характерно расшире-
ние возможностей языка включением в него многих функций опера-
Бейсик Дартмутского
• колледжа —_____
Диалекты бейсика бейсик для первой
для систем с разве- малой ЭВМ
лением времени
бейсик БЭСМ-в, 1 Бейсик-плюс,
бейсик ЕС ЭВМ I бейсик Ванг-ггОв
бейсик для ЭВМ
третьего поколения
Однапокыовотельений
Вариант бейсака(ЛСвТ)
Бейсин для сетевых Микрософт
информационных я
систем
Диалекты Бейсика
для перйых ПЭВМ
Бейсик персонального Структурированные. Бейсик для бытовых
компьютера IBM диалекты бейсика и учебных ПЭВМ
Специализированные диалектм Бейсика
Рис. 2.5. Генеалогия реализаций языка Бейсик
62
ционной системы ЭВМ. Хотя этот прием подрывал возможность обес-
печения совместимости, поставщики ЭВМ в условиях быстро расту-
щего спроса на диалоговые системы игнорировали совместимость,
развивая собственные фонды прикладных программ. Второе поколение
Бейсик-систем помогло закрепить значение Бейсика как языка програм-
мирования для профессиональных применений (деловых и инженерных
расчетов, автоматизации научных исследований). К этому времени реа-
лизации Бейсика появились на малых ЭВМ АСВТ, на первых моделях
СМ ЭВМ, в ЕС ЭВМ и для БЭСМ-6.
Бейсик-системы третьего поколения (1977 — 1980 гг.) связаны в ос-
новном с появлением диалекта языка, завоевавшего статус неофициального
стандарта „де-факто”. Широко известная фирма-поставщик программного
обеспечения для микроЭВМ Microsoft (США) разработала интерпретатор
и компилятор для диалекта Бейсика, в который были введены операции
над строковыми символьными переменными, числами с увеличенной
разрядностью и графическими объектами, а также были использованы
средства для написания хорошо структурированных программ. Тиражи-
рование этих трансляторов на первых массовых микроЭВМ Apple, Commo-
dore и Tandy, а также возможность использования этих трансляторов в
рамках операционной системы СР/М обеспечили этим программным из-
делиям рекордные в компьютерной промышленности объемы поставок —
несколько сотен тысяч экземпляров. Отличительной чертой Microsoft-
BASIC явилось то, что вместо введения специальных операторов для
связи с операционной системой использовались простые операции досту-
па к ячейкам ОЗУ и входным точкам системных программ. Благодаря
этому Microsoft-BASIC приобрел компактность и обозримость, а также
достиг высокого уровня мобильности. Реализация этого диалекта Бей-
сика имеется на микроЭВМ СМ1800 [ 60].
В 80-х годах распространение Microsoft-BASIC пережило вторую
фазу в связи -с началом производства персональных компьютеров.
Сейчас практически стабилизировался состав операторов для работы
с графическими объектами, файлами и подпрограммами в машинных
кодах. Известен проект стандарта США, опирающийся в основном
на Microsoft-BASIC. Реализация этого диалекта предусмотрена для
всех ПЭВМ, выпускаемых в странах СЭВ со второй половины 80-х
годов. Стоит также отметить появление в этот период расширенных
диалектов Бейсика, лишенных хорошо известных недостатков
'изначального характера (принудительная нумерация строк, слабости
механизма подпрограмм). Такие диалекты (например, Бейсик/F
[44]) могут найти применение среди профессиональных программи-
стов. В целом процесс стабилизации Бейсика как массового языка
программирования практически завершен, и его „область существо-
вания” очевидна (см. рис. 2.4).
63
СОВРЕМЕННЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ БЕЙСИКСИСТЕМ
ДЛЯ ПЭВМ
Многим пользователям ЭВМ известны опасения, выска-
зываемые рядом специалистов по языкам программирования, относи-
тельно негативных эффектов от изучения Бейсика как первого языка
программирования. Относясь к этим опасениям со всей серьезностью,
следует учитывать реальное положение дел. По свидетельству ряда
преподавателей вузов как в нашей стране, так и за рубежом, практи-
ческое значение Бейсика ни в коей мере не приводит к формированию
навыков „недисциплинированного” программирования. Учащиеся
ценят в Бейсике возможность быстрого создания макетных программ,
простоту редактирования исходного текста (редактор во многих Бей-
сик-системах встроен в интерпретатор) и хорошие графические воз-
можности. Переход к изучению языков со строгой дисциплиной
программирования проходит в основном спокойно, особенно если
преподаватели сумели объяснить учащимся принципиальную важ-
ность разделения этапов проектирования и кодирования программ.
Этюдный стиль программирования, свойственный Бейсику, позво-
ляет с особой легкостью экспериментировать с программами, а эта
возможность, особенно в условиях самостоятельного освоения
ПЭВМ, многого стоит.
С основными возможностями Бейсика, используемыми инструк-
' циями, функциями можно ознакомиться в приложении 5, где пере-
числены практически все употребляемые в диалекте (Microsoft-
BASIC) функции и операторы.
СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ДИАЛЕКТЫ БЕЙСИКА
. Среди многочисленных диалектов Бейсика особое положение
занимают проблемно-ориентированные диалекты для использования в раз-
личных микропроцессорных устройствах и комплексах. Поскольку мо-
бильность программ в специализированных применениях не является прак-
тически важной целью, эти диалекты обычно строятся по рецепту объеди-
нения „минимального” диалекта Бейсика с широким набором специаль-
ных операторов и функций. Примеры таких диалектов легко найти среди
"Программных средств сложных измерительных приборов (в физике, хи-
мии, медицине), промышленных контроллеров и управляющих комп-
лексов самого различного назначения. Пользователь, имеющий опыт*
работы на ПЭВМ, безо всякого труда осваивает специализированные диа-
лекты Бейсика, а в ряде случаев имеет возможность пополнить библио-
теку проблемно-ориентированных программ. Последняя возможность
имеется не всегда, поскольку в микропроцессорных устройствах часто
отсутствуют устройства внейшней памяти.
С учетом всего сказанного ясно, что с распространением персональ-
ных компьютеров и встраиваемых микропроцессорных устройств раз-
64
личного назначения Бейсик используется в вычислительной технике
значительно шире, чем это предполагалось многими авторами. Что же
касается роли этого языка как „Фортрана для начинающих”, то мно-
гие пользователи ПЭВМ так и не сталкиваются с практической не-
обходимостью изучения Фортрана. Напомним, что коллекционирова-
ние изученных языков программирования отнюдь не относится к числу
достоинств пользователя ПЭВМ.
2.4. ПАКЕТЫ ПРИКЛАДНЫХ ПРОГРАММ - ЛИЦО ПЭВМ
ИНЖЕНЕР НАЕДИНЕ С ПРОГРАММОЙ
Инженер, решивший досконально изучить возможности язы-
ка программирования (обычно — Фортрана или Бейсика) для того, чтобы
свести к минимуму свою зависимость от программиста-посредника, ока-
зывается перед неожиданной дилеммой. С одной стороны, он получает
шанс приобрести желанный для многих статус „классного мастера” —
его будут ценить подобно тому, как на производстве ценится слесарь-
универсал, опытный стеклодув иди искусный монтажник. С другой
стороны, он весьма осторожно относится к перспективе превращения
в раба своих собственных творений.
Действительно, одно дело — снять с кульмана готовый чертеж,
отдать его технологу и заняться новой работой, и совсем другое —
месяцами, а то и годами возиться с готовой (на чужой взгляд) прог-
раммой. Кроме того, слишком часто оказывается, что успех програм-
мы у сторонних пользователей прямо пропорционален количеству
версий этой программы, появляющихся в' ответ на пожелание этих
же самых пользователей. Рано или поздно в поле зрения такого специа-
листа — „кентавра” попадает известная программистам печальная
повесть о „мифическом человеко-месяце”1, либо ему приходят на па-
' мять слова героя Сент-Экзюпери: ,,... мы всегда в ответе за тех, кого
приручили.”
Отсюда естественное желание инженеров, получивших доступ к персо-
нальным компьютерам, работать с библиотеками или пакетами готовых
программ так же, как они работают с конструкционными модулями
или универсальной оснасткой. Отсюда же все чаще появляющиеся предо-
стережения профессионалов-программистов: по их мнению, для инженера
владение языком программирования является лишь необходимой раз-
минкой перед освоением пакетов прикладных программ — простых в об-
ращении, но сложных по внутренней логике,
В утверждениях такого рода, нет цротиворечения. Только знание воз-
можностей языка программирования, дополненное знанием принципов 1 * 3
1 Брукс Ф. П. Как проектируются и создаются программные комплексы:
Пер. с англ. - М.: Наука, 1979.
3 Зак.854 65
конструирования программ (компактное изложение этих принципов см.
в [ 12]) позволит инженеру пользоваться готовыми программами эффек-
тивно. Поэтому говорят, что эффективность применения ПЭВМ (для
которых, как читатель помнит, „родным” языком является бесхитрост-
ный Бейсик) определяется в конечном счете возможностями пакетов при-
кладных программ — их в мировом фонде программных средств для
ПЭВМ насчитывается более 10 тысяч.
Естественно, что ориентироваться в таком обширном фонде готовых —
а это трилагательное всегда вызывает у опытного инженера сомнения —
программных изделий весьма непросто. Однако этот фонд продолжает
расти, а ведь без спроса нет предложения. Что же делает пакеты прикладных
программ наиболее привлекательной разновидностью программного инст-
рументария для персональных компьютеров?
ПАКЕТЫ, БИБЛИОТЕКИ, ФОНДЫ.. .
Во-первых, только массовость ПЭВМ делает возможным рез-
кое снижение стоимости тиражирования и приобретения программ. Про-
мышленные методы тиражирования программных изделий только еще
складываются, и поэтому особенно важно, что массовость персональных
компьютеров оправдывает создание специальных высокопроизводительных
устройств для тиражирования магнитных носителей, переход к типограф-
скому изданию справочной литературы и другие радикальные изменения
этого процесса. А с точки зрения инженера-пользователя снижение отпуск-
ной цены программ — это снижение риска.
Во-вторых, авторы ППП для ПЭВМ хорошо помнят пословицу о горе
и Магомете и стараются учитывать сложившиеся в современной практике
потребности и приемы работы инженера. Диалоговое общение с ПЭВМ
быстро выявляет врожденные пороки многих программ, разработанных
для эксплуатации на' вычислительных центрах. Достаточно одного взгляда
на схему работы с программой в диалоге и в режиме „сдал колоду перфо-
карт — получил распечатку” (рис. 2.6), чтобы понять, почему освоение
____________________________ f Диамтчгр''
s-----------X (ПоогоаммитХ [бмшаштепиао
L у(ОП1-уЯ1ПВл1П J \pQfftOp jOI^I л
б)
Рис. 2.6. Модели взаимодействия пользователя с ЭВМ;
а) в режиме диалога; б) в пакетном режиме .
66
ЭВМ зачастую становится для инженера подневольным трудом. Перед
авторами программ для ПЭВМ возникают трудности сродни тем, которые
преследуют специалистов по НОТ и инженерной психологии. Но можно
надеяться, что эти трудности не станут барьером отчуждения между прог-
раммистом и инженером; программист, работающий на ПЭВМ, должен
знать эргономику и психологию.
В-третьих, привлекательной чертой крупнстиражных программ являет-
ся их достаточно высокая надежность. За отсутствием технологии абсолют-
но надежного программирования приходится рассчитывать на доверие
пользователя. Доверие это основано на простом факте — пользователь
знает, что иа его стороне законы статистики. Если спрос на программу ве-
лик, то срок проверки ее работоспособности в „полевых” условиях
резко сокращается. Не следует выдавать неизбежность за добродетель,
но сотни пользователей первой волны помогают за считанные месяцы
вычистить труднообнаруживаемые ошибки в программе. Когда роль доб-
ровольцев-испытателей принимают на себя специальные бригады экспер-
тов, работающих по официальному договору с тиражирующим программу
предприятием, то такой процесс называют бета-тестированием программ
(альфа-тестирование ведет автор программы вплоть до приемочных испы-
таний) .
Рассмотрим некоторые следствия из сказанного. Сопоставление двух
фактов — того, что номенклатура мирового фонда программных изделий
для ПЭВМ весьма велика, и того, что тиражи отдельных программ дости-
гают стотысячных рубежей, — говорит о важной роли известного принципа
естественного отбора. Направленным этот отбор сделать не удается
(действует еще один принцип — „а судьи кто?..”), и поэтому в обозримом
будущем рекомендация коллеги останется для большинства инженеров
основным источником информации при выборе пакета программ. Сопос-
тавление и сравнительные испытания тиражируемых программ только
начинают оформляться в самостоятельную разновидность программистско-
го труда.
Тиражирование осуществляется организациями, получившими назва-
ние фондов (иногда библиотек).
ПО ГОРИЗОНТАЛИ И ПО ВЕРТИКАЛИ
Ориентацию пользователя в фонде программных изделий
существенно облегчает принятое деление ППП на пакеты с „горизонталь-
ной” и „вертикальной” ориентацией (рис. 2.7). Пакеты с горизонтальной
ориентацией - за ними в последнее время закрепляется название функцио-
нальных пакетов программ (ФПП) — обладают потенциально весьма вы-
сокой тиражностью. Эти пакеты объединяет „метафора рабочего стола”:
имеется в виду, что в совокупности или в любой комбинации ФПП стано-
вятся такой же неотъемлемой частью рабочей обстановки пользователя
ПЭВМ, какой являются предметы оргтехники на любом рабочем месте
инженера. На самом деле метафора рабочего, стола в применении к персо-
3* 67
Обучак>щие/тре-
наягерные
программы
Прикладные программы
для АРМ в лремыш-
леннести
Прикладные программы для
АРМ О нелремышленной
сфере
Системы имита-
ционного моделиро-
вакиЛ
Пакеты программ
для статистичес-
кой обработки, дан-
ных
Диалогобые системы
обработки, запросов к ба-
зам данных
Программы для рабо-
ты с динамическими
таблицами
Программы
„ веменстрациокной"
машинней графики
Программы обработки
текстовых декументев
Программы упаав-
лекип базами дан-
ных в ПЭВМ
Проблемна- ориентированные диалоговые
системы программирования, охватываю-
щие различные формы представления
________данных
< Программные средства | Инструментальные средст-
метмашинной связи I да а ПС ПЭВМ
Рис. 2.7. „Вертикальное” и „горизонтальное” членения фонда программ для ПЭВМ
нальному компьютеру гораздо глубже. Универсальность ПЭВМ в решении
задач обработки данных позволяет соединять в одном объеме функции
таких разнородных инструментов инженерного труда, как рабочий блок-
нот и пишущая машинка, календарь н кульман, архивный стеллаж и канал
телетайпной связи.
Именно учет требований к ФПП позволяет конструкторам персональ-
ных компьютеров говорить с пользователями об очертаниях „идеальной
машины” (в том же смысле, в каком говорят о модели абсолютно черного
тела, идеального газа и т. п.). Если, как мы только что отметили, аппарату-
ра ПЭВМ объединяет в себе (Интегрирует) столь различные функции,
то с точки зрения пользователя-инженера естественно потребовать такой
же интеграции и от программных средств ПЭВМ.
Моделью „идеальной” программы-инструмента для решения приклад- *
ных задач служит ... рабочая тетрадь инженера. Такая аналогия вполне
оправдана: в рабочей тетради, как правило, можно найти и наброски прин-
ципиальных схем, и компоновочные эскизы, и заготовки для технических
описаний, и сводные таблицы расчетов. Весь внешний беспорядок этих за-
писей подчинен логике мышления инженера, направленного на решение од-
ной — а то и сразу нескольких — конкретных задач. Рабочей тетради не хва- ’
тает лишь одного качества - она не может стать активным партнером в том
диалоге, который инженер ведет либо сам с собой, либо с коллегами.
Логика продуктивной творческой работы н навязанный юане регла-
мент чаще всего оказываются неуживчивыми соседями. И причиной низкой
эффективности многих систем, принадлежащих к первому поколению,
68
явилась как раз чрезмерная регламентация диалога с ЭВМ по принципу
„можно-нельзя”. Можно работать за графическим дисплеем, конструируя
сборочный узел, но нельзя за этим же дисплеем заняться по ходу дела ра-
ботой с ведомостью покупных изделий или внести изменения в техниче-
скую документацию. Можно обратиться с запросом к информационно-спра-
вочной системе, но нельзя увидеть на экране этого же дисплея схему или
график. И уж совсем нельзя требовать от „электронной клавишной бухгал-
терской машины”, чтобы на ней работала программа редактирования ито-
говых финансовых отчетов. Специализация программ н устройств в таких
АРМ полностью соответствовала столетней давности тезису о специалисте
и флюсе.
Разумеется, необходимы и „вертикальные” пакеты программ, ориенти-’
рованные, скажем, на проектирование программируемых логических мат-
риц или систем вентиляции. Но базой для их успешного использования
остаются ФПП. На рис. 2.7 для каждой группы ППП, входящей в состав
программных средств ПЭВМ, длина стрелок отражает универсальность
(горизонталь) и специализированность (вертикаль) программ.
Крупные ВЦ на базе ЭВМ третьего поколения, представляющие собой,
по сути дела, предприятия по переработке больших потоков данных,
особенно остро ощутили на себе противоречивость требований, которые на-
до учитывать при децентрализованном сборе, централизованном хранении
и избирательном распространении информации, необходимой многочислен-
ным абонентам. Технология такой централизованной обработки данных
напоминает технологию обработки .дорогостоящих деталей на уникальных
станках: ошибки, допущенные на подготовительных этапах и оставшиеся
необнаруженными, лишь множатся в процессе работы.
Переход от принципа мануфактурного производства (крупные ВЦ)
к принципу конвейера (объединения разнотипных АРМ) объективно был
неизбежен. Переход к применению персональных компьютеров в инженер-
ном труде необходим вследствие того, что сегодня уже ощущаются пределы
возможностей локальных автоматизированных комплексов. Однако основ-
ное свойство конвейера — дробление единого процесса на мелкие специали-
зированные операции — вступило в противоречие с возможностями новых
информационных технологий. По мнению многих специалистов, работаю-
щих с системами автоматизированного проектирования, замена машинной
обработки данных на ручной их ввод хотя бы в одном из промежуточных
звеньев такой системы способна свести к нулю весь эффект от применения
вычислительной техники.
Таким образом, интеграция задач, решаемых пакетом программ для
ПЭВМ, является не только отражением требований инженера: она позволяет
преодолевать опасную тенденцию к „островной" автоматизации, когда
поток бумаг и курьеров продолжает прибывать.
Прежде чем рассмотреть структуру интегрированных ФПП для персо-
нальных компьютеров, зададимся вопросом о том, какими общими свой-
ствами должны обладать удобные диалоговые программы.
69
ЧТО НУЖНО ДЛЯ ДИАЛОГА
Некоторые из этих свойств ясны уже при первых опытах ра-
боты с диалоговыми системами программирования (такими, как Бейсик-
системы) . Диалог ЭВМ обеспечивает ошушение надежной обратной связи,
снижает порог боязни ошибок - что особенно важно на начальном этапе
работы — и упрощает процесс подготовки исходных данных. В ППП важное
значение приобретает гибкая обработка ошибок, когда пользователь не
выбрасывается из программы, а имеет возможность вернуться на один
или даже несколько шагов назад и повторить действия с измененными
данными или по другой ветви диалога. Повышение уровня довертя к
-программе обеспечивается развитым механизмом подсказок: в любой
момент пользователь, нажав выделяющуюся внешним видом клавишу,
может получить на экране дисплея текст необходимых справок, разъяс-
нений и примеров. Хорошо продуманные подсказки ненадоедливы и
варьируются в зависимости от уровня уверенности пользователя либо
могут быть отменены вовсе.
„Навигация” в диалоговой программе выполняется с помощью
меню (легко обозримых на экране обозначений возможных ветвей диа-
лога). В меню могут применяться пиктограммы, о пользе которых
свидетельствуют хотя бы знаки дорожного движения, и звуковые сиг-
налы, предупреждающие о неправильных действиях или поощряющие
умелую работу.
Эргономические принципы организации труда требуют разумного
сочетания разнообразия и стандартизации: так, удобно, когда одна и
та же клавиша, вызывает одну и туже по смыслу операцию для раз-
личных типов обрабатываемых объектов (вставка или удаление стро-
ки текста, линии чертежа либо элемента таблицы). Далее, каждый
символ или деталь изображения на экране дисплея могут быть выде-
лены различными признаками (цветом, инверсией фона и изображе-
ния, мерцанием, яркостью, шрифтом, фактурой ц др.).. Пользуясь
этими возможностями, программист обеспечивает значительное по-
вышение темпа и даже информативности диалога.
Наконец, о документации. Уже существуют персональные компьютеры,
масса которых в несколько раз меньше веса входящей в комплект спра-
вочной документации (рте. 2.8). Более того, размеры новейших портатив-
ных ПЭВМ соизмеримы с наиболее миниатюрными измерительными при-
борами. Это — явное свидетельство назревающей проблемы, разрешить
которую в состоянии лишь авторы прикладных программ. Известна,
Рис. 2.8. Портативная ПЭВМ
70
что лаконично писать трудно, но продуманное использование подсказок,
меню, пиктограмм в самих программах в сочетании с определенной ли-
тературной культурой программистов должно принести свои плоды. Не
случайно в последние годы тема подготовки документации на программные
изделия все чаще находит свое место в повестках дня конференций по
технологии программирования, ей посвящаются уже отдельные изда-
ния, в частности [ 24]. Некоторые из наиболее сложных сегодня програм-
мных систем — экспертные системы [41] — нацелены именно на решение
этой задачи.
ЧТО ПОД ЗНАКОМ ИНТЕГРАЛА
По современным представлениям, опирающимся на реальные
возможности персональных компьютеров конца 80-х годов, интегрирован-
ный ФПП включает в себя следующие компоненты (рис. 2.9):
средства обработки текстовых документов, вводимых в ПЭВМ с кла-
виатуры, магнитного носителя или поступающих по каналу связи;
средства формирования и обработки графических объектов (схем,
диаграмм, графиков зависимостей, иллюстраций и др.);
средства работ на экране дисплея с динамическими (электронными)
таблицами, значения элементов которых связаны математическими, ло-
гическими и другими смысловыми зависимостями;
Клавиатура Манипулятор Канал связи
Интегрированный ФПП
обработка текстов
работа с изображениями
работа с крупноформатными
таблицами
работа с машинным архивом
прием/передача сообщений по
наналам связи
И IM -............~L_—
Закодированная Архив документов Рабочие зоны
информация в ОЗУ во внешней памяти экрана дисплея
< И н формационные ресурсы ПЭВМ
Рис. 2<9. Функции интегрированного пакета диалоговых программ для ПЭВМ
71
средства работ с архивом документов на магнитных носителях, обес-
печивающие классификацию, накопление и поиск информации;
средства межмашинной связи, обеспечивающие обмен сообщениями
и информационными массивами по каналам передачи данных.
Интеграция этих возможностей подразумевает также возможность
„свободного монтажа” разнородной информации. Так, в состав массива,
передаваемого по каналу связи, могут быть включены тексты, изобра-
жения (в закодированной форме), содержимое динамических таблиц и
фрагменты из справочного архива. Наконец — что особенно важно для ин-
женера — имеется возможность обработки любых данных, подготовленных
с помощью интегрированного ФПП, программами, написанными самим
пользователем либо входящими в другие пакеты.
Описанные возможности соответствуют „идеальному” ФПП; однако
идеальный пакет должен рассматриваться требовательным пользователем
как обязательная мерная линейка для проверки функциональной полноты
пакета из числа имеющихся в фонде.
Какие характеристики ФПП должен рассматривать при своем, выборе
инженер-пользователь персонального компьютера? Прежде всего зто
емкость оперативной памяти ПЭВМ, необходимая для работы пакета.
Для того чтобы переход от одной функции пакета к другой не занимал
много времени (психологи утверждают, что в условиях интенсивного диа-
лога , с машиной .ожидание всего в несколько секунд резко снижает
концентрацию внимания пользователя), программы с перечисленными
выше функциями должны находиться в ОЗУ ПЭВМ все одновременно.
К этому требованию следует добавить требование размещения в ОЗУ
обрабатываемых данных. Получаемое значение 200 ... 800 Кбайт соот-
ветствует техническому пределу возможностей современных ПЭВМ,
но ие превышает этот предел.
Для работы с уже перечисленной номенклатурой программ интег-
рированного ФПП использование принципа меню — „путеводителей” по
пакету — является обязательным. При реализации меню обычно хорошо
дополняют друг друга короткие текстовые сообщения (или просто одно-
словные команды) и пиктограммы; последние занимают меньшую пло-
щадь рабочей зоны экрана дисплея и могут обладать повышенной информа-
тивностью, как любые продуманные памятные" знаки. Не требующиеся в
данный момент меню и пиктограммы должны быстро освобождать рабочую
зону экрана.
Обмен данными между программами должен быть в максимальной
степени приближен к знакомому каждому инженеру методу „рекле”
(режь и клей); для этого к требуемому объекту иа экране подводится
указатель, после чего достаточно указать то место в другом объекте,
куда отмеченный рисунок (таблица, абзац текста) должен быть
вставлен.
Важнейшую роль в удобстве пользования интегрированным ФПП игра-
ет применение механизма „окон” на экране дисплея. Площадь рабочей
72
эоны экрана в обозримом будущем остается несоизмеримой с площадью
стандартного рабочего стола. Если выдерживать требование метафор ра-
бочего стола достаточно жестко, то единственным выходом остается
моделирование на экране нескольких перекрывающих друг друга, как
листы бумаги в стопке, рабочих эон. Размеры этих зон могут составлять
до 70 — 80% рабочей зоны всего экрана. Известны интегрированные
ФПП с горизонтальными неперекрывающимися зонами-окнами, но
реакция пользователей на этот вариант обычно негативная. Развивая
метафору рабочего стола, можно сказать, что вряд ли инженеру удается
разместить на столешнице под листом оргстекла все нужные для ра-
боты документы и чертежи. Для того чтобы вынуть из „стопки” но-
вый „лист”, обычно достаточно подвести указатель к видимой части
требуемого окна и нажать клавишу. В результате содержимое именно
этого окна займет место на переднем плане.
Манипуляции с окнами обуславливают высокую загрузку про-
цессора и магистрали ПЭВМ, поскольку требуется каждый раз изменять
содержимое нескольких тысяч ячеек памяти. В ЭВМ коллективного
пользования подобные манипуляции абсолютно нереальны.
.Все изложенные принципы построения интегрированного ФПП,
обеспечивающего горизонтальную интеграцию наиболее типовых функций
обработки данных на ПЭВМ, должны быть осознаны и опробованы инже-
ФЛП для работы с текстовыми документами
(подгатадка отчета, содержащего результаты
анализа переходных процессов в электронной
схеме)
Рис. 2.10. Информационные связи м$кду функциональными и прикладными програм-
мами на ПЭВМ
73
нером-пользователем ПЭВМ для того, чтобы подготовиться к решению
следующей важной задачи — определению требований к вертикально ин-
тегрированным пакетам программ. Вертикальная интеграция, как уже
отмечалось, ориентирована на решение задач в сравнительно узкой
предметной области. Однако поскольку решение любых задач в режиме
диалога с ПЭВМ подразумевает обработку уже известных нам информа-
ционных объектов — текстов, таблиц, чертежей, то не удивительно, что
многие из появляющихся вертикальных пакетов программ для ПЭВМ
имеют слоистую структуру. В ней чередуются этажи, на которых вы-
поляются расчеты, составляющие суть решаемой задачи, с этажами,
представленными одним или несколькими. Для тех, кому такая схема
(рис. 2.10) покажется чересчур громоздкой, поясним, что здесь нет
• необходимости одновременного размещения всех программ вертикаль-
ного пакета в ОЗУ ПЭВМ. Связи между отдельными программами
пакета реализуются через файлы на магнитных дисках — каждый
информационный объект представляется одним файлом.
КАК АТТЕСТУЮТСЯ ПРОГРАММЫ
Мы Только что рассмотрели примеры тех вопросов, на ко-
торые пользователь должен получить ответ при отборе пакета приклад-
ных программ. Чтобы составить более полное представление о процеду-
рах отбора и аттестации программ, рассмотрим одну сравнительно прос-
тую анкетную методику аттестации ППП [ 38].
Аттестационное бюро выполняет работы двух видов: предваритель-
ную и экспериментальную аттестации. В результате проведения предва-
рительной аттестации программы устанавливается, пригодна ли она к
тиражированию в принципе. Для ответа на этот вопрос эксперт запол-
няет анкету следующего вида:
1. Организована ли рекламно-демонстрационная кампания (да/
нет)?
Признаками такой кампании обычно являются доклады на конфе-
ренциях пользователей, публикация в крупнотиражных журналах,
демонстрация на выставках.
2. Оценка числа пользователей (число).
Источники оценки — данные поставщика и оценки экспертов с
учетом регионального распределения, категорий пользователей и др.
3. Репутация поставщика (высокая, средняя, малоизвестен).
4. Экспертная оценка качества программы (выдающееся, высокое,
среднее, низкое).
'.5. Имеются ли отзывы пользователей (да/нет) ?
6. Рекомендация: провести экспериментальную апробацию/ отверг-
нуть.
Приводится мотивировка решения.
Окончательное решение определяется в зависимости от качества пред-
ставленной пользовательской документации, результатов эксперименталь-
74
ной аттестации и общего качества используемой в программе модели диа-
лога (принято называть хорошо продуманный сценарий диалога друже-
ственным интерфейсом программы с пользователем).
На этапе экспериментальной аттестации программы принимаются
во внимание характеристики, также представляемые в виде анкеты.
Ниже приводятся примеры таких анкет для восьми наиболее популярных
у пользователей категорий ФПП.
1. ФПП для работы с текстовой документацией.
Основные функции: процедуры настройки и запуска ФПП, характерис-
тика используемой модели диалога, средства ввода текстов, средства
управления маркером (курсором) на экране, установка формата страни-
цы, задание атрибутов формируемого текста, возможность поиска и замены
заданных слов и фрагментов текста, возможности редактирования текста,
вывода текста на печать.
Качество документации: оценка справочного руководства, наличие по-
яснений и подсказок в ходе диалога, возможность вывода справочной
информации на печать.
Дополнительные функции: управление расстоянием между строками
текста, возможность разбиения текста на колонки, работа с переносами
слов, возможность проверки правописания, возможность сортировки
данных в тексте, возможность создания словаря часто употребляемых
фраз, возможность создания подстраничных сносок, перенос фрагментов
текста из одного документа в другой, наличие средств перекодировки и из-
менения формата текстовых файлов, возможность выполнения вычислений
в процессе работы с текстом, средства подготовки циркулярных докумен-
тов, защита от неавторизованного доступа.
2. ФПП для работы с базами данных.
Основные функции: процедуры настройки и запуска ФПП, характерис-
тика используемой модели диалога, средства создания форматов для за-
писей в базе данных, средства ввода данных, средства поиска данных, сред-
ства подготовки отчетных форм, средства вывода данных на печать.
Качество документации: как в п. 1
Дополнительные функции: защита данных, средства внесения измене-
ний в файлы, возможность выполнения вычислений в процессе работы с
базой данных, возможность сортировки и создания индексных указа-
телей, средства работы с реляционной моделью базы данных, наличие в
ФПП встроенного языка программирования, возможность слияния фай-
лов.
3. ФПП для работы с динамическими таблицами.
Основные функции: процедуры настройки и запуска ФПП, характерис-
тика используемой модели диалога, средства управления маркером (кур-
сором), средства ввода и хранения данных, средства редактирования таб-
лицы, средства работы с экраном, средства вывода на печать, набор
операций для работы с элементами таблицы.
Качество документации: как в п. 1.
75
Дополнительные функции: средства задания зависимостей между
элементами таблицы, определяемые пользователем функции, использо-
вание текстовых подстановок (макросов), объединение нескольких
таблиц, возможность графического представления данных в таблице,
перенос фрагментов из одной таблицы в другую, работа с многомерными
таблицами, возможность хранения расчетных формул и описание форма-
тов в служебных файлах, средства проверки статистических гипотез,
средства описания математических моделей (оптимизационных и др.),
выполнение фактурно-бухгалтерских процедур, наличие в ФПП встроен-
ного языка программирования, средства подключения к ФПП нестандарт-
ных программ, средства подготовки отчетных форм.
4. Интегрированные ФПП.
Основные функции: процедуры настройки и запуска пакета, характе-
ристика используемой модели диалога, эксплуатационные особенности
пакета, функции работы с базами Данных, функции работы с динами-
ческими таблицами, функции обработки текстов, функции демонстра-
ционной графики, функции управления каналом межмашинной связи,
функции вывода данных на печать.
Качество документации: как в п. 1.
Дополнительные функции: перечень дополнительных функций для
каждой функциональной группы (см. Основные функции), особенности
совместного использования входящих в пакет функциональных программ.
5. ФПП демонстрационной графики.
Основные функции: процедуры настройки и запуска ФПП, характерис-
тика используемой модели диалога, эксплуатационные особенности ФПП,
средства ввода данных, средства- формирования графических объектов
(диаграммы, гистограммы, графики зависимостей и др.), средства вы-
вода текстов и графических объектов на печать.
Качество документации: как в п, 1.
Дополнительные функции: средства манипуляции с графическими
объектами, перенос фрагментов из одного графического объекта в другой,
возможность задания атрибутов графических объектов, средства работы
с файлами. V
6. ФПП управления каналом межмашинной связи.
Основные функции: процедуры настройки и запуска ФПП, характерис-
тика используемой модели диалога, перечень реализации в ФПП протоко-
лов межмашинной связи, средства передачи по каналу коротких сообще-
ний и файлов, средства вывода данных на печать, средства работы с устрой-
ствами внешней памяти ПЭВМ, средства работы с каталогами файлов.
Качество документации: наличие пояснений и подсказок в ходе диа-
лога, возможность вывода справочной информации на печать.
Дополнительные функции: возможность создания новых процедур
управления каналами связи, средства работы в режиме „электронной
почты”, средства работы с удаленными базами данных.
7. ФПП для сетевого планирования и управления работами.
Основные функции: процедуры настройки и запуска ФПП, характе-
76
ристика используемой модели диалога, средства планирования графика
работ, средства визуализации сетевых моделей, средства расчета затрат,
средства работы с файлами, подготовка итоговых отчетных форм,
средства вывода данных на печать.
Качество документации: как в п. 1.
Дополнительные функции: сортировка данных в сетевых моделях,
выявление связей между работами, перенос фрагментов из одной модели
в другую, средства агрегирования моделей.
8. ФПП с комбинацией функций из групп 1—7.
Возможны произвольные комбинации . наиболее распространенных
функций* в одном ФПП. В этом случае аттестация проводится по объеди-
ненному набору характеристик для каждой реализованной в ФПП груп-
пы функций.
Для специалистов, выполняющих в своих организациях роль кон-
сультантов по применению ППП, аттестационное бюро разрабатывает
более детальные методики отбора и сравнительного анализа пакетов
(например, с применением балльной системы оценок, набора контроль-
ных задач — так называемых benchmarks — для количественной оценки
эксплуатационных характеристик программ; пример такого теста см. в
§ 3.1). В целом процедуры отбора и аттестации программ для ПЭВМ не
обеспечивают пока возможности перехода на путь унификации наиболее
распространенных ФПП, хотя ясно, что именно унификация моделей диало-
га и. эксплуатационных характеристик. ФПП является, с точки зрения мас-
совых пользователей, наиболее важной задачей.
Мировой опыт показывает, что отсутствие унификации программных
средств ПЭВМ вызывает к жизни мощный, хотя и стихийный, процесс
выбора лидеров среди ФПП. Пользователи стремятся примкнуть к наибо-
лее крупным группам коллег, уже сделавших выбор: именно в результате
этого процесса выдвинулись лидеры среди ФПП для работы* с текстовой
документацией (пакет WordStar), для работы с базами данных (пакеты
dBase II и PFS: Series) и ряд других пакетов — „фаворитов”. Хотя ясны
достоинства такой консолидации с точки зрения самих пользователей,
все измеющиеся примеры свидетельствуют о том, что самые распростра-
ненные ФПП весьма редко могут быть отнесены к категории самых
лучших. Поэтому осознанный выбор инженером-пользователем набора
ФПП для автоматизации рутинных процессов обработки информации
на ПЭВМ остается задачей, требующей принятия самостоятельных реше-
ний.
Поскольку „носителем” всех ППП являются операционные системы
ПЭВМ, в следующем параграфе мы рассмотрим характеристики наи-
более распространенных операционных систем.
77
2.5. ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ: ЧТО НУЖНО ЗНАТЬ
О НИХ ПОЛЬЗОВАТЕЛЮ ПЕРСОНАЛЬНОЙ ЭВМ
jUKmr в МИРЕ ПРОГРАММ
Операционные системы (ОС) для ЭВМ третьего поколения
вызывают "самое большое количество нареканий пользователей. Причины
, такого положения дел анализировались как ведущими специалистами
в области разработки программного, обеспечения ЭВМ (уже упоминав-
шаяся книга Ф. Брукса, а также [59)), так и многими сторонними наб-
людателями. В большинстве своем они пришли к единому выводу: правила
работы с ОС оказались перегруженными „побочными” и „непредсказуе-
мыми” эффектами прежде всего потому, что в ходе разработки системы
перестали быть обозримыми. Разработчикам ОС для ПЭВМ пришлось в
значительной мере повторить путь, пройденный их коллегами в 60-х и
70-х годах, и анализ опыта предшественников помог избежать появле-
ния очередных „монстров”. У операционных систем ПЭВМ, как правило,
один либо два автора; только когда ядро системы прошло достаточную»
апробацию, авторы его „дают добро” иа разработку сервисных программ,
трансляторов и др., а сами переходят к разработке новой версии ядра
ОС.
Жесткий контроль процесса развития -ОС свойствен прежде всего
персональным компьютерам. Если для ПЭВМ этот процесс становится
неуправляемым, то такая система быстро „вымирает”, какими бы ни
были ее эксплуатационные достоинства. Поэтому число разновидностей
ОС для ПЭВМ, сравнительно невелико, и можно говорить всего о трех
крупных группах ОС ПЭВМ. Вариации состава и функций ОС в каждой
из этих групп существуют, но они минимальны, и не составляет труда
снабдить пользователя ПЭВМ программами-конверторами, позволяю-
щими выполнять обмен между любыми ОС данной группы (имеется
в виду обмен программами, данными, носителями информации и
т. д.). Важную роль при формировании этих трех групп ОС для ПЭВМ
играют разные типы микропроцессоров, применяемых в конкретных
моделях ПЭВМ. Пользователю, не забывая о проблеме совместимости,
нужно отчетливо представлять различия в функциональных возмож-
ностях ОС каждой из этих трех групп.
ТРИ ГРУППЫ ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ В ПЭВМ
В группу'простейших ОС попадают операционные системы
ОС ДВК, МИКРОС и МикроДОС; наиболее популярной ОС этой группы
по данным мирового рынка ПЭВМ остается система СР/М-80. Эти
системы рассчитаны на обслуживание одного пользователя, причем
в каждый момент в памяти ПЭВМ может находиться только одна
прикладная программа. Сервис; предоставляемый пользователю ПЭВМ
78
системами этой группы, минимален: подчеркивается, что именно их
„минимальность” позволила накопить обширный фонд прикладных прог-
рамм. Принято считать, что авторов ППП и ФПП привлекала в ОС этой
группы предельная простота процедур обращений к ядру системы, а также
достаточная гибкость работы с устройствами внешней памяти (или, как го-
ворят, файловой структуры). В состав ОС кроме ядра входит всего
несколько простейших служебных программ: все остальные инструмен-
тальные средства пользователь должен самостоятельно выбирать из фондов
ФПП и ППП. *
В группу инструментальных однопользовательских ОС попадают опе-
рационные системы РАФОС-2 (с модификациями), МИКРОС-86, ДДОС
для ПЭВМ „Искра-1030/ИЗО”, ДОС для ПЭВМ ЕС-1840/41. Наиболее
популярной ОС этой группы по данным мирового рынка ПЭВМ остает-
ся система MS-DOS. Эти системы рассчитаны на работу с оперативной
памятью большой емкости. Поскольку ПЭВМ, на которых используется
ОС этой группы, совместимы (на уровне операционной системы MS-DOS)
с самым распространенным сегодня в мире персональным компьютером
IBM PC и обладают, как правило, сходной конфигурацией аппаратуры,,
фонд ФПП и ППП получил для этой системы наибольшее развитие.
Требования разработчиков прикладных и системных программ, в
свою очередь, обусловили быстрое развитие ОС MS-DOS: за пять лет
появилось четыре версии этой системы. Значительному усовершенство-
ванию подверглась файловая структура этой ОС. Кроме того, были
разработаны различные варианты „операционных оболочек” —
программ, существенно упрощающих модель диалога с пользователем.
Работая с файлами, пользователь может обращаться к накопителю на
гибких магнитных дисках, магнитных дисках большого объема типа
„Винчестер”, а также объявлять свободную область ОЗУ „псевдодис-
ком” - такой прием позволяет в определенных ситуациях существен-
но повысить скорость выполнения программ. Для пользователей,
стремящихся опробовать вновь появляющиеся языки и системы
программирования, важен тот факт, что MS-DOS стала неофициаль-
ным стандартом для авторов трансляторов.
С распространением 32-разрядных микропроцессоров на миро-
вом рынке ПЭВМ начался процесс миграции на высокопроизводи-
тельные персональные компьютеры операционной системы Юникс
(UNIX, [2,23]), получившей массовое распространение на малых
ЭВМ. В этой ОС в полной мере получил воплощение принцип мобиль-
ности программного обеспечения, что позволяет разработчикам ФПП
и ППП работать с перспективой стабильного сбыта своих програм-
мных изделий (это тем более важно, что срок смены аппаратуры ПЭВМ
ускоряется и составляет в конце 80-х годов всего 2—3 года). Хотя
зта ОС изначально задумывалась как многопользовательская,
применение ее. на ПЭВМ предоставляет пользователю определенные
преимущества. Так, разработчики интегрированных ФПП могут исполь-
зовать Механизм параллельно выполняемых процессов, эффектив-
79
ные средства обмена данными между программами и другие особен-
ности ОС Юникс для существенного улучшения эксплуатационных ха-
рактеристик своих пакетов. В этой связи большое значение приобретает
наметившееся сближение структур и возможностей операционных систем
MS-DOS и Юникс. Известны многочисленные ППП для- экономических
расчетов и задач САПР, реализованные с использованием всего спектра
возможностей ОС Юникс. Наконец, среди разработанных в последние
годы мобильных ОС насчитывается довольно много систем, для ко-
торых декларируется „идейная близость” или совместимость с ОС
Юникс — среди них в СССР известны системы И НМ ОС, ДЕМОС и МНОС.
При определении статуса ОС Юникс необходимо учитывать то обстоя-
тельство, что изучение „анатомии” этой системы прочно вошло в
многие учебные курсы по информатике для вузов. .
Таким образом, во второй половине 80-х годов на мировом
рынке ПЭВМ сосуществуют три группы ОС, ориентированные на
вполне определенные классы ПЭВМ:
простейшие ОС для 8-разрядных ПЭВМ с ОЗУ емкостью 50...
150 Кбайт и внешней памятью на гибких магнитных дисках;
инструментальные однопользовательские ОС для 16-разрядиых ПЭВМ
с ОЗУ емкостью 256... .1024 Кбайт (файлы размещаются как на гибких
дисках, так и на дисках типа „Винчестер”);
мобильные инструментальные ОС для высокопроизводительных
32-разрядных ПЭВМ с ОЗУ емкостью более 1 Мбайта (данные и програм-
мы хранятся в основном на дисках типа „Винчестер”).
Можно сделать вывод, что разделение областей использования рас-
смотренных групп ОС для ПЭВМ приобрело довольно устойчивый харак-
тер (табл. 2.1) и инженер-пользователь может без особого труда решить,
какая из перечисленных ОС является „носителем” наиболее нужных
ему пакетов программ и систем программирования. Для детального оз-
накомления с. правилами работы с ОС каждой из трех групп можно ре-
комендовать работы [ 5, 23,87]. /
Таблица 2.1. Области применения операционных систем ПЭВМ
Область применения ПЭВМ
8-разрядная 16-разрядная 32-раз рядная
UNIX, МНОС,
ИНМОС
UNIX, XENIX,
СР/М-68К
UNIX, ДЕМОС
Образование
Планово-экономи-
ческие расчеты
Инженерные расчеты,
САПР
Научные иссле-
доиания
СР/М-80, Микро ДОС,
Forth, MSX DOS
СР/М-80, МИКРОС-80
Специализирован-
ные ОС в ПЗУ
MS-DOS, РАФОС,
ИНМОС, ОСДВК
MS-DOS, РАФОС,
МИКРОС-86, ОС
ДВК
MS-DOS, ИНМОС,
РАФОС, ОСДВК
ИНМОС, ДЕМОС,
MS-DOS
80
ЧЕМ ЗАНЯТА ПОСТОЯННАЯ ПАМЯТЬ В ПЭВМ
Емкость ПЗУ в ПЭВМ изменяется, как можно видеть по
паспортным данным конкретных моделей, в весьма широких пределах
от 4 до 256 Кбайт и более. Ясно, что емкость и содержимое ПЗУ в
значительной степени определяют характеристики ПЭВМ. Какими „врож-
денными свойствами” должна обладать ПЭВМ в момент включения
и как набор этих свойств зависит от области ее применения?
Во-первых, программы в ПЗУ персонального компьютера должны
обладать способностью уступать место загружаемым в ОЗУ програм-
мам. Дело в том, что ОЗУ и ПЗУ соревнуются за право использования
одного и того же весьма ценного ресурса — так называемого адресного
пространства,, доступного процессору. Адрес ячейки в памяти ЭВМ —
зто целде число, которое может являться частью машинной команды;
в микропроцессорах адреса имеют сравнительно небольшой диапазон
значений. Например, в микропроцессорах серии К580 объем адресуемых
ячеек памяти (ОЗУ или ПЗУ) без специальных ухищрений не может пре-
вышать 64 Кбайт. Поэтому если конструктор ПЭВМ хочет разместить
в ПЗУ интерпретатор языка Бейсик, то он должен в принципе отобрать
у оперативной памяти от 16 до 32 К или более ячеек-байтов. Операционная
система ПЭВМ при использовании специальных дополнительных схем в
аппаратуре машин может попеременно предоставлять адресное прост-
ранство процессора в распоряжение либо ОЗУ, либо ПЗУ. Именно таким
приемом воспользовались конструкторы бытовых и учебных ПЭВМ серии
MSX, определив оптимальный суммарный объем ОЗУ и ПЗУ равным
1 Мбайт при размере адресного пространства микропроцессора 64 Кбайт.
Для 16-разрядных ПЭВМ, имеющих большое адресное пространство,
проблема эффективного его распределения между ОЗУ и ПЗУ также
сохраняет актуальность. Здесь приходится учитывать, что наиболее мощ-
ные (например, интегрированные) пакеты программ требуют для эффек-
тивной работы сотен килобайт ОЗУ — даже без учета емкости ЮЗУ,
выполняющего роль „псевдодиска”. Поэтому типичная схема распреде-
ления адресного пространства между постоянной и оперативной памятью
в ПЭВМ в большинстве случаев опирается на метод „соревнования”
(рис. 2.11).
В конечном счете соотношение между реальными объемами ОЗУ и ПЗУ
выбирается с учетом сферы применения ПЭВМ. Так, в учебных ПЭВМ по-
стоянная память является естественной средой обитания для интерпрета-
тора языка программирования, простой программы — редактора текстов
и ядра операционной системы, обеспечивающего, в частности, функции
обмена с другими ПЭВМ в учебном кабинете. При использовании ПЭВМ
в делопроизводстве или для решения административно-управленческих
задач ПЗУ может вместить в себя все программы интегрированного пакета.
В применениях с более широким диапазоном проблемной ориентации
(САПР, автоматизация научных исследований) программы ПЗУ обеспе-
81
ПЗУ
Сменные кассеты
с ФПП
000000
32-64 Пбайт
Интерпретатор
языка программи-
рования
Ядро ОС
Часто - экранный
редактор текстов
Программы управле-
ния внешними устрой-
ствами ПЭВМ
или
Дополнительные
библиотеки программ
! интерпретатора
или
256-640 Кбайт
ОЗУ
Рабочие ячейки ОС
Область программ
пользователя
Область рабочих ячеек
программ пользователя
Область загружаемых
ФПП или ППП
или
Область формирования
Закодированных изобра-
жений (иногда -отдель-
ная видеопамять)
или
Область, используемая
в качествО'Псевдодиска'
Рис. 2.11. Использование адресного пространства памяти ПЭВМ
чивают работу с устройствами ввода-вывода графической информации и
отвечают за логику многооконной модели диалога. Наконец, намечается
тенденция более активного использования в ПЭВМ сменных кассет ПЗУ,
подключаемых к внешнему электрическому разъему. Этот конструктив-
ный прием в какой-то мере символичен — он отражает единство прин-
ципа „открытой архитектуры” для аппаратуры и программных средств
ПЭВМ.
ПРОГРАММЫ-КОНВЕРТОРЫ
Еще один практически важный, хотя и частный, вопрос связан
с проблемой совместимости между ПЭВМ. Инженер должен знать о скры-
тых и не вполне очевидных поначалу трудностях, возникающих в ситуаци-
ях, когда необходим обмен данными или программами между разными
ЭВМ. Понятие совместимости (см. также § 3.3) охватывает такой обшир-
ный объем понятий и уровней сложности в аппаратуре и программном
обеспечении ЭВМ, что мобильность программ всегда носит на практике
асимптотический характер. Здесь вступают в противоречие инерционность
82
и развитие техники, и только Использование основного свойства ЭВМ
и микропроцессоров — их программируемости — позволяет во многих
практически возникающих ситуациях устранить возникшую несовмести-
мость.. „Мостами’’ между несовместимыми ЭВМ служат программы, полу-
чившие собирательное название конверторов.
Чтобы уяснить возможности таких программ, рассмотрим несколько
реальных случаев решения задачи обеспечения совместимости ЭВМ.
Начнем с не вполне „чистого”, но крайне важного примера. Часто инженер
оказывается в ситуации, когда нужный ему пакет программ может быть
использован только на одной модели ПЭВМ, а. в его распоряжении именно
этой модели нет. Открытая архитектура ПЭВМ позволяет применить нео-
жиданное на первый взгляд решение. В состав аппаратуры доступной поль-
зователю ПЭВМ включается модуль совместимости — печатная плата,
на которой установлены процессор (такой же, как в „чужой” модели),
микросхемы ПЗУ и несколько микросхем обрамления. Пользуясь всеми
ресурсами основной ПЭВМ, процессор модуля совместимости в нужный
момент подменяет по команде операционной системы „родной” процес-
сор ПЭВМ и готов выполнять программы „чужой” модели. В некоторых
случаях удается решить эту проблему и чисто программным способом,
имитируя с некоторым замедлением работу одного микропроцессора
на другом; такие имитирующие программы называются эмуляторами.
Известен, например, эмулятор ОС МИКРОС-80 для ПЭВМ, на которой
работает ОС МИКРОС-86.
Разработка программ для ПЭВМ становится проблемой, затрагиваю-
щей интересы многих стран; в нашей стране задачи некоторых сфер
применения ПЭВМ (делопроизводство, здравоохранение, образование)
требуют использования алфавитов союзных республик. Гибкость аппа-
ратуры ПЭВМ и ее периферийных устройств позволяет вводить в состав
ОС программы-конверторы, обеспечивающие согласованное переклю-
чение режимов работы нескольких устройств на использование нацио-
нальных алфавитов. Работы в этом направлении требуют активной дея-
тельности ведомств, ответственных за стандартизацию.
Программы-конверторы играют важную роль в решении задач межма-
шинного обмана данными. Существенно большее по сравнению с высоко-
производительными ЭВМ разнообразие областей применения ПЭВМ обус-
лавливает пассивную в известном смысле роль последних — именно персо-
нальные компьютеры вынуждены „подстраиваться” под особенности тех-
нических и программных средств крупных ЭВМ. Значительная сложность
ФПП для задач межмашинной связи объясняется именно этим обстоятель-
ством.
В решении ряда задач САПР и ГПС, научных исследований и обработки
экономической информации возникают проблемы преобразования форма-
тов данных. На самом деле нарушение совместимости начинается в этом
случае несколькими этажами ниже: в файловых структурах ОС. Дело
усугубляется разнообразием размеров магнитных носителей (прежде всего
83
Программы - конверторы
ПЭВМ
Канал связи
Внешняя памь
Печотакнцег
устройства
----* Эмуляторы других архитектур
Работа с альтернативными алфа-
* Витами, декодирование сигналов от
функциональных клавиш
Эмуляторы различных терминалов,
----*- работа с альтернативными алфа~
Витами, конверторы форматов
видеопамяти
Конверторы внутренних представ-
*• лениш данных алл межпрограм-
много обмена
Эмуляторы различных термина-
. лов, переноаиравка информации
Порекадировка информации, преоб-
разование форматов записи на
диск, преобразование файловой струк-
тур .
Перекодировка графичесной инфор-
мации, работа с альтернатив-
ными алфавитами
Рис. 2.12. Примеры использования программ-конверторов
гибких дисков) и способов записи информации. Наряду с программами-
конверторами для этого круга задач создаются специальные микропро-
цессорные устройства, обеспечивающие перепись данных с одного носителя
на другой.
Естественно, что решение всего'круга задач преодоления несовмести-
мости ПЭВМ не может быть возложено иа ОС, которые в этой ситуации ста-
ли-бы чрезмерно медленными и громоздкими. Поэтому фонды программ
для ПЭВМ пополняются самыми различными программами-конверторами,
а в ряде случаев с задачами конверсии справляются функциональные па-
кеты программ (рис. 2.12).
Учитывая принципиальную важность проблемы совместимости ПЭВМ
для пользователя с точки зрения удобства его общения с компьютером,
рассмотрим эту проблему в следующем разделе более подробно, перемес-
тившись, насколько это возможно, в „систему отсчета” пользователя
2.6. О СОВМЕСТИМОСТИ ПЕРСОНАЛЬНЫХ ЭВМ
ТЕРМИНОЛОГИЯ. УРОВНИ СОВМЕСТИМОСТИ
Перечисленные примеры решения задач конверсии программ
и данных показывают, что на практике пользователь должен уделять особое
внимание проблеме совместимости, прежде всего уяснив себе, что здесь
весьма опасно полагаться на приблизительные знания.
84
Строгого определения термина „совместимость” ле существует, поэто-
му различные толкования этого понятия часто служат источником недора-
зумений. Одни вкладывают в смысл этого термина возможность взаимо-
заменяемости элементов аппаратуры (монитор, печать, процессор и пр.),
другие — и это. более правильно — имеют в виду программную совмести-
мость, т. е. возможность исполнять одни и те же программы иа различных
ПЭВМ (при этом подразумевается возможность переноса их на магнитном
носителе — как правило, гибком диске).
Совместимость может быть полной или неполной (уровни совместимо-
сти) , о чем пользователи часто забывают.
Совместимость следует отличать также от возможности коммуника-
ции (взаимодействия) между отдельными ПЭВМ. Простейшее взаимодей-
ствие (передача информации по коммуникационному каналу) возможно
практически между любыми двумя ЭВМ. Развитие коммуникационных
(сетевых) возможностей ПЭВМ рождает определенные требования к ним.
Требуется совместимость ПЭВМ уже в смысле возможностей объединения
в некоторую локальную сеть. Во всех случаях следует четко понимать,
в связи с чем требуется совместимость — для переноса ли программ и
пакетов программ, создания локальной сети или для каких-либо иных
целей.
Целесообразно, таким образом, отметить три уровня совместимости:
уровень программной совместимости, определяемый требованием,
чтобы программы, написанные на каком-либо языке и иа какой-либо
ПЭВМ, успешно исполнялись бы и на другой, из числа сравниваемых;
уровень операционной совместимости, определяемый требованием,
чтобы все программы и пакеты программ, разработанные в данной ОС,
использовались на любой ПЭВМ, на которой эта ОС поставлена. К со-
жалению, это требование до конца не может быть выполнено. Различие в
аппаратуре ввода-вывода для различных персональных компьютеров при-
водит к тому, что часть программного обеспечения реально окажется
непереносимой (см. далее);
уровень полной совместимости, требующий кроме совместимости
на уровне ОС еще и отсутствия конструктивных различий в аппаратуре
ввода-вывода у сравниваемых ПЭВМ.
Для полноты картины следует упомянуть также так называемую
совместимость снизу вверх. Этот термин часто используется разработ-
чиками ПЭВМ в тех случаях, когда требуется подчеркнуть, что програм-
мное обеспечение младшей модели переносимо на каждую последую-
щую (старшую) модель.
СОВМЕСТИМОСТЬ С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ
Почему одни модели персональных компьютеров более попу-
лярны, чем другие? Можно было бы вспомнить поговорку „о вкусах не
спорят”, но все же главной причиной является, видимо, объем наработанно-
85
го программного обеспечения для данного типа ПЭВМ. Много ли сейчас
разработано в мире программ? Для ПЭВМ Apple II известно, например, бо-
лее 10 тысяч программных продуктов, что дает реальное представление
об объеме программного обеспечения для подобных (наиболее известных)
ПЭВМ. Что же касается такого гиганта, как IBM, то в случае IBM PC назван-
ную цифру можно смело увеличить на порядок. Хотя с точки зрения аппа-
ратных возможностей целый ряд моделей ПЭВМ превосходит. IBM PC,
вероятно, не зто главное. Теперь, когда накоплен большой опыт работы
с различными типами ПЭВМ, пользователям ясно, что хороших аппаратных
возможностей компьютера мало. Эффективность его работы в значительной
степени зависит от объема и качества программного обеспечения этого
типа ПЭВМ.
Идеальный случай — зто когда программное обеспечение ПЭВМ позво-
ляет в полной мере использовать все возможности данной модели. Цопу-
лярность IBM PC объясняется, вероятно, именно таким единством „hard-
ware" и „software", которое обеспечивается операционной системой РС-
DOS (MS-DOS).
Но может быть, можно каким-то образом использовать накопленное
программное обеспечение одного компьютера (например, IBM PC)
и на других типах ЭВМ, прежде всего тех, которые имеют лучшие (в срав-
нении с исходным) аппаратные возможности?
Такая постановка вопроса естественна. В § 2.5 речь шла о конверторах
вообще. Как правило, наиболее деликатной проблемой в достижении сов-
местимости близких по архитектуре ПЭВМ является согласование возмож-
но более полного набора функциональных характеристик важнейших уст-
ройств ПЭВМ: монитора и клавиатуры. Известны так называемые драйверы
экранов, осуществляющие в случае различия адаптеров настройку про-
граммы перед ее запуском на интересующей нас модели ПЭВМ. Например,
фирма Microsoft (разработчик операционной системы MS-DOS) использует
такие драйверы для своих популярных программ Word и Multiplan.
Как это выглядит с точки зрения пользователя? Попытка запустить
Multiplan (или Word) с гибкого диска приводит к сообщению на экране
„сначала настройте меня на машину”. Это означает, что пользователь
должен обратиться к специальной программе (в данном случае INSTALL),
выполняющей требуемую настройку, в процессе которой подключается
специальный набор процедур для работы с экраном и клавиатурой данной
ПЭВМ. Подчеркнем, что если бы экран и клавиатура сравниваемых ПЭВМ
были идентичными (что имеет место у „полностью” совместимых ЭВМ),
то необходимости в специальной настройке реализуемых программ на
данную ПЭВМ не существовало бы. /
Итак, проблема совместимости, возможно, не была бы такой острой,
если бы была разработана специальная программа настройки программно-
го обеспечения какой-либо базовой ПЭВМ на другие модели. Но создание
такой универсальной программы неизбежно сталкивается с принципиаль-
ными и техническими трудностями, видными уже при использовании
86 Z
программы INSTALL для пакетов Word и Multiplan. Есть и другие причины
(организационного плана), касающиеся взаимоотношений между фирма-
ми - производителями ПЭВМ, которые практически исключают создание
такого в целом полезного программного продукта.
Во всяком случае, пока такой программы нет, а следовательно, нет и
возможности использовать программное обеспечение какой-либо одной
модели ПЭВМ в полном объеме на других, не полностью совместимых с
ней моделях. »
УСЛОВИЯ СОВМЕСТИМОСТИ И ПРИЧИНЫ НЕСОВМЕСТИМОСТИ
Для физического переноса программ с одной модели на дру-
гую обычно используются гибкие диски. ОС-совместимость гарантирует
одинаковость структуры файлов, в которых хранится код программ, что и
дает возможность реально пользоваться программным обеспечением ба-
зовой модели. Однако здесь далеко не все гладко.
Почему, несмотря на ОС-совместимость, далеко не все программное
обеспечение базовой модели может быть перенесено на данную модель
ПЭВМ?
Во-первых, как указывалось, из-за различия в конструкции клавиа-
туры и монитора. В отдельных случаях эта трудность может быть устранена
путем разработки специальных программ (типа INSTALL) настройки на
данные устройства ввода и отображения. При этом необходимо, чтобы
переносимая программа взаимодействовала с аппаратурой через ОС, иначе
говоря, чтобы она придерживалась „соглашений” интерфейса с различными
функциями этой ОС.
Во-вторых, следствие прямого взаимодействия переносимой програм-
мы с аппаратурой (в „обход” ОС). Таких случаев гораздо больше, чем мож-
но себе представить. Дело в том, что любой разработчик стремится сделать
свою программу как можно более эффективной (более экономной, быст-
рой и т. д.), поэтому он старается максимально полно использовать архи-
тектуру и аппаратные возможности той ПЭВМ, на-которой он непосредст-
венно работает. Таким образом,. требование обеспечения эффективности
программы вступает здесь в противоречие с требованием ее переносимости,
и часто предпочтение отдается именно первому показателю.
Обобщив изложенное, отметим, что каждый пользователь, исходя из
своих целей, при выборе модели ПЭВМ имеет возможность сформулиро-
вать различные требования относительно совместимости этой модели с не-
которой базовой моделью, например, он может потребовать:
уровень программной совместимости — для сравнительно простых
программ, написанных на каком-либо языке высокого уровня, в этом
случае выбор модели у пользователей достаточно широк. Так, если речь
идет о Бейсике, то несмотря на множество его диалектов программы сред-
ней сложности могут быть исполнены на многих моделях либо после не-
больших изменений (настройки), либо в исходном виде;
87
уровень ОС-совместимости, если есть необходимость в использовании
интегрированных пакетов (типа Symphony, Framework II и др.), работаю-
щих под управлением выбранной ОС;
уровень полной совместимости; в этом случае пользователю лучше
остановить свой выбор на самой базовой модели, программное обеспечение
которой интересует его в полном объеме, или на какой-либо модели,
являющейся аналогом этой базовой.
ПРИМЕР АНАЛИЗА СОВМЕСТИМОСТИ ДВУХ ТИПОВ ПЭВМ
Рассмотрим два типа моделей ПЭВМ, близких (но все же
различных!) по своим характеристикам (табл. 2.2). В этой таблице
представлены практически все традиционные разделы, характеризующие
обычно данную ПЭВМ, в том числе и раздел „Рейтинг”. Обсудим более
подробно эти различия.
Монитор. Разрешающая способность монитора модели А, как вид-
но, выше, чем в стандартном варианте модели В. На сегодняшний день
это не является серьезным преимуществом. Дело в том, что различие
может быть устранено приобретением (в качестве дополнительного
оборудования для модели В) графического адаптера (Enhanced Graphics
Таблица 2.2. Сравнительный анализ моделей А, В ПЭВМ
Характеристика ПЭВМ А В
Тип процессора 8088, 8 МГц 8088,4,7 МГц
Емкость памяти до 640 Кбайт 256 Кбайт (до 640)
Операционная система и MS DOS; Бейсик PC DOS, СР/М-86;
языки программирования в ПЗУ все трансляторы
загружаются с диска
Клавиатура: число клавиш (в том числе функциональ- 101 (16) 83 (10)
ных)
Формат дисплеи 80X25 80X25
Тип монитора Монохромный Монохромный
(цветной) (цветной)
Разрешение (число точек 800X300 640X200
в растре на экране)
Число цветов 16 16
Интерфейсы RS232, RS232,
локальная сеть „А” локальная сеть „В”
Емкость внешней памяти 2x360 Кбайт, 2X360 Кбайт,
Рейтинг: 10-20 Мбайт 10-20 Мбайт
игры 4 7
деловая сфера 6 9
наука 4 6 .
легкость использования 5 5
оценка в целом 5 9
88
Adapter, EGA) с соответствующим монитором (Enhanced Graphics
Display), дающим в итоге разрешающую способность того же порядка,
что и монитор модели А.
Клавиатура. Большее число функциональных клавиш (16 в модели
В против 10 в модели А) является, вообще говоря, большим удобством
для ряда категорий пользователей, например для научных работников.
Однако зто различие представляет всегда реальную опасность, так как
часть программного обеспечения модели А оказывается непереносимой на
модель В.
Интерфейс (локальные сети). В ближайшие пять — семь лет произой-
дет стабилизация гаммы средств для построения локальных сетей (ЛС)
ПЭВМ. В течение этого переходного периода сопряжение ПЭВМ в ЛС
остается одним из основных источников несовместимости. Фирменные
варианты ЛС стыкуются плохо или не стыкуются вообще. Поэтому
часто пользователи идут в обход и применяют для обмена данными
интерфейс RS232C и простейшие программы пересылки данных (так,
получил известность протокол передачи данных KERMIT). В рассмат-
риваемом примере с определенной уверенностью можно утверждать
лишь то, что сети данных моделей между собой несовместимы.
Микропроцессор. Микропроцессор Intel-8086 (8 МГц) является,
очевидно, более производительным, чем Intel-8088 (4,77 МГц). Вообще
говоря, это является преимуществом. Но если иметь в виду вопрос
о совместимости этих моделей, то различие в тактовой частоте, если не
принять специальных мер, превращается в практически непреодолимый
барьер для значительной части программного обеспечения модели А при
попытке реализации его на модели В. Причина здесь в том, что зти мик-
ропроцессоры имеют различные временные характеристики, на основе ко-
торых программируется взаимодействие ОС с аппаратурой.
Ряд фирм — производителей ПЭВМ использует аппаратные решения
для устранения этого барьера между различными ПЭВМ. Поэтому вопрос
о том, насколько существенно это различие в данном случае, можно
решить только экспериментально в процессе специальных испытаний
(см. ниже).
Проведенный анализ подтверждает вывод, который можно сделать
и при беглом взгляде на табл. 2.1: применительно к выбранным типам
компьютеров в лучшем случае можно требовать лишь их „MS-DOS-
совместимость”.
Можно далее с уверенностью утверждать, что из-за различия в аппара-
туре (дисплей, клавиатура) далеко не все программы, в том числе и ин-
тегрированные пакеты, написанные в MS-DOS (PC-DOS), могут быть реа-
лизованы одновременно на моделях А и В даже с учетом их „MS-DOS-
совместимости”.
Предположим, однако, что имеет место обратная ситуация — все,
что нужно пользователю из программного обеспечения модели А, яв-
ляется переносимым в отношении модели В.
89
Поставим вопрос: какую все же из обсуждаемых моделей следует
приобрести пользователю? Обратимся снова к табл. 2.1. Как видим
по всем показателям (игры, деловая сфера, научная область, удобство
использования) следует отдать предпочтение модели А как более уни-
версальной в сравнении с моделью В (соотношение условных баллов
по этим показателям выглядит соответственно так: 7—4, 9—6, 6—4,
5—5, а суммарные оценки — 9—5).
Отметим, что представленный в табл. 2.1 рейтинг формулируется,
как правило, на основании экспертных оценок специалистов, о чем уже
упоминалось в § 2.4.
О ПРОГРАММЕ ИСПЫТАНИЙ ПЭВМ НА СОВМЕСТИМОСТЬ
В заключение разговора о совместимости обсудим практиче-
скую сторону организации проверки совместимости сравниваемых моде-
лей.
Любая программа такой проверки должна содержать ряд необходи-
мых разделов по двум основным направлениям:
совместимость аппаратного обеспечения ЭВМ (стыки, монитор, кла-
виатура и др.);
совместимость программного обеспечения ЭВМ (ОС, интерпретаторы,
интегрированные пакеты и т. п.).
Отдельно следует учесть различие в тактовых частотах (если оно име-
ется) микропроцессоров в сравниваемых ПЭВМ. Не вдаваясь в детали
вопроса, можно рекомендовать для проверки совместимости в первую
очередь использовать пакеты и программы, приведенные4 в табл. 2.3.
Как легко видеть, представленная методика сравнения совместимости
ПЭВМ (в данном случае 16-разрядных) не зависит от их конкретных
типов и может быть использована практически во всех случаях.
Таблица 2.3. Программа испытаний на совместимость
Что проверяется Программа Примечание
1. Hardware (временные ха- рактеристики) Games Игры
2. Работа дисплея Flight Simulator Игровая программа „тренажер”
3. Работа дисплея Frogger Игровая программа
4. Управление манипулято- ром „мышь” и дисплеем Windows Программа организации полиэкранного диалога
5; Ввод-вывод р обход стан- дарта. BIOS CCPM Операционная система
6. Работа дисков, разметка секторов Copywrite Программа защиты файлов иа диске
7. Работа клавиатуры ALFA. SYS Загрузка нового алфавита
90
Рассмотрением этого круга задач мы и заканчиваем главу, посвящен-
ную современным проблемам технологии программирования для
ПЭВМ и организации общения между ЭВМ и пользователем-специалистом.
Методы построения алгоритмического и программного обеспечения при
создании автоматизированных рабочих мест для инженеров различных
профилей будут рассмотрены в следующих главах.
Глава 3
ВОПРОСЫ ОРГАНИЗАЦИИ РАБОЧЕГО МЕСТА ИНЖЕНЕРА-
ИССЛЕДОВАТЕЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЭВМ
3.1. О СОВРЕМЕННОМ ИНСТРУМЕНТАРИИ ИНЖЕНЕРА
БИБЛИОТЕКИ СТАНДАРТНЫХ ПРОГРАММ
Как уже отмечалось, применение ПЭВМ предопределяется
разработанным для них программным обеспечением. В соответствии, с на-
значением тех или иных моделей на передний план выходят то игровые
программы, то автоматизированные учебные курсы. Персональные ЭВМ,
предназначенные для инженеров, наряду со средствами машинной графики,
обработки текстов, сервисными программами должны содержать прог-
раммы решения повседневных научных и технических задач. В этот набор,
как правило, входят программы решения систем линейных, нелинейных,
дифференциальных уравнений, вычисления определенных интегралов, ин-
терполяции функций, нахождения корней многочленов, определения экст-
ремумов функций одной и нескольких переменных, спектрального анализа,
статистической обработки данных и т. п. Обычно такие программы оформ-
ляются в виде библиотек или пакетов и размещаются на внешних носите-
лях. Напомним, что основное различие между пакетом и библиотекой
программ заключается в следующем: 'пакеты построены по модульному
принципу (одни и те же фрагменты используются в различных програм-
мах) , в то время как программы библиотек работают независимо друг от
друга. Применение пакетов позволяет более экономно использовать ма-
шинные ресурсы; с библиотеками в ряде случаев проще работать, особенно
неподготовленному пользователю. На русском языке тексты прикладных
программ публикуются довольно давно — в 60-е, 70-е годы в основном
на Алголе и Фортране, в последнее время все чаще на Бейсике и некоторых
других языках1.
1 См. например: Библиотека алгоритмов 16-506. - М.: Сов. радио, 1975. - 176 с.;
Библиотека алгоритмов 516-1006. — М.: Сов. радио. 1976. — 136 с.; Сборник научных
программ на Фортране, вып. 1. - М.: Статистика, 1974, а также [ 84].
91
КАЛЬКУЛЯТОР НА РАБОЧЕМ СТОЛЕ
Отметим следующее обстоятельство. Большинство из перечис-
ленных программ может выполняться (и выполняется) на программируе-
мых микрокалькуляторах, которые к настоящему времени по ряду причин
получили большее распространение, чем ПЭВМ. Для них также опубликова-
ны обширные библиотеки программ [32, 49, 83, 92, 93]. В ряде случаев
применение калькуляторов является совершенно оправданным, поскольку
они работают в любых условиях, бесшумно, довольно быстро и с достаточ-
ной для многих применений точностью. Однако популярные современные
марки программируемых калькуляторов, например „Электроника МК-56”,
имеют ряд ограничений, препятствующих более широкому их применению.
Более подробно о возможности использования микрокалькуляторов в
конкретных задачах инженерной практики пойдет речь в следующей
главе, здесь же обратим внимание на малую емкость памяти для хранения
программ и данных, сравнительно невысокое быстродействие, невозмож-
ность работы на языках высокого уровня.
Таким образом, освоив программируемый калькулятор, инженер
сталкивается с рядом практических трудностей, возникающих при его
использовании. Одни из этих трудностей устранимы, другие — неустранимы
без коренной переделки самой „идеологии” калькулятора. Можно усо-
вершенствовать способ-хранения введенной программы (например, за-
поминать ее на магнитных карточках), расширить библиотеку программ,
записываемых рри изготовлении калькулятора в его постоянную память,
нарастить число рабочих ячеек памяти для хранения данных. Но все это —
паллиативные меры. Пока программирование на таких калькуляторах
определяется „криптографическим” стилем кодирования команд, невоз-
можно добиться качественных сдвигов в росте производительности труда
инженера-программиста.
Дальнейшее развитие идет в направлении уменьшения габаритных раз-
меров, массы, потребляемой мощности при предоставлении пользователю
больших удобств в работе (микропрограммная реализация части функций,
языки высокого уровня, встроенные дополнительные устройства). В ряде
случаев степень миниатюризации оборудования уже близка к предельной.
Так, размеры клавиш сейчас определяются в основном эргономическими
соображениями, если же их уменьшить, что технически возможно, то потре-
буются специальные приспособления для работы с ними. С физическими
ограничениями на размеры изделий электронной техники можно ознако-
миться в[88].
Итак, можно говорить о слиянии в перспективе таких понятий, как
программируемые калькуляторы наиболее совершенных моделей и пере-
носимые ПЭВМ. Многие из таких компьютеров уже сейчас имеют размеры
стандартного листа бумаги А4 при объеме памяти 256 Кбайт, формате
дисплея 80X8, производительности на уровне больших ЭВМ 3-го поколе-
ния, наличии Бейсик-интерпретатора, встроенного принтера, разъемов
92
100 REM
110 PRINT "НАЧАЛО"
120 К - О
130 DIM М<5>
140 К = К + 1
150 А-К/2*3 + 4~5
160 GOSUB 230
170 FOR L - 1 ТО 5
180 M(L> "= А
190 NEXT L
200 IF К < 1000 THEN 140
210 PRINT "КОНЕЦ"
220 END
230 RETURN
Рис. 3.1. Тестовая программа - бенчмарк
для подключения дополнительных устройств и блоков памяти, незави-
симости от стационарных источников питания. Но массовый переход
к портативным ПЭВМ в СССР - дело будущего, а пока попытки обойти
некоторые из отмеченных негативных моментов использования кальку-
ляторов связаны с организацией процедуры счета, рационализацией тех-
нологии их использования. Методикой использования калькуляторов
в учебном процессе [65] при вычислении производной функции, при
аппроксимации по методу наименьших квадратов предусматриваются,
в частности, разбиение задачи на более мелкие процедуры, регламентация
формы записи промежуточных результатов на специальном бланке.
Как было отмечено, еще один фактор, ограничивающий применение
калькуляторов, — их сравнительно невысокое быстродействие. В гл. 2
указывалось, что одним из критериев оценки производительности ЭВМ
является время выполнения определенных тестовых программ (бенчмар-
ков) . Авторы сравнили результаты выполнения одной из таких программ
(рис. 3.1) на ряде ПЭВМ и на калькуляторе. Результаты эксперимента
следующие. Персональные ЭВМ: IBM PC — 37 с, Apple Не — 46 с, Иск-ра-
226 — 49 с, Tandy Color — 51 с, Электроника НЦ-80-20 — 56 с. В 2 мин.
„уложились” Epson НХ-20 (101 с) и СМ-1800 (104 с). Калькулятор
FX-702P фирмы Casio выполнял тест более.20 мин.
Конечно, инженер не обязан все зто время неотрывно смотреть на
калькулятор. Положив его на (или в) стол и запустив вычисления
по программе, он может заняться другими делами. Однако для орга-
низации содержательного диалогового взаимодействия ему калькулято-
ра мало, нужна все же ПЭВМ.
ПЕРСОНАЛЬНЫЕ ЭВМ - НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ДЛЯ
ИНЖЕНЕРА (ПРИМЕРЫ)
Рассмотрим в качестве примеров ряд типичных задач инже-
нерной и учебной практики, реализованных на ПЭВМ и на калькуляторах.
Задача.вычисления площади плоской'фигуры, как известно, решается ин-
93
тегрированием. В последнее время такие задачи находят широкое примене-
ние в системах автоматизированного проектирования, обработки изобра-
жений и т. п. Наиболее распространенные методы численного интегрирова-
ния описываются формулами трапеций
х„ 1 1
/= f ydx = h (------у0 +yi + у2 + • + +-----Уп)
хо 2 2
и Симпсона
х п
I=S ydx=-------(у0 + 4yi + 2у2 + 4у3 + ... + 4у„_1 +у„ ).
х„ 3
В приложения 6 (рис. П6.1) приведена программа вычисления интегра-
ла методом трапеций на Бейсике. В справочнике [ 32] дается следующая
программа для микрокалькулятора:
ПО С/П ПВ пп 41 ПС ипв С/П ПП 41
ипс .+ ,2 ПС ипв ИПА — ИПО
пв Щ1О 1 — ПО ИПА ИПВ + пп 41
ипс + ПС FLO 25 ИПС ИПВ X С/П Б/П
оо ПА ... и. ... ... ... ... В/О
Можно указать также аналогичные программы в работах [ 3, 92]. Жур-
нал „Наука и жизнь”, 1986, № 4 посвятил вопросам интегрирования на мик-
рокалькуляторах заседание „круглого стола”, где были рассмотрены воп-
росы реализации различных методов интегрирования. Соответствующие
программы работали от 27 до 120 с и давали 5—7 верных знаков. Таким об-
разом, калькуляторы позволяют выполнять численное интегрирование дос-
таточно эффективно. Преимущества ПЭВМ здесь выражаются в большей
скорости вычислений, а также в удобстве работы, в частности, „подпрог-
рамма вычисления подынтегральной функции” сводится на Бейсике к од-
ному оператору DEF (см. приложение 5). Отметим, что ЭВМ допускает
и аналитическое решение задачи, чего не могут калькуляторы.
Для решения уравнений вида /(х) "= 0 часто используется метод
Ньютона:
xn+i хп f(xn)!f'(xn)-
Программа на Бейсике приведена на рис. П6.2, программа для каль-
кулятора [ 32] выглядит так:
ПД...ИПД ХУ-ПД FBx Fx=0 01 ИПД С/П
94
Этим же способом можно находить и действительные корни много-
членов, для вычисления их комплексно-сопряженных корней применяют-
ся и другие методы. На рис. П6.3 представлена программа, реализующая
на Бейсике метод Барстоу [ 119]. В ( 32] приведена программа вычисления
на калькуляторе корней многочлена 5-й степени, выделяющая действитель-
ный корень и выполняющая разложение многочлена на квадратичные мно-
жители. Объем программы — 96 шагов, время счета 13 мин. Автор указы-
вает, что при степени многочлена выше пятой применение калькулятора
становится нецелесообразным из-за значительного роста погрешности и
времени счета.
На рис. П6.4 представлена программа решения обыкновенного диффе-
ренциального уравнения ^методом Рунге — Кутта. Расчетные формулы име-
ют вид
h
=>’1+-----(*j + 2*2+2*3+ *4),
6
где *i = /(xl-,yf); к2 = fix, + h/2, yt + *i/2); k3 = f {x{+hl2,yt +к212) ;
*4 = f(xt + Н,у( + к3).
При вычислениях на калькуляторе для каждого шага, т. е. для нахож-
дения значения функции у в очередной точке, требуется около 30 с.
Программа для калькулятора:
ПВ ПС 3 X пд ПП 34 пд пп 30
+ пд пп 34 + ПД F ипв + ПВ
пп 30 3 ПВ ИПО С/П ипв БП 01
ИЛА ипо + ПО ... ... ИПА X
• t ипс + ПВ F 1 t ипд + В/О
Системы линейных уравнений чаще всего решаются последовательным
исключением неизвестных по методу Жордана — Гаусса. Бейсик-программа
дана на рис. П6.5; имеются аналогичные программы для калькуляторов,
предназначенные как для автоматического счета, так и для работы в
полуавтоматическом режиме с применением специальных бланков. В до-
полнение к обычной фразе о: времени счета здесь требуется еще одно за-
мечание. В задачах такого рода приходится вводить большой объем ин-
формации (в данном случае — коэффициенты системы и правые части
уравнений). В процессе ввода возможны ошибки. Контролировать ввод
гораздо удобнее на экране дисплея, где одновременно отображается не-
сколько чисел. Длительность и трудоемкость процессов ввода и вывода
информации является одним из важных факторов, которые необходимо
учитывать при выбора между калькулятором и ПЭВМ.
Важную роль в исследовании функций играет спектральный анализ.
Как указано в [30], современные микрхжалькуляторы позволяют
получать характеристики до 150 гармоник при любом числе точек. Но
95
и время счета велико (десятки минут), что определяет целесообразность
использования ПЭВМ. На рис. П6.6 приведена Бейсик-программа, реали-
зующая быстрое преобразование Фурье.
Широкий класс задач решается методами линейного программиро-
вания. Как уже отмечалось, большой объем исходных данных, высокие
требования к времени вычислений определяют выбор ПЭВМ. Это в пол-
ной мере относится к данному случаю. Многие библиотеки содержат
программы для решения задачи линейного программирования симплекс-
методом — одним из наиболее популярных и хорошо себя зарекомендо-
вавшим.
Разумеется, приведенный список программ далеко не полон. Он
носит иллюстративный характер и определяется планами дальнейшего
изложения материала. Ряд этих программ и методов будет использован
в последующих главах при описании более сложных моделей.
3.2. НОВЫЕ СРЕДСТВА ДИАЛОГА С ПЕРСОНАЛЬНОЙ ЭВМ
ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ
В последние годы появился и получил весьма • широкое распро-
странение совершенно новый класс программ для ПЭВМ. Речь идет об
упоминавшейся ранее электронной таблице (английский эквивалент .тер-
мина — spreadsheet). Идея, лежащая в их основе, не нова и, как утверж-
дается в [ 112], использовалась еще в XVIII веке в Ост-Индской компании.
Советуем читателю поставить простой эксперимент: зайти в бухгалте-
рию своего предприятия и осведомиться, что такое „пустографка". Полу-
чив ответ, вы сможете с уверенностью утверждать, что бухгалтерия готова
к применению персональных компьютеров. Пустографка — .это и есть
spreadsheet.
Именно электронные таблицы связывают с переворотом в обработке
больших массивов экономической информации. Первая такая программа,
UisiCalc, была разработана Д. Бриклином и Б. Фрэнкстоном в 1979 г., а
сейчас электронные таблицы — неотъемлемый компонент программного
обеспечения любой ПЭВМ. Только в США среднегодовой рост продажи
этих программ за 1980-1985 гг. превысил 150%. К 1987 г. общее число
имеющихся у пользователей программ приблизилось к 10 млн., ежегодно
их продается более 2 млн., что лишь незначительно уступает числу реал»;
зуемых за год ПЭВМ. Основное применение электронных таблиц — финан-
совые расчеты, но они могут с успехом использоваться и в других сферах,
что и будет показано в данном разделе. f
ЧТО ТАКОЕ ЭЛЕКТРОННАЯ ТАБЛИЦА
Электронная таблица — это новый инструмент, который
делает компьютер таким же простым в использовании, как и калькуля-
тор, но с гораздо более широкими возможностями.
96
Основной формат электронной таблицы — экран дисплея с сеткой,
разделяющей его на столбцы н строки, обозначаемые буквами мщфрами,
как показано в табл. 3.1. Столбцы, ширина которых может устанавли-
ваться пользователем, и строки определяют ячейки. Каждая ячейка обозна-
чается подобно клетке шахматной доски, как пересечение строки и столб-
ца, например К5, В20 и т. п., и может быть использована для трех основных
целей:
хранения текста (заголовок, имя, комментарий и т. п.);
хранения числа (в формате, аналогичном тому, который используется
в калькуляторах);
ссылки на расчетную формулу, с помощью которой по исходным дан-
ным из других ячеек таблицы вычисляется значение, подставляемое потом
в зту ячейку.
Последняя из указанных трех’ возможностей является наиболее инте-
ресной и важной. Значительная часть преимуществ электронных таблиц
определяется именно возможностью использовать с помощью таких, фор-
мул в качестве переменных численные значения всех остальных ячеек.
В качестве примера рассмотрим табл. 3.2, в которой столбцы А и С ис-
пользуются для текста; ячейки В4 — В6 и D4 — D6 предназначены для
хранения результатов вычислений по формулам.
Таблица 3.1. Формат электронной таблицы
АВ С ... АА ВА
1
2
3
4
Таблица 3.2. Формулы дли вычисления некоторых элементарных
функций
. А . . В .. С > 0 .. Е . . F
1.ПРИМЕР 2.ЧИСЛО 3.ЧИСЛО а. <А*а> ВЫЧИСЛЕНИЙ А <ВВЕСТИ> В <ВВЕСТИ> В4»В2*ВЗК0РЕНЬ ИЗ <А*В) E4-SQRT<B4)
5><А/В) В5-В2/ВЗК0РЕНБ ИЗ (А/В) E5-SQRT(B5>
6.<А+В> В6“В2+ВЗК0РЕНЬ ИЗ <А+В> E6«SQRT<B6>
7, 8. 9. ТЕКСТ ФОРМУЛЫ ТЕКСТ ФОРМУЛЫ
,10.
4 Зак. 85,4
97
Б этой и подобных ей электронных таблицах наиболее важное свойство
Программы — способность изменять после расчета значение любой ячейки,
определяемое с помощью формулы, без изменения содержимого ячеек,
предназначенных для хранения данных. Нацример, если в качестве А в ячей-
ку В2 записать число 4. 5, а В (ячейка ВЗ) положить равным 2.5,.то жран
компьютера мгновенно примет вид как на табл. 3.3. При изменении значе-
ния А изменится и содержание экрана: все величины придут в соответствие
с новым значением А.
Таблица 3.3. Численный пример к табл. 3.2
А .. В с :: 0 . . Е
1.ПРИМЕР ВЫЧИСЛЕНИЙ
2.ЧИСЛО А
3.ЧИСЛО В
4.<А«в)
S.tAZBJ
6=<A4B)
7.
4.5
2.5
11.25К0РЕНБ ИЗ <А*В> 3.334102
l.BKOPEHb ИЗ <АХВ> 1.341441
ТКОРЕНЬ ИЗ <А*В> 2.645751
Популярность электронных таблиц чрезвычайно расширилась благода-
ря способности программ немедленно повторять большой объем вычисле-
ний при изменении исходных данных. Это свойство можно назвать функци-
ей „Что — если”, так как оно позволяет немедленно проследить влияние
начальных значений на ход и результаты вычислительного процесса. Благо-
даря этой функции можно легко получить ответы на такие вопросы, как,
нацример: „Что, если производительность труда возрастет не на 4,5, -а на
5,2%, на сколько увеличится процент выполнения плана?” или „Что, если
да 100 км пути расходовать да 0,5 л бензина меньше, какая сумма будет
сэкономлена при поездке из Ленинграда в* Сочи?”
Даже на искушенного пользователя большое впечатление производит
волна изменений, прокатывающаяся по экрану в ответ на исправлегше
какой-либо цифры. В примере на табл. 3.4, 3.5 достаточно ввести новое
значение расхода бензина (ячейка СЗ) или его цены (ячейка С4), чтобы
изменению моментально подверглись все вычисляемые величины, рас-
положенные в ячейке Е11 и под названиями городов. Если же в резуль-
тате изменения маршрута придется ввести новое значение для, скажем,
расстояния от Ленинграда до Риги (ячейка Е14), то перерасчету подверг-
нется, разумеется, лишь та единственная ячейка В17, где формула содер-
жит Е14.
Особенно полезна описанная возможность при выполнении много-
вариантных расчетов. Специалист успевает проанализировать гораздо
большее количество вариантов, при этом повышается обоснованность
и точность принимаемых решений. По некоторым данным использова-
ние электронных таблиц дает от '400 до 700 % прироста производитель-
ности труда по сравнению с применением калькулятора. Невозможно
переоценить и методическое значение функции „Что - если” при обуче-
нии на любом уровне. Такой анализ чувствительности решения к изме-
98
Таблица 3.4. Формулы для расчета стоцмости беизмна
и ! I О • . V . I U I : е 1>
1. РАСЧЕТ СТОИМОСТИ БЕНЗИНА
21
З.НА 1 ЛИТРЕ 12 КИЛОМЕТРОВ
♦ .ЦЕНА 1 ЛИТРА 0.3
5.
6.ВВЕДИТЕ ДАННЫЕ В ЯЧЕЙКИ СЗ И С4
7.НАЙДИТЕ В ТАБЛИЦЕ ПЕРЕСЕЧЕНИЕ ДВУХ ГОРОДОВ
8.В ВЕРХНЕЙ ПРАВОЙ ПОЛОВИНЕ - РАССТОЯНИЕ
9.В НИЖНЕЙ ЛЕВОЙ ПОЛОВИНЕ - СТОИМОСТЬ БЕНЗИНА
18.
11 .СТОИМОСТЬ БЕНЗИНА НА 1 КИЛОМЕТР ПУТИ С4/СЗ
12.
13. КИЛОМЕТРЫ
14. Р ЛЕНИНГРАД 3188 679 648 82672
15. У С14«Е11 БАКУ 2421 3339 584
16. Б D14«E11 D154E11 МОСКВА 1891 1993
17. Л Е14ЯЕ11 Е15*Е11 Е16*Е« РИГА 2911
18. И F144E11 F15*E11 F16«E11 F174E11 ТБИЛИСИ
19.
2В.
Таблица 33. Расчет по табл. 3.4
1 .РАСЧЕТ СТОИМОСТИ БЕНЗИНА
2 .
З .НА 1 ЛИТРЕ 12 КИЛОМЕТРОВ
♦.ЦЕНА 1 ЛИТРА .3
5.
♦.ВВЕДИТЕ ДАННЫЕ В ЯЧЕЙКИ СЗ И С4
7.НАЙДИТЕ В ТАБЛИЦЕ ПЕРЕСЕЧЕНИЕ ДВУХ ГОРОДОВ
8.В ВЕРХНЕЙ ПРАВОЙ ПОЛОВИНЕ - РАССТОЯНИЕ
9.В НИЖНЕЙ ЛЕВОЙ ПОЛОВИНЕ - СТОИМОСТЬ БЕНЗИНА
18.
«.СТОИМОСТЬ БЕНЗИНА НА 1 КИЛОМЕТР ПУТИ 12. .825
13. к ИЛО МЕТ Р Ы
14. р ЛЕНИНГРАД 3188 679 648 2672
15. У 77.5 БАКУ 2421 3339 584
16. Б- 16.975 68.525 МОСКВА 1891 1993
17. Л 16 83.475 27.275 РИГА 2911
18. И 66.8 14.6 49.825 72.775 ТБИЛИСИ
19.
28.
нению исходных данных позволяет, обучаемому быстрее и глубже по-
нять суть явления.
Многие качества электронных таблиц делают их дружественными
для пользователя. Одно из них применяется в ситуации, когда форму-
лы, сходные по структуре, но содержащие разные переменные, повто-
ряются в таблице многократно. Используя команду Replicate, форму-
лу можно ввести лишь один раз, а затем ,дублировать” ее в остальных
местах таблицы. Так, чтобы записать формулы в ячейки D4 — D6 (табл.
3.2), пользователю достаточно ввести формулу в D4 и дать команду
повторить ее в ячейках D5 и D6. При этом автоматически изменяются
имена переменных.
• 9®
4*
К другим .дружественным” функциям относится возможность
удалять или вставлять как столбцы, так и строки при редактировании
формул. Можно также форматировать разметку электронной таблицы.
Все рассматриваемые примеры относятся к пакету SuperCalc [27],
однако основные понятия легко переносятся на. любые программы обра-
ботки электронных таблиц с небольшими изменениями. В SuperCalc
используются 63 столбца (они обозначаются буквами от А до Z
и далее АА — AZ, BA —ВК) и 254 строки (нумеруются от Л до 254);
таким образом, полностью заполненная таблица содержит 16002
ячейки. Ширину столбцов можно увеличить до 127 символов, текст
может содержать до 115 знаков, формула — не более 116.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ ТАБЛИЦ ДЛЯ РЕШЕНИЯ
МАТЕМАТИЧЕСКИХ ЗАДАЧ
Вернемся к двум примерам, которые рассматривались в пре-
дыдущем разделе, и покажем, как с помощью электронных таблиц можно
находить корни уравнений методом Ньютона — Рафсона и решать линейные
системы путем жорданова исключения.
Пусть требуется вычислить квадратный корень из некоторого чис-
ла методом Ньютона — Рафсона. Как известно, уравнение итерационного
процесса на любом шаге имеет вид
1 а
хл+ г (хл + ” ) •
2 хп
Воспользуемся этим уравнением и отмеченным выше свойством элект-
ронных таблиц, заключающимся в повторении формул. Заполним электрон-
ную таблицу (табл. 3.6), взяв в качестве исходного числа 45,678, а за на-
чальное приближение приняв (весьма грубо!) число 7. Эти данные и заго-
ловки занимают 7 верхних строк таблицы, а с 8-й строки начинаются фор-
мулы. В столбце А будем записывать номера итераций, а в столбце С —
приближения к корню. Естественно, в ячейку А8 мы должны записать 0, а
С8 положить равным нулевому приближению С5. В 9-й строке номер итера-
ции увеличивается на 1, а значение корня пересчитывается по формуле Нью-
тона на основе предыдущего приближения. Эту формулу мы и размножим
с соответствующими изменениями, повторив ее с помощью команды
Replicate в строках 10—15. Мы полагаем (и не без оснований), что семи
приближений будет достаточно, впрочем, как указывалось, есть возмож-
ность использовать любое число строк вплоть до 254.
На этом подготовительная работа заканчивается, и в нашем распо-
ряжении появляется наиболее быстрый, точный, удобный и методически
полезный инструмент для вычисления квадратного корня из всех имею-
щихся на сегодня. Для расчета с другим начальным приближением тре-
буется лишь изменить ячейку С5. новое подкоренное выражение записы-
100
Таблица 3.6. Формулы для вычисления квад-
ратного корня
, А . . В С >, О .
1: НАХОЖДЕНЖ КВАДРАТНОГО КОРНЯ
2, МЕТОДОМ НЬЮТОНА - РАФСОЖ
3.
4. ЧИСЛО» 45.678
5. НАЧ. ПРИБЛИЖЕНИЕ- 7
6.
7. НОМЕР ЗНАЧЕНИЕ
В: © +С5
9. 1+А8 . 5*<С8+С4/С8>
ie. 1+А9 . 5*(С9+С4/С9>
11. 1+А10 5*<С10+С4/С10>
12. 1+А11 ,5*<С11+С4/С11>
13. 1+А12 .5*<С12+С4/С12>
14. 1+А13 . 5*<С13+С4/С13>
15. 1+А14 . 5*<С14+С4/С14>
Таблица 3.7. Расчет по табл. 3.6 при х0 = 20
А В , , С . . О
1= НАХОЖДЕНИЕ КВАДРАТНОГО КОРНЯ
2: МЕТОДОМ НЬЮТОНА - РАФСОНА
3.
4. ЧИСЛО- 45.678
5. НАЧ. ПРИБЛИЖЕНИЕ 20
6.
7. НОМЕР ЗНАЧЕНИЕ
В. е 2G
9. 1 11.14195
10. 2 7.620796
11. 3 6.807329
12. 4 6.758725
13. 5 6.758550
14. 6 6.758550
15. 7 6.758550
Таблица 3.8. Расчет по табл. 3.6 при х„
. А .. В ., С .. О
1. НАХОЖДЕНИЕ КВАДРАТНОГО КОРНЯ
2 . МЕТОДОМ НЬЮТОНА - РА4С0НА ,
3.
4. ЧИСЛО» 45.678
5. НАЧ. ПРИБЛИЖЕНИЕ- 7
6. 7. НОМЕР ЗНАЧЕНИЕ
8. 0 7
9. 1 6.762714
10. 2 6.758551
11. 3 6.758550
12. 4 6.758550
13, 5 6.758550
14. 6 6.758550
15. . 7 6.758550'
вается в С4. На экране при
этом отражается вся процеду-
ра приближения к корню,
что позволяет судить о при-
меняемом методе. В табл. 3.7
и 3.8 представлены расчеты
для начальных приближений,
равных 20 и 7. Заданная точ-
ность приближения к корню
(одна миллионная) обеспечи-
вается в первом случае за 5,
а во втором за 3 итерации.
В рассмотренном примере
данный способ, пожалуй,
проще и быстрее, чем работа
по Бейсик-программе. Если
же логика вычислений слож-
нее, например включает вло-
женные циклы, как при реше-
нии линейных систем, то таб-
лица становится более гро-
моздкой, хотя и сохраняет
свою наглядность. Чтобы за-
писать уравнения, возьмем
АЗ в качестве активной ячей-
ки и напечатаем слово ’’Урав-
нения”. Затем в А4 напечата-
ем текст: ”3 X + 21 У + 3 Z =
= -30”, в А5 — ”Х + 2 У —
— 2 Z = 7” и в Аб — ”2 X +
+ 8 У — Z = 2”. Числа теперь
можно вводить непосредст-
венно, без кавычек. Введем
коэффициенты при неизвест-
ных и правые части уравне-
ний в форме расширенной
матрицы (табл. 3.9). Поми-
мо текста и чисел нужно
ввести также формулы.
, Для решения систем исполь-
зуется метод Жордана — Гаус-
са. При этом все неизвестные,
кроме одного, последова-
тельно исключаются Из каждо-
101
Таблица 3.9. Система линейных уравнений
. А В .. С .. О
1. РЕШЕНИЕ ЛИНЕЙНОЙ СИСТЕМЫ С 3 НЕИЗВЕСТНЫМИ
2<’
3. УРАВНЕНИЯ
4: 3X + 21Y + 3Z--30
5. X + 2 Y - 2 Z = 7
6. 2 X + 8 Y - Z - 2
7.
8: РАСШИРЕННАЯ МАТРИЦА
9. 3 21 3 -38
18. 12-27
11= 2 8 -1 —2
12.
Е
Таблица 3.10. Преобразование матрицы системы
12. -
13. ПРИВЕДЕНИЕ А(1,1) К 1
14. 1 7 1 -10
15. 1 2 —2 7
14. 2 8 .-1 -2
17.
Та блица XII. Формулы к табл. 3.10
7,
8. РАСШИРЕННАЯ МАТРИЦА
9. 3 21 3
18. 12-2
11. 2 а -1
12.
13. ПРИВЕДЕНИЕ А<1,1> К 1
14. А9/А9 В9/А9 С9/А9
15. А18 81® С10
16= All В11 СИ
17.
-38
7
-2
D9/A9
018
ОН
Таблица 3.12. Формулы для преобразования матрицы
17.
1В. ИСКЛЮЧЕНИЕ В 1 СТОЛБЦЕ
19. А14 В14 С14 014
20. А15-А15*А14 В15-А15*В14 С15-А15«С14 D15-A15*D14
21. А16—А16*А14 816—А16*В14 С16-А16*С14 D16-A16*014
22.
го уравнения, пока не остается набор уравнении, содержащих единствен-
ное неизвестное. Чтобы преобразовать матрицу коэффициентов к единич-
ной матрице, используются элементарные операции над строками. Смысл
этих преобразований в том, что в результате столбец правых частей
уравнений преобразуется в вектор — решение системы.
Чтобы облегчить преобразование для автоматического решения, диаго-
нальный элемент в определенной строке с помощью деления всей строки
на его значение преобразуется в единицу. Эта строка далее используется
для приведения остальных элементов этого столбца к 0. Процедура, повто-
ряется, пока матрица системы не перейдет в единичную.
Начиная с первой строки, делим всю еела значения элемента А (1.1),
который станет при этом равным 1, как- показано в табл. 3.10 в строке
102
Таблица 3.13. Насчет ио табл. 3.12
17.
18. ИСКЛЮЧЕНИЕ В 1 СТОЛБЦЕ
19. 17 1 -10
20, О -5 -3 17
21. О -6 -3 1В
22.
Таблица 3.14. Преобразование матрицы
22:
23: ПРИВЕДЕНИЕ А(2,2> К 1
24. А19 В19 С19 019
25: А20/В20 B20ZB20 C20ZB20 020/В20
26: А21 821 С21 D21
27.
23: ИСКЛЮЧЕНИЕ ВО 2 СТОЛБЦЕ
29: А24—В24*А25 В24-В24*В25 С24-В24*С25 024-824*025
38: А25 В25 С25 025
31: А26—В26*А25 В26-В26*В25 С26-В26*С25 026-026*025
32:
33: ПРИВЕДЕНИЕ А<3,3> К 1
34: А29 В29 С29 029
35: АЗО В30 C30 030
36. A31ZC31 B31ZC31 C31ZC31 031ZC31
37:
38. ИСКЛЮЧЕНИЕ В 3 СТОЛБЦЕ
39. А34-С34*А36 В34~С34*В36 С34-С34*С36 034-С34»036
40. А35-С35*А36 В35-С35*В36 С35-С35*С36 035-035*036
41. А36 - В36 С36 036
42.
43.
44. РВЕНИЕ СИСТЕМ
45.
46= Xя 039
47. Vя D40
48. 2я 041
49: .
14. Простые формулы, позволяющие получить эти значения, приведены
в табл. 3.11. Остальные элементы, первого столбца сделаем равными О
с помощью элементарных преобразований строк. Элементы первой строки
умножаются на число, противоположное первому элементу трансформи-
руемой строки, в данном случае на (-1). Эти элементы первой строки
складываются с элементами преобразуемой строки, в результате чего на
месте A (i, 1) появляется О (здесь i — номер строки). Эта процедура,
выраженная формулами в строках 20 и 21 табл. 3.12, повторяется для каж-
дого элемента первого столбца (табл. 3.13).
В частности, преобразуя элемент А (2.1), мы умножаем А (1,1) на
А(2,1) и после вычитания получаем 0. Аналогичное преобразование
выполняется со всеми элементами второй строки. Это преобразование
можно записать в виде
А(2, j) - А(2.1) ♦ A(l, j),
где j — номер стобца. Полученную формулу следует применить ко всем
элементам второй строки, т. е. для j от 1 до 3. Это можно сделать ко-
мандой Replicate.
103
Таблица 3.15. Расчет по табл. 3.14
22,
23. ПРИВЕДЕНИЕ А<2,2) К 1
24. 1 7
25. 8 1
26. 0 -6
27.
28. ИСКЛЮЧЕНИЕ ВО 2 СТОЛБЦЕ
29. 1 8
38. 8 1
31. 0 О
32.
33, ПРИВЕДЕНИЕ А<3,3> К 1
34. 1 0
35. 0 1
36, О 0
37.
38. ИСКЛЮЧЕНИЕ В 3 СТОЛБЦЕ
39. 1 О
40. 0 1
41. 0 0
42.
43.
44, РЕШЕНИЕ СИСТЕМЫ
45.
46. X- 1
47. V- -1
48, 2- -4
49..
-18
-3.4
18
13.8
-3.4
-2.4
13.8
-3.4
Остальные строки и столбцы обрабатываются аналогично. В табл.
3.14 представлены используемые формулы, а в табл. 3.15 — результаты
действий.
ИССЛЕДОВАНИЕ ЛОГИЧЕСКИХ СЕТЕЙ
Большинство электронных таблиц содержат формулы, выпол-
няющие логические операции. Так, выражение В6 = AND (Bl, В2) дает
значение ячейки В6, равное 1, если В1 и В2 равны 1,в противном случае
В6 приписывается 0. Используются также OR, NOT и другие стандартные
логические функции. Эту возможность можно применять в разнообразных
цифровых системах.
В качестве первого примера рассмотрим составление таблицы истин-
ности. В табл. 3.16 показана электронная таблица, реализующая логическое
выражение (А В) + (C D). Строки 3—18 таблицы используются для ввода
различных комбинаций значений логических переменных А, В, С и D. При-
веденная выше формула дублируется во всех строках. Результат показан
в табл. 3.17.
Еще один пример использования электронной таблицы для демонстра-
ции свойств логических сетей — логическая диаграмма для переключате-
лей (триггеров), которые обычно используются для цифровых приложе-
ний. Пример такого контура показан на рис. 3.2, он состоит из пары вен-
тилей. Действие переключателя показано на табл. 3.18. Строка а обозначает
104
Таблица 3.16. Формулы для вышсления логической функции
. А 9 . : С . . О :. Е .. F G .. Н
1< А В С О Е
2, 1 1 1 1 0R<AND<A2:B2> .ANO(C2,NOT<D2> ) >
3. 1 1 1 9 0R(AND(A3,B3>-AND<C3,N0T(D3>>)
4: *1 1 9 . 1 0R(AND(A4/B4> ,AND(C4/N0T<D4> ) )
5: 1 1 9 9 0R<AND<A5,B5>,AN0<C5,N0T<D5)>>
6 = 1 В 1 1 0R(AND(A6/B6>/AND(C6/NOT(D6) ) >
7: 1 0 1 9 OR<AND<A?,B?),AND(C7/N0T<D7>>>
8, 1 0 9 1 0R(AND(A8,B8>/AN0<C8-N0T<08)> >
9. 1 О 9 9 0R<AN0<A9,B9),AND(C9,N0T<D9> >)
19. 9 1 1 1 0R<ANDCA19,B19> ,AND(C19/N0T(D19> >>
11: 9 1 1 9 OR<AND<A11,B11),AND<C11,NOT<DT1>)>
12, 9 1 9 1 0R(AM>(A12,B12>,AND(C12.N0T<D12)>)
13. 9 1 9 1 0R<AND(A13,B13>:AN0<C13,N0T<D13>> >
14: 9 G 1 OR(AND<A14.B14),AND(C14,N0TCD14)>)
15: 9 G 1 9 0R(AND(A15,B15>,AN0<C15,N0T(D13> > >
16: 9 8 9 1 0R(AN0(A16,B16) ZAND(С16/NOT(D16) ) >
17: 9 0 9 9 ORCAND<AIZ.BIZ) ,AND(C17,N0T(D17>>>
18.
Таблица 3.17. Расчет по табл. 3.16
Таблица 3.18. Работа переключателя
R s OR1 OR1 Q OR2 OR2 Q
a) 0 0 0 1 Г 1 0 0
B) 1 0 1 0 0 0 1 1
c) 0 0 1 0 0 0 1 1
d) 0 1 0 . 1 1 1 0 0
e) 0 0 0 1 1 1 о 0
условия, когда R и S выключены (равны 0), а выходное значение Q равно
1', таким образом, отрицание Q равно 0. В строке b иллюстрируется вклю-
чение R и, как следствие, выключение Q. Как видно из строки с, Q остает-
ся равным 0 и при возвращении R к исходному состоянию. В строке d
показано действие включения S и возрашецие Q во включенное состояние.
Q остается равным 1 и при выключении S (строка е).
10$
Таблица 3.19. Электронная таб-
лицадля выполнения логических
операций
. А . : В : , С
1 .ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ
2 :
3 .R О
4 .S 1
5>
6:Q N0T<0R(B3,B7»>
7.N0T-Q N0T<0H<B4,B6>>
8.
Таблица 3.20. Пример к табл. 3.19
. А .. В . , С
1 .ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ
2 :
З .НОТ-Q О
4 .R 1
5 .S О
6.
7.Q N0T(0R(B3,B4))
8.N0T-Q N0T(0R(B5,87)>
9.Q N0T(0R(B8,B4>>
18.
Таблица 3.21. Различные режимы работы переключателя
Q (установка вручную) О
R О
S О
Q (установка вручную) О
R 1
S О
О 1
Q О
Q (выходное значение) 1
а)
Q (установка вручную) 1
R 1
S О
Q О
Q 1
Q (выходное значение) О
б)
Q (установка вручную) . 1
R О
S О
2 о
Q 1
Q (выходное значение) О
в)
Q (установка аручную) 1
R 0 .
S 1
Q О
Q 1
Q (выходное значение) ' О
г)
Q (установка вручную) О
R О
S 1
Q О
Q О
Q (выходное значение) 1
Д)
2 1
Q О
Q (выходное значение) 1
е)
Если электронная таблица допускает обратную связь, то при выполне-
нии операций над переключателями, подобных описанным, легко выпол-
няются логические операции, показанные в табл. 3.19. Однако в большин-
стве таблиц это не так; тем не менее эту трудность можно преодолеть, взяв
в качестве выхода переменную, осуществляющую обратную связь (в_нашем
примере Q), и определив соответствующим образом величины Q и Q. Если
вычисленные значения Q оказываются противоположными предполагаемо-
му, то меняется предполагаемое значение и таблица пересчитывается. По-
строенная таблица приведена в табл. 3.20, а полный набор операций для мо-
делирования переключателя — в табл. 3.21.
106
Этот принцип легко обобщается на тактируемые SR-переключатедя.
Наконец, более содержательное' применение логических свойств электрон-
ных таблиц состоит в моделировании интегральных схем ив использовании
формул для получения нужных схем соединения контактов.
ДРУГИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ЭЛЕКТРОННЫХ ТАБЛИЦ
Выше рассмотрены два возможных варианта применения эле-
ктронных таблиц в учебных целях. Читатель может самостоятельно изучить
вопрос и найти другие приложения этого мощного вычислительного инст-
румента.
Области, где могут использоваться таблицы, включают алгебру, в том
числе линейные квадратичные, полиномиальные функции, матрицы и сис-
темы уравнений; в анализе с помощью таблиц можно изучать метод Ньюто-
на для решения нелинейных уравнений, алгоритмы численного интегриро-
вания (трапеций, Симпсона и др.) Другая область — решение дифференци-
альных уравнений. В физике можно изучать электрические цепи, в.частно-
сти резонансные явления. Естественное и легко осуществимое применение
электронных таблиц — эагшсь и анализ ранговых шкал.
Традиционные таблицы оперируют в двух измерениях. Но совсем не-
давно появились программы' (например, BoeingCak, Calc’IT, microCUBE)1
работы с трехмерными таблицами. Для программы VP-Planner допустимое
число измерений достигает пяти, а для TM/I даже 60. Приемы работы с
многомерными электронными таблицами лишь незначительно усложняют-
ся по сравнению сс обычными. Переход к третьему измерению может пона-
добиться, например, в следующей ситуащш. Пусть строки обычной двумер-
ной таблицы обозначают какие-либо экономические показатели, а столбцы —
месяцы с января по декабрь, при этом требуется работать с такими дан-
ными за пятилетний период. Вместо того, чтобы создавать пять таблиц
одинаковой структуры, можно воспользоваться одной трехмерной таб-
лицей — к строкам и столбцам добавляются страницы.- Все соглашения
об операциях выполняются автоматически; в частности, можно получить
суммы значений показателей за пятилетку на дополнительной, шестой,
странице. Смысловое наполнение измерений может быть самым различным
(например, время, географические регионы, товары, поставщики, финан-
совые счета и т. д.).
Перечисленные программы преемственны по отношению к таким изве-
стным программам, как Symphony и Lotus 1-2-3. Для их работы требуется
от 128 до 512 Кбайт оперативной памяти, 1 или-2 дисковода. Стоимость их
колеблется от 1(Ю (VP-Planner) до 1200 долл. (microCUBE).
Развитие концепции электронной таблицы продолжается. Известны
программы, работающие с несколькими таблицами одновременно, что со-
1 Bryan М. Multidimensional spreadsheets/PC Magazine. - 1987. - Jan. 13. - P.
-256.
*
107
ответствует принципу полиэкранного диалога. Элементами таблицы могут
быть фрагменты изображений, показания измерительных приборов, рекви-
зиты документов АСУ, имена программ в архиве... По Мере включения
средств работы с электронными-таблицами в языки программирования
гибкость моделей диалога с ПЭВМ будет возрастать.
СОВРЕМЕННЫЕ ИНТЕГРИРОВАННЫЕ ПАКЕТЫ
Как мы видели'в гл. 2, интегрированные ФПП позволяют ра-
ботать с текстами, изображениями, таблицами, архивами документов, а
также с программами, входящими в другие пакеты. Эта основная идея —
объединить разнородные функции в одном пакете — выглядит очень прив-
лекательно сразу с нескольких точек зрения. Прежде всего, пакет дешев-
ле, чем набор соответствующих функциональных программ. Кроме
того, приобретая программы по отдельности, можно столкнуться с необ-
ходимостью постоянно менять форматы данных при использовании прог-
рамм разных фирм-производителей. Применение интегрированных паке-
тов существенно экономит время для ввода и обработки данных, а едино-
образие команд, инструкций, функциональных клавиш облегчает изучение
приемов работы.
Возникновение таких многофункциональных систем относится к кон-
цу 70-х годов, когда появились компьютеры, предназначенные для автома-
тизации конторского труда, и было ясно осознано глубокое сходство меж-
ду обработкой числовых и текстовых данных. В то время интегрированные
системы строились на основе ЭВМ общего назначения или мини-ЭВМ и,
как правило, включали программы обработки текстов, управления данны-
ми и программное обеспечение коммуникаций.
В начале 80-х годов в сфере конторского труда появились персональ-
ные компьютеры. Рынок программного обеспечения оказался в. новых ус-
ловиях, а широкое распространение IBM PC сделало его довольно одно-
родным. В зто время выдвинулись и преуспели такие фирмы, как Lotus
Development, предложившие интегрированные пакеты вместо однофунк-
циональных. Среди них большой популярностью пользуются Symphony
и Lotus 1-2-3 (фирмы Lotus Development), а также Framework (Ashton-
Tate), Open Access (Software Products) и некоторые другие. Число продан-
ных пакетов медленно, но неуклонно растет, хотя и в несколько раз усту-
пает объемам продаж электронных таблиц и текстовых процессоров..
Укажем ряд причин, ограничивающих распространение интегрирован-
ных пакетов. Для их работы, как правило, необходимы значительные ем-
кости памяти и другие системные ресурсы. Они дороги, требуют дорого-
стоящее оборудование. Работать с ними сложнее, чем с обычными прог-
раммами. Желание поставщиков максимально удовлетворить каждого
пользователя приводит к появлению относительно слабых компонентов
интегрированных пакетов. Так, Framework. имеет слишком сложный
текстовый процессор, у Symphony бедны возможности базы данных
108 *
Т а б в и ц a 3.22. Характеристики интегрированных пакетов
X арактеристики Electric Desk Framework II Golden- gate' IT Series Open Access Perfect П Smart System Symphony
Тип Функции (помимо электронных таблиц, обработки текстов, управления БД) Единый Коммуни- кации Единый Графика, ком- муника- ции, язык Fred Единый Графика, коммуни- кации, управление информа- цией Модульный Графика, ком- муникации, статистика, электронная почта и др. Единый Графика, коммуни- кации Модульный Модульный Графика, коммуни- кации Единый Графика коммуни- кации
Требуемая емкость памятн,Кбайт 256 384 320 256 256 f 256 256 384
Можно ли загружать в память более одного модуля одновременно? Да Да (все) Да Нет Да Нет ' Нет Да
Должны ли все данные - находиться в памяти? . Нет Нет Нет
Необходимо ли из- менять данные из одно- го модуля, чтобы ис- пользовать их в дру- гом? Нет »» Да ‘ * Нет
Влияют ли изменения в одном из модулей на остальные? Нет Да Да Нет \ Нет Нет Да Да
С какими программа- ми возможен обмен данными? ASCII 1-2-3, dBase II и III, WordStar, VisiCalc, MultiMate 1-2-3, Symphony, dBase II и III, ASCII 1-2-3, WordStar, VisiCalc dBace Пи III ASCII Нет воз- можности 1-2-3, ASCII dBase II, VisiCalc
Можно ли изучить и использовать всего один модуль? Да Да Да ?' ' * ? > Да Да Да Да Да
8 ..У?’I- t . i -< '> Па
и т. д. В самом деле, трудно обеспечить одинаково высокий уровень
выполнения всех функций пакета, поэтому „проколы” почти неиз-
бежны. Если же какой-либо компонент „слишком” хорош, например
в пакете 1-2-3 очень удобна программа работы с электронными табли-
цами, то покупатели часто предпочитают этот пакет благодаря именно
этому хорошему компоненту. Согласно данным опросов, около 80%
пользователей 1-2-3 работали почти исключительно с электронными
таблицами. Когда же появилась совместимая с 1-2-3 программа Super-
Calc^ работающая только с таблицами н, следовательно, более дешевая,
потребность в 1-2-3 резко уменьшилась.
Еще одна причина в том, что круг потенциальных пользователей ин-
тегрированных пакетов хоть и велик, но все же ограничат. Когда же
большинство из тех, кому такие пакеты действительно необходимы,
будут их иметь (а это случится уже очень скоро), шансы на успех будут
иметь лишь выдающиеся,продукты. Следует также учитывать высокую
степень коммерческого риска при выпуске такого сложного н дорогого
продукта.
В этих условиях ряд пакетов (Smart, Open Access) стали продаваться
,3 розницу”, по модулям. Это дает пользователям определенью удобства:
функции можно осваивать постепенно, в Нужном порядке, что разумеется,
проще. Такой подход удобнее и тем, что он менее обременителен для бюд-
жета. Производитель программного обеспечения с помощью таких „проб-
ных камней” может более гибко варьировать свою стратегию и своевре-
менно отказаться от непопулярного продукта.
Приведем некоторые характеристики современных интегрированных
пакетов (табл. 3.22).
3.3. ЧТО ЖЕ ГЛАВНОЕ В АРМ (НЕСКОЛЬКО СЛОВ
О ПЕРСОНАЛЬНЫХ БАЗАХ ДАННЫХ)
ПЕРСОНАЛЬНЫЕ БАЗЫ ДАННЫХ - ВОПРОСЫ КЛАССИФИКАЦИИ
Интегрированные пакеты, о которых шла речь в предыдущем
разделе, объединяют в себе (все или частично) пять различных функций
персонального компьютера:
обработка текстов;
работа с электронными таблицами;
работа с базами данных;
работа с графжсой;
обеспечение коммуникаций с другими компьютерами.
Среди этих функций главной (с точки зрения большинства народнохо-
зяйственных задач) следует считать работу с базами данных - „персональ-
ными” базами данных. Что это такое? Попытаемся ответить на этот вопрос,
следуя работе [75]. В прикладном программном обеспечении персональ-
но
нога компьютера важное место занимают системы „манипулирования дан-
ными” (data managers), которые мы будем называть персональными базами
данных (ПБД). Как видно, понятие „база данных” унаследовано от пред-
шественников ПЭВМ (мини-ЭВМ и ЭВМ общего назначения).
Традиционные базы данных, как н ОС больших ЭВМ, являются „тяже-
лыми” средствами как с точки зрения потребляемых ресурсов, так и с
тоюся зрения простоты ихосвоения и использования. Инженеру в его конк-
ретней деятельности нет нужды часто использовать эти средства („стрелять
из пушки по воробьям”!). Более легкие программы, например электрон-
ные таблицы, имитирующие базу данных,но не обеспечивающие некоторых
специфических функций (контроля правильности вводимых данных, защи-
ты этих данных и др.), вполне могли бы его устроить при решении конк-
ретных задач.
Порой пользователя могут интересовать функции, вообще не преду-
смотренные в классических базах данных, например типа автоматического
иорождения почтовых адресов ио простейшим базам адреса, что требует
средств текстовой обработки. При подготовке всякого рода отчетов и спра-
вок также могут выявиться особые требования к средствам подготовки
печаттдах сводок.
Какие современные средства здесь необходимо в первую очередь вы-
делить? Рассмотрим их более иодрюбно:
системы обработки текстов, предназначенные для решешгя задач,
в которых не требуется сортировка задач по сложным критериям, особен-
но если структура данных проста, но имеются текстовые поля переменной
длины (например, ведение библиографического каталога по какой-либо
проблеме);
электронные таблицы, предназначенные, как видно из предыдущего
раздела, для решения задач, где существенны легкость ввода и доступа
к информации, быстрый пересчет зависимостей между данными и воз-
можности графического .отображения, однако не столь актуальны контроль
типов данных и ограничений, подготовка сложных печатных сводок и
сравнительно невелик общий объем информации;
интегрированные системы, собственно и представляющие собой базы
данных в приложении к персональным компьютерам в ослабленном, не-
полном виде, однако обладающие всеми плюсами интеграции и обес-
печивающие совместное использование текстовой, табличной, графической
информации.
Интегрировагшым системам свойственно сопряжение функций в еди-
ном „тугом” программном продукте. Как правило, основными компонен-
тами этих систем являются: текстовая н табличная обработка, функции
базы данных, побочными: графика, коммуникации.
Выделив в качестве побочных компонентов графику и коммуникации,
мы ни в коей мере не оспариваем их важность. Эти компоненты не обсуж-
даются ни в этом, ни в последующих разделах исключительно потому,
что их внедрение в практику массовых пользователей в данный момент
Н4
не представляется столь актуальным, как базы данных, о которых речь
пойдет далее.
Сверхзадачей разработчиков интегрированных систем нового поколе-
ния является увязывание уже осознанных функций для удовлетворения
информационных нужд потребителя на основе глубоких архитектурных
и технических концепций, способных обеспечить вместе с возрастающими
аппраратно-вычислительными мощностями ПЭВМ . поддержку развитого
„индуктивного” взимодействия программы и потребителя (простое управ-
ление, легкое переключение между функциями) на фоне эффективного ис-*
волнения заданий (быстрый доступ к информации).
Следуя работе [75], коснемся вопросов классификации, существ ую-
ще.го очень широкого спектра программного обеспечения ПБД (pic. 3.3),
выделяя прежде всего следующие аспекты:
функциональную направленность.
степень интегрированности или сопряжения функций,
уровень и тип пользовательского интерфейса,
степень переносимости между различными типами персональных ком-
пьютеров.
Системы управления базами данных (СУБД) на мини-ЭВМ и ЭВМ об-
щего назначения сформировались как раздел большой науки — теории
баз данных с понятиями „модели” данных, „схемы” баз данных, „типами”
(иерархическими, сетевыми, реляционными) баз данных. ПБД в какой-
то степени продолжили традиции СУБД, но в ослабленном виде.
Как подчеркивается в [75], с самого начала ПБД создавались как то-
вар для потребителя, поэтому на первое место вышли совершенно иные
факторы, в первую очередь интегрированность функций и простота исполь-
зования. Выделилась категория однофайловых дастем с ограниченными
возможностями, исторически возникших в' эпоху 8-раэрядных ПЭВМ
невысокой производительности (типа Rolodex).
Однофайловые ПБД рассчитаны на работу с незасисимыми файлами
т. е. не способны поддерживать одновременную работу с различными типа-
ми записей. Такие ПБД относят к категории 1 по классификации, приве-
денной в журнале PC Magazine. Лучшим представителем этой категории
ПБД (рис. 33) считается программа Pfs:file фирмы Software Publishing
(ставшая в своем классе фактически стандартом для IBM PC и известная
также под названием IBM Filing Assistant). Основное достоинство* этой
программы — простота использования. Она обеспечивает минимальные
функции базы данных: определение данных, их ввод через экранную
форму и ассоциативный поиск записей. Отдельный модуль подготовки
сводок (Pfs: report) позволяет хранить и использовать ранее заготовленные
форматы сводок с возможностью переименования полей, сортировки
по нескольким полям, арифметических и логических операций над зна-
чениями полей.
Несмотря на отсутствие многих развитых функций (заданий типов
полей, контроля диапазонов значений, импорта/экспорта данных) и их
112
ПЕРСОНАЛЬНЫЕ БАЗЫ ДАННЫХ
| ' I
Универсальные Специализированные—,
I
L Электронные таблицы Addrees-Telephone Bocks'-
Tims Management -
— 1-2-3 Business Analysis -
Framework- — Multiplan
Syephony - — VisiCalc IV
*” Super Cal c3 Javel i n -
□Z-
Encore!-
Текстовое базы данных .
' Теиотовые картотеки
DayFlo —
ZOB - CardBox
~ DataFax
f- FreeForm
Процессоры перечней
Традиционные
ThinkTank/MaxThink
FrmeStyle
Framework
Мн огодай левые
Одновай ловые
I
- pfsifile/pfs:report
- NutShel 1
-PC File'N Report
- PC File III
u ObA
Средние - I - , Тяжелые
Реляционные Другие
(категории 2 и 3)
dBase II -- Reflex
(категория 4)
t
dBase III-
RlBase 4000/5000
Paradox-
KnowledgeMan
Revelation-
Рис. 3.3. Функциональная классификация ПБД
реконструирования, а также довольно медленный поиск, эта программа
является одной из наиболее популярных среди ПБД. Это указывает
На наличие широкого круга потребителей, не предъявляющих высоких
требований к функциональным возможностям ПБД, но ценящих прежде
всего простоту использования.
Новые программы этой категории, например, Q&A, дают некоторые
дополнительные возможности, в том числе средства разметки экрана,
Макросы клавиш, форматы записи полей.
К категориям 2, 3, 4 по той же классификации относятся ПБД в по-
давляющем большинстве своем реляционного типа. Такие программы
ИЗ
должны быть „многофайловыми”, т. е. должны поддерживать зависимость
между записями различных типов, в частности, согласование значений
полей при вводе записей и ассоциативный поиск записей в разных файлах,
имеющих общее поле. По своим возможностям эти программы образуют
широкий непрерывный спектр. Их внутренняя градация — согласно той
же классификации — основана на наличии следующих дополнительных
черт:
в категорию 2 входят ПБД, обеспечивающие минимальные реляцион-
ные возможности (работа с двумя или более типами записей при вводе
данных, поиске, подготовке сводок);
в категорию 3 зачисляются ПБД с дополнительными возможностями
программирования на специальном внутреннем языке, ориентированном
на задачи обработки данных (этот язык, как правило, включает основные
реляционные операции). Другой признак ПБД этой категорш - возмож-
ность определения пользователем собственных меню или сценариев взаимо-
действия с системой. Благодаря средствам программирования ПБД этой
категории могут рассматриваться как операторы прикладных систем, рас-
считанные на более искушенного пользователя, нежели ПБД категорий
1 и 2;
ПБД категории 4 должны, помимо прочего, обладать наиболее мощ-
ными возможностями манипулирования данными (такими, как гибкие
средства структурирования и реструктурирования данных, удобство и
легкость доступа к ним) и/или какой-либо другой „выдающейся” особен-
ностью: в эту категорию входят наиболее мощные ПБД.
Рис. 3.3 дает представление о функциональных возможностях совре-
менных ПБД.
ЭЛЕКТРОННЫЕ ТАБЛИЦЫ И ТЕКСТОВЫЕ БАЗЫ ДАННЫХ
В § 3.2 обсуждались электронные таблицы и были приведены ,
примеры их использования. Формально назначение электронных таблиц со-
стоит в обработке данных; в то же время многие из них выполняют ряд
функций баз данных (поиск, сортировка, глобальное изменение записей).
Если учесть, кроме того, что табличная форма отображения данных нагляд-
на, то понятен интерес к электронным таблицам. Такие таблицы позволяют
использовать диапазоны ячеек однородной таблицы для хранения описателя
отношения (набор доменов) и кортежей данных. Некоторые развитые
программы (Symphony, Framework) способны даже превращать часть элект-
ронной таблипы в трафарет („форму”) со свободным расположением по-
лей.
Обсуждение электронных таблиц стоит продолжить, но уже с точки зре-
ния оценки их функций как баз данных. История таблиц насчитывает не-
сколько поколений программ. Первое поколение, выдвинувшее саму идею
электронной таблицы, связано, как отмечалось, с программой VisiCalc
(1979 г.) Для программ этого поколения характерны ограничения на ем-
114
кость памяти (а следовательно, к на размер таблвды) и не слишком боль-
шее возможности дня расчетов.
Второе поколение таблиц стало использовать уже всю оперативную
память машины. Центральное место занята концепция моделирования
„Что — если” со сравнением нескольких моделей. Появились элементар-
ные графические возможности. Наиболее известной программой этого
периода (около 1983 г.) была программа Multiplan известной фирмы
Nficrosoft, йо сих пор. пользующаяся популярностью.
Третье поколение ведет отсчет с программы Lotus 1-2-3, за которой по-
следовали SuperCalc3 и VisiCalc IV.
Более высокое быстродействие, широкий набор команд с доступом
через меню, некоторые функции баз данных, а также улучшенные графи-
ческие возможности составляют их основные отличительные особенности»
Объединение нескольких функций в одном программном продукте —
тнттегрированность — начинает наиболее часто появляться именно с момен-
та возникновения программы Lotus 1-2-3.
Обработка данных на электронной таблице имеет преимущества,
из* которых можно выделить в первую очередь:
быстродействие (все содержимое таблицы находится в оперативной
памяти);
удобный интерфейс с пользователем (см. далее);
развитые средства вычислений (см» примеры в § 3.2), возможное»,
быстрого пересчета простых вычислительных моделш (функция* „Что —
если”);
хорошая степень интегрированности всех функций (в том числе и
графических).
Недостатки электронных таблиц, рассматриваемых как базы данных,
следующие:
ограничений емкостью ОЗУ объем одновременно обрабатываемых
данных (оборотная сторона быстродействия);
отсутствие типов данных и контроля типов: ячейки таблицы по своей
природе однородны;
отсутствие операции соединения таблиц до общему полю;
необходимость размещения всех типов записей в одной таблице (из-за
принятой системы ссылок).
Таким образом, электронные таблицы только имитируют базы дан-
ных, как отмечается в [ 75], маскируя свое врожденное свойство — наличие
большой однородной таблицы безо всякой структуры. Вывод: электронные
таблицы могут служить инструментом для эффективного ведения „малых”
баз данных в тех задачах, где важны обозримость информации, удобства
навигации по данным, а также графические возможности. Именно это ха-
рактерно для задач исследования влияния различных факторов на то или
иное свойство системы.
Обратимся к. рассмотрению текстовых баз данных (ТБД). Этот, класс
программ следует рассматривать как переходный между традиционными
базами данных и системами текстовой обработки.
115
Жесткий формат полей в обычных базах данных является с точки зре-
ния обработки текста известным недостатком. В ТБД требования к фор-
мату ослаблены (отсюда другое название ТБД — база данных со свобод- ч
ным форматом), но они все еще сохраняют некоторую структурирован-
ность данных.
В сравнении с традиционной текстовой обработкой, при которой
текст рассматривается как один большой файл, разбитый на строки, ТБД
дают, во-первых, возможность выделения текстовых фрагментов, с ко-
торыми можно манипулировать, как с записями или полями записи, а
во-вторых, возможность структурной организации и реорганизации
текста в виде дерева или графа.
Простейшими ТБД являются электронные картотеки (CardFile Sys-
tems), предназначенные для хранения слабо структурированной тексто-
вой информации. Содержимое картотеки — текстовые зайетки небольшо-
го объема, снабжаемые ключами. Для ввода содержимого карточек
имеются возможности текстового редактирования (обычно довольно
скромные). Выборка по ключевым словам — основная операция в карто-
теке. Примерами электронных картотек могут служить программы Card-
Box, DataFax, FreeForm.
Программы, позволяющие представить текстовой документ в виде
дерева, получили название процессоров перечней (outline processors),
или более громко — процессоров идей (idea processors). Древовидная
структура документа соответствует его разбиению на главы, разделы,
пункты и т. п. Обеспечивается навигация вдоль этой структуры, облег-
чен просмотр документа на разной „глубине”, т. е. в виде оглавлений
разной. степени подробности. Перестановка частей текста сводится
просто к перевешиванию узлов дерева; возможна и более сложная
перестройка структуры (формирование подуровней перечня; сглажи-
вание структуры — выравнивание уровней; слияние пунктов).
Древовидная структура является основной формой существова-
ния текста: линеаризация — лишь заключительный этап работы с ним.
Наиболее известная программа этого класса MaxThink (ThinkTank)
поддерживает и—более специфические формы работы с текстом, такие
как категоризация элементов перечня, их упорядочение по важности
и по содержимому, перемешивание (для обретения „своего” взгляда).
Такие формы „мозгового штурма” дают создателям программ извест-
ные основания объявлять свои программы процессорами идей.
Ведение перечней становится составной частью интегрированных
систем (Framework II и др.) и, следовательно, начинает рассматриваться
Как важная функция.
Полная ТБД должна включать, таким образом,, оба вышеупомя-
нутых компонента: а) картотеку (или текстовые записи) с возможно-
стью редактирования и ассоциативной выборки; б) перечни, позволяю-
щие собирать и структурировать текстовой документ. Примером та-
кой ТБД является DayFlo.
116
Если вернуться к нуждам разработчиков АРМ, то очевидно, что ТБД
могли бы обеспечить поддержку всей деятельности пользователя АРМ,
связанной:
с накоплением, обработкой и использованием литературных источ-
ников, в которых содержатся идеи, методы, алгоритмы, программы,
относящиеся к данной решаемой проблеме;
с накоплением, - обработкой 'материалов, связанных с оформлением
различного рода справок, промежуточных и окончательных отчетов
по результатам исследований данной проблемы;
с обработкой любой другой текстовой информации.
ИНТЕРФЕЙС С ПОЛЬЗОВАТЕЛЕМ
Более подробную информацию о структуре баз данных мож-
но получить в работе [75], где представлена обпкирная библиография. При-
ведем из этой работы лишь рис. 3.4, где иллюстрируются сопряжения меж-
ду различными ПБД.
Остановимся на современных методах организации интерфейса с поль-
зователем, той части информатики, которая -претерпела огромные измене-
ния за последние годы.
При анализе взаимодействия с пользователем в ПБД обычно рассматри-
ваются:
общий тип интерфейса,
способы организации ввода и контроля данных,
способы навигации по данным,
организация запросов к БД,
наличие языка программирования,
ПЕРСОНАЛЬНЫЕ БАЗЫ ДАННЫХ
Интегрированные
интегрированные
Члены сенейотв
—pfssfile —^pfs family
—InfoStar — ^DataStar
—KeepIT —>IT Series
—ExecuFILE —^SeriesOnePlus
Независимы»
L__________
Одн офай ловые-
Чисто реляционные'
Вокруг
базы данных
OpenAccess-
KnowledgeMan
MetaFILE
Вокруг
обработки текстов
tT/Maker III
Jack2
Вокруг
электронных таблиц
t Framework
Symphony
Рис. 3.4. Сопряжения между различными ПБД
117
средства пакетной обработки,
возможность определения пользовательских сценариев диалога (поль-
зовательских меню),
интерактивная справочная и/или обучающая система (on-line help/tuto-
rial),
графические средства отображения.
Существуют два основных" типа интерфейса с пользователем: на осно-
ве меню („see and point” — „смотри и выбирай”) и на основе языка ко-
манд („think and type” — „вспоминай и набирай”).
Интерфейсы типа меню облегчают' взаимодействие, снимая с пользо-
вателя необходимость заранее изучать язык общения с системой й разгру-
жая ее память. На каждом шаге диалога все возможные в данный момент
команды предъявляются ему в виде списка (набора пунктов меню), из
которого можно выбрать нужный достаточно простым способом: обычно
указанием номера пункта или перемещением в него курсора с последую-
щим нажатием особой клавиши. Необходимые параметры команд доспра-
шиваются программой с пояснительным текстом. Для новичка такой
самообъясняющий способ общения гораздо предпочтительнее — практи-
чески не требуется предварительного обучения. Однако при более близ-
ком знакомстве с программой пользователь начинает испытывать неудоб-
ства противоположного свойства, нежели в предыдущем случае. Для
полной наглядности меню должны быть организованы в древовидную
Структуру с наибопьшйм числом ребер, исходящих из каждой вершины.
Прогулки по нескольким уровням дерева, к которым сводятся взаимо-
действия, для опытного пользователя часто становятся утомительны-
ми, избыточными.
Что касается интерфейса второго типа, то основные проблемы для
пользователя при таком взаимодействии - вспомнить наименование нуж-
ной команды и ее синтаксис: количество и порядок аргументов.
Плюсы командного языка в его гибкости; он более удобен, когда поль-
зователь уже усвоил язык. Таким образом, он рассчитан-не на новичка, а
скорее на искушенного пользователя (либо с программистской подго-
товкой, привычного к такому типу общения, либо уже достигшего
нужного уровня знания языка в процессе работы с программой).
Как и следует ожидать, исторически раньше появились системы с
командным интерфейсом. Меню-системы пришли им на смену как более
отвечающие фактору персональности.
В популярных системах Lotus 1-2-3 и Symphony был предложен
особый вид меню, который стал использоваться и в других программах.
Располагаемые горизонтально в верхней стороне экрана, названия пунктов
текущего меню' можно выбрать двумя способами: набором первой
буквы названия пункта или перемещением курсора на нужный пункт
и нажатием клавиши Return. Первый способ прямой и поэтому наиболее
быстрый (одно нажатие клавиши) Второй требует нескольких нажатий
для эквивалентного выбора, однако его преимущество в том, что выбор
118
растянут во времени - он складывается из „указания” пункта меню и
его исполнения. В промежутке между ними пользователь снабжается
дгтппиитепьной справкой о текущем (указуемом) пункте - текстовой
расшифровкой, которая подсказывает пользователю назначение данной
возможности.
Для более поздних систем характерно также интенсивное использо-
вание функциональной клавиатуры и специальных комбинаций клавиш.
Тем самым обеспечиваются дополнительные „размерности” в функцио-
нальном „пространстве” системы, что облегчает ориентировку пользова-
теля при взаимодействии со сложными программами. В качестве метри-
ки в этом пространстве часто применяется число реплик пользователя —
нажатий на клавиши, необходимое для выполнения той или иной функ-
ции. В меню-системах эта характеристика существенно лучше, чем в
системах с командным языком. Использование дополнительных клавиш
и комбинаций с предписанной системой еще больше ухудшает ее.
В качестве иллюстрирующего примера можно привести систему
Framework II. Функциональная клавиатура нагружена часто используемы-
ми функциями, в основном связанными с наложением информации на
экран: Help (справка), Drag (переместить окно), Сору (скопировать
окно), Size (изменить размер окна), Zoom (увеличить во вёсь экран)
и др.
Основное место в верхней строке экрана доступно через комбина-
цию клавиши Ctrl с первой буквой меню. За каждым пунктом основно-
го меню кроется целая связка команд — это дополнительное меню,
„ниспадающее” с выбранного пункта. Пункты ниспадающего меню вы-
бираются перемещением курсора (с подсказкой для каждого пункта)
и нажатием клавиши Return. Определенные вспомогательные клавиши
выполняют частные операции погружения во фрейм-окно и выхода иэ
него. Таким образом, обширная группа операций — более 50 — находится
от пользователя на расстоянии нескольких (как правило, 1—3 и не более
6) нажатий на клавиши с минимальной возможностью ошибочного вы-
бора.
Так как меню и командные языки в известной мере дополняют друг
друга, в интерфейсах многих систем присутствуют оба этих средства,
одно из которых предназначается для новичков, другое — для опытных
пользователей.
Заметим, что эти два основных типа диалога (как и две соответствую-
щие им категории пользователей) представляют только крайние случаи,
между которыми лежит множество промежуточных вариантов взаимо-
действия. Эта идея легла в основу разработки интерфейса программы
Infoscope, где учтено то обстоятельство, что почти каждый пользователь,
овладевая программой, эволюционирует, постепенно становясь экспертом
в одних аспектах и оставаясь одновременно новичком в других (идея
непрерывного „плавного” интерфейса). Infoscope предполагает 6 основ-
ных внутренне преемственных режимов работы:
119
меню с расшифровкой и двумя способами выбора (например, Lo-
tus 1-2-3);
команда-имя (имя команды набирается полностью, ее параметры —
через-меню);
команда-предложение (в виде обычной английской фразы);
команда-аббревиатура (предыдущее с сокращением слов);
„синонимы” (определяемые пользователем подстановки в виде си-
нонимов или функциональных клавиш);
команды-файлы (группировка „атомарных” действий в более
сложные „молекулы”, несущие идейный смысл для искушенного поль-
зователя) .
На верхнем уровне все команды Infoscope организованы в 7 связок
меню по 7—8 команде каждой (в стиле Framework).
Заметим, что противопоставление командных языков и меню отно-
сится скорее к характеру манипулирования данными, чем к самим данным.
Что же касается содержимого данных, то, как правило, используется
режим прямого (экранного) редактирования, без накладных расходов
в виде дополнительных команд, лишних нажатий клавиш - процесс, очень
похожий на работу в системе подготовки текстов.
В заключение отметим, что в [75] обсуждаются также другие, более
тонкие аспекты взаимодействия человек-ЭВМ (ввод и навигация по дан-
ным, организация запросов к БД, использование языков программиро-
вания) .
КАК ИНЖЕНЕРУ ПРИСТУПИТЬ К КОНСТРУИРОВАНИЮ СВОЕГО
АРМ
В первую очередь он должен хотя бы в общих чертах ориенти-
роваться в море современных средств манипулирования данными. В этом
отношении весьма полезны обзоры типа работы [ 75].
В то же время ему необходима практика работы с этими средствами.
Имеющийся опыт однозначно показывает, что при создании интегрирован-
ных продуктов, каковыми являются АРМ, гораздо легче инженеру освоить
инструментарий, подготовленный программистами, чем программистам
проникнуть в суть забот инженера. _ <
Здесь возникает проблема обучения новичка (вопросам обучения, про-
фессиональной подготовки и переподготовки инженерных кадров в более
широкой постановке посвящена гл. 5). С развитием интегрированных
систем может оказаться, что определенную категорию инженеров не имеет
смысла учить каким-либо языкам высокого уровня (сверх того, что тре-
буется для общего развития). Язык „сверхвысокого уровня”, необходи-
мый для работы с такой системой (по типу языка Fred в интегрирован-
ной системе Framework), — вот что представляет интерес здесь в первую
очередь. Функцию обучения могут взять на себя те же интегрированные
системы, имеющие в своем резерве соответствующие интерактивные
120
справочные и обучающие средства. Они во многом заменяют бумажные
руководства и позволяют все время обучения от начала знакомства с
программой до окончательного его освоения проводить за компьютером,
свободно перемежая ознакомление с новыми материалами „практиче-
скими” занятиями. Образцами систем для интерактивного обучения
можно считать Symphony и Framewotk.
Обучающийся может не только прочитать текст на экране, как в
книге, но и сразу проследить практическое выполнение функций сис-
темы, что трудно осуществить,, имея чисто бумажное руководство.
Процесс обучения использования той или иной системы ведется
параллельно глубокой проработке содержательной проблемы, которая
в конечном счете должна привести к технологическим схемам ее ана-
лиза. При этом потребуется, конечно, подготовить специализированные
модули („решатели”) для исследования частных аспектов изучаемой
проблемы.
В конце концов необходимо сложить в единый организм этот
вариант интегрированной системы (основой может быть какая угодно
из базовых существующих), который объединяет все нужные модели
и обеспечивает поддержку их графическими и интегрированными ба-
зами данных.
В общих словах, это и есть цель и метод современного подхода к
вопросам конструирования АРМ. При этом не обязательно требовать
знания алгоритмических языков ’ (они могут быть „спрятаны” в моде-
лях), как и машинно-ориентированных языков. На базе своего АРМ
инженер может с высокой эффективностью провести исчерпывающий
анализ проблемы — от постановки задач и первых прикидок до итого-
вого отчета, не уступающего по своим качествам лучшим типограф-
ским изданиям.
3.4. ИЗ ОПЫТА РАЗРАБОТКИ ПРОГРАММНОГО
ОБЕСПЕЧЕНИЯ АРМ В СФЕРЕ ПЛАНИРОВАНИЯ И
УПРАВЛЕНИЯ1
ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ
В предыдущих разделах значительное внимание уделялось то-
му, какими должны быть ПЭВМ и АРМ на их основе. Настоящий параграф
посвящен описанию уже функционирующих фрагментов системы АРМ
в сфере планирования и управления.
Как известно, многие задачи, возникающие при управлении развитием
отраслей народного хозяйства, имеют свои аналоги в инженерной деятель-
1 В подготовке данного параграфа были использованы материалы, которые пре-
доставили И. А. Агеев, В. И. Журавель, А. О. Перевозчиков, В. Н. Тренев.
121
ности. Во многом, сходны и функции, выполняемые инженерами и проек
тировщиками, сотрудниками аппарата управления. Необходимость принт,
тия ответственных и обоснованных решений приводит к росту использовг
ния вычислительной техники. В последнее время разработан ряд оптимиза
ционных моделей исследоватая больших зконоьшческих объектов и сис
тем, предназначенных для расчетов на мощных ЭВМ. При многочисленны:
достоинствах все они, как правило, имеют общий принципиальный недоста
ток, который заключается в невозможности эффективного контроля з:
всеми стадиями и этапами вычислительного процесса. Как следствие
затрудняется содержательная Интерпретация результатов расчетов. В этот
ситуации даже минимальные ошибки, неизбежные из-за неполной адекват
ности модели описываемым процессам, могут вызвать у пользователе»
модели потерю доверия к ЭВМ вообще и ко всем результатам,*получаемыы
с их помощью.
Альтернативным подходом является создание распределенных челове-
ко-машинных систем формирования решений, сочетающих вычислительную
производительность ЭВМ с неформальными знаниями и опытом спещилис-
тов. Практика показала высокую эффективность таких систем, создавае-
мых на основе современных ПЭВМ.
В этом параграфе описаны четыре различные задачи, реализованные на
ПЭВМ и дающие в совокупности представление об элементах АРМ на раз-
ных этапах формирования и выполнения плана развития отрасли. Они
иллюстрируют широкий спектр применений ПЭВМ и при составлении пла-
на работ, и на стадии корректировки плановых заданий с. учетом текущей
информации, и в процессе принятия решений о развитии отрасли. Соответ-
ствующие программы могут быть использованы также в учебном процес-
се в системе повышения квалификации руководителей, при подготовке
аспирантов, а также в вузовском практикуме по организации и планирова-
нию производства.
ПЭВМ В РЕШЕНИИ ЗАДАЧ СЕТЕВОГО ПЛАНИРОВАНИЯ
Математические модели и методы .сетевого планирования и
управления, включая соответствующие программы на ЭВМ, в последние
10—15 лет широко используются для решения задач календарного планиро-
вания комплексов взаимосвязанных работ. Современное производство ха-
рактеризуется сложной технологией и организацией, в связи с чем эффек-
тивное планирование и управление большими комплексами работ, вклю-
чающими сотни (иногда тысячи) событий и сотни связей между ними,
практически невозможно без применения ЭВМ и специальных математи-
ческих моделей и методов. Типичными объектами их применения являются
строительство и реконструкция, управление линией сборки, проектные
.и конструкторские работы, подготовка производства к вьшуску новой
продукции и т. п.
Обычно задача календарного планирования ставится следующим об-
разом. Пусть имеется перечень работ, каждая из которых характеризуется
122
продолжительностью и количеством необходимых для ее выполнения
ресурсов (станков, людей и т. п.), а также заданы связи между работами
(обычно это технологические ограничения на порядок выполнения работ
и на суммарное количество ресурсов). При этом желательно получить
наилучший по заданному критерию вариант календарного плана, напри-
мер, с минимальным временем выполнения всего комплекса работ или
с минимальными простоями дефицитных ресурсов (станков, бригад)
и т. п.
Математическая модель, описывающая комплекс работ, т. е. перечень
работ с их характеристиками и взаимосвязи между работами, называется
сетевой моделью комплекса работ.
Общая проблема построения календарного плана разбивается на три
последовательно решаемые задачи:
1) задача анализа сетевой модели комплекса работ по времени: по
данным о продолжительности отдельных работ требуется определить про-
должительность выполнения всего комплекса работ, моменты начала
и окончания каждой работы и выделить критические по времени работы
(работа называется критической, если задержка в ее выполнении приводят
к срыву директивного срока выполнения всего комплекса работ);
2) задача анализа сетевой модели по ресурсам: по данным о количе-
стве ресурсов, необходимых для выполнения каждой отдельной работы,
требуется определить суммарную потребность в ресурсах по всему комп-
лексу работ в каждый момент времени (от начала до завершения
работ). Необходимым условием для решения этой задачи является ре-
шение задачи анализа сетевой модели по времени;
3) задача распределения ограниченных ресурсов: по данным анализа
по времени и ресурсам требуется распределить дефицитные наличные
ресурсы и построить окончательный календарный план работ. Чаще всего
выбирается план, обеспечивающий минимальное время выполнения
комплекса работ, для построения которого используется метод крити-
ческого пути. Метод сводится к первоочередному выделению ресурсов
на критические работы, найденные в результате решения первой задачи.
Задачи сетевого планирования хорошо известны, и здесь нет нужды
подробно описывать соответствующие алгоритмы. Описания реализации
таких алгоритмов на ПЭВМ приведены в [94]. В этой работе дана реа-
лизация задачи анализа сетевой модели комплекса работ по времени
на микроЭВМ „Электроника ДЗ-28”.
Напомним, что „Электроника ДЗ-28” — Бейсик-машина с быстро-
действием около 1000 оп./с и емкостью памяти 32 Кбайт, снабженная
необходимыми устройствами визуализации результатов и печати. Прог-
рамма занимает объем порядка 10 Кбайт, время расчета одного вариан-
та - примерно 20 с. Число событий не должно превышать 100.
123
ПЭВМ МОДЕЛИРУЕТ РАЗВИТИЕ ОТРАСЛИ
Особенность данной задачи — сложность рассматриваемого
объекта, многочисленные народнохозяйственные связи. На развитие отрас-
ли народного хозяйства влияют разнообразные и разнородные по своей
природе факторы. Моделирование отрасли связано с обработкой больших
объемов информации, подготовка и ведение информационного обеспечения
для такой модели представляет собой сложный и трудоемкий процесс.
Вместе с тем исследование на таких моделях зависимостей стратеги-
ческого характера не представляется возможным и целесообразным, так
как, с одной стороны, пользователь вынужден будет оперировать с Чрез-
мерно подробной и детализированной информацией, а с другой — рассмот-
рение дальнего временного горизонта безусловно будет накладывать опре-
деленный отпечаток на свойства обрабатываемой информации. Вследствие
своей неоднозначности она будет часто варьироваться в процессе расчетов.
Поэтому при решении стратегических задач, связанных с рассмотрением
длительной перспективы времени, необходимо сочетать два противоречи-
вых требования: полноту описания объекта с максимально возможной
простотой модели.
Эти особенности рассматриваемой проблемы позволяют реализовать
агрегированные модели на ПЭВМ.
Описываемая ниже модель реализована на ПЭВМ Alpha-З фирмы Re-
diffusion, имеющей следующие характеристики:
емкость оперативной памяти 120 Кбайт,
внешнее запоминающее устройство — накопитель да гибких магнит-
ных дисках емкостью около 320 Кбайт,
быстродействие по операции присвоения при использовании Бейсик-
интерпретатора порядка 2000 оп./с.
В стандартный комплект системы входят блок центрального процес-
сора^ монитор, печатающее устройство, дисковод, клавиатура. Дисковод
допускает работу с двумя дискетами одновременно. Все оборудование
помещается на письменном столе. Кроме того, машина обладает следующей
важной особенностью: система позволяет строить на экране монитора
графики с высоким разрешением (экран содержит 256 точек по горизонта-
ли и 240 по вертикали) и совмещать эти графики с текстовыми сообщения-
ми. Для построения применяются специальные операторы Языка Бейсик;
на графиках могут одновременно использоваться 4 цвета. Всего в системе
допускается применение 8 цветов.
Целью построения модели было исследование динамики структуры от-
расли (на примере энергетики) при различных гипотезах использования
ресурсов [ 66]. Рассмотрим данную модель более подробно.
В укрупненном виде динамику потребления ресурсов в году t можно
представить как
Et =£,0П(1+ат£т)
124
где Ео — начальное потребление в году t0; ат — коэффициент эластичности
потребления относительно темпов прироста национального дохода &T,St —
сальдо экспорта-импорта ресурсов.
Аналогично описывается динамика роста национального дохода:
Dt = D0 П(1 +&DT),
где Dt — национальный доход в году ADT — прирост национального
дохода в грду т.
Условие баланса производства и потребления ресурсов в году t записы-
вается в виде
Et =
г = 1
где B‘t — уровень добычи z-ro типа ресурса.
В свою очередь, среди типов ресурсов выделены регионы добычи, т. е.
ч
где — число градаций z-ro типа ресурса по регионам. В данной модели ди-
намика добычи ограниченного ресурса задается в виде трапеции использова-
ния ресурса, которая состоит из растущей [ в0, 01 ], стабильной [ в i, в2 ] и
падающей [ в 2, в 3] фаз добычи (рис. 3.5), и в общем случае описывается
зависимостью
В? = F(t, oji)>
где t — рассматриваемый период; di — вектор параметров трапеции. Пара-
метры трапеции связаны между собой функциональной зависимостью
ip(aV) =0.
.Наряду с описанием динамики общего потребления выделяется ряд
производственных процессов, перерабатывающих отдельные ресурсы
(например, производство жидкого топлива, электроэнергии, тепла и пр.).
Балансы процессного использования ресурсов задаются в виде
Рис. 3.5. Трапеция оптимального
использования ограниченного ре-
сурса
125
fitEt = ОД-вр k = l> >ш’
i=i
где fikt - доля использования ресурсов к = м процессом в году t в общем
потреблении страны; - удельный коэффициент использования ьго ре-
сурса для к-го процесса потребления. Всего рассматривается т видов пере-
работки ресурсов.
Кроме необходимости удовлетворить в заданном году t нужный уро-
вень потребления в целом и конкретные уровни переработки ресурсов,
необходимо не превысить возможный уровень выделения народнохозяй-
ственных ресурсов на нужды отрасли; Это ограничение можно учесть в
форме определенных условий на предельные размеры капиталовложений.
Ограничения по капиталовложениям формулируются как условие
непревышения их предельной доли в национальном доходе:
i i
где кц - удельные капиталовложения в /-й способ добычи ресурсов; Dt —
национальный доход в году t. В свою очередь, удельные капиталовложения
зависят от векторов параметров добычи ali и уровней добычи В'/:
k^k^oii,^,
где К'/ - вектор параметров этой функциональной зависимости для
/-го энергоресурса в рассматриваемом году t.
Эта зависимость отражает тенденцию удорожания добычи единицы
ресурса по мере истощения запасов.
В целом задача заключается в исследовании множества допустимых
решений следующей системы уравнений:
п
Et = SBj,
i= 1
В' = ЪВ‘{,1 = 1,
ieJj
№it = F (t, аЮ ’Mu
<p(a4) = 0,
. n •
&tEt =
i- 1
i= 1 /<=/(
kff = кя, te[t0, Л •
Описанная модель реализована в виде программного комплекса общим
объемом порядка 2000 операторов языка Бейсик. На описание и отладку
было затрачено около полугода. В системе активно используются .графиче-
ские возможности ПЭВМ. Фактически каждый кадр на экране содержит
в верхней части графики, в средней — пояснительные таблицы, в нижней —
сообщения системы. Такая структура организации кадров в ходе эксплуа-
тации системы подтвердила свою высокую эффективность. Характерен
факт, что основную балансировку задачи пользователь выполнял, осно-
вываясь в большинстве случаев на графической информации, и привлекал
табличную только при более тонких доводках рассматриваемых зависи-
мостей.
Использование ПЭВМ при программировании описанной модели це-
ликом оправдало себя, поскольку, с одной стороны, мощностей, предо-
ставляемых машиной, хватило для решения 'задачи с избытком, с другой
стороны, не возникало привычных проблем сопровождения и эксплуа-
тации ЭВМ.
ПЭВМ В ОЦЕНКЕ ВЛИЯНИЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО
ПРОГРЕССА НА РАЗВИТИЕ ОТРАСЛИ
Рассмотрим еще одну задачу в сфере экономики из тех, кото-
рые в настоящее время приобрели особую важность. Речь идет об оценке
научно-технического прогресса в масштабах отрасли.
В соответствии с принципами программно-целевого подхода в реальных
процедурах перспективного планирования отрасли можно выделить следую-
щие основные этапы:
формирование потребностей в продукте отрасли на перспективу;
определение, исходя из этих потребностей, необходимой структуры
производственных мощностей и необходимого для развития отрасли до-
полнительного количества ресурсов (по статьям расходов).
Как правило, при сохранении существующей на момент планирования
структуры производственных мощностей и имеющихся в наличии ресур-
сов невозможно удовлетворить потребности в продукте отрасли на перспек-
тиву. Поэтому на втором из названных этапов возникает проблема оценки
минимально необходимого дополнительного количества ресурсов и задача
целенаправленного выбора технологической структуры, влияющей на
удельные расходы ресурсов, а также на-рациональное распределение выде-'
ленных на развитие отрасли средств по статьям расходов.
Научно-технический прогресс (НТП) определяется возможностью
внедрения в производство новых разработанных типов оборудования (учет
НТП на уровне отдельных технологий) или возможностью изменения
пропорций использования существующих типов оборудования (учет
НТП на уровне укрупненных технологий).
127
Рассматриваемый здесь алгоритм решает задачи, возникающие на вто-
ром этапе процедуры планирования. Использование на этом этапе моде-
лей математического программирования с фиксированными параметрами
оказывается недостаточным, и возникает необходимость разработки чело-
веко-машинных процедур, позволяющих выбирать не только значения
неизвестных переменных, но и параметры модели, включая элементы
матрицы и значения правых частей ограничений в условиях, когда огра-
ничения задачи несовместны.
Критерием выбора должно являться максимально возможное удов-
летворение потребностей в продукте отрасли на перспективу (удовлетво-
рение целевой установки).
Целевая установка (определение потребностей в продукте отрасли)
формируется на последний год планируемого периода на основе анализа
нескольких вариантов развития потенциальных потребителей выходных
продуктов отрасли.
Таким образом, в пространстве продуктов отрасли или в пространст-
ве мощностей получается набор точек, наиболее предпочтительных для
соответствующего уровня потребления. Объединение такого множества
точек для всех возможных значений параметра £ образует траекторию
Г(£) [66] наиболее предпочтительных решений (штриховая линия на
рис. 3.6). А при небольшом их количестве (для каждой точки в настоя-
щее время требуется около полугода работы ряда проектных институ-
тов) получается приближение траектории (сплошная линия на рис.
3.6) кусочно-линейной интерполяцией. Каждая точка такой ломаной бу-
дет однозначно определяться соответствующим уровнем потребления,
причем точкам излома соответствуют экспертно проработанные вариан-
ты. Под целевой установкой будем понимать достижение точки траек-
тории, соответствующей максимально возможному уровню потребле-
ния, т. е. максимальное продвижение вдоль траектории в сторону увеличе-
ния уровня потребления (как параметра траектории).
Разрабатываемые процедуры должны быть ориентированы на оператив-
ное практическое использование, поэтому они должны соответствовать сло-
жившимся практическим процедурам проектирований и планирования,
удовлетворять требованиям, связанным с доверием к ним пользователя,
Рис. 3.6. Траектория наиболее
предпочтительных решений
128
t
удобством использования и т. п. В частности, они должны позволять оцени-
вать влияние НТП и количество необходимых для развития отрасли ресур-
сов.
На начальных этапах отраслевого перспективного планирования исполь-
зуются, как правило, модели вида
<р(х) -> min, (3.1)
ф>фдир- (3.2)
Ф = IX (3.3)
Ах <N, (3.4)
х > 0, (3.5)
где <р(х) - некоторый минимизируемый критерий, например приведенные
затраты; х - n-мерный вектор вводимых мощностей; Ф — /-мерный вектор
продуктов отрасли; Фдир — директивно заданный вектор потребностей в
продуктах отрасли на перспективу (на последний плановый период); D —
матрица /Хи удельных коэффициентов использования мощности; N-m-мер-
ный вектор ресурсов; А — матрица nX/и удельных коэффициентов исполь-
зования ресурсов.
Таким образом, ограничения (3.2), (33) определяют потребности в
продукте отрасли на перспективу, а ограничения (3.4), (33) отражают воз-
можности отрасли, определяемые наличным количеством ресурсов и суще-
ствующей технологической структурой. Как правило, возможности отрас-
ли на текущий период оказываются недостаточными для удовлетворения
потребностей на перспективу, т. е. система ограничений (3.2) - (3.5) не-
совместна.
В этих условиях возникает задача целенаправленной коррекции пара-
метров А и N модели с использованием возможностей НТП для максималь-
но возможного продвижения вдоль траектории наиболее предпочтительных
решений.
Особенностями рассматриваемого класса задач являются: необходи-
мостъцеленаправленного формирования параметров модели при несовмест-
ных ограничениях задачи; необходимость последовательного решения раз-
личных задач, возникающих на различных этапах процесса планирования и
решаемых различными организациями, например, последовательного
(неодновременного) формирования матрицы модели и вектора правых
частей ограничений; наличие заданной заранее целевой установки в форме
траектории наиболее предпочтительных решений в пространстве продуктов
отрасли или в пространстве мощностей; специфический вид областей
возможных значений параметров А и N модели.
Заметим, что наиболее предпочтительное решение находится как пере-
сечение траектории Г(|) с множеством Парето области допустимых значе-
ний [ 66]. В данных условиях имеет смысл говорить о двух взаимосвязан-
ных задачах: задаче А о максимально возможном продвижении вдоль
траектории наиболее предпочтительных решений за счет оптимального
5 Зак. S 54
129
выбора коэффициентов матрицы А и вектора N и задаче В оценки мини-
мально необходимого для достижения некоторой заданной (например, ко-
нечной) точки траектории количества ресурсов.
Решение задач А и В описываетсяв [ 66] - Показано,, что решение задачи
А сводится к решению задачи В и наоборот. В свою очередь, задача А сво-
дится к последовательности более простых задач С, соответствующих от-
дельным линейным участкам кусочно-линейной траекторию Г(£). Это по-
зволяет создать простые, легко интерпретируемые алгоритмы её решения
для случаев, когда НТП учитывается на уровне отдельных или укрупней-
ных технологий, а также когда возможна или невозможна комплектная
поставка ресурсов.
Для всех алгоритмов доказаны сходимости к оптимальному решению
задачи С и оценено число шагов. Взаимосвязь разработанных алгоритмов
представлена1 на рис. 3.7. Идеи алгоритмов основаны на возможности вы-
писать в’ явном виде решение задачи- С при: фиксированных параметрах
A vtN.
Обсудим некоторые детали машинной реализации алгоритма.
При запуске’ программы на экране дисплея высвечивается видео-
грамма 1, содержащая входное меню (рис. 3.8, а). Пользователь дол-
жен ввести ответ - число, соответствующее какой-либо строке меню.
При вводе* ответа 1 на экране высвечивается матрица удельных ко-
эффициентов- использования ресурсов. Пользователь может скоррекпг-
Рис. 17, Взаимосвязн-апгоритмов решения задач Д’-C
130.
ровать показатели или ввести новые, соответствующие интересующему
его типу оборудования. При этом на экране высвечиваются обе матри-
цы - начальная (до коррекции) и откорректированная.
При вводе ответа 2 на экране появляются показатели типов оборудо-
вания (технологий), взаимозаменяемых, (другими словами, конкурирую-
щих) с существующими. При необходимости возможна коррекция этих
показателей.
При вводе ответа 3 для каждого типа оборудования, конкурирующего
с существующими типами, высвечивается его максимальная, минимальная
и текущая доли в покрытии потребностей в продукте отрасли. Эти пара-
метры определяются возможностями машиностроения по производству
данного типа оборудования. При необходимости они также могут коррек-
тироваться.
При вводе ответа 4 на экране отображаются правые части ресурсных
ограничений в натуральных показателях, суммарный наличный ресурс в де-
нежном эквиваленте, дополнительно выделенные на развитие отрасли ре-
сурсы. Все показатели могут корректироваться. Начальные значения пра-
вых частей ограничений также высвечиваются на экране.
При ответе 5 на экране появляются параметры траектории наиболее
предпочтительных решений, характеризующие численные пропорции меж-
ду выходными показателями (продуктами) отрасли в зависимости от не-
которого параметра (например, темпов роста национального дохода).
При необходимости пользователь корректирует параметры траектории.
ВЫ МОЖЕТЕ ВЫПОЛНИТЬ СЛЕДУЮДИЕ ОПЕРАЦИИ:
ПРОАНАЛИЗИРОВАТЬ И ОТКОРРЕКТИРОВАТЬ :
МАТРИЦУ УДЕЛЬНЫХ КОЭЧЧМЦИЕНТОВ.......................... 1
ПАРАМЕТРЫ КОНКУРИРУКМИХ ТЕХНОЛОГИЙ .......................2
МАХ И MIN СТЕПЕНЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОНКРЕТНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ...3
РЕСУРСНЫЕ ОГРАНИЧЕНИЯ ....................................4
ПАРАМЕТРЫ ТРАЕКТОРИИ .....................................5
ПРОИЗВЕСТИ РАСЧЕТ ......................................... 6
ВЫВЕСТИ РЕЗУЛЬТАТ НА ГРАФИК ................................7
ЗАПИСАТЬ ДАННЫЕ НА ДИСК..................................... ..8
СЧИТАТЬ ДАННЫЕ С ДИСКА.......................................9
ОКОНЧИТЬ РАБОТУ.............................................1О
ВВЕДИТЕ ОТВЕТ ==>
ЧТО ВЫ ХОТИТЕ ДЕЛАТЬ?
РАСПРЕДЕЛИТЬ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ РЕСУРСЫ...........................1
ПЕРЕРАСПРЕДЕЛИТЬ НАЛИЧНЫЕ СРЕДСТВА............................2
ВЫБРАТЬ НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРИ СБАЛАНСИРОВАННЫХ РЕСУРСАХ....... . .3
ВЫБРАТЬ НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ФИКСИРОВАННЫХ РЕСУРСАХ ........ ...4
ВЫБРАТЬ ДОЛИ ИСПОЛЬЗ. КОНКР. ТЕХНОЛОГИЙ В РАМКАХ УКРУПНЕННОЙ ..5
ОКОНЧИТЬ РАБОТУ................. ................................
ВВЕДИТЕ ОТВЕТ »«=>
4?
Рис. 3.8. Интерактивная процедура оценки влияния’НТП на различные отрасли:
в) входаое меию; б) мвето вариантов расчетов
5*
131
При вводе ответа 6 на графическом экране вычерчивается траектория
наиболее предпочтительных решений, ограничения, соответствующие Те-
кущему значению матрицы удельных коэффициентов (текущая область
возможных значений переменных модели), и ограничения, соответствую-
щие начальному значению матрицы (начальная область допустимых
значений).
При ответе 7 на графическом экране вычерчиваются: область возмож-
ных значений переменных модели, соответствующая текущим значениям
матрицы удельных коэффициентов и текущему вектору правых частей
ограничений; область возможных значений переменных модели, соответ-
ствующая исходным значениям матрицы удельных коэффициентов модели
и исходному вектору правых частей ограничений; траектория наиболее
предпочтительных решений; точка, соответствующая оптимальному реше-
нию задачи, обводится окружностью.
Ниже картинки высвечиваются номера ограничений (в порядке умень-
шения дефицитности соответствующих ресурсов, т. е. выделяются суще-
ственные ограничения), коэффициенты матрицы задачи, количество ресур-
сов, требуемое для достижения конечной точки траектории (запрос ресур-
сов), наличное количество ресурсов, дефициты ресурсов (в процентах),
степень продвижения вдоль траектории (в процентах), достигнутые зна-
чения переменных модели (оптимальное решение). При наборе любого
символа на клавиатуре происходит возврат к кадру „1”.
При вводе ответа 8 происходит запись рабочей информации на магнит-
ный диск, а при вводе ответа 9 — Считывание информации с магнитного
диска.
При вводе ответа 10 система оканчивает работу.
Решение задачи, соответствующее пересечению траектории с границей
Парето области возможных значений переменных, обводится окружно-
стью.
Ниже этой картинки высвечивается видеограмма 2 (рис. 3.8, б), в ме-
ню которой указаны варианты расчетов, соответствующие определенным
содержательным гипотезам.
ЗАДАЧИ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ОТРАСЛИ И
КОРРЕКТИРОВКИ ПЛАНОВЫХ ЗАДАНИЙ
Корректировка планов — понятие в достаточной степени
скомпрометированное. Однако есть ситуации, когда уточнение значений ря-
да запланированных показателей, а также средств достижения этих значений
необходимо и является существенной частью технологии планирования.
В первую очередь это относится к долгосрочному и среднесрочному плани-
рованию, когда в процессе выполнения планов проявляется действие новых
или неучтенных факторов. В результате уже на достаточно ранней стадии
планового периода становится ясно, что фактические значения показателей
отличаются от вычисленных в предположении планового функционирова,-
132
ния. Нежелательные отклонения могут быть связаны как с недовыполне-
нием плана (если речь идет о выпуске продукции), так и с его перевыпол-
нением (в случае расходования ресурсов). Эта информация поступает к
соответствующим службам, в распоряжении которых имеется комплекс
мероприятий для изменения положения. Требуется сформировать опти-
мальный в некотором смысле набор корректирующих мероприятий и поря-
док их использования. Это осуществляется на основе введенных пользо-
вателем желаемых значений показателей в ходе работы диалоговой проце-
дуры. Для решения задачи на внешнем носителе создается массив данных
о вариантах работы объектов для всех возможных случаев. Ведение этого
массива (ввод, корректировка, выборка,-удаление записей) представляет
собой отдельную задачу.
Уточним формулировку. На отрезке [О, рассматривается вектор-
фикция показателей функционирования объектов P(t), причем Р^цд) =
= рпл. Пусть в момент времени 0 < Тф < наблюдаются значения по-
казателей рф = р(^ф). Тогда в предположении, что на отрезке [ £ф, ?пл]
будет сохранено плановое функционирование объекта, можно вычислить
прогноз выполнения плана:
Р ~ Рф + Рпл ^пл —^ф) ^пл •
Если прогнозируемые значения не устраивают пользователя, он может
задать желаемые значения показателей р*^^). На отрезке [Гф, ?пл] это
потребует достижения значений
л
Р* = Р*~Рф
за время /расч = tm -Гф.
Для оценки возможностей достижения значений р* ставится задача
подбора таких интенсивностей (в данном случае — Времен) использова-
ния вариантов из множества I, которые будут замещать плановый вари-
ант на отрезке [/ф, ^пл1- При этом значения интенсивностей использо-
вания вариантов выбираются так, чтобы при замене планового варианта
общие показатели функционирования максимально приблизились к р*
S | PiliXi - Др*| -» min,
Ш
T.b.Xi = Дх0; &Х( 0; Дх0 <Дх,
iel
где Д'р* = р*- р.
Таким образом, мы приходим к задаче линейного программирования.
Такие задачи хорошо изучены, для их решения существуют разнообраз-
ные методы, в частности симплекс-метод, который и лежит в основе описы-
ваемого алгоритма решения задачи.
133
Программа написана в предположении, что пользователь не обязан
владеть идеями и методами линейного программирования. Для повы-
шения эффективности взаимодействия схема диалога должна основы-
ваться на использовании содержательных понятий. В каждый момент поль-
зователь должен иметь возможность выбора из более или менее широкого
набора действий. Достижению психологического комфорта способствуют
такие факторы, как свободная компоновка кадра видеограммы, сигна-
лизация на экране во время длительного счета (например, вывод текста:
ОТРАСЛЬ______________ ОБЪЕКТ__________________
СПИСОК ПОКАЗАТЕЛЕЙ И ИХ ПЛАНОВЫЕ ЗНАЧЕНИЯ
1 _ _ _ _ _
2
з ____________________________
......... /
ВВЕДИТЕ; ЧЕРЕЗ ЗАГИГГУЮ: НОМЕРА ПОКАЗАТЕЛЕЙ,
С КОТОРЫМИ ВЫ БУДЕТЕ РАБОТАТЬ
==>
ОТРАСЛЬ______________ ОБЪЕКТ__________________
ИМЕЕТСЯ________ВАРИАНТОВ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ ВЫБОРА.
УКАЖИТЕ ЧЕРЕЗ ЗАПЯТУЮ НОМЕРА,
КОТОРЫЕ ВЫ ХОТИТЕ АНАЛИЗИРОВАТЬ.'
ЕСЛИ БУДЕТЕ СМОТРЕТЬ ВСЕ ПОДРЯД, ВВЕДИТЕ "99".
0
ДАЛЬНЕЙШИЕ ДЕЙСТВИЯ!
V - ВКЛЮЧИТЬ В > РАСЧЕТ, И-i ПЕРЕЙТИ К С ЛЕДУЮ4ЕМУ ВАРИАНТУ
2 .- НЕ . ВКЛЮЧАТЬ В .РАСЧЕТ И ПЕРЕЙТИ К . СЛЕДУЮЩЕМУ ВАРИАНТУ
3 - КОРРЕКТИРОВАТЬ ДАННЫЕ, ЗАПОМНИТЬ И
ПЕРЕЙТИ' К СЛЕДУЮЩЕМУ ВАРИАНТУ ’
4 - КОРРЕКТИРОВАТЬ ДАННЫЕ, НЕ ЗАПОМИНАТЬ И
ПЕРЕЙТИ К СЛЕДУКЫБМУ ВАРИАНТУ
5 - ВЕРНУТЬСЯ К ПРЕДЫДУЩЕМУ ВАРИАНТУ
Ь - ВЕРНУТЬСЯ К БЛОКУ ВЫБОРА ВАРИАНТОВ
7 - ВЕРНУТЬСЯ К БЛОКУ ВЫБОРА > ПОКАЗАТЕЛЕЙ
8 - ПРОДОЛЖЕНИЕ РАБОТЫ
ВВЕДИТЕ НОМЕР
==> &).
Рис . 3.9. Интерактивная процедура оценки состояния отрасли и корректировки плано-
вых заданий:
а) видеограмма 4; б) видеограмма 5; в) видеограмма 6
134
. „Подождите. 1,5 минуты, идет, расчет’’). Необходимо также обеспечить воз-
можность, коррекции (полной или частичной) показателей и записи скор-
.ректированных данных, во внешний массив (после проверки полномочий
пользователя).
В ходе диалога в оперативной памяти формируется рабочая матрица,
столбцы которой соответствуют вариантам работы объектов, а строки —
показателям. Эта матрица и участвует в расчетах по симплексгметоду.
Диалоговая процедура решения задачи разбита на отдельные блоки.
Основным элементом такого блока является видеограмма, отображающая
шаги решения задачи на экране дисплея.
Видеограммы. 1 и 2 дают.пользователю возможность выбрать опреде-
ленную отрасль и объект, с которым будет вестись.работа. Видеограмма 3
позволяет ввести начальное и конечное значения рабочего периода. Видео-
грамма 4 (рис. 3.9, а) содержит, информацию о показателях, которые мож-
но анализировать. С ее помощью происходит выбор .рабочих номеров по-
казателей (т. е. номеров строк рабочей матрицы) для включения их в ал-
горитм оптимизации. Видеограмма 5 (рис.3.9,б) служит для выдачи инфор-
мации о номерах вариантов рабочих, режимов, системы, а также для выбора
порядка просмотра этих вариантов с целью их возможной коррекции и
включения в рабочую матрицу алгоритма оптимизации.
Видеограмма 6 (рис. 3.9,д) позволяет, определить дальнейшие действия
с анализируемым вариантом (необходимость включения в расчет, коррек-
ции, перехода к следующему варианту, возврата к предыдущему и т. д<).
Если необходимо ввести дополнительные варианты, то это выполняется с
помощью видеограммы 7.
Появление видеограммы < 8 говорит об окончании формирования -рабо-
чей матрицы. Далее происходит расчет:по симплекс-методу. По окончании
расчета пользователю предоставляется возможность >выполнить аналогич-
ные действия с другими вариантами (видеограмма 9) .иге.другими пока-
зателями (видеограмма ДО). Видеограммы 11 и 12 позволяют решить за-
дачу соответственно для другого объектаи: для другой-отрасли.
3.5. ПЕРСОНАЛЬНАЯ ЭВМ В СИСТЕМАХ
АВТОМАТИЗАЦИИ ИНЖЕНЕРНОГО ТРУДА
ЕЩЕ РАЗ О СТАНДАРТАХ
До сих пор речь шла об автономных рабочих Местах на базе
персонального компьютера. Ни инженерные микрокалькуляторы, ни изме-
рительные приборы недавнего прошлого не’были рассчитаны на работу ,;в
связке” с ЭВМ. Распространенность этих массовых приборов не шла* ни в
какое сравнение с* распространенностью -ЭВМ в НИИ и КБ.'Только в кон-
це 70-х годов Международный электротехнический конгресс (МЭК) развер-
нул работы по стандартизацииприборного интерфейса; следствием этого
явилось созданием СССР соответствующего стандарта.'Однако с появлени-
135
ем первых, сугубо специализированных АРМ на базе микроЭВМ (таких,
как отладочные комплексы, информационно-измерительные системы
и т. д.) появилась возможность объединения микроЭВМ — впоследствии
ПЭВМ - в комплексы, получившие название систем автоматизации инже-
нерного труда (САЙТ). По области применения САЙТ смыкаются с
САПР и автоматизированными системами научных исследований (АСНИ).
Именно в середине 80-х годов, когда достигнутый в большинстве
промышленно развитых стран мира уровень электронной технологии поз-
волил поставить задачу массового производства ЭВМ на микропроцессор-
ной элементной базе, резко расширяется область действия стандартов
в индустрии информатики. Важно уяснить здесь, что основным стимулом
координации работ в области стандартизации изделий промышленной
электроники, вычислительной техники, оргтехники и средств связи стано-
вится комплексность требований, которые инженер — массовый пользова-
тель ПЭВМ предъявляет к оснащению своего АРМ. Комплексный характер
этих требований хорошо иллюстрируется рассматриваемыми далее приме-
рами.
Применение АРМ на основе .ПЭВМ в машиностроении, строительстве
и других крупнейших отраслях экономики, получившее развитие со второй
половины 80-х годов, опирается в основном на эффективные методы обра-
ботки графической информации. Поиски стандартных решений нередко
вступают в противоречие с требованиями эффективности: анализ многих
САПР, созданных на основе высокопроизводительных малых ЭВМ, пока-
зывает, что их авторы, стараясь избежать упреков в низкой эффектив-
ности программных средств, часто приносят в жертву эффективности
те проектные решения, которые нацелены изначально на достижение
совместимости с другими системами. Медленное развитие процесса стан-
дартизации в области систем диалоговой машинной графики сегодня,
пожалуй, в наибольшей мере сдерживает процесс создания массовых
АРМ для инженеров.
Поскольку ресурсы быстродействия современных ПЭВМ, как прави-
ло, недостаточны для обеспечения эффективной диалоговой работы с трех-
мерными графическими объектами (визуализации, пространственных пре-
образований, подготовки к выводу на устройства получения твердой ко-
пии), работы по стандартизации сосредоточиваются пока на двумерном
представлении графических объектов. Наибольшую известность в миро-
вой практике получили проекты стандартов GKS и CORE, для каждого
из которых намечена разработка трехмерных версий. Отсутствие единого
набора операций над представлениями трехмерных графических объектов
в памяти ЭВМ сдерживает появление нового поколения БИС контролле-
ров, которые могли бы повысить производительность ПЭВМ для задач
машинной графики. С учетом сказанного можно утверждать, что работа
с трехмерными объектами станет реальностью лишь в следующем поколе-
нии ПЭВМ.
В подавляющем большинстве применений АРМ на основе персональных'
компьютеров их практическая ценность определяется способностью рабо-
136
тать в качестве терминальных станций так принято называть компьютеры,
работоспособность которых критическим образом зависит от возможности
доступа к ресурсам другой (обычно более мощной) ЭВМ. Если для ПЭВМ
первого поколения возможности межмашинной связи целиком опреде
ляются возможностями и ограничениями стандартного последовательного
канала передачи данных типа „стык С2”, то для новых поколений ПЭВМ
номенклатура стандартных средств межмашинной связи будет существенно
расширена. Прежде всего предстоит освоить существенно более высокие,'
чем при использовании стыка С2, скорости передачи данных по каналу.
Решение этой задачи реализует предпосылки для создания удобных (т. е.
как можно менее заметных для пользователя) механизмов обмена дан-
ными между ПЭВМ. В первую очередь необходима стандартизация ло-
кальных — небольших по территориальному охвату — сетей ПЭВМ, в
которых предусматривается выход через специальные пункты — „шлюзы”
к ресурсам высокопроизводительных ЭВМ. Стандартизации аппаратуры
и программных средств для построения локальных сетей ведется довольно
быстрыми темпами, однако соображения эффективности межмашинного
обмена требуют разработки специальной и весьма сложной элементной
базы. Работа АРМ в составе локальных сетей ПЭВМ является абсолютно
необходимой предпосылкой перехода к принципам „безбумажной” инфор-
матики при решении инженерных задач.
Стандарты должны получить распространение и в такой области инфор-
матики, как методы представления численной информации с оговоренной
точностью. Актуальной задачу стандартизации здесь делают два фактора:
накопление фонда сложных алгоритмов решения инженерных задач, для ус-
тойчивости решения которых требуется повышенная точность вычислений,
и необходимость обмена большими массивами численных данных между
ПЭВМ и ЭВМ других классов (типичная ситуация в большинстве САЙТ).
Примерный комплекс требований, предъявляемых к техническим
средствам АРМ иа основе ПЭВМ инженерами-пользователями, выглядит
в сегодняшней мировой практике следующим образом (порядок следова-
ния соответствует приоритету требования):
возможность работы с телефонными каналами связи; ,
наличие специализированного процессора для вычислений с повышен-
ной точностью (32 или 64 двоичных разряда);
возможность работы с монохромным (меньший приоритет — цветным)
растровым графическим дисплеем;
возможность работы в локальной сети ПЭВМ;
наличие средств эмуляции функциональных возможностей терминалов
’ высокопроизводительных ЭВМ (см. § 2.5 „Программы-конвертеры”);
наличие высокоточного графопостроителя;
возможность подключения к ПЭВМ измерительных приборов или уст-
ройств связи с объектом управления (приборный интерфейс);
возможность подключения к ПЭВМ дополнительных дисплеев (напри-
мер, для ввода данных);
137
наличие нескольких процессоров в составе ПЭВМ для обеспечения раз-
личных, режимов совместимости;
наличие манипуляторов для управления ; диалогом ,(зти устройства
особенно эффективны при работе с меню и пиктограммами, см. § 2.4
„Что нужно для диалога”).
Легко видеть, насколько отличается портрет ПЭВМ, входящей в .состав
АРМ, от типового набора характеристик, рассмотренных-в гл. 1. Естествен-
но, что только широкое применение унифицированных ини стандартных
технических решений в совокупности с определяющим архитектуру персо-
нальных компьютеров принципом открытой архитектуры позволяет соз-
дать на базе ПЭВМ автоматизированное рабочее место инженера. Мировой
опыт показывает, что нарушение этих принципов неоправданно удорожает
аппаратуру АРМ-
ПРОБЛЕМНАЯ ОРИЕНТАЦИЯ В СОВРЕМЕННЫХ АРМ
Принцип проблемной ориентации был. впервые реализован в
управляющих и информационно-измерительных комплексах на основе ма-
лых ЭВМ типа СМ. В измерительно-вычислительном комплексе (ИВК)
были объединены две разновидности магистрально-модульной аппарату-
ры — автономные конструктивные блоки СМ ЭВМ и модули, выполнен-
ные в международном стандарте КАМАК. В АРМ первого поколения,раз-
нообразие конфигураций аппаратуры существенно уменьшилось по срав-
нению с ИВК, поскольку начали давать себя знать’пределы* возможности
конструктивного исполнения Моделей СМ ЭВМ* первой очереди.
Ня следующем Этапе в конструкции ьюкроЭВМ'семейства „Электрони-
ка 60” и управляющих выодслительных коьншексов СМ-1800 в максималь-
ной степени использовано преимущество открытой архитектуры — модули,
осуществляющие проблемную ориентацию, и модули-основного состава
каждой из этих микроЭВМ имеют одинаковое конструктивное исполнение
и общую информационную магистраль (достижению совместимости-этих
микроЭВМ препятствуют прежде всего различия в архитектуре используе-
мых микропроцессоров).
В конструкции ПЭВМ строго соблюдается магистрально-модульный
принцип построения. Впервые предложенный в аппаратуре КАМАК,
этот принцип требует строгой унификации веех сигналов,-обеспечивающих
связь между различными функциональным!-блоками устройства (моду-
лями); модули унифицированы по размерам и по электрическим разъе-
мам. Описание сигналов,- разъемов и правил обмена данными между
модулями задает тип магистрали — тракта передачи,данных.. Иными сло-
вами, магистрально-модульный принцип лежит в основе „открытой архи-
тектуры” любой современной ЭВМ массового применения. Это'позволяет
в максимальной степени использовать в АРМ на базе ПЭВМ опыт компо-
новки проблемно-ориентированных-комплексов, накопленный для малых
и микроЭВМ предыдущего поколения. Сегодня наряду с модулями расши-
рения возможностей ПЭВМ, дающими простой количественный,рост основ-
ных показателей ПЭВМ (емкости памяти, числа основных интерфейсных
138
разъемов и т. п.)_, -формируется широкая номенклатура модулей проблем-
ной ориентации.
Такие модули, имеющие вид стандартных для данного типа ПЭВМ пе-
чатных плат с магистральным разъемом, позволяют „набирать” конфи-
гурацию АРМ с учетом перечисленных выше требований. Так называемые
многофункциональные модули позволяют наиболее эффективно использо-
вать возможности новейшей элементной базы: они содержат дополнитель-
ный объем ОЗУ или ПЗУ, 1-2 адаптера стандартных интерфейсов ПЭВМ и,
как правило, устройство отсчета временных интервалов (таймер). Если
эти модули обладают максимальной функциональной насыщенностью,
то макетная (пустая) печатная плата со стандартным магистральным ин-
терфейсом реализует другой „полюс” требований инженера-пользова-
теля г- возможность создания уникальных модулей расширения.
Известны также модули1 с функциями анализаторов спектра, ввода
и вывода речевых сообщений, ввода и преобразования в цифровую форму
телевизионных изображений, логического анализатора для наладки встраи-
ваемых микропроцессорных устройств и т; д: Показателен такой; факт:
разработанная крупнейшей' фирмой IBM персональная ЭВМ для решения
задач-автоматизации научных исследований (модель CS/9000) не получила
широкого распространения из-за недостаточной „открытости” архитектуры,
в-то время как- сбыт базовых моделей1 IBM PC, оснащаемых модулями 'рас-
ширения для решения этих задач, увеличился с1984 г. по 1986т. в Пятьраз.
Модульные -конфигурации ПЭВМ; входящие ® состав САЙТ, позволили
осуществить радикальный отход от идеологии специализированных АРМ
с фиксированным набором возможностей. Разумеется; не всегда „аморф-
ность” аппаратуры желательна или необходима. Примерами АРМ, в кото-
рых проблемная ориентация достигается исключительно путем создания
набора пакетов функциональных и прикладных программ, являются весь-
ма разнообразные по составу решаемых задач АРМ для планово-экономиче-
ских расчетов.
Пользователи, принадлежащие к этой-профессиональной группе, нуж-
даются в интегрированных базах данных, объедатяющих возможности хра-
нения и поиска информации в персональных- и-высокопроизводительных
ЭВМ: Не предъявляя особо-высоких трсбованж к качеству ицветности
растрового изображения на дисплее, они высоко ценятвозможности интег-
рированыхпакетов функциональных программ в части трансформации таб-
лиц и статистических рядов в наглядные-графики-и диаграммы. В работе
[5 ] ‘ детально рассмотрены методы работы о основными пакетами функцио-
нальных программ для ПЭВМ.
В заключение следует подчеркнуть, что именно накопление опыта при-
менения ПЭВМ позволило понять определяющее-значение функциональ-
ной полноты, проблемно-ориентированных комплексов. Однако трудно
добиться априорной полноты набора функций АРМ,' и поэтому открытая
архитектура является, не только инструментом разработчика ПЭВМ; но
во все большей степени - инструментом пользователя. Одной из целей
139
создания САЙТ является создание условий для „самообслуживания” ин-
женера-пользователя; в состав САЙТ включаются САПР печатных плат и
даже некоторых типов БИС.
Глава4
ЭВМ НА РАБОЧЕМ МЕСТЕ ИНЖЕНЕРА: КАЛЬКУЛЯТОР
ИЛИ ПЕРСОНАЛЬНЫЙ КОМПЬЮТЕР
4.1. КЛАССИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА ОБ УСТОЙЧИВОСТИ
КОЛЕБАНИЙ СИСТЕМЫ ДВУХ ОСЦИЛЛЯТОРОВ
ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ
Начнем с того, что далеко не все задачи, встречающиеся в
каждодневной деятельности инженера, рационально решать на персональ-
ном компьютере.
В этой главе на примере ряда инженерных задач (их выбор на совести
авторов) попытаемся найти тот уровень их сложности, когда применение
ПЭВМ действительно необходимо. Тем самым авторы хотели бы подчерк-
нуть преемственность персонального компьютера по отношению к другим
исторически сложившимся инструментам „малой автоматизации” инженер-
ной деятельности — логарифмической линейке, счетным машинам „Фе-
ликс”, „Рейнметалл” и, наконец, калькулятору. Каждый инструмент в
любой сфере инженерной деятельности имеет свою разумную сферу при-
менения, и ПЭВМ да является здесь исключением.
Выбранные примеры относятся к проблеме устойчивости колебаний,
известной каждому инженеру. Речь идет об одной очень распространенной
в физике и технике модели, описывающей колебания двух осцилляторов
(маятников) при наличии связи между ними (консервативной или не
консервативной).
Рассмотрим эту проблему с разных сторон: как задачу интегрирования
уравнений, как. исследование первопричин неустойчивости выбранной
модели или, наконец, как задачу об управлении колебаниями, включающую
выбор коэффициентов демпфирования, параметров регулятора и использо-
вание для управления упрощенной модели исходной системы. Задачи эти
очень разные. С одной стороны, они иллюстрируют в значительной степени
заботы инженера соответствующего профиля, с другой — дают параметри-
ческий ряд проблем возрастающей сложности, в конце которого необходи-
мость использования ПЭВМ становится почти очевидной. Рассмотрим эти
задачи в упомянутой последовательности.
УРАВНЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ
Рассмотрим в качестве модели изображенную на рис. 4.1 ра-
диотехническую схему, состоящую из двух контуров (£j, С!), (£2, С2),
связанных большой емкостью. В качестве обобщенных координат примем
140
Рис. 4.1. Два связанных колеба-
тельных контура с генератором
<71 (0 > Чг (О - заряды на конденсаторах Ci и С2 соответственно.
Уравнения электромагнитных колебаний в контуре получаются из урав-
нений Лагранжа, где используются следующие выражения для энергий
системы:
для магнитной
Т — +Z^2q\ /2,
для электростатической
U= ч\/2С\ + <?22/2С2 .+ <?1?2/С
После выполнения необходимых операций получим
+ [ (G + С) /CQ ]?1 - (l/C)q2 = 0, (4.1)
Li42 + [ (Сг + С)/СС2 ]q2 — (1/C)<7i = 0.
Эти два уравнения описывают изменение во времени зарядов qt и q2,
находящихся в данное время на обкладках конденсаторов Ct и С2. Очевид-
но, что они являются полным аналогом уравнений, которые описывают дви-
жение двух гармонических осцилляторов, связанных между собой посред-
ством консервативной или. неконсервативной связи. Реальные же системы
большей частью неконсервативны.
Введем в контур генератор, не обладающий внутренним сопротивлени-
ем. Можно измерить разность потенциалов на клеммах, например конден-
сатора С2, и воспользоваться ею для такого регулирования Е, чтобы оно
было пропорционально этому напряжению:
£= Xq2 (С + С2)1СС2,
или для упрощения записи Е - &q2, где 0 - Л (С + С2 ) /СС2.
Система уравнений, которая описывает колебания в контуре, принима-
ет следующий вид:
Li4i + [ (С+ Ci) ICC2 to - [ (1 + 0)/Cto = 0, (4.2)
^242 + [ (С + C^)/СС2 ]q2 — (l/C)qi = 0.
Характеристическое уравнение системы
LiL2p4 -ЦСц (C+C2)ICC2 +L2 (С+С1)/СС1]р2 + (4.3)
+ [(С+С1)(С+С2)/С2С1С2- (1+0)/С]=О.
141
Дискриминант уравнения (43)
D = L! (С+С2 ) /СС2 + L2 (С + С,) /ОС, + (4.4)
+ 4LiL2 (1+0)/С2
становится отрицательным, если 0 < 0кр, где
0КО = _ 1---------[ Ll (С + С2)/СС2 + Г2 (C + CO/CCi]. (4.5)
Р 4Л.Л;
Из соотношений (4.4) и (4.5) следует, что если параметр 0 положите-
лен и больше единицы, то собственные частоты системы (42)
w2i ,2
1 ~ 1 г-т 4«+ 0
= —1±—2+-----
2 2 С2
L\L2,
где ~
L = Li (C+C2)/CC2+L2(C+Ci)/CC1,
раздвинутся еще больше по отношению к своим значениям при 0 = 0.
Если параметр 0 отрицателен, несимметричная связь в уравнениях
(4.2) создает эффект, стремящийся сблизить собственные частоты.
При 0 = 0кр частоты колебаний
Wi = ы2 = (1/\/2) \/Т
сольются, и при дальнейшем уменьшении 0 возникнет неустойчивость
той же ирироды, чю и в рассмотренных выше примерах.
Таким образом, как видно из изложенного, во всех случаях, когда к
симметричной (или лагранжевой) связи, которая реализуется благодаря
наличию квадратшшых членов в выражевдях для кинетической (магнит-
ной) и потенциальной (электростатической) энергии, присоединяется
несимметричная связь, возможны новые, более разнообразные эффекты.
Характер неустойчивости, которая вследствие этого может возникнуть,
отличается от известного эффекта „отрицательного” трения гвш резонанса
(при действии внешнейпериодаческой силы).
Главным, необходимым признаком этой формы неустойчивости яв-
ляется, как известно, сближение собственных частот системы вплоть до
их слияния.
Если рассматривать систему 4.1 как объект регулирования (в тех слу-
чаях, когда она является неустойчивой), то возникает вопрос, каким об-
разом сближение частбт влияет на свойства системы, какова роль таких
факторов, как диссипативные силы, алгоритм управления и структура
регулятора. Эти вопросы мы и рассмотрим ниже.
Систему уравнений (4.2) перепишем в виде
91 +<h+0i<h = 0, <4.6)
q2 + aq2 + = 0.
Здесь 9i (f), q2 (f) - обобщенные координаты; a, 0i, 0г - параметры.
142
Предположим, что характеристическое у равнение системы
р4 + (1+ а)р2 + (a-afitfii) = 0 (4.7)-
имеет корни
pi,2 = 8 ±ib>, Рз,л = - 8 ±ib>, (4-8)
свидетельствующие об ее неустойчивости.
С учетом (4.8) систему (4.6) можно преобразовать, исключив один
параметр:
yi + (со2 - 82)yi + 28соу2 = 0, (4.9)
у2 + (со2 — 82)у2 — 26coyi — О-
Соответственно изменится и характеристическое уравнение
р4 + 2(со2 - 62)р2 +• (62 + со2) = 0. (4.10)
Наследуем процесс развития колебаний вследствие некоторого началь-
ного возмущения. Очевидная симметрия корней (4.8) компенсирует в не-
которой степени сравнительно высокий (четвертый) порядок исходной сис-
темы и позволяет провести практически весь анализ в общем виде.
Действительно, положим
< 71 (Г) = .4es/cos(a>r + <pj) + Be6t cos (cot + <й), (4.11)
q2 (t) =Лре5Г cos(wt + <pi + x) + Bpe’6 f cos (cot + — x). (4.12)
В формулах (4.11), (4.12) постоянные A, В, <Рг определяются на-
чальными условиями <7ю, <72 0)<7ю> <?2 о,а параметры р, % — свойствами са-
мой системы и вычисляются из соотношений
25 си б2 —
sinx =----:----, cosx=----------; р = 62+со2. (4.13)
fe2 J. . ,2 £;2 Ц. , .2
О Т W а +
Решение в виде (4.11), (4.12) малопригодно для изучения характера
колебаний в силу неявной зависимости постоянных А, В, <Pi, от нагадь-'
ных условий. Поэтому проведем некоторые преобразования.
Функции <71, <72 можно рассматривать как результат сложения двух ко-
лебаний одинаковой частоты с различными фазами и амплитудами.
Так как
a cosx+ ecosx = у/а2 + в2 cos(x + в),
где sin 9 = efy/a2 + в2; cos 9 = afy/a2 + в2,
то формулы (4.11), (4.12) можно привести к виду
< 7i (t) = Af(t)cos[cot + (t)], (4.14)
< ?2 (О = jV(?)cos[cjf + & (r) ]. (4.15)
Огибающие M (t), N(t) вычисляются из соотношений
M(t) = pjsJT/FoM di(28t) + sh (250 + F2M,
143
N(t) = phJl \/FoNch (25Г) +F1Afch(25r) + F2N, (4.16)
где
FOM = FoN i>
1=1
FiM = FiN = 2 (ЛЛ -/2/3), F2M = S (-1) а'Л . (4.17)
F2N = <f\ ~f\ + f\ -A)c°s 2x + 2(fi/2 + /3/4) sin 2X.
Фазы Фi, Ф2 вычисляются из соотношений
Ф*г = ^(Л»Х.8.0,*= 1,2,1=1,..., 4, (4.18)
правые части которых из-за их громоздкости. не приводятся, а вспо-
могательные переменные f\, f2, fa, /4 представляют собой линей-
ные комбинации начальных условий 91 о, <720, 91 о, 9го с коэффи-
циентами, зависящими от параметров 5, со, т. е. определяемыми
свойствами самой системы:
1
/1 =9ю,/2 = —9ioctgx+--------9ю,
2бы
2бы
ft = 25co(5cosx -wsin-x) 410----------foo, (4.19)
6* + W*
2бы
А = 26 со (5 sin X + Cl) cos x)9io--— 9го.
6* +ы*
При численном анализе соотношений (4.16) — (4.19) нет необходимо-
сти использовать персональный компьютер: для уточнения инкрементов
колебаний вполне достаточно вычислительной мощности калькулятора
(например, „Электроника БЗ-18А”).
Пусть 5 = 0,5; ш = 2,0 (характеристики системы) иqi0 = 0,20; 920 =
= 0,20; 4ю = 4зо = 0 (начальныеусловия).
В этом случае, вычислив необходимые коэффициенты в (4.16), (4.17),
найдем
M(t) = 0,2576 Ver + ef- 1,4,
N(t) = 1,0948 Ver + er-1,966. ^420^
В выражениях (4.20) использованы следующие промежуточные резуль-
таты:
sin х = 0,4706; cos х = — 0,8823; <Pi = — <Р2 = —67,2е ;р = 4,25;
А = В = 0,2576.
Углы Ф1, Ф2 для каждого из моментов времени определяются из урав-
нений
tg = -2,375 tg (0,5Г); tg ф2 = -10,802А (0,50-
144
Рис. 4.2. Примеры переходных процессов:
а) 4ю = 42о ~ 0,2; <710 = = о, б) <710 = = о; <?10 = qn = 0,2
Графики функций 41 (О, 4г (О с учетом приведенных выше данных
представлены на рис. 4.2д. На рис. 4.2, б представлены графики функций
41 (0 >42 (0 Для другого набора начальных условий. В этом случае
М(1) = 0,125 Vef + e f- 0,560, N(t) = 0,531 s/e'+е'- 1,906.
С точки зрения физики явления проведенный анализ показывает, что
даже при малой степени неустойчивости колебания в короткий промежу-
ток времени достигают большой амплитуды, что в технических системах
недопустимо. Поэтому приобретает важное значение анализ факторов, ог-
раничивающих возрастание колебаний. В следующем разделе исследуется
влияние диссипативных сил.
ПРИЧИНЫ НЕУСТОЙЧИВОСТИ УПРАВЛЯЕМОЙ СИСТЕМЫ
ДВУХ ОСЦИЛЛЯТОРОВ
Выше мы рассмотрели пример неустойчивости неконсерва-
тивной системы. Численный анализ показал, что инкременты колебаний
могут быть высокими и что зта неустойчивость порождается сближением
собственных частот осцилляторов под действием какого-либо неконсер-
вативного фактора.
Рассмотрим ту же систему (4.6), но с учетом наличия регулирующего
воздействия (с — некоторый параметр):
41+41+^14г =: и> (4.21)
+ aq2 + сфг41 = си.
Предположим, что при формировании контура обратной связи в систе-
ме (4.21) используется обобщенный сигнал (41 + Д41), где д — некоторый
дополнительный параметр.
В матричном виде система (4.21) примет вид
х = Ах + ви; и -и (v); v = (qx), (4.21а)
145
где
х = I ; А — I |
I Q'l “С1
Первый вопрос, который возникает при исследовании возможности уп-
равления системой (4.21)', состоит в следующем. Если система (4.21) нахо-
дится в некотором начальном состоянии х0, то существует ли непрерывное
управляющее воздействие u(t), переводящее систему в состояние: за
время /1 - /о?
В отношении систем вида (4.21) ответ на этот вопрос зависит от
свойств матрицы Л*:
К=(в,Ав). (4.22)
Именно, требуется, чтобы ранг матрицы (4.22) был равен двум:
ранг К - ранг (в, А в). (4.23)
Матрица А" для-данного случая имеет вид
*-=71 -НгП
к (с —afa — ас)'
так что условие (4.23) эквивалентно условию
det-K^O,
т. е. условию управляемости исходной системы (4.21).
Уравнение
det/f = с + ft с — а02 — ас = 0 . (4.24)
определяет в плоскости 01,02 прямую (С) (рис. 4.3).
Следующий вопрос; который: возникает- при исследовании управляе-
мой системы (4.21),— это вопрос оценки; состояния: системы в момент вре-
мени 10 по известным входным и выходным воздействиям, измеренным
в будущем,.!, е. по значениям.функции-ш(Г) их(г) при (4 5» f0)- Причина
в том;, что нужная информация имеется- обычно не в полном объеме к ее
надо восстановить по- результатам измерений величии, доступных; реаль-
ному процессу измерения (в данном случае величины- и = gv +• pg2)..
Если в критерии, управляемости (4.23) важную, роль играет вектор
в' = (1, с), то в критерии наблюдаемости. — вектор qf — (1, д), и,соответ-
ствующий результат имеет вид: ранг
<7 = (g',A'g') - 2,
где
(4-25)
G.
-1 -ОД02
-ац
(4; 26)
1
Д
Это условие эквивалентно соотношению
detG = g+ ад2 02 - fa — а/л^=О.
(4.27)
146
Рис. 4.3. Границы областей дииамичеокой'Не-
устойаивости, неуправляемости, иеяаблюдае-
мости
I
Уравнение
g + ag202 - 01 -ад= 0 (4.28)
отвечает прямой (g) л плоскости 02-
На рис. 4.3 прямые (4.28) и (4.24) обоз-
начены соответственно (g), (с).
Отметим классический результат, касающийся связи управляемости и
наблюдаемости объекта. Эта связь носит название принципа дуальности и
состоит в данном случае в следующем.
Система
х = Ах + ей; и = и (v); v = (g', х)
является наблюдаемой тогда и только тогда, когда система
x-Ax+g'u; и =^ы(р); v = (в'х)
является управляемой.
На рис. 4.3 представлены также гиперболы
0102 = — (1 — а)'2,/4а = const, (4.29)
ограничивающие области ‘неустойчивости неуправляемой системы (4.21)
(при и = 0), в дальнейшем называемые областями собственной неустой-
чивости (двойная штриховка).
Рассматривая совместно системы уравнений
147
f 0102 + (1 — о)2/4а= О,
to02 - с2/31 - с(1 - а) =0; (4.30)
Г 0102 + (1—а)2/4а=0,
| ад202 + д(1 - а) - 01 = О,
замечаем, что имеет место касание гиперболы (4.29) и прямых (с) и (д) в
точках
(- 1 - а/2с; с(1 - а)/2а); (д(1 - а)/с; -1 -а/2ад )
(см. рис. 4.3).
При анализе конкретных систем типа (4.21) вид кривых на рис. 4.3
нуждается, конечно, в уточнении. Калькулятор здесь является идеальным
средством, так как объем расчетов невелик и требования к графическому
изображению необходимых функциональных зависимостей также являются
умеренными.
Использование персонального компьютера, конечно, дало бы дополни*
тельные сервисные возможности (например, цветное изображение разных
типов областей устойчивости или возможность нолучить неограниченное
число „твердых” копий), но в этой задаче указанные возможности не пред*
ставляются столь уж необходимыми.
ПАССИВНАЯ СТАБИЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ
Введем в рассмотрение диссипативные силы. Система уравне-
ний (4.21) примет вид
41 + 7141 + 4i + 0i<?2 =0, (4.31)
41 + 714г + + &141 = 0-
Характеристическое уравнение системы (4.31)
(р2 + 7iP + 1) (р2 + 7гР + «) - 00102 = 0 (4.32)
запишем в добном для применения метода корневого годографа виде:
Ф(р2) +£Ф(р2) - 0
или
4 4
П(р-Ди)+ЛП(р-рд) = 0
и=1 М=1
где к — варьируемый параметр (— °° < к < °°); ри — начальные точки тра-
екторий корней (к = 0); р - предельные точки траекторий корней
(fc±°°).
Положив р = S + ia> в уравнении (4.32) и придавая к последовательно
значения в указанном интервале, получим уравнение плоской кривой
/(w, S) = 0,
148
называемой корневым годографом, или траекторией корней линейной сис-
темы. Рассмотрим ряд случаев, приняв в качестве параметров 71, уг.
Граница устойчивости системы (4.31) в отсутствие диссипативных
сил определяется равенством
(1-а)2+4аМг = 0. (4.33)
С учетом этого соотношения характеристическое уравнение (4.32) за-
пишем при 12 = 0 в виде
р4 + (1 + а)р2 + 0,25 (1 + а)2 + 7ip(p2 + а) = 0 (4.34)
или при 71 = 0 в виде
р4 + (1 + а)р2 + 0,25 (1 + а)2 + у2р(рг + 1) = 0. (4.35)
Вычисляя характерные точки корневых годографов, отвечающих урав-
нениям (4.34), (4.35), получаем картину на рис. 4.4, где сплошная линия
соответствует положительным значениям 71, , штриховая — отрицатель-
ным (для определенно ста-принято а - 1,44).
Из анализа корневых годографов следует, что, если система находит-
ся на границе динамической неустойчивости (при отсутствии демпфиро-
вания), демпфирование одной из парциальных систем не может сделать
ее устойчивой. Напротив, в данном случае демпфирование является деста-
билизирующим фактором.
Пусть теперь демпфирование присутствует в обоих колебательных
звеньях (71 #= 0; ¥= 0).
Характеристическое уравнение системы (4.21) примет вид
р4 + (1+ а)р2 + 0,25(1 + а)2 + 7гр(р2 + 1)+ (4.36)
+ 71Р(Р2 +7гР+а) = 0.
Как видно, начальные точки ру (при 71 = 0) для уравнения (4.35) за-
висят от параметра 7г и лежат на штриховой кривой рис. 4.5. Типичные
траектории корней при 71 > 0 (параметр 7з, определяющий начальные
и предельные точки, фиксирован) приведены на рис. 4.5 сплошными ли-
ниями. На этом рисунке рассматривается наиболее интересная область —
Рис. 4.4. Корневые годографы по параметрам т,,
149
Рис. 45. Корневые годографы по
параметрам 7j, т4 вблизи грана»
цы устойчивости
в окрестности мнимой оси,
при малых, значениях коэффи-
циентов демпфирования.
Как видно, фиксируя значение параметра у2 и придавая ряд значений
параметру 71, можно сделать систему как устойчивой, так и неустойчи-
вой. Наиболее отчетливо дестабилизирующий эффект выражен при ма-
лых’значениях параметра уг (Или, напротив, параметра 7j).
Рассмотрим области устойчивости системы (431); при произволь-
ных значениях параметров >i, у2. Запишем характеристическое уравне-
ние (432) с учетом (433) в форме
Р4 + (71 + 7г)р3 + (1 + а+ 7i?2)p2 + (437)
+ (Via+ Уг)р + 0,25(1 + а)2 = 0.
Так как все коэффициенты этого уравнения! положительны, то по кри-
терию Льенара — Шипара единственное, условие* устойчивости системы
(431) имеет вид
Д! >0; Д3>0,
где
Дь= 1,
Д’з = 72 7л а + [:Т2<1 + а) - 0,25(1 + а)2]!у?1. + [,732 + 0,5 у2 (4 -а)2 -
— 0,25-у22 (1-а)2].
Граница устойчивости областей системы, в плоскости у2 задается
уравнением Дз(71> 7г) = 0 (рис. 4.6, а). Из рисунка ясно, в частности,
в каких случаях имеет место один или более переходов через границу
области устойчивости при изменении одного из параметров 7. Наилучший
вариант соотношения между коэффициентами демпфирования с точки
зрения обеспечения максимальных запасов устойчивости системы соот-
ветствует, очевидно, случаю 71 = 72 •
Последний вывод следует также непосредственно из соотношения
Д3 = 2 (1 + а)у4 > 0, где 7 = 71 = 7i
Пусть теперь выполнено условие
(1 - a)2 +4a0i& < 0
150
неустойчивости системы (4.31) при отсутствии диссипативных сил.
Обозначим X — —(1 — а)2 - и преобразуем характеристическое
уравнение (4.32) к виду
♦ Р* + (71 + 7г)₽3 + (1 + а+ 717г)р2 + (4.38)
(72 + 71 а)Р + 0,25 fx+ (1 +а)2] = 0.
Уравнению (4.38) отвечает неравенство Гурвица
Лз = + (1 + а)у2!722 + у2у^ - (4.39)
- 0,25 (1 - а) 2 (у2 -71)2 - 0,25x(7i + 7г)2 > 0.
Области устойчивости, построенные в параметрах у,, уг, представлены
на рис. 4.6, а (исходная система при 71 = у2 = 0 на границе устойчивости)
и 4.6, б (исходная система неустойчива). Как видно, демпфирование коле-
баний одного из осцилляторов не будет стабилизирующим фактором, если
при отсутствии диссипативных сил система неустойчива.
Выяснив качественную картину зависимостей
а = а(71, 72); ы=ы(У1, у2),
а также структуру границ областей неустойчивости
/(71, 72) = 0, (4.40)
можно заняться деталями построения этих областей при конкретных значе-
ниях параметров системы.
Если речь идет о нахождении нескольких характерных точек кривых
(рис. 4.4 — 4.6) то ^несмотря на существенную нелинейность функций
a(7i, 7г), «(71, 7г) здесь вполне приемлем калькулятор, для которого
есть.соответствующие алгоритмы и программы [ 32]. •
Рис. 4.6. Области, устойчивости системы в плоскости
параметров 7,, 7,
151
Если необходимо построить требуемые области в каком-то очень боль-
шом диапазоне параметров и к тому же получить ряд твердых копий рисун-
ков типа рис. 4.5 — 4.7, то тогда всю дальнейшую работу по „обсчету” со-
ответствующих уравнений имеет смысл переложить на персональный
компьютер.
4.2. ИССЛЕДОВАНИЕ БОЛЕЕ СЛОЖНЫХ МОДЕЛЕЙ
ПОСТРОЕНИЕ ОБЛАСТЕЙ ДИНАМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ
Изучив влияние различных факторов (параметров системы,
демпфирования, управления) на устойчивость системы (4.31) и прибег-
нув при этом к помощи калькулятора, обратимся к более сложной мо-
дели. Независимо от того, о чем идет речь — о колебательных контурах
в радиотехнических системах или о колебаниях каких-либо механиче-
ских систем, мы по-прежнему будем пользоваться терминами „колеба-
тельные звенья”, „осцилляторы”, „маятники”.
В новой модели два взаимодействующих осциллятора, которые мы
будем характеризовать обобщенными координатами st, s2, снабжены
двумя дополнительными степенями свободы (обозначим их z, ф).
Введем вектор
X = (Z, ф, Si, s2)
и уравнения колебаний запишем в виде
Ах + Вх + Сх =Du, (4.41)
v = (g,x),
u=L^v), (4.42)
традиционном для теории регулирования в случае скалярного управления
и. Другие обозначения:
г- — ~
m’+m 0 azs* ООО 0 о az4l 0 0
А = ° a)jisi аЦ132 ;Л = 0 0 0 0 ;С= 0 0 0 0
0 0 о о ф Q О 0 0 а’ 0
%* 0 0 - 0 0 0 е2а2 0 0 0 а’
— к— —1
D' = (лги,лфи,0,0); /=(0,1,-0,0). (4.43)
В системе (4.41), (4.42) обратим внимание иа коэффициент az^ [ана-
логичный члену Р/С в системе (4.2) ], который порождает так называемую
динамическую неустойчивость самой системы [уравнения (4.41) при и =0].
152 .
Эту неустойчивость будем изучать совместно с так называемой струк-
турной неустойчивостью или „нестабилнзируемрстью” системы, порож-
денной уже структурой выбранного управления системы (4.41), (4.42).
Здесь и в дальнейшем не будем останавливаться на вопросах терминологии.
Физические причины, вызывающие появление членов типа , назы-
ваются „следящими” нагрузками. Будем пользоваться также термином
„следящая” сила (Р) и считать, что
агф = -РК™? + т). (4.44)
Характеристические уравнения, отвечающие неуправляемой (4.41)
и управляемой (4.41), (4.42) системам, имеют соответственно вид:
Фо(Р2)=О, (4.45)
Фо(Р2) + ^(р)Фл(Р2) = О, (4.46)
где
Фо(Р2)=Р4(ДоР4+«iP2+«i), (4.47)
^*(P2)=-e^uP2(fcoP4 +Ь1Д?Р2 +<rjb2). (4.48)
Параметры в формулах (4.47), (4.48) являются рациональными функ-
циями коэффициентов системы (4.41) - (4.43) (элементов матриц А, В,
С, D), которые достаточно громоздки.
Введем следующие безразмерные параметры: Zj, z2, к, у, f, (3, С, яв-
ляющиеся также функциями элементов матриц Л, В, Си в некотором смыс-
ле полностью характеризующие исходную систему. Таким образом в общем
случае
<% = a/(z1,z11?,7,J-1t),
(4-49)
у, t к, с).
Критерий собственной динамической системы как условие веществен-
ности корней уравнения (4.45) имеет вид
а2 - 4аол2 > 0. ' (4.50)
Подставив (4.47) с учетом (4.49) в неравенство (4.50), получим
критерий собственной динамической устойчивости модели, выраженный
через параметры zx, z2, (3, у, к, с :
O(zj,z2,M. L 7)>0. (4.51)
153
В частном случае равенства парциальньк частот at, о2 колебательны:
звеньев st и $2 (4.51) примет вид
D=4k(z2 -Zi)2 [1 + 2fy(zi +'fcz2)] -
(4.52)
- [z2 + kz\ + 2f(Z1 + fcz2)]2 <0.
Уравнение D = 0 определяет в пространстве параметров ,?i, z2, у, к, J
поверхность, которая разделяет области устойчивости и неустойчивости
модели (рис. 4.7,а). Из структуры неравенства (4.52) следует, что урав-
нение D = 0 удобно рассматривать как уравнение плоской кривой в пере-
менных zi, z2, считая остальные переменные параметрами этой кривой.
Кривые D = 0 для различных значений f и фиксированных значений
параметров к = 2; у = 0,1 представлены на рис. 4.7,6. Области неустой-
чивости системы для каждого из значений заключены внутри соответст-
вующих замкнутых кривых, близких к эллипсам. Численный анализ пока-
зывает (рис. 4.8), что области неустойчивости имеют аналогичный вид
для всех значений параметров к, характерных для рассматриваемой
системы.
Заметим, что параметры z2, z2, к, 0, f, у далеко не одинаковытю свое-
му влиянию на динамику системы. Прикидочные расчеты на ПЭВМ пока-
зывают, что система наиболее критична к параметрам z2, z2, характери-
зующим взаимное расположение колебательных звеньев относительно
центра масс. Далее по степени важности идут параметры, характеризую-
щие их относительные массы (к), взаимную ^связанность”' (у), влияние
следящей нагрузки (£)•
Важен также параметр
0 = (—1 + а2/сг2),
Рис. 4.7. Границы областей динамической неустбйчивостисистемы:
а) в пространстве (z,, z2, D) ; б) в плоскости (z,, za)
154
определяющий рассогласование парциальных- частот ог, а2 колебатель-
ных-звеньев:
Условие (452) имеет четвертый порядок по отношению к" парамет-
рам Zj, z2. Калькулятор здесь плохой помощник, поэтому весь числен-
ный анализ приходится проводить на ПЭВМ. Дело в том, что для построе-
ния неявной функции f (гл, z2) = 0 требуется с некоторым шагом по Zi
решать нелинейное уравнение (4.52) и отделять действительные корни.
Учет к тому же еще и параметров кривой (?) к, у) приводит к тому, что
объем работы (для калькулятора!) уже превышает разумный, переход
к Другому инструменту (ПЭВМ) является естественным.
Отметим, что уж если мы говорим об использовании ПЭВМ для реше-
ния этой задачи, то следует упомянуть и о другом, принципиально ином
способе построения графиков неявных функций
ЯХП’О.
Речь идет о „просмотре” экрана, т. е. о подстановке всех точек экрана
монитора, снабженных координатами (АГ, У) в функцию/(А', У) и отборе
и построении тех точек, которые обращают эту функцию в нуль. Вопрос
здесь в основном во времени построения искомой функции. Можно утверж-
дать, что для простых функций типа многочленов не очень высокого поряд-
ка это время порядка единиц и десятков минут* (для ПЭВМ типа IBM
PC/XT).
Приемлемо это или нет — решать пользователю.
Как показывает численный анализ (см. рис. 4.8), совокупность кри-
вых D = 0, ограничивающая области неустойчивости модели в плоскости
Zt,z2, имеет тот же вид, что и на рис. 4.7. Изменение параметра 0 приводит,
как видно, к деформации и смещению этих областей в плоскости zir z2
155
ОБЛАСТИ СТАБИЛИЗИРУЕМОСТИ
Персональный компьютер — идеальное средство для прове-
дения численных экспериментов типа того, который потребовался в пре-
дыдущем разделе. Как видно, эксперимент не подменяет аналитические
исследования, а является их естественным дополнением.
Продолжим обсуждение, обратившись к анализу другой формы неус-
тойчивости, которая по смыслу своему является структурной неустой-
чивостью, так как она связана с традиционной структурой регулятора.
В дальнейшем для этой формы неустойчивости используется также термин
нестабилиэируемость.
Уравнение (4.46) можно переписать по-другому, разделив обе части
на Ф0(р2):
-1+£ (р)-*—-=0. 1 (4.53)
* Ф0(р2)
Как известно, для стабилизируемое™ системы необходимо и доста-
точно чередование нулей числителя Ф^(р2) и знаменателя Фо(р2) переда-
точной функции. Соответствующий критерий
Ф = (Я1Ь2 - Ь1а2)(ао®1 - «iM - (ао&2 - bo<h)2 >0> (4.54)
где о,-, Ь,(/ = 0, 1, 2) - коэффициенты многочленов Фо(р2) и Ф^(р2), и
будет критерием стабилизируемое™ системы.
Перейдя к безразмерным параметрам (4.49), критерий стабилизи-
руемое™ приведем к виду
Ф = ^(zt,z2, у, к, с)>0 (4.55)
или после соответствующих выкладок
Ф = (z2 - Thzt)(z2 - ii2zi)(ciz\ + c2z2z2 +
+ c3ztz2 + c4z* + csz\ + c6ztz2 + c7z2 + (4.56)
+cszt +c9z2 +₽io) >0,
где c^- Cj(ki, c, y. f, / = 1,2,..., 10;
241,2 =0 -*i +0*7 (l-*i +^)2+4Л!.
Коэффициенты здесь являются, как видно, функциями парамет-
ров к, с, у, j, ft а параметры кх, у2 связаны следующими соотношениями
с параметрами к и у:
156
к = (1 - 07» )-1 *7 ; 7 = *i7i • (4.57)
На рис. 4.9 представлены области структурной неустойчивости (за-
штрихованы) для случаев 0 - -Цп» > п2); 0 = 0(0» = а2); 0 = +l(ff! < а2).
Для других безразмерных параметров приняты следующие числен-
ные значения: к = 2,0,7 = 0,05,f = 0Д0.
Функции Ф(г», z2, с, к, 0, -у, £),D(zi, z2, к, 0, 7, f) представим в виде
полиномов по степеням переменных z», z2
Ф=(г2 - JhZi)(z2 - JhZiX^Zj + ...+ cI0),
(4.58)
D = di z* + d2z3z2 + ... + di2,
где с, = cj(k, 7, f, 0, c),/‘ = 1,2,..., fO;dt = d&k, 7, f, 0), i = 1,2,..., 12.
Параметры к, у, f могут принимать любые значения внутри области,
заданной неравенствами:
I7I<>
Как видно из формул (4.58), области стабилизируемости в плоско-
сти Zi, z2 в общем случае ограничены прямыми z2 — ijj 2z» = О и кривой
третьего порядка
c»z3 +.c2zjz2 + ... + Сю =0.
(4.59)
Рис. 4.9. Типичные области нестабилизируемости системы (заштрихованы) :
а, б, в) с Ф 0; г, д. е) с = О
157
Тип кривой определяется значениями параметров
0 = (-1 + о2/о2У#Г, с
(Z — физическая величина, <шсленно равная радиусу инерции системы
маятников в целом), характеризующих соответственно соотношение
парциальных частот колебаний осцилляторов и место приложения управ-
ляющего воздействия.
При /3 = 0 уравнение (4.59) распадается на уравнения прямой и кри-
вой второго порядка (см. рис. 4.9, б).
При с = 0 ситуация упрощается. Кривая, определяемая уравнением
(4.59), вырождается в совокупность двух прямых (см. рис. 4.9, г-е).
Эти случаи исчерпывают возможные формы кривых, ограничивающих
области структурной неустойчивости для исследуемого класса систем.
Е&ссмотримих последовательно:
а) общий случай: /3 =/= 0;с =/= 0. Положив для упрощения f = 0, пред-
ставим уравнение (4.59) в виде
Ф (zi, z2) = ск^Zj - ckxzjz2 + cztz2 - cz\ - cz| +
+ ^(c2 - 1)4 + [(c2 - 1) (1 -kO - ZjZ2 - (4.60)
-fc2 - l)z2 - (1 - kx + p)z2 + (1 - ki - p)z2 - fie.
Кривая, описываемая уравнением (4.60) и ограничивающая области
структурной неустойчивости системы, представлена на рис. 4.9, а, в, при-
чем рис. 4.9, а соответствует значение /3 > 0, рис. 4.9, в — значение (3 < 0;
б) р = 0, с =#0. Критерий стибилизируемости принимает вид
Ф(21. Z2) = (z2 -Л» )2(Zi + fc2) {(Z! + + -у- ) 2 +
+ *(z2+^ + 4-)2-(!+*) [^ + -rl2+ (4-61)
+ ctf [Zi + kz2 - }•
Границы областей в данном случае нет необходимости исследовать чис-
ленно, поскольку они описываются кривыми второго порядка, коэф-
фициенты которых явно зависят от параметров системы. В частности,
третий сомножитель в выражении (4.61) определяет в плоскости
Zi, z2 эллипс, являющийся одной из границ областей структурной
устойчивости.
Области неустойчивости системы, отвечающие неравенству (4.61),
заштрихованы на рис. 4.9;
158
в) g- =- 0 (0 — произвольно). Положа в неравенстве (4.61) с~ = О,
получимкритерий структурной устойчивости в виде
(z-T-1hZt)-(22 +6S>(Zs;-»iZs +6j)>0,
где bK2 =fei,2(& 0> f, 7); 2т,г = (1 - k. + 0) ± V (1 - Art + 0)2 + 4fcj.
Как видно» в данном случае области структурной неустойчивости
ограшгаены совокупностью прямых (заштрихованы) на рис. 4.9,г-е,
положение которых относительно начала координат определяется знаком
параметра 0. Случай 0 = 0! (рис. 4.9, д) при этом является простейшим,
так как области структурной неустойчивости вырождаются в полосу,
ограниченную линиями
Z2 + fci,Zj <0» Z2 + fcjZj + f(l + fci )[1 - у(1 + )] >0.
Обратимся теперь к анализу областей собственной динамической
неустойчивости системы. Границы этих областей определяются уравне-
нием D = 0 и представляют собой совокупность двух овалов в правой
И Левой ПОЛУПЛОСКОСТЯХ ПЛОСКОСТИ Zj, z2.
Исследуем вопрос о взаимном расположении областей структурной
и собственной динамической неустойчивости системы.
Так как изучаемые1 свойства собственной и. структурной устойчивости
являются характеристиками одной и той же системы, то следует ожидать,
что характер расположения этих областей друг относительно друга, не
должен быть случайным. Так оно и есть на самом деле.
Рассмотрим простейший случай: с = 0; 0 = 0, когда границы областей
(структурной и собственной неустойчивости определяются уравнениями
(zi, + fcz2) I z2 + kzr + J(l' + fc) [1 - у (1 + A)] } = 0,
L (4.62)
[zj+ fe^+(l+ fc)-f(zi + fc2)]2-4*(z2 -zi)2[l+fy(zi + fe2)] =ff.
Из общей теории, изложенной в работе [95] , следует, что области
стабилизируемости располагаются внутри областей структурной неустой-
чивости, причем в данном случае имеет место касание соответствующих
границ В1 точках А(— К V V к X #( VX- —V' V~k ) (рис. 4»10,г— е).
В общем случае, когда npoeecnti такой детальный анализ ие удается
на помощь приходит вычислительный эксперимент, который позволяет
распространить- выводы и на общий случай. Снова ПЭВМ приходит именно
тогда, когдаэто нужно.
В общем случае (0 =# 0; с =# 0) различные варианты взаимного; рас-
положенияграющ областей Ф - 0*.£ = 0 представлены- на рис. 4.11..
Рисунок показывает вырождение дефективных гиаербол- (см., рис.
4.10) в прямую zt! =; z2 «г эллипс при 0 в двух случаях: 0-»~ —0.
(рис. 4.11,л), 0+ +0 (рис. 4.115,61).
15ft
Рис. 4.10. Взаимное расположение границ областей собственной и структурной устой-
чивости системы
Рис. 4.11. Влияние различия собственных частот колебательных звеньев (параметр 0)
на границы областей нестабилизируемости
Рис. 4.12, 4.13 иллюстрируют взаимное расположение' областей дина-
мической неустойчивости и нестабилизируемости при различных (по
знаку) значениях управляющего параметра с.
Такое расположение изучаемых областей носит, как видно, общий
характер и отражает богатые и глубокие свойства системы (4.41),
(4.42). Подчеркнем, что именно расчеты на компьютере позволили
установить общий характер взаимозависимости рассматриваемых облас-
тей устойчивости, отраженных на рис. 4.12,4.13.
Понимание физики этого явления пришло гораздо позже на основа-
нии анализа полученных численных результатов.
160
Вис. 4.12. Взаимное расположение
границ областей динамической не-
устойчивости и нестабилизируемости
при с < О
Рис. 4.13. Взаимное расположе-
ние границ областей динамиче-
ской неустойчивости н иестаби-
лизируемости при с > О
КАК ВЫБИРАТЬ СРЕДСТВА СТАБИЛИЗАЦИИ КОЛЕБАНИЙ
Комбинация аналитического исследования и численного
эксперимента на ПЭВМ (там где это остро необходимо!) позволяет, как
видно, выявить весьма тонкую структуру областей устойчивости выбран-
ной модели. Именно диалектическое единство этих двух методов Дает
возможность обеспечить высокую эффективность исследования, большую
глубину проработки проблемы во многих других аналогичных ситуациях.
Аналитические исследования и численные расчеты ни в коем случае
не должны противопоставляться друг другу. Появление ПЭВМ на столе
инженера позволяет обращаться к ней в тот момент, когда это представ-
ляется подходящим по ситуации.
Численные расчеты (при правильном подходе) не только могут до-
полнить анализ в трудных ситуациях, но и подсказать направление даль-
нейших исследований. Заметим в качестве примера, что факт разложения
неявной функции '₽(z1, z2) на множители [формула (4.61)] был замечен
при расчете ряда частных случаев на ЭВМ.
Итак, продолжим рассуждения, обращаясь по мере необходимости
либо к аналитическим выкладкам, либо к- численным расчетам. Мы по-
лучили как результат анализа факт неустойчивости системы (4.41).
При этом выяснилось, что по своим последствиям разные формы не-
устойчивости (см. рис. 4.10) весьма различны (см. области, заштрихован-
ные одинарной и двойной штриховкой). С точки зрения оценки динами-
ческих свойств модели наиболее тяжелым является случай, когда система
изначально (без всякого управления) уже неустойчива под действием
каких-либо неконсервативных факторов (области двойной штриховки).
Этот случай представляет наибольший интерес, и его-следует проанализи-
ровать более детально с позиции так называемого вычислительного
эксперимента (в смысле [78]).
6 Зак. 854 161
Три основные идеи нуждаются в обсуждении в связи с организацией
такого вычислительного эксперимента: что следует ожидать (в плане
эффективной стабилизации) от использования демпфирующих устройств,
от настройки параметров регулятора [см. уравнения 4.31J, от изменения
структуры регулятора.
Характеристическое уравнение системы (4.41)^ опустив множитель
р4, представим в виде
F(p>=F0(p2) + pFi(p2), (4.63)
где уравнение
77о(х) = х(аох2 + ягх+л2) =0, х = (р/а)*, (4.64)
по предположению, имеет кроме нулевых еще две пары комплексно-со-
пряженных корней
р = ± а ± iw,
что возможно при условии Л=в2 - 4аов2<0. Положим предварительно (4.65)
» = Cie2>0; ^=ea/€i > 0. (4^66)
Тогда
Fe(x)-= eQx2 + at* + аг + vx, (W)
^(х)^ (Ах + jfe) + -,-&i) (4.68)
и для устойчивости исходной системы (4.41), нужно, чтобы, корни уравне-
ний /,’0(х) = 0, Fi(x) = 0 перемежались. Для исследования корней уравне-
ний воспользуемся методом корневого годографа. Уравнение корневого
годографа в плоскости
д = Rex, Q = Imx
имеет вид
Я2 +д2 =Я2
ипредставляет собой уравнеьие окружности радиуса Л - Vej/я» е центром
в начале координат (рис. 4.14,а). Здесь и в дальнейшем сплошные явим
U2
Ряс. 4.14. Характер влияния демпфирования на устойчивость системы (а) и вид функ-
ции р(ч) на границе динамической неустойчивости (б)
соответствуют положительным, штриховые — отрицательным значениям
параметра и. Физический смысл имеют, очевидно, значения v > 0.
При v* = 2\/лоа2 ~ ai корни уравнения /£= Остановятся вещественны-
ми! Таким образом, для выполнения условия вещественности корней па-
раметр v = Ci необходимо.выбирать так, чтобы выполнялось неравенство
v> v* - -ai + 2 V«o^2-
Заметим, что величина р* положительна, так как неравенство
-41 + 2 V является следствием условия (4.65) собственной динами-
ческой неустойчивости системы, которое, по предположению, выполнено.
163'
Рассмотрим далее уравнение Fi = 0. Из свойств системы следует не-
посредственно fi > 0; fi > 0; gi > 0; gi > 0. Корневые годографы, соот-
ветствующие этому уравнению, представляют собой поэтому отрезки
действительной оси в плоскости (д, S2). Некоторые из возможных
ситуаций расположения начальных (т? = 0) и предельных (и * °°) точек,
в том числе и при их совпадении, представлены на рис. 4.14,а. Стрелки
указывают направление перемещения корней при увеличении парамет-
ров 7|>0.
Сравнивая годографы, отвечающие параметрам р, ч, расположенные
друг под другом на рис. 4.14,а; заметим, что во всех случаях существует
пара чисел р, т?, такая, что корень уравнения Fa = 0 совпадает с одним
из корней уравнения = 0; поэтому прн дальнейшем увеличении одного
из параметров р, т? условие перемежаемости будет выполнено без нару-
шения условия вещественности корней Fa = 0.
Как видно, стабилизация динамически неустойчивой системы невоз-
можна, если пытаться демпфировать только один осциллятор. Напомним,
что исходная система является неконсервативной (следящая нагрузка!)
и именно этим объясняется выявленный факт.
Стабилизацию системы можно осуществить, выбрав характеристики
демпфирующих устройств таким образом, чтобы обеспечить требуемые
значения параметров р = eie2 и т? = e2/et с учетом возможных технологи-
ческих ограничений.
Вопрос о выборе требуемого отношения между ег н е2 представляет
практический интерес. Рассмотрим его более подробно, используя в боль-
шей степени свойства исходной системы. Уравнение Fo = 0 можно
переписать в виде
а,
в.
г).
(4.69)
тде /ь 12, 6 — функции элементов матриц А, С (4.43).
Типичный вид фукнции р(п) представлен на рис. 4.14,б.
Задача стабилизации системы в диапазоне частот колебаний а2
заключается в выборе коэффициентов демпфирования е15 е2 из задан-
ной области, определяемой неравенством (4.65), причем выбор меньших
значений параметров et, е2 будем считать предпочтительным.
Исследуем уравнение- (4.69) более подробно, включив в рассмотре-
ние кроме параметров р = е^, т? = e2/ej, характеризующих диссипатив-
ные силы, и параметры 0, at,at,li, 1г, g
Анализ показывает, что функция р(х) имеет точки экстремума
(приб=£1):
164
точку перегиба функции р (т?)
1,-^ё Ц
V = -—----— .
а также асимптоту
St а 1
ра=—(0--------г + 1).
g а1
Таким образом, имеет сьнлсл рассматривать следующие случаи
(рис. 4.15).
1. > Za; 0 < 1 (Z! <Z2; 0 > 1). Как видно, при р < ра стабилизация
системы невозможна ни при каких значениях параметров р, ц. При р = Ра
для каждого !>♦ существует только одно значение и = По > 0. при котором
точка (i»o> По) принадлежит области устойчивости системы (см. рис.
4.15,а).
Значения (р0,' По), стабилизирующие систему, проще всего находить
в обратном порядке: задавая произвольное значение По > выбирать затем
значение р0 = 1’(По) в соответствии с неравенством
g 1| + Но h + Чо аг
Рис. 4.15. Вид функции р(ч) для различных значений параметров системы
165
2. /j > h‘, 6 > 1 (Zi < Z2; в < 1). В данном случае существуют мини-
мальные значения параметров p*,q*:
р* = 2 V«o«2 - «1 > О,
П* =
такие, что при т?0 = Ч*; vo = v* + Д (А - малое число) обеспечивается ста-
билизация исходной системы (4.41).
Если требуется обеспечить некоторые запасы устойчивости, то целе-
сообразно, задавая jj0 =* q* = (Zt - Z2)/( л/У- 1), выбирать v0 исходя
из неравенства
g Ц + Ло Z2 + Лд Яд
Отметим несколько особых случаев.
3. 0 = l;Zi ¥=Z2,
а.
—*)•
«2
Этот случай (рис. 4.16,а) является промежуточным между первыми
двумя (вырождается один максимум функции p(q)). Однако с точки зре-
ния выбора необходимых для устойчивости системы (4.41) параметров*
р, q он ие отличается от случая 1).
4. flZ2 = Zj,
a, l, + n el, + ч «,
р(тй=— + т----------— й-
«2+п 12 + п О2
g
Точки пересечения оси р функции p(q) и ее асимптоты совпадают:
р0 = (Рис- 4.16,6). Выбор стабилизирующих параметров не отличается
в данном случае от случая 2. Отметим, что на рис. 4.16 штриховкой обо-
значены области неустойчивости системы (4.41).
5. Zj = Z2, р = const,
ХЧ>= = ^-(0 - — g + 1)
я аг
[функция v(n) совпадает со своей асимптотой (рис. 4.16,a) J.
Выбирая р0 = Ра + А > О, найдем, что устойчивость системы обеспе-
чивается при любых значениях q =.e2/eF. Величина А > 0 может служить
мерой запаса устойчивости.
166
Рис. 4Л6. Области неустойчивости
(заштрихованы) для различных
значений параметров системы 0 ,'
Исходные значения ба, е2 (диссипативные коэффициенты) выби-
раются из условия Ci ег = const = v0.
Пример 4.1. Пусть для системы (4.41)
во “ 0,102, flj “0,561, я2 “ 0,884;
«4^=0369, ^=0,525;
в, = 0,513, vt. = 0770, v3 = 0,385, = 0,150, vs = 0,656.
При отсутствии диссипативных сил рассматриваемая система динами-
чески неустойчива, причем корни характеристического уравнения имеют
вид
р = ±0,777 ±/5,099.
Вычислив характерные параметры, найдем
h = 0,473, 1г = 0,347, в = 0,962, g = 2,813.
В данном случае v (i?) - монотонно убывающая функция.
Уравнение асимптоты
р = — (6 + 1 - —g) = 0,028
g аг
показывает, что стабилизация системы невозможна при каких значе-
ниях п, если v < 0,028.
Для обеспечения устойчивости системы (4.41) в данном случае вы-
берем какое-либо значение параметра i? = e2/ei, например i?o = 0,5. Вы-
числим значения //*, соответствующее границе устойчивости (4.41):
₽* = /> (По) = 0,035.
167
Выбрав значение Vo = 0,04, соответствующее 20%-му запасу устой-
чивости по параметру v, найдем требуемую пару стабилизирующих
параметров
е° = 0,28, е® = 0,14.
АКТИВНАЯ СТАБИЛИЗАЦИЯ КОЛЕБАНИЙ
Вопрос о влиянии регулятора на устойчивость системы
(4.41) является значительно, более сложным. Если в предыдущем раз-
деле, где речь шла о выборе коэффициентов демпфирования et, е2, ана-
литические исследования позволили практически до конца решить вопрос,
оставив для численных экспериментов лишь уточнение полученных значе-
ний, то здесь в большей степени приходится пользоваться численным ана-
лизом. Это следует непосредственно из вида уравнений (4.69) в общем
случае (ро 0, Pi 0)
Fo(x) = x(eox2 +а1х + а2) +Ро(&о*2 + biX + b2) +
, <4-70)
+ eie2(x2 + рох) + Pix[ei(cox + 1) + e2(d0x + 1)] = 0,
где ро pi зависят от элементов матриц A, D.
Структура этого уравнения такова, что влияние регулятора на устой-
чивость системы в диапазоне частот Oj, о2 реализуется непосредственно
(параметр v = р0), а также посредством параметров v = ejpi, v = е2р2.
Параметр v = ei е2 характеризует влияние диссипативных сил (у — сколь-
зящий параметр, выделяющий в разных ситуациях интересующую нас
группу коэффициентов уравнения (4.70)).
Рассмотрим каждый из этих параметров отдельно, вдЬпользовавшись
методом корневого годографа.
1. Влияние параметра v = ро.
Положив б! = е2 = 0, уравнение F0(x) = 0 представим в виде
х(аох2 + Д1Х + д2) + v(box2 + Ъ]х + Ь2) = 0. (4.71)
Вычислим характерные (с точки зрения корневого годографа) точки
уравнения (4.71):
-в, ± Ve’i -4вов,
х = О; х = ----------------начальные точки,
2в0
х = — 1;х = — [1 - (т>4 + р5)]~ 1 - предельные точки.
Корневые годографы для уравнения (4.71) представлены на рис.
4.17,а
168 .
Рис. 4.17. Корневые годографы по параметрам р„, v:
a) F„ (х,р„) = О; б) F„ (х, рв, v) = 0
Если принять для коэффициентов ajt bj, j = 0,1,2, численные значения,
отвечающие примеру 4.1, при которых годограф пересекает действитель-
ную ось (границу устойчивости), то получим v = —0,54; р = 10. Эти числа
отражают порядок критических значений параметра р для рассматривае-
мого класса систем.
Как видно, наилучший эффект достигается при выборе отрицатель-
ных значений указанного параметра. Это требование вступает, однако,
в противоречие с требованием р0 > 0, вытекающим из необходимых усло-
вий устойчивости системы в целом.
Таким образом, влияние параметра р = р0 с точки зрения устойчиво-
сти является неблагоприятным: его увеличение приводит к усилению
„степени” динамической неустойчивости системы.
2. Влияние параметра р = ei е2.
Уравнение F0(x) = 0, положив Pi = 0, запишем в виде
[дох3 + (в! + р0Ь0)х2 + (д2 + р<Л )х + р0Ьг ] + 72>
+ их(х + р0) = 0.
Начальными точками р = 0 корневого годографа служат точки, при-
надлежащие (при фиксированных значениях параметра р0) окружности
(см. рис. 4.17,д), предельными точками - точки х = —р0.
Траектории корней представлены на рир. 4.17,6, где штрихпунктир-
ная окружность отвечает смещениям начальных точек при увеличении
параметра р0 в уравнении (4.71).
Как видно, стабилизирующий эффект введения параметра р = eje2
проявляется также при р0 0.
При этом увеличивается лишь критическое значение р = р*, которое
для значений р0 1, типичных для рассматриваемого класса объектов,
приближенно может быть вычислено по формуле
ава3 + (д, + раЬв)аг + (аг + рой,)а + р0Ъг
Р* =---------------------------------,
а(а + р„ )
169
где а - Rex,x - комплексный корень уравнения (4-72) при v = О.
3. Влияние параметров v = eiPj, v ~ е2р2.
Рассмотрим уравнение
(«ох2+а1х + а2) + »<1+ гх) =°>
(4.73)
где г = с0, если v = eiPi ;r = d0, если v = e2p2
Уравнение корневого годографа в плоскости (д, 12) представляет
собой уравнение окружности
П2 + (-Л-И)2 =К2
в
с центром в точке (-1/г, 0) радиуса
Л = \4а/во - ajrao + <ь/г2.
(4.74)
(4.75)
Критическое значение v (отвечающее пересечению окружностью оси
д) вычисляется из соотношения
”* = р[(2яо/г - в,) + 2 yf^a^lr1 -ajr + e,).
«76)
Легко видеть, что выражения (4.74), (4-76) сохраняют смысл при
— 4доДз> т. е. при условии динамической неустойчивости модели в от-
сутствие регулятора.
На рис. 4.18 представлено семейство окружностей (4.74). № усло-
вия положительной неопределенности квадратичной формы, отвечающей
кинетической энергии системы, следует, что 0 < г < 1. При г * 0 центры
окружностей (4.74) смещаются в отрицательном направлении оси д. Ра-
Рис. 4.18. Влияние стабилизирующих параметров ?, л
170
жяостж уменьшается до значения R = Ьпх, где х — корень урав-
нения ЛдХ2 + etx + - О, к затем увеличивается. При этом увеличивается
вавя наименьшей дуги, стягивающей начальные точки при О < v < v*,
а вмесзе с ней и критическое значение v*.
Таким образом, благонриятной следует считать ситуацию, когда центр
окружности на,рис. 4.19 располагается возможно ближе к началу коор-
' динат. В этом случае величина v* = eipt наименьшая.
Рассмотрим снова предыдущий пример. Вычислив коэффициенты
Со, d0, найдем г = с0 = 0,84 (у* = 0,05); г = d0 = 0,345 (у* = 0,63). Как видно,
критическое значение v* существенна зависит от коэффициентов do, Со,
характеризующих связанность парциальных систем (S2, z) соот-
ветственна
Полученные выше результаты имеют в данном случае следующее
практическое значение. При неизменной настройке параметров регуля-
тора (величине жараметра pt) следует обеспечить демпфирование коле-
баний парциальной системы, характеризуемой обобщенной координатой
St. Требуемое значение коэффициента демпфирования е2 при этом ми-
нимально (но с требуемым значением коэффициента et).
Обобщая полученные при исследовании уравнения (4.72) выводы,
отметим, что условие вещественности корней характеристического урав-
нения может быть выполнено путем выбора надлежащих значений па-
раметров v = fi е2 >0; ei pi > О; бгр2 >б. € этой точки зрения указан-
ные параметры являются стабилизирующими, параметр v= До — дестаби-
лизирующим.
Обратимся к уравнению -
Fi(x) = Pi (,b0x2 + btx + b2) + cix(ftx +&) + e2x(?ix + £2) +
(4.77)
Ьб1Рох(сох+ 1) + e2pox(dox + l) + €)e2plx=O.
Структура уравнения (4.77) такова, что параметры Pi, ej, б2 влияют
на значения корней этого уравнения непосредственно. Влияние параметра
ро является косвенным (через параметры 6], е2).
Рис. 4.19. Корневые годографы по параметру v
171
Анализ уравнения (4.77) с учетом свойств системы (4.41) показы-
вает, что не возникает проблем, связанных с обеспечением вещественно-
сти корней этого уравнения. Поэтому основное внимание следует уделить
вопросу выбора таких значений параметров из заданной совокупности
£i> fa, Ро, Pi, которые обеспечивают перемежаемость корней уравнений
Го(х) = О,Л(х) = О:
а) влияние параметров ci, е2, pi.
Обозначим q = e/pt, i = 1, 2. Уравнение (4.77) представим в виде
(х + a,i)(x +0^) +qx(x +$) = Q, (4.78)
где 0 = Л1Л01 ; *о = А + Ро^о > 0, Л1 = f2 + p0(q = ti/pi), или h0 =gi +
+ podo> 0, = g2 + p0(q = e2/p,).
Траектории корней уравнения (4.77) при изменении входящих в него
параметров зависят от взаимного расположения характерных точек:
JC= —«1 (начальные точки q = 0); х = 0; х - —0 (предельные точки q * °°).
В случае < 0 < aj (типичном для рассматриваемого класса объек-
тов) корневые годографы представляют собой отрезки действительной
оси на рис. 4.17,6. Значения начальных и предельных точек на этом рисун-
ке соответствуют численному примеру, приведенному выше: 0 = 2,83;
Л1 = 1;аа = 3,55;
б) совместное влияние параметров ej, е2
Уравнение (4.77) запишем в виде
Р1 (Ь0X2 + Ъ2 X + Ь2 ) + £1 х [(Л + росо)х +
(4.79)
+ (А + Ро)] + е2х [to + podo)x + (g2 + ро) + eipi ].
В данном случае х = —а1, х - —а^ — корни уравнения (4.78) при
£1 = е2 = 0. Зависимость корней от параметра изучена выше; х = —0 — ко-
рень уравнения (4.78) при е2 = 0, е2 -> °°. Таким образом, если предполо-
жить, что £iPi « g2Po, то корневые годографы для уравнения имеют
вид, показанный на рис. 4.18. Начальные точки а2, сдвинуты по отно-
шению к точкам
х - -1; х = -1/[1 - (у4 + ps)]
вследствие влияния параметра £t.
В целом можно видеть, что эти параметры совместно сдвигают корни
уравнения вправо — в сторону положительных р. •
Совместим корневые годографы, отвечающие уравнениям F0(p2) = 0;
Fi(p2) = 0 (рис. 4.19, дб) при значениях р > р*, гарантирующих вещест-
венность корней уравнения Fo = 0.
Из рис. 4.19 следует, что существует такая пара чисел (р, р), при кото-
рой имеет место совпадение каких-либо корней уравнения F0(p2) ~ 0»
172
Fi(p2) = О, и при дальнейшем увеличении этих параметров условие пере-
межаемости корней уравнений Fo = 0, = 0, а вместе с ним и условие
устойчивости исходной системы будут выполнены.
Это означает, что задача стабилизации динамически неустойчивой
системы может быть решена путем выбора характеристик демпфирующих
устройств с одновременной настройкой-параметров регулятора. Что ка-
сается численных значений соответствующих параметров, то в каждом
конкретном случае они могут быть вычислены, например, методом по-
следовательных приближений.
Обратившись к исходной совокупности параметров е1г е2> Ро =
= -kQa^ulo2, pi = -ka^Ja2 и обобщив полученные результаты, можно
сделать следующие выводы:
динамическая неустойчивость системы (4.41), обусловленная влия-
нием позиционных неконсервативных сил, не может быть устранена вы-
бором только параметров регулятора выбранной структуры;
демпфирование колебаний одновременно двух осцилляторов явля-
ется определяющим фактором, обеспечивающим стабилизацию динами-
чески неустойчивой системы;
требования к характеристикам демпфирующих устройств могут быть
ослаблены путем настройки параметров регулятора;
а) уменьшением динамического коэффициента усиления регулятора
на частотах колебаний осцилляторов at, а3;
Рис. 4.20. Зависимость действительной части а корня характеристического уравнения
от коэффициента усиления к регулятора при е , 4= е г
Рис. 4.21. -Зависимость действительной части а корня характеристического уравнения
от коэффициента усиления к регулятора при е , = е г
173
б) увеличением фазового опережения <р(ы) регулятора на этих
частотах.
Выводы подтверждаются (вычислительный эксперимент!) прямым
расчетом корней характеристического уравнения для системы (4.41),
тде принято
aSit = -0,042, = -0,023, = 4,686,
= —1,541, ,e„4 = -1,541, * -6,164,
azu = 0,50, aSif = 0,011, o’= o’= 15,20.
Рис. 4.22. Зависимость а(к/ при изменении фазы <р и коэффициентои демпфирования
Рис. 4.23. Зависимость а(к) при исчезающе малом демпфировании
Рис. 4.24. Зависимость а(к) при = 9
174
Результаты расчетов представлены на рис. 4.20—4.24, где в качестве
оси абсцисс служит к - коэффициент усиления регулятора, а в качестве
оси ординат а - вещественная часть „плохого” корня. Параметром слу-
жит - опережение регулятора по фазе (рис. 4.20^6, 4.22,а, 4.23,0,0)
и ₽!, €г — коэффициенты демпфирования колебаний маятников (рис.
4.20,6, 4.22,6, 4.24).
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НЕТРАДИЦИОННОЙ СТРУКТУРЫ РЕГУЛЯТОРА
В реальных системах структура регулятора имеет принци-
пиальное значение. Она выбирается не только исходя из требований к про-
цессу регулирования, но из целого ряда других требований, например
помехозащищенности, реализуемости, стоимости.
Поэтому любой переход иа новую структуру регулятора должен иметь
веское обоснование. Тем более возрастает роль вычислительного экспе-
Рис. 4.25. Корневые годографы по параметру к(и = kz,u = kz)
Рис. 4.26. Корневые годографы по параметру к(и “ кг,, и =• k'i')
17$
Рис. 4.27. Корневые годографы по параметру к(и = кЧ>)
римента при обработке перспективных структур. Проведем и мы такой
эксперимент на ПЭВМ вводя в закон управления последовательно допол-
нительные степени свободы.
Классический регулятор для системы типа (4.41) имеет структуру,
описываемую следующим уравнением:
во“+в1й+а2и = Ло^ + Л10 + Льг + Л1£ (4.80)
Эта структура во многих отношениях является оптимальной, однако
порождает в то же время нежелательные эффекты (структурную неустой-
чивость), приводящие к возникновению колебаний системы на частотах
колебаний дополнительных осцилляторов.
Ясно, что использование в контуре регулирования датчиков допол-
нительных сигналов Si, s2, z, фит. д. может изменить ситуацию. Это иллю-
стрируется рис. 4.25—4.27, где изображены годографы для системы, нахо-
дящейся (при к =0) внутри области неустойчивости. Направление стрелок
отвечают движению корней при к + °®. Штриховые линии соответствуют
изменению к от - °° до 0.
Как видно из рисунков, наиболее благоприятной реакцией корней
системы на дополнительное управляющее воздействие следует считать
случай и = кг [введение в правую часть уравнения (4.80) дополнитель-
ного члена Л?].
ОТ КЛАССИЧЕСКОГО ЧИСЛЕННОГО АНАЛИЗА -
К АКТИВНОМУ ДИАЛОГУ С КОМПЬЮТЕРОМ
Продолжим рассмотрение так называемых расчетных задач,
для решения которых в той. или иной степени используется вычислитель-
ный эксперимент. Подробнее об этом мы поговорим несколько позже,
176
а здесь отметим, что возрастание сложности проблемы обычно сопро-
вождается ростом ответственности за полученный результат и соответствен-
но требует особой заботы по обеспечению этой ответственности. Диалог
с ЭВМ как раз и является одним из средств, позволяющих организовать
решение задачи таким образом, чтобы обеспечить нужный уровень надеж-
ности расчетов за счет оперативного контроля действий пользователя
на каждом этапе.
Речь об организации диалоговых процедур пойдет далее, в § 4.3. Здесь
же мы обсудим еще одну задачу, где возникает потребность диалога с ЭВМ,
обусловленная резким повышением сложности изучаемых процессов регу-
лирования.
Рассмотрим снова модель, описываемую уравнениями (4.41), (4.42).
Пусть теперь нас интересует вопрос управления этой моделью, за которой
будем представлять себе некоторый конкретный объект, что удобнее с точ-
ки зрения терминологии. Воспользуемся идеей алгоритма управления
в варианте, предложенном в работе [76].
Итак, рассмотрим следующую систему, описывающую колебания
некоторого объекта:
Ах + В% + Сх + Du = I\t),
(С)
х(О) = хо;х(О) = Х0>
где х, D, F-n — мерные векторы; А, В, С — матрицы размерности и X и,
и(Г) - скалярная функция, подлежащая определению.
Переменные xit i = 1,2,..., л, разделим на две группы:
1) х1( ..., хк - „медленные” переменные, доступные измерениям;
2) хк+ j,..., хп — „быстрые” переменные.
Предположим, что управляющее воздействие к(г) формируется с ис-
пользованием медленных переменных.
Вместе с системой (С), описывающей управляемое движение объекта,
который будем считать „реальным”, рассмотрим некоторую другую систе-
му, представляющую собой модель этого объекта и игнорирующую на-
личие в нем колеблющихся маятников,
яу + by+cy + du
ХО)=уо;Яо)=Л,
где у, d, f - m-мерные векторы; а, Ь, с - матрицы размерности т X п.
В реальных ситуациях т < п, так как модель (М) отражает наши зна-
ния об объекте, которые, как правило, бывают далеко не достаточными,
чтобы восстановить полностью систему (С).
Заметим, что выбор модели в таких задачах — сама по себе сложная
проблема. Обычно модель выбирают исходя из физического существа
дела, основываясь, например, на экспериментальных данных исследовання
177’
динамических свойств реальных систем. Эта задача — задача идентифика-
ции — представляет самостоятельный интерес и здесь ие рассматривается.
Предположим для определенности, что порядок модели (размерность
вектора j) соответствует числу медленных переменных, которые являются,
таким образом, регулируемыми переменными.
Итак, имеем две системы (С) и (М). Задача заключается в построе-
нии такого алгоритма управления, который обеспечивал бы устойчивость
и должное качество регулирования системы (С) при дашых возмущениях
/(/), и в то же время ослаблял влияние на переходные процессы колебаний
дополнительных осцилляторов (эффект структурной неустойчивости).
Предположим далее, что параметры модели (матрицы а, Ъ, с и вектор
rf>, игнорирующей, как видно, наличие осцилляторов, выбраны й в про-
цессе функционирования алгоритма управления не меняются. Тогда в соот-
ветствии с изложенными требованиями предлагаемый алгоритм должен
решать следующие* задачи:
обрабатывать информацию о движении системы (С) (по показаниям
датчиков) и движении модели по результатам интегрирования уравне-
ний (М);
рассчитывать начальные условия и прогнозировать возмущения для
модели (по результатам обработки информации);
вычислять (прогнозировать) управляющие воздействия u(t) для систе-
мы (С) на конечный интервал времени вперед.
Как видно, в данном случае адаптация понимается в том смысле, что
путем перестройки вектора возмущений fit) и вектора начальных усло-
вий 7(0) модель стремится наилучшим образом описывать „медленную”
компоненту движения системы в условиях изменяющихся внешних воз-
мущений F (г) и наличия помехи в виде влияния „быстрых” составляющих
решения.
После этих общих замечаний определим требуемый алгоритм управ-
ления.
Имеем следующие уравнения:
Ах + Вх + Сх + Du = F(f), х(0) = 0; х(0) = х0,
х = (z, ф, s(, s2), D' = (azlt, афи, 0,0),
“г о -1 -Г
° 1 ~а№1
1 °
_-"r,Z ° » _|
17в
ay + by + cy=fr(t), М°НГО’
Как видно, в систему уравнений модели включено также уравнение
регулятора в виде
«о« + «!« + « = кйд + kid + кг£ + кз1.
Одновременно с системой (М) рассмотрим также некоторую фиктив-
ную систему Мт
«гр+ by+су =/т(Г), Ут(0)=yTt,
отличающуюся от (М) лишь векторами (ут) начальных условий и воз-
мущений. Таким образом, имеются две лары векторов: уДО), /т(0) и
Уг(0),М0).
Введем три характерных интервала времени:
Л - шаг интегрирования систем (М), (Мг) и системы (С) при модели-
ровании (совпадает с дискретностью поступления информации);
т - интервал времени Между двумя последовательными перестрой-
ками модели (Мг) - векторов у ДО), ут (0) соответственно (внутри от-
резка [Лт, (к + 1) т] вектор/т = const);
Т - интервал обработки исходной информации - совпадает с интер-^
валом перестройки векторов у?(0),/г(0) в системе (Мг).
Введем также обозначения: S - число перестроек векторов на участке
анализа; N - число шагов интегрирования на участке цингой Т.
179
Тогда имеет место следующее соотношение между величинами Л, т, Т:
Т = (5+1)т = Ж
Сделаем несколько замечаний относительно роли каждой из систем
(С), (М) и (Мг) в алгоритме.
Система (С) — динамическая система, представляющая собой объект
управления; доступными измерениям предполагаются координаты
Х\ (!) = z(r), х2 (0 = ф(1), информация о которых с шагом h поступает в вы-
числительное устройство.
Система (М) представляет собой модель системы (С), учитывает
лжнь часть обобщенных координат (медленные переменные) и предназна-
чена для выработки управляющего воздействия и (Г), поступающего с ша-
гом h на вход системы (С). Начальные условия Jq, вектор возмущения
fT перестраиваются каждые т секунд на основании результатов обработки
информации.
Система (Мг) предназначена для расчета некоторого фиктивного
движения модели на интервале Т (рис. 4.28,6) (без учета ее перестройки
внутри интервала) с целью сравнения ее решения с движением системы
(С) и формирования погрешностей:
4"(0=4/;(0-^(a/si.2.
(4-81)
Для обработки сигнала рассогласования между реальным движением
объекта и движением модели используется метод наименьших квадратов,
выделяющий из сложного сигнала Д^?(г) низкочастотную составляющую,
которая используется в законе управления и - u(i).
Принципиальная схема алгоритма представлена на рис. 4.28,0. Пред-
ставление о работе алгоритма на участке (0,27) дает рис. 4.28,6, где штри-
ховой линией обозначено реальное движение системы (С), сплошной—
Рис. 4.28. Алгоритмы стабилизации системы:
а) принципиальная схема, б) режимы перестройки; --h ;-----г;--------(S+J)t
180
движение модели (М), штрихпунктирной — движение модели (Мг). Раз-
рывы в точках (S + 1)т (см. рис. 4.28,6) (М) и (С) обозначают перестрой-
ку начальных условий в уравнениях модели в соответствующие моменты
времени.
Изложим некоторые существенные моменты в работе алгоритма.
Алгоритм располагает конечной памятью (длина интервала памяти 7),
в которой хранятся:
информация о движении системы (С) в виде матрицы Мт размер-
ности nXN, которая обновляется посредством сдвига ее элементов через
интервалы времени т по мере движения системы;
информация о движении фиктивной системы в виде матрицы Мг
размерности т X 7V обновляется аналогичным образом;
промежуточные результаты, в том числе результаты расчета предпо-
лагаемых внешних возмущений, прогноз вперед на интервал управляю-
щих воздействий, прогноз вперед на интервал начальных условий для
систем (С) и (Мт).
Интегрирование системы (С) дает нам реальный процесс, с которым
сравниваются получаемые в результате интегрирования моделей решения.
Для корректности задачи необходимо добавить ряд констант (длина
участков анализа, участка переключения, числа переключений, констант
метода наименьших квадратов и др.).
Рассмотрим некоторый характерный момент времени t = (к + 1)Г.
Остановимся на следующих этапах:
а) обработка информации (фильтрация периодических составляющих *
в сигнале управления)
Используя накопленные в блоках С, Мг, Мт данные, вычислим рас-
согласование:
д 1 (0 = 2(0- 5 (О, д 2(0 = МО - 0(1)
в моменты времени
t = кТ+h...tN = kT+Nh = (k+ 1)Г.
Анализируемые функции Д1, Дг представляют собой суммы низко-
частотной составляющей процесса, обусловленной наличием внешних
возмущений, и конечного числа (в данном случае двух) гармоник,
связанных с наличием колебательных "звеньев.
По смыслу задачи необходимо обеспечить фильтрацию периодиче-
ских составляющих сигнала Д(0- Положим
81(0 = 02^+aif + oo;
6a=/V2 +₽it+₽o.
В соответствии с методом наименьших квадратов составим для на-
хождения векторов a = (a2, а2, ао),0' = (Р2>₽1. Ро) систему
181
ца = Ь1\rf=b2,
(4ЯЗ>)
ВДе 2>i ~, bi y, bioy, Ь<2~(Ь2ЛкЬ22кЬ2аУ,
p*
Pi
Да
Элементы векторов bir i = 1,2, и матрицы д вычисляются по формулам
,^-v „ _ЛЧЛГ+1)Л\. -W + 1Н-2ЛГ + U
l^ -N, Л------(->, Дт----------
„, - ЛСУ+ 1) 12/Т\з „ -WN + 1) (2JV +1) (ЗЛ? + 3# - 1) z7\4 .
I 2 1 <jf) > зв ’
r .V т N N
*»=*/• ’&> s/s«; ь»=*л-
Из формул (4.83) находим
(4.84)
б) расчет возмущений (прогноз вперед н£ интервал т).
Предположим, что различие значений х(0, _и(*) обусловлено действием
различных (постоянных) возмущений (F, М) и (fT, в системах (С)
и (Мг). Тогда
A1(T)=AF, Дг(ОаА^ (4.85)
1де AF = F - fT, &М = М - тТ — предполагаемые -значения возмущений
в момент времени t = kTдля системы (Му)-.
Сопоставляя выражения (4.85) v (4.82) г находим
А К* + ПЛ =Л(*П+ 2«2. АК*+ ПП =/20П + %;
в) расчет начальных условий для систем (М) и (Му). Величины
М(* + РП = <*2 Тг + «1 Г+ аа, 8Л0 + 1)TJ = 2агТ+ о,;
U2
М(*+1)Л +01Г+Дь 52[(fc+1)7] =20,7+0,
дают различие (в среднем) значений функций zt(0, КО и ^(0> 0(0 и их
производных в момент времени t=.(к + 1)7. Таким образом, если положить
f(0) = Ш* + ОП + “г Т2 + а, Т+ а», КО) = fak + 1)7] + 2а, Т+ Ol;
0(0) = 0[(fc + 1)71 + & 7* + ft 74 0о,
0(0) = ё[(к + 1)71 + 20,7+ 01; (4.86)
«(0) = «[(* +1)7], и(0)= й[(к + 1)71;
/1 =Л (*П + 2а,, f2 =f2(kT) + 20„
то решение системы уравнений (Мг) в силу известных положений теории
дифференциальных уравнений будет в среднем близко к решению системы
(С) на ближайшем (достаточно малом) отрезке времени.
Что касается (Мг), то вычисленные значения f0, 9^, uQ, fi, f2 будут
служить начальными условиями для расчета некоторого фиктивного дви-
жения на участке (fc + 1)7, [(т + I)r + (fc+ 1)7].
Таким образом вычисляются все необходимые начальные данные для
интегрирования систем (М) и (Мг) на интервале [(fc + 1)7 (к + 1)7 + т].
Дальнейшая последовательность расчетов:
интегрируется система (М) на интервале длиной h;
интегрируется система (С) при вычисленных значениях u(f) в резуль-
тате интегрирования системы (М);
интегрируется система (Мг);
результаты расчетов накапливаются в памяти ЭВМ и в момент
t = (fc + 1)7 повторяется весь цикл а),б).
Итак, определены алгоритмы управления, свободные переменные
в нем, остается рассмотреть численный пример и сказать несколько слов
о диалоге гшженера с ЭВМ в процессе выбора управляющих констант.
В нашем распоряжении, как видно, есть ряд параметров:
т - интервал переключения модели; 7 — интервал анализа гредысто-
рии движения; fc,, fc,, fc, — константы закона управления.
Отметим, что вряд ли можно решить задачу оптимизации процесса
регулирования в рассматриваемой системе по этим параметрам в общей
постановке из-за большой сложности задачи, хотя такие попытки и дела-
якя> [79]. Гораздо эффективнее и вполне в духе времени выбрать важ-
нейшие из них в гроцессе диалога человек-ЭВМ.
Это и было сделано в данном случае, как видно из примера ниже.
Возможно, выбранные значения 7, т, S и не являются в строгом смысле
оптимальными, но зато они решают поставленную задачу.
183
Пример 4.2.
Пусть объект регулирования задан матрицами
1,0 0 1,0 -1,0
л= 0 -1,0 1,0 0,007 0,102 1,0 -0,765 0 >
-0,138 0,073 0 1,0
0 0,005 0 0 0 0,005 0 0
в= 0 0,007 0 0 0 0,003 0 0 ; С = . 0 0 0,007 0 0 0,003 0 0
0 0 0 0,002 0 0 0 0,002
D• = (-0,044; -0,385; 0; 0); F' = (0,05; 0,01; 0,0)
и начальными условиями
х(0) = (0; 0; 0,001, 0,002); х(0) = (0; 0; 0; 0).
Легко установить, привлекая результаты предыдущего раздела, что
рассматриваемый объект является структурно устойчивым и собственно
динамически устойчивым. Уравнение регулятора примем в виде
0,015и + 0,2й + и = 10,80 + 9?ф + 0,02z + 0,01£
Остальные управляющие параметры имеют следующие численные
значения: Т = 6 с (длина участка анализа); т = 1,4 с (длина участка пере-
стройки); S =4 (число перестроек модели на участке анализа).
Переходные процессы в рассматриваемой системе при заданном по-
стоянном внешнем возмущении показаны на рис. 4.29, где изображено
поведение во времени обобщенных координат и(Т), соответственно.
Рассматриваемый пример иллюстрирует процесс адаптации модели
к внешним возмущениям (ступенчатая кривая на рис. 4.28), а также воз-
можность стабилизации структурно неустойчивого объекта с помощью
адаптированной модели при относительно малых коэффициентах демп-
фирования: Si = 0,003, е2 = 0,002.
Как видно из рис. 4.29, процесс регулирования является устойчивым,
переходный процесс практически заканчивается через 12 с. Характерис-
тики переходного процесса при необходимости могут быть, разумеется,
улучшены подбором значений управляющих констант (опять же в диа-
логе) . * • ’
184
Рис. 4.29. Пример переходного процесса при управлении с использованием модели
Вычислим для сравнения требуемые значения коэффициентов демп-
фирования, обеспечивающие устойчивость замкнутой системы при клас-
сическом способе регулирования. Используя стандартный аппарат [95],
найдем, что ej = е2 = 0,1.
Применение настраивающихся моделей предоставляет, таким обра-
зом, дополнительные возможности для ослабления нежелательных по-
следствий эффекта структурной неустойчивости в тех случаях, когда
сам объект регулирования оказывается в каком-то смысле неудачным.
Как видно из последнего раздела, нет необходимости в вычислении
требуемых значений параметров Т, т, S на основе решения сложных опти-
мизационных задач в общей постановке. Диалог „человек-ЭВМ” позво-
ляет выбрать приемлемые значения этих параметров, решающие прин-
ципиально поставленную задачу — обеспечение стабилизации колебаний
системы.
Вероятно, большинство задач инженерного (да и не только инженер-
ного) плана доплаты примерно так и решаться (в соответствии с идеоло-
гией вычислительного эксперимента):
постановка задачи;
анализ (возможные упрощения);
алгоритмизация;
численный эксперимент (диалог);
проверка найденного решения;
его уточнение (если требуется).
Закончив рассмотрение выбранного круга задач, где ЭВМ исполь-
зуется в диапазоне от вычислений по формулам (расчет движения взаимо-
действующих маятников) до поддержки внушительных баз данных
(управление движением на базе модели объекта), обобщим выводы отно-
сительно разумных сфер применимости калькулятора и ПЭВМ (рис. 430).
Заметим, что, выбирая средства для решения конкретных задач в соот-
ветствии с рекомендациями рис. 4.30, мы пытаемся следовать извечному
185
Средства решения задачи
К-Ь.АВ),
S‘CH^
fetf---------
Супер-ЭВМ
Мини -ЭВМ
Ндньнрляпгор'
ПЭВМ
графана.
ПЭВМ
вычислитель
ПЭВМ
Винамическая
Виаяог
ПЭВМ
графана, диалог,
интегрированные пакеты /
для инженеров
ПЭВМ
графина, диалог, интегри-
рованные пакеты для инже-
неров
оперативная ваза данных
Рис. 4.30. Инструментальные программные средства ПЭВМ в решении инженерных
задач
пути любого уважающего себя мастера — сделать то, что нужно, в разум-
ное время,, вложив в это дело разумные средства.
Выбор подходящих, средств решения под проблему — дело не простое
и не однозначное. Чаще всего, к тому же, вопрос вообще так не стоит —
приходится использовать то,, что есть под рукой: калькулятор — так каль-
кулятор, компьютер - так компьютер. Хочется верить, однако, что это
депо временное и .динамическое равновесие между задачами ^средствами
их решения (имеются в виду различные типы вычислительных средств)
установится естественным образом.
Возвращаясь к ПЭВМ, заметим, что ужеимеющийся швгт их исполь-
зования в реализации вычислительного эксперимента показывает, что
этот инструмент решения многих практических инженерных проблем
является для массового пользователя почтиидеажным.
В то же время, ПЭВМ не вполне раскрывает свои возможности в
„счетных” задачах. Уже отмечалось, что она является также идеальным
средгтппм в оценке и принятии решений в самых разных ситуациях. Об
этом речь пойдет ниже.
4.3. РЕАЛИЗАЦИЯ ДИАЛОГОВЫХ ПРОЦЕДУР
НА ПЕРСОНАЛЬНЫХ ЭВМ
ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ
К рассмотренным в § 4.1, АД задачам стоит теперь отнес-
тись, как к „решателям” (согласно современной терминологии), сосре-
доточив внимание на объединении соответствующих блоков в единую
систему диалоговых процедур, конечная цель которых — исследование
выбранной модели в полном объеме, от анализа устойчивости и выбора
параметров демпфирования колебаний до реализации алгоритмов
управления.
При построении таких диалоговых процедур мы должны позабо-
титься в первую очередь о двух вещах — полноте своего комплекса про-
грамм (нельзя упустить хотя бы одну существенную сторону анализа)
и об удобном интерфейсе пользователь — ЭВМ. Самые важные преиму-
щества персонального компьютера перед другими средствами вычис-
лений, вероятно, в том и заключаются, что эти две важнейшие пробле-
мы в деятельности инженера ПЭВМ может решить Наилучшим образом.
Интерфейс с пользователем, его настоящее и будущее, является
предметом самых интенсивных исследований на всех уровнях научного
поиска в настоящее время. Вопрос полноты пакетов гораздо менее изучен.
Нельзя сделать пакет прикладных программ функционально „полным”,
например, для всех без исключения инженерных задач. В то же время
каждый инженер хочет, чтобы выбранный им пакет был действительно
полный для комплекса задач, решающих данную проблему. Конечно,
хороший пакет должен уметь настраиваться на данную частную пробле-
матику, но для того чтобы .реализовать эту настройку, инженер должен
абсолютно ясно представлять себе полноту необходимых функций и соот-
ветственно уметь определять свои требования к функциональной полноте
пакета.
Именно эту сторону взаимодействия ЭВМ — инженер на базе задач
в § 4.2 мы и обсудим в этом параграфе.
1Ю
ПОЛНОТА МОДЕЛЕЙ И МЕТОДОВ
Вернемся к модели, описываемой уравнениями (4.41),
(4.42), и попытаемся найти возможно более полную программу ее иссле-
дований, попутно определяя общие требования к необходимому программ-
ному обеспечению — полноту функций программного обеспечения для
данной конкретной задачи. Речь идет о проблеме устойчивости некоторой
колебательной системы, моделирующей широкий спектр технических
устройств — от лабораторной установки для анализа процессов колеба-
ний связанных маятников под действием следящей нагрузки до реальных
движущихся объектов-танкеров, самолетов, жидкостных ракет и пр.
Прежде всего следует, конечно, определить, что мы собираемся с этой
моделью делать. Редко бывает, чтобы устойчивость проектируемой систе-
мы обеспечивалась сама по себе, без дополнительных корректирующих
устройств, настраиваемых либо автоматически, либо оператором. В § 4.1
нам повезло: не пытаясь разобраться в динамике собственно системы
(4.41), мы конструировали цифровое стабилизирующее устройство и
нам это удйтось. В практике такие ситуации являются исключением.
Обычно приходится подробно анализировать объект регулирования, под-
бирать структуру регулятора и настраивать его параметры, причем весь
процесс исследования часто носит циклический характер. В данном раз-
деле речь идет о реализации этого процесса на ПЭВМ.
Система уравнений (4.41) представляет собой математическую мо-
дель весьма сложного стабилизируемого объекта. Из нее, как частный
случай, могут быть получены (в порядке усложнения) системы урав-
нений, описывающие движение различных моделей объекта регулирова-
ния. Модель Мо — простейшая, отвечающая колебательному контуру с
обобщенными координатами z, ф:
г + а1фф + аххг = а1ии,
ф+афгг + аффф = афии, (Мо)
и = Lz(z) +Ьф(г).
Модель Mi — с дополнительными степенями свободы Sj, г2,...» sn, не
связанными непосредственно с влиянием регулятора:
z + агф ф + azzz + aZZi У, + ... + aZStsn = azuu,
Ф + афгг +аффф + аф з\ + ,.. + а'зп = афии,
- , .. - (Mi)
sk + £sksk + °ksk + aZkZz + а,кфф = 0,к=1,2,....»,
и = 1Дф°) + 1г(г°).
188
Модель Mj — наиболее общая, включающая дополнительные (нерегу-
лируемые) (si, ..., s„) и регулируемые непосредственно степени свободы
Будем считать, что она описывается уравнениями
z +а^ф + azzz +^ззк^к = azuu,
Ф + a*zz +^а^зк +^=1аФч^ = аФ ии>
Ч + езк*к + OlcSk + W + азкфФ + = °’ (Mi)
к = 1,2..п;
ъ+ечА++k=iaq^k“Vм’7 =1,2, т;
«=£ф(Л+1г(г°),
где ф°, 2° - сигналы с датчиков с учетом их собственной динамики, кото-
рые получаются после расшифровки элементов матриц А, В, С (см., на-
пример, [95]).
Таким образом, рассматриваемая проблема обладает важным свой-
ством вложенности моделей что, конечно, должно найти отражение при
регламентации взаимодействия человека и ЭВМ в процессе исследования.
Цепочка Мо * Mi > М2 соответствует последовательности все более
тонкого исследования особенностей динамики самого объекта регулиро-
вания.
Допустим, что целью является устойчивость системы в рамках моде-
ли Mi. В § 4.2 из общих соображений был выбран и настроен регулятор
для модели Мх, так что конечной цели мы добились. А если бы резуль-
тат оказался отрицательным? В чем причина? Сам объект (модель Mi) или
дополнительные степени свободы, „раскачдаающие” замкнутую систему в
целом?
Чтобы не ставить себя в положение „гадальщика”, инженеру прихо-
дится обдумывать последовательность анализа заранее, постепенно исклю-
чая возможные причины неустойчивости и добираясь, таким образом,
до ее корней. В данном случае требуемая последовательность подсказы-
вается вложенностью модели и схем анализа и в конечном счете напоминает
схему вычислительного эксперимента (рис. 4.31)
Будем использовать в дальнейшем следующие определения, учиты-
вающие роль системы управления в общей структуре:
замкнутая система математической модели объекта ____
189
МоЯели
Рис. 4.31. Этим аычиспитеяьиого эксперимента
Лг+ Лс+Сх =Л,
=<*, ^x,g-^,
u=L^°^Lz(t°y,
полузамкнутая система
Ах + £/х +Сх = du,
= (Х, g^), Z° =(x,g2);
разомкнутая система
Ax+ffx+Gc =Аи.
(4.87)
(4.88)
(4.89)
Как видно, свойством вложенности обладают также системы (4.87) -
(4.89): каждая последующая „вложена” в предыдущую (рис. 4.32)."Умест-
но заметить, что выбор модели представляет собей хороший дример не-
формализуемой процедуры: без участия разработчика он в принципе не-
возможен.
190
Сделаем некоторое отступление и попытаемся представить себе сооб-
ражения, которыми руководствуется инженер при выборе модели. Преж-
де всего ясно, что не имеет смысла перегружать расчетную модель е само-
го начала различными подро&юстяьж, делая ее неоправданно сложной.
Поэтому представляется разумной следующая процедура:
для анализа запасов статической устойчивости объекта регулиро-
вания следует ограничиться моделью Мо,
при выборе же характеристик устройств, обеспечивающих стабилиза-
цию системы в целом, необходимо уже учитывать более полную модель Mi,
выбор параметров регулятора следует делать на основе наиболее пае-
вой модели М2.
Осознав общж объем и схему анализа данной проблемы, можно по-
думать и о методах исследования модели, которые тоже, в силу их раз-
личия, можно разделить на группы.
Для объекта регулирования используются груипы методов, вклю-
чающих:
- а) методы анализа управляемости, наблюдаемости, стабилизируемо-
сти объекта регулирования [уравнение (4.89) ].
Для управляемости и наблюдаемости соответствующие матрицы
К, G доллгаы быть певырождены, длястабилизируемости матрица S- GK~l
должна быть знакоопределена. Это может быть проверено е помощью
критерия Сильвестра, а также путем вычисления собственных значений
матрицы стабилизируемое™ в проверки совпадения их знаков.
Для исследования стабилизщэуемости системы (4.88) можно также
использовать прямой метод, связанный с проверкой чередования нулей
и плюсов передаточной функции объекта регулирования. Расчет нулей
и плюсов, в свою очередь, связан а вьиислением собственных значений
некоторых матриц. Для исследования стабилязнруемости часто исполь-
зуется частотный метод, сиияий с анализом передатсянюй функции
„объект — регулятор”;
191
б) методы анализа устойчивости объекта регулирования [уравнения
(4.87) - (4.89) ];
Для расчета устойчивости как разомкнутой, так и замкнутой систем
используются прямые методы, связанные с расчетом собственных значе-
ний матриц соответствующих систем и проверкой отрицательности ве-
щественных частей этих значений, а также связанные с интегрированием
систем дифференциальных уравнений. Применяются также методы ана-
лиза, использующие критерии Рауса - Гурвица, критерий Льенара - Ши-
пара, метод корневого годографа и др.;
в) для получения информации об общих свойствах объекта исполь-
зуются геометрические методы, связанные с построением областей устой-
чивости и стабилизируемости в пространстве специальным образом
выбранных безразмерных параметров (как безразмерных, так и раз-
мерных). Эти метода также позволяют дать ответ, насколько велик
запас устойчивости системы, и помогают выяснить причины возникно-
вения неустойчивости.
Для анализа замкнутой системы „объект регулирования — регуля-
тор” используются следующие методы:
а) методы анализа устойчивости собственно объекта; б) методы обес-
печения устойчивости замкнутой системы — рациональный выбор струк-
туры и параметров регулятора (тонкая настройка, грубая настройка) и
параметров объекта.
Как видно, вложенность системы (4.87) — (4.89) .влечет за собой
до некоторой степени вложенность методов анализа, что также влияет
на структуру диалога человек-ЭВМ
Обратимся теперь к термину „технология решения” проблемы, кото-
рый в целом и определяет полноту решаемого класса задач, а следова-
тельно, и полноту требуемого программного обеспечения. Под этим тер-
мином будем понимать совокупность:
отдельных подзадач, на которые разбивается обсуждаемая задача;
математических методов и соответствующих технических средств
для их реализации;
процедур, регламентирующих порядок использования этих средств
и обеспечивающих результат решения задачи в целом.
Первые два пункта мы уже кратко обсудили, третий пункт примени-
тельно к изучаемой проблеме требует расшифровки.
Конечной целью исследования систем типа (4.41) является обеспече-
ние их устойчивости. Этой задаче подчинены все другие, в том числе и
задачи анализа структурных свойств системы (4.41) как объекта регу-
лирования (по управляемости, наблюдаемости, стабилизируемости).
Так как устойчивость — это то, что в конечном счете интересует раз-
работчиков (и заказчиков), то с анализа этой задачи в плане предвари-
тельной оценки приходится начинать в процессе исследования объекта,
таким же анализом приходится и завершать все разработки при окон-
чательной доводке параметров системы стабилизации (управления).
192
При этом меняется лишь глубина проработки вопроса: на первом этапе
используются сравнительно грубые модели Mo, Mi (первый цикл на
рис. 4.31). На конечном этапе (третий цикл) проводится детальный
анализ устойчивости и качества процессов регулирования объекта на
основе моделей Мг и выдается окончательный результат.
Эта идеология и лежит в основе комплекса процедур, регламенти-
рующих порядок использования моделей Mo, Mt, М2 и методов их ана-
лиза и обеспечивающих решение задачи устойчивости объекта, который
описывает эти модели в целом.
Представленный перечень задач и методов, разумеется, далеко не
исчерпывает всех вопросов исследователя к изучаемой системе. Этот
перечень можно расширить или уменьшить, важно только, чтобы в какой-
то момент инженер был уверен в его полноте. Это тонкий момент, и если
такого рода анализ (по существу глубокую проработку вопроса) не про-
водить (всегда - применительно к любой задаче!), то никакая самая луч-
шая вычислительная техника не застрахует от серьезных ошибок.
Что можно сказать предварительно о требуемом программном обес-
печении? В целом уже ясно, что потребуются базы данных и удобные
средства работы с ними, так называемые решатели (их мы уже в какой-то
степени Подготовили в § 4.1, 4.2), реализующие методы анализа устой-
чивости системы; графика, поддерживающая геометрические методы
построения разнообразных областей устойчивости, и обработка текстов
для подготовки итогового отчета, содержащего главное — рекомендации
и их обоснование.
Для большей определенности формулировки требований к программ-
ному обеспечению планируемых исследований как в части упомянутой
„полноты его функций”, так и в части обеспечения интерфейса чело-
век-ЭВМ требуется дальнейший анализ, который мы и продолжим.
ОСОБЕННОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ ДИАЛОГОВЫХ ПРОЦЕДУР
Обсудим вопрос о степени формализации взаимодействия
„человек-ЭВМ” применительно к рассматриваемой задаче.
Разработка технологии решения любой проблемы существенно за-
висит от того, насколько формализуема решаемая проблема. Если проб-
лема формализуема полностью, разработка технологии решения сводится
к созданию соответствующих алгоритмов и модулей программ. В этом
случае процесс решения задачи регламентируется полностью на уровне
алгоритмов (жестких однозначных инструкций, приводящих к решению
задачи), допускающих полную автоматизацию решения на ЭВМ.
Если проблема не поддается формализации, то технология решения
представляет собой совокупность общеметодических рекомендаций,
определяющих общие принципы, логику и этапность решения проблемы,
ее структуризацию на задачи и подзадачи с учетом их информационных
связей, а также координацию, объединение работ различных исполните-
7 Зак. 854
193
лей с -ориентацией их на конечные результаты решения проблемы в целом.
В этом случае процесс решения задачи регламентируется (упорядочи-
вается) лишь частжно, решение подзадач осуществляется неформально
человеком и автоматизации на ЭВМ не поддается.
Чаще встречается ситуация, когда ряд отдельных подзадач рассматри-
ваемой проблемы формализуется сравнительно легко, котя в целом проб-
лему формализовать не удается. При этом возникает ситуация частично
формализуемых задач, когда для разработки технологии решения необ-
ходимы: выделение четко поставленных формализуемых задач, созда-
ние соответствующих моделей программ, определение (неформально)
общелогических и итформационных связей между ними и разработка
на этой основе диалоговых процедур, объединяющих формальные и не-
формальные элементы человека и ЭВМ в единую человеко-машинную
технологию, обеспечивающую эффективное решение проблемы в целом.
Основная проблема, которая здесь возникает, это сопряжение фор-
мализуемых и неформализуемых операций, формального н содержатель-
ного языков и т. д., т. е. по существу проблема детализации интерфейса
человек—ЭВМ. Необходимо предусмотреть разработку специальных про-
цедур, регламентирующих взаимодействие человека и ЭВМ с учетом логи-
ческих связей между расчетами и содержательными выводами из них,
выбора рациональных схем интерационных расчетов, обеспечивающих
получение искомого решения за приемлемое число интераций (или время),
и др. Для реализации такой диалоговой процедуры требуется, таким обра-
зом, специальное системное математическое обеспечение диалога, создаю-
щее возможность гибкого взаимодействия человека и ЭВМ.
При создании диалоговых систем имеется широкий спектр возмож-
ности выбора варианта технологии решения задачи и степени регламента-
ции процедур взаимодействия „человек-ЭВМ” от однозначной жесткой
регламентации варианта до полного отсутствия такой регламентации.
Априорная фиксация единственного варианта технологии решения
задачи определенного класса с полной регламентацией диалоговой
процедуры снижает гибкость диалоговой системы, но имеет и ряд
достоинств, связанных с упрощением математического обеспечения диа-
лога, возможностью максимально эффективного использования ЭВМ,
сокращением времени формирования решениям т.п.
Все же и в этом случае алгоритм решения задачи, как правило, не
единствен. Тем -более неединственна технология решения частично фор-
мализуемых проблем, вариант которой обычно формируется и вьйи-
рается разработчиком индивидуально в каждом конкретном случае с точки
зрения эффективности решения содержательной проблемы. В связи с этим
ограничение опытного разработчика единственным (и кем-то другим
заранее выбранным) вариантом технологии .решения задачи может ока-
заться неудобным (а часто и неприемлемым) для него и привести к сни-
жению степени достижения конечной цели диалоговой системы - эффек-
тивного решения содержательной проблемы. Это обстоятельство делает
194
необходимым обеспечение возможности творческого поискового диалога
с минимальным уровнем регламентации процедур взаимодействия,
дашцуго полную свободу выбора порядка решения задачи (разумеется,
в рамках учета обязательных ограничений на порядок работы модуля,
обусловленных, например, их информационными связями). Такое сни-
жение требований к регламентации процедур сопровождается повышением
требований к гибкости математического обеспечения диалога, которое
должно обеспечивать реализацию любого возможного сценария иссле-
дования.
Однако в этом случае может возникнуть другая крайность, которая
хорошо иллюстрируется на примере установки нового универсального
станка без каких-либо рекомендаций по технологии его использования
при обработке деталей различных типов.
Работа на станке при отсутствии такой технологии приводит к боль-
шим потерям времени пользователя, снижению эффективности исполь-
зования новой техники, а в случае если пользователь (разработчик) не
имеет необходимого времени или достаточного опыта для поискового
режима работы на новом оборудовании, то возможен отказ от работы
с такой системой.
Как часто, к сожалению, встречаются руководители, которые счи-
тают, что достаточно поставить разработчику монитор, как все прочее
само собой устроится. Не устроится, если разработчик не будет пред-
ставлять до тонкостей технологию решения порученной ему задачи и
современных машинных методов ее реализации.
Возвращаясь к нашей задаче, заметим, что здесь естественным яв-
ляется подход, при котором для решения рассматриваемых частично
формализуемых проблем наиболее адекватной является разработка час-
тично регламентированных процедур с регулируемой по желанию поль-
зователя степенью регламентации взаимодействия „человек-машина”
и автоматизация расчетов. Например, на начальных этапах исследования,
когда специфика системы еще недостаточно ясна (или при ознакомле-
нии с диалоговой системой) может оказаться целесообразным исполь-.
зование разработчиком исходного рекомендуемого варианта техноло-
гий „по полной схеме” ее регламентаций на; примере известной задачи.
Впоследствии, по мере накопления опыта работы с диалоговой
системой, разработчик может по своему усмотрению изменять порядок
некоторых вычислений, добавлять новые точки диалога, исключать их,
часть вычислений (наиболее ответственных) детализировать, контроли-
руя их поэтапно или вручную, а часть (наименее интересных). - объеди-
нять в автоматически выполняемые комплексы вычислений, устраняя
точки диалога и т. д., вплоть до полного отказа от исходного варианта
регламентации.
При формировании исходного варианта регламентации диалоговых
процедур естественно за основу принять модули вычислительных про-
грамм, выполняемых на ЭВМ, и особенности использования! соответствую-
щих методов.
7* 195
При формировании рациональных вариантов упорядочения вычисле-
ний полезно исходить из нескольких общих принципов, а именно:
целенаправленности (планирование исследований от конечного ре-
зультата),
полноты учета ограничений,
полноты учета возможностей,
реализуемости процедуры в приемлемое время и др.
Для формирования конкретных процедур можно также использовать
следующий естественный прием. Если имеется сложная задача и ее можно
разбить на подзадачи (этапы решения), каждая из которых является частью
следующей, более сложной (в смысле результата, использования средств,
исходных данных и других факторов), то выделяются логические связи
(отношения) между этими вложенными подзадачами, частично регламен-
тирующие рациональный порядок их решения.
Обратимся непосредственно к построению решения рассматриваемой
задачи устойчивости. Для структуризации этой проблемы разобьем ее на
ряд последовательно расширяющихся (и, как правило, последовательно
решаемых) классов задач соответственно названиям следующих под-
разделов.
Заметим, что все условия, относящиеся к диалоговым процедурам
в рассматриваемой задаче и перечисленные выше, в общем и целом могут
быть удовлетворены на базе современных операционных систем (MS DOS,
СР/М-86 и др.) наиболее популярных в настоящее время 16-разрядных
персональных компьютеров типа IBM* PC/XT. Ограничившись этим заме-
чанием, которое освобождает нас от необходимости учитывать обычно
мешающие ограничения со стороны возможностей операционных систем,
продолжим обсуждение возникающих вопросов в процессе их детализации.
ЗАДАЧА ИССЛЕДОВАНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ
ДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
Постановка задачи. Модели и методы исследования устой-
чивости. Пусть проведены все расчеты, необходимые для построения мате-
матических моделей Мо, Mi, М2 объекта регулирования. Требуется про-
верить, является ли устойчивым (в классическом смысле или в смысле
„технической устойчивости”) заданный объект. Эта задача, как подчер-
кивалось выше, не обязательно решается только на конечном этапе иссле-
дования объекта, при окончательной настройке параметров системы управ-
ления. Обычно с нее начинают, сначала в приближенной постановке (на
основе „грубых” моделей типа Мо). По мере уточнения моделей прихо-
дится возвращаться к ней снова (см. рис. 4.31)
На рис. 4.33 представлена последовательность решения соответствую-
щей задачи анализа устойчивости. Объект исследования представлен, как
мы помним, системой дифференциальных уравнений, поэтому входные
196
данные должны обладать полнотой, достаточной для реализации конкрет-
ных алгоритмов.
На рис. 4.34 дана расшифровка блока 1 схемы на рис. 4.33,6. Здесь
традиционно различают линейную и нелинейную модели (точка диалога
Д1 иа рис. 4.34). На этом рисунке и далее шестиугольниками обозначены
моменты взаимодействия ЭВМ с разработчиком (точки диалога).
Рис. 4.33. Последовательность решения задачи анализа устойчивости:
а) общая схема анализа динамических свойств системы; б) схема исследования ус-
тойчивости системы
hand ноя
модель
Исходные
Ванные
Нет
Вычисление
/ 3 4
Приближение ,
линейное ?
М ------------
^елияеана^ ffr.
мовель
1 8
Рис. 4.34. Детализация общей схемы анализа устойчивости системы
1
157
А. Линейная модель.
Вход: матрицы А, В, С, D, начальные условия, необходимые для чис-
ленного интегрирования.
Выход:
качественный анализ: вычисление определителей Д1, Дг, Дя в ме-
тодах Рауса — Гурвица, Льенара — Шилара, частотных характеристик в ме-
тодах Найквиста, Михайлова,
количественный анализ: вычисление корней характеристического
уравнения замкнутой системы, численное интегрирование (методы Рунге -
Кутта, Адамса и пр.).
В. Нелинейная модель.
Вход (дополнительно): характеристики нелинейных звеньев (напри-
мер, таблицы и графики зависимости амплитудно-фазовой характерис-
тики регулятора от амплитуды входного сигнала).
Выход (дополнительно): расчет огибающих решения в методах Кры-
лова — Боголюбова, амплитуд предельных циклов, установившихся
в системе.
Методы исследования устойчивости в лшейных и нелинейных систе-
мах многочисленны, и яеречислять их нет необходимости. Наиболее эффек-
тивные из них включены, как правило, в математическое обеспечение лю-
бых современных вычислительных средств, и использование их в процес-
се исследования математических моделей объектов труда не представ-
ляет (выбор метода решений осуществляется разработчиком в точках
диалога Д2 и ДЗ).
Связь моделей и методов. Обсудим кратко информационную сторону
применения этих методов. Для получения ответа „Да” (устойчивость)
или „Нет” (неустойчивость) все упомянутые модели информационно
независимы.
Точка диалога Д1 (см. рис. 434) необходима тогда, когда система
может быть описана и как линейный (в первом приближении), и как
нелинейный объект. В этом случае из ответа „Да” для линейного прибли-
жения следует, как известно, ответ „Да” и для нелинейного. В то же время
ответ „Нет” для линейного приближения порождает целый комплекс во-
просов, например:
является ли система как объект регулирования неустойчивой во Ляпу-
нову или с позиции понятия „технической устойчивости” (амплитуда ко-
лебаний А превышает некий запретный уровень А);
являются ли амплитуды предельных циклов, которые, возможно,
сформируются в системе при учете нелинейностей ее элементов, допусти-
мыми с точки зрения ограничения на фазовые координаты системы.
Несмотря на кажущуюся простоту ситуации, выбрать подходящий
метод для ответа на вопрос .Да” или „Нет” совсем непросто. Казалось
бы, достаточно взять какой-либо численный метод интегрирования и
„прогнать” систему в нужном временном диапазоне. Кроме чисто техни-
ческих трудностей (высокий порядок системы, переменность элементов
198
матриц А, В, С, D, g, высокие частоты колебательных процессов, порож-
дающие выбор малого шага интегрирования) здесь проявляются и прин-
ципиальныв. Дело в том, что исходны** данные для реальных систем из-
вестны в лучшем случае с точностью 10—15% и практически могут быть
изменены в любую сторону. Поэтому после такого численного анализа
мы не получаем никакого представления о „запасах” устойчивости и, сле-
довательно, не можем сделать уверенный вывод об устойчивости объекта
даже в случае ответа „Да”.
Можно также было бы формально вычислить корни характеристиче-
ского уравнения замкнутой системы. Но, во-первых, это годится только
для линейных стационарных систем, а во-вторых, здесь требуется допол-
нительное обоснование (в связи с переменностью матриц А, В, С, D, g)
с точки зрения допустимости этого подхода даже для линейных систем.
Все же второй метод часто предпочтительнее первого (интегрирова-
ния), потому что в случае успеха можно по положению корней относи-
тельно действительной оси получить дополнительную информацию и о за-
пасах устойчивости системы, и о том, как они меняются при варьировании
параметров моделей Мо, Mi, М2. Поэтому при отсутствии других сооб-
ражений можно рекомендовать начать исследование с более простой линей-
ной модели (блок 5), выбора в ее рамках (блок 4) метода построения
корней с выводом результатов расчетов (блок 5) на терминал. Тогда
в случае ответа „Да” (блок 6) не требуется дополнительных исследова-
ний. При использовании (блок 5) другого метода (в ответе „Да”) воз-
никает вопрос о продолжении исследования (точка диалога Д4) в целях
уточнения „запаса” устойчивости. При ответе (блок 6) „Нет” делается
переход к нелинейной модели, при решении которой для определенности
можно сначала использовать, например, метод Крылова — Боголюбова.
В случае ответа „Нет” (блок 10), естественно, возникает вопрос о при-
чинах неустойчивости (точка диалога Д5).
Описанная ситуация типична для инженера-разработчика, который
всегда стремится получить максимум информации о системе, миними-
зируя затраты времени и сил.
Наличие „под рукой” у разработчика персонального компьютера
дает ему широкую возможность для численных экспериментов. Однако
это экспериментирование не должно быть случайным. Подготовка схем
типа изображенных на рис. 4.33,4.34 должна входить в современную техно-
логию исследования объекта регулирования как равноправная ее часть.
Без ясного представления о целях, методах и возможностях вычис-
лительного (численного) эксперимента не стоит его и-начинать.
Здесь снова хотелось бы задать вопрос: что нового дает разработчику
новая техника (ПЭВМ)?
Грамотный инженер-исследователь всегда готовит четкий план дей-
ствий. Персональный компьютер позволяет реализовать этот план в огра-
ниченное время в самом полном объеме, тем самым резко увеличить
глубину проработки всех вопросов на каждом этапе и в итоге повысить
199
обоснованность решений при разработке проблемы в целом. Это пред-
ставляется принципиально важным обстоятельством, потому что в связи
с общим ускорением научно-технического прогресса цена выводов (и
просчетов) неизмеримо выросла в наше время и продолжает расти.
Заметим в заключение, что известные классические методы анализа
устойчивости во многих случаях разработчика не удовлетворяют. Часто
требуется нечто большее, а именно исследование причин неустойчивости
системы. Что с этой точки зрения существенно И что несущественно
в системе? Где те рычаги, которыми можно управлять как устойчивостью,
так и неустойчивостью системы?
Таким образом, мы приходим к другому классу задач, назовем его
качественным анализом устойчивости системы, понимая под этим анализ
факторов, определяющих это свойство.
ЗАДАЧА КАЧЕСТВЕННОГО АНАЛИЗА
УСТОЙЧИВОСТИ СИСТЕМЫ
Основные факторы, влияющие на устойчивость системы.
Предположим, что проведен полный комплекс расчетов, необходимый
для построения моделей Мо, Mi, Мг- Требуется по этим данным выделить
основные факторы (параметры), влияющие на устойчивость объекта,
определить требования к системе регулирования.
Для анализа „корней” неустойчивости системы типа (4.88) существует
своя, отличная от классической (по Ляпунову) технология, использую-
щая и свою терминологию, в частности, понятия управляемости, наблю-
даемости, стабилизируемости, о чем уже говорилось выше.
Содержательный анализ объекта как механической системы и его
математической модели позволяет выделить следующие группы факто-
ров, которые являются основными источниками „неприятностей”, не-
благоприятно влияющих на динамику рассматриваемого класса систем:
1) внешние возмущения, переменность параметров системы, прин-
ципиальная статическая неустойчивость системы (4.88). Все эти факторы
достаточно полно можно учесть в рамках модели Мо;
2) наличие следящей нагрузки в системе (вообще — неконсерватив-
ных сил, пропорциональных обобщенным координатам системы), не-
благоприятное взаимодействие колебательных звеньев, связанное с их
расположением относительно центра масс, наличие диссипативных сил.
Эти факторы связаны со структурой системы как объекта регулирования
и приобретают решающие значения при учете дополнительных степеней
свободы, что достаточно полно охватывается моделью М2;
3) конструктивные особенности датчиков, показания которых ис-
пользуются при управлении системой, взаимодействие дополнительных
колебательных звеньев [см. (4.89) ]. Эти факторы должны изучаться
в рамках модели М3, наиболее сложной из рассматриваемых и соот-
ветственно учитывающей более тонкие эффекты.
'200
Напомним в заключение во избежание возможных недоразумений,
что неконсервативность рассматриваемой системы, часто служащая основ-
ной причиной ее неустойчивости, не всегда связана с наличием какого-либо
периодического внешнего возмущения. Часто это постоянный источник,
энергии, например блок стабилизированного питания в радиотехнической
схеме, набегающий поток воздуха в аэродинамике или тяга реактивной
струи, истекающей из сопла ракетного двигателя космического аппарата.
Принципы вложенности моделей и алгоритмов. Принципы построе-
ния технологии анализа факторов, определяющих динамические свойства
системы, подсказываются вложенной структурой системы модели Мо,
Mi, М2, условно иллюстрируемой рис. 4.32.
Для выделения „чистого” влияния на устойчивость объекта регулиро-
вания рассматриваемых групп факторов зти модели должны изучаться
в определенной последовательности. Поясним зто сначала на примере.
Вспомним, что врачи при установлении диагноза часто пользуются мето-
дом исключения имеющихся предположений относительно причин забо-
левания. Пусть при изучении наиболее общей модели М2 на вопрос, устой-
чива ли система, получен ответ „Нет”. Этот резуль!ат, к сожалению, еще
не дает ответа на другой вопрос: какие именно факторы из чйсла учтен-
ных являются причиной неустойчивости объекта. Однако если при тех же
значениях исходных данных анализ вложенной модели Mj дает ответ
„Да”, то это Означает, что причиной неустойчивости являются колебания
в полосе частот aSfc, отвечающих обобщенным координатам sb s2, ..., sn.
Дополнительное разделение этих причин можно получить, если еще
раз воспользоваться вложенностью, но теперь уже различных схем (рис.
4.33). Так, если для рассматриваемого примера ответ „Нет” получен в рам-
ках модели М2, то причины неустойчивости - взаимодействие колебаний
в полосе частот aSfc. Если для разомкнутой схемы получен ответ „Да”,
а для замкнутой „Нет”, то причина - взаимодействие этих колебаний
с регулятором.
Такой анализ позволяет для всех вариантов сочетания ответов
„Да” и „Нет” определить соответствующие им выводы и составить
таблицы (своего рода технологические карты), определяющие логику
технологии анализа. С учетом' того, что устойчивость вложенных (более
простых) моделей является необходимым условием устойчивости более
сложной модели, такая таблица становится достаточно простой.
Пример технологической карты анализа . различных факторов для
разомкнутой системы (в случае устойчивости собственно объекта) дан
на рис. 4.35. Как видно из рисунка, целесообразно проводить исследова-
ния .по принципу от простого к сложному, последовательно переходя
от более простой модели Мо к более сложной Mi. Действительно, если
для модели Мо получен ответ „Нет”, то это ответ окончательный, при-
чины неустойчивости ясны И нет необходимости вводить дополнительные
данные для более полной модели и затрачивать существенно большее
201
Модель Mj
Модель М,
Модем Mt
Рис. 4.35. Общая технологическая схема исследования динамики изучаемой системы:
PC — разомкнутая система, ЗС - замкнутая система, ПЗС — полузамкнутая система
время на их решение. Если же получен ответ „Да”, то первая, труппа причин
неустойчивости исключается из. рассмотрения и достаточно одного испы-
тания более сложной модели М2, чтобы причины неустойчивости восста-
новить окончательно.
При таком подходе постепенно исключаются фактор за фактором,
пока, наконец, не выделится основной — тот, который ответствен за
неустойчивость объекта регулирования.
Локализовав причины неустойчивости, можно сосредоточиться на
их подробном изучении с тем, чтобы предложить. мероприятия по их
ликвидации. Допустим, оказалось, что модель Мо не ставит в смысле
устойчивости никаких проблем (нет ни статической неустойчивости, ни
внешних возмущений). В то же время анализ более сложной модели Mt
показывает наличие возрастающих колебаний на частотах колебаний до-
полнительных осцилляторов. В чем причина? Виновны скорее всего так
называемые следящие нагрузки, пропорциональные отклонениям обобщен-
ных координат системы, которые в силу неблагоприятных фазовых соот-
ношений между обобщенными координатами системы обеспечивают пере-
качку энергии из постоянного источника в энергию колебаний маятников.
Влияние структуры объекта регулирования, диссипация энергии при
колебаниях — все это должно составить предмет углубленного анализа.
Подобный анализ, кстати- говоря, не прост (исследуемая система диф-
202
ференциальных уравнений не менее чем десятого порядка — см. уравне-
ние (Mi), но затраченные усилия с лихвой «окупаются пониманием (цель
расчетов - не числа, а именно понимание!) роли всех важнейших особен-
ностей изучаемого объекта регулирования, влияющих на его свойства.
Итак, предварительная оценка факторов, ответственных за устой-
чивость системы, позволяет упорядочить и детализировать схему техно-
логии анализа влияния этих факторов на устойчивости системы в целом.
Таким образом, мы приходим к схеме на рис. 4.35, полностью определяю-
щей регламент взаимодействия человек-ЭВМ (точка диалога Д1). Эта
технологическая карта и компьютер в совокупности дают очень нужное
инженеру-исследователю автоматизированное рабочее место (АРМ) раз-
работчика — современный if высокоэффективный инструмент для науч-
ных исследований и инженерных проработок.
Подчеркнем, что технологическая карта на рис. 435 „полная” — влия-
ние любого фактора можно оценить, выбрав подходящий маршрут на ней.
Она включает в себя и схемы на рис. 431-433 — полного анализа устой-
чивости. Карга на рис. 435 является также открытой: любой метод ана-
лиза, обеспечивающий движение по маршруту, может быть добавлен в слу-
чае необходимости.
Роль технологических карт такого типа в процессе инженерных про-
работок трудно переоценить. Здесь, возможно, уместна следующая ана-
логия.
В недавнем прошлом в теории регулирования яитоиггудно-частотная
характеристика реального регулятора являлась часто секретом фирмы,
так как была как бы паспортом технологии изготовления регулятора.
Так и упомянутая технологическая карта, являясь своеобразным паспор-
том технологии исследования данного вопроса, представляет собой секрет
фирмы — отражение успехов разработчика в своей области.
Возвращаясь к нашим задачам, заметим, что последовательное при-
менение описанных выше принципов приводит к частичному упорядоче-
нию решения задачи анализа «факторов, определяющих свойства системы.
Схема технологий такого анализа показана на рис. 435. Поясним схему,
представив в качестве -примера два возможных сценария исследований.
1. Сценарий, использующий вложенность моделей Объекта (Мд, Mi,
М2). Рассмотрим вопрос об исследовании устойчивости разомкнутой
системы (блоки 3, 9, 15). Допустим, объект в рамках модели Мо является
устойчивым, и мы в точке диалога Д2 принимаем решение исследовать
этот вопрос на основе более сложной модели Mi.
Используя подходящие методы [напримд), построив область собст-
венной динамической неустойчивости системы (4.88)], обнаруживаем,
что система неустойчива. Основным фактором, формирующим неустой-
чивость в данном случае, являются следящие нагрузки, фактором, ста-
билизирующим систему - демпфирование (принудительное) колебаний
в полосе частот о^. 'Опираясь на результаты анализа динамической не-
устойчивости в точке диалога Д5, принимаем решение об использовании
203
дополнительных демпфирующих устройств и, подобрав их параметры
es , добиваемся устранения неустойчивости.
Вопрос о собственной динамической неустойчивости системы (без
регулятора) можно считать на этом закрытым, если влиянием обобщен-
ных координат <71.... qm можно пренебречь. Если же частоты колебаний
системы в рамках модели Мо близки к частотам колебаний дополнитель-
ных степеней свободы (модели Mi, М2), то далее от точки диалога Д6
необходимо перейти к более сложным моделям Mi, Мг и приступить
к анализу взаимодействия рассматриваемых парциальных систем, вы-
делив основные стабилизирующие и дестабилизирующие факторы. Обес-
печив устойчивость этих моделей каким-либо доступным способом, по-
ставленный вопрос можно считать исчерпанным („Да” в блоке 18).
2. Сценарий, иснользующий вложенность схем объекта (разомкнутая,
полузамкнутая и замкнутая схемы).
Рассмотрим вопрос о стабилизируемости объекта. Допустим, замкну-
тая система объект <- регулятор будет устойчивой в- рамках модели Мо
и неустойчива при учете колебаний дополнительных степеней свободы.
Возвращаясь к точке диалога Д4, строим сценарий анализа, используя
блоки 9-11.
Перейдя к блоку 9 и исследуя устойчивость разомкнутой системы,
мы в случае ответа „Нет” действуем согласно методологии сценария 1,
приняв во внимание основные действующие здесь факторы: следящую
силу и демпфирование. В случае ответа „Да” в точке диалога Д6 мы об-
ращаемся к полузамкнутой системе, описываемой уравнениями (4.88),
на основе которой исследуются те свойства объекта, которые характери-
зуют его как объект регулирования: управляемость, наблюдаемость, ста-
билизируембсть.
Специфика изучаемой системы такова, что наибольший интерес
представляет свойство стабилизируемости, включающее в себя управ-
ляемость и наблюдаемость. Допустим, что при анализе стабилизируемости
мы получили ответ „Нет”. Это означает, что в качестве основного деста-
билизирующего фактора, выступает регулятор. Выявив этот факт, пере-
ходим снова к замкнутой системе (блок 11) с позиций задачи формиро-
вания допустимых решений.
Отметим здесь, что в качестве стабилизирующих факторов мы должны
иметь в виду следующие:
демпфирование колебаний обобщенных коордашат;
настройку параметров регулятора;
изменение структуры системы как объекта регулирования;
комбинацию первых трех факторов.
Отметим в заключение, что сценариев, опирающихся на схему, пред-
ставленную на рис. 4.35, может быть множество. Их* выбор зависит от об-
становки, опыта разработчика и в конечном счете определяется требова-
ниями к глубине проработки вопроса о динамических свойствах и устой-
чивости, системы как объекта регулирования, а также временем, имею-
щимся в распоряжении разработчика.
204
4.4. ПРИМЕР ТЕХНОЛОГИИ КАЧЕСТВЕННОГО АНАЛИЗА
СТРУКТУРА ПОДЗАДАЧ И ИНФОРМАЦИОННЫХ СВЯЗЕЙ
Продолжим обсуждение второго сценария, конкретизировав
ситуацию и выбрав в качестве модели Mj, учитывающую два дополнитель-
ных осциллятора с частотами о1, аг.
Рассмотрим два варианта технологической схемы диалоговой процеду-
ры решения задачи анализа устойчивости рассматриваемой системы. Пред-
положим, что для данного разработчика наименее предпочтительным тех-
ническим средством обеспечения устойчивости объекта регулирования
является изменение его структуры, наиболее предпочтительным — грубая
настройка регулятора. Предпочтительность тонкой настройки регулятора
или использования принудительного демпфирования может быть опреде-
лена липн> в процессе исследования регулятора.
Рассмотрим сначала состав подзадач завершающего этапа принятия про-
ектных решений и их связи с предшествующими этапами анализа (рис.
4.36). Как показано выше, выбор направления поиска проектного решения
(обеспечение устойчивости объекта регулирования за счет демпфирования
или изменения его структуры) существенно зависит от вывода о характере
ТМ * "
^есметрикюаа
а физических
характерис-
тик
объекта
—SO-------
коз^вициен-
иривнений
возмущенной
Движения
3
Расчет
параметров
♦
Расчет
Значений
В°М, ФК)
7
б
Нет
Динамическая
устойчивость
Структурная
неустойчивость
Динамическая
устойчивость
Структурная
устойчивость
Динамическая
неустойчивость
Струитуриия
неустойчивость
В>0
Ч'ьО
' D>0
'f'e.O
D<0
Ve.0
Выбор
параметров
регулятора Тонкая настройка
Грубая настройки
Да
Выбор параметров Демпфирова-
ния колебаний
10
.Регулятор
уприемяен?
Нет
Изменение структуры систе-
мы в целом
'13
!
•3
9
Рис. 4.36. Технология выбора допустимых решений при исследовании динамики
системы
205
неустойчивости объекта. Именно, если объект регулирования структурно
устойчив или структурно неустойчив, то его устойчивость может быть
заведомо обеспечена за счет выбора параметров регулятора соответственно
при грубой (блок 8 на рис. 4.36) или тонкой (блок 9) его настройке.
В принципе в этом случае устойчивость системы может быть достигнута
и за счет принудительного демпфирования колебаний или переделки его
структуры. В случае структурной неустойчивости требуется решение разра-
ботчика о направлении дальнейшего поиска (точка диалога Д1). При ответе
разработчика „Нет” решается задача выбора варианта параметров демпфи-
рующих устройств. При положительном ответе принятый вариант включает
контрольный расчет по схеме.
Если система (4.88) динамически неустойчива, то добиться устойчи-
вости замкнутой системы выбором параметров регулятора невозможно.
В этом случае устойчивость может быть обеспечена за счет демпфирования
(блок 11) или изменения структуры самой системы (вариант „О”) (блок
12). Поскольку этот вариант практически может потребовать изменения
конструкторских решений по другим подсистемам объекта, то в соответ-
ствии с естественным желанием минимизацт корректировок рационально
сделать попытку решения проблемы устойчивости сначала за счет демпфи-
рования, а затем в случае отсутствия приемлемого варианта (исход „Нет” в
точке диалога ДЗ) за счет изменения структуры системы. При положитель-
ном решении проблемы (исход „Да”, блок 11) принятый вариант струк-
туры системы отправляется для контроля на начало анализа с измененными
параметрами. В случае неприемлемости демпфирования (исход „Нет” для
блока 12) означает необходимость изменения структуры системы в целом.
Следует отметить, что для данной системы выбор параметров регуля-
тора не решает проблемы динамической неустойчивости. Это обстоятельст-
во делает рациональным следующий порядок проектной проработки по ти-
пам неустойчивости: если имеется динамическая неустойчивость, то она ана-
лизируется и устраняется в первую очередь; если нет, то это же выполня-
ется для структурной неустойчивости.
ПРОЦЕДУРЫ АНАЛИЗА
Таким образом, состав подзадач и исходных данных для них,
определяемый описанными методами анализа устойчивости, а также рас-
смотренные ограничения на порядок решения этих задач, определяемые
информационными связями и логикой использования критериев устой-
чивости, привадят к следующей процедуре (рис. 4.36).
Предварительный этап. Подготовка информации.
1. Разработчиком вводятся в ЭВМ (блок 1) значения набора физиче- .
ских и геометрических параметров системы, характеризующих ее как
объект исследования-
2. По этим данным вычисляются (блок 3) значения набора характер-
ных параметров системы: zj, z 2, с, 0, у, $, к.
3. Программируются (блок 4) критерии собственной динамической ус-
206
тойшшости и стабилизируемости системы (как функции выбранных харак-
терных параметров).
- 4. Если параметры к, р, с, у, f зависят от времени, то фиксируется мо-
мент времени из заданного рада 0, 1. Вычисляются (блок 4) значения
О(т), Ф (т) для точки т, соответствующей исследуемому варианту схемы
объекта регулирования. Далее процесс разветвляется.
5. Для каждого значения т, если исходная система динамически устой-
чива, стабилизация реализуется путем грубой настройки параметров регуля-
тора (переход к соответствующему алгоритму).
6. Если D (т) >0, но Ф(т) < 0, то система структурно неустойчива и
устойчивость замкнутой системы объект - регулятор может быть обеспе-
чена тонкой настройкой параметров регулятора.
7. Если В(т) < 0 и Ф(т)< 0, то система динамически неустойчива,
устойчивость ее в замкнутом состоянии (с регулятором) не может быть
обеспечена за счет выбора параметров регулятора. Необходим выбор пара-
метров демпфирования или изменения ее структуры.
8. Данные для всего выбранного интервала времени сводятся вместе
и анализируются разработчиком. Сначала проверяются условия блока 5:
если хотя бы для одного т выполняется D(t) < О, Ф (г) < О,то управление
передается на блок И; при положительном решении подзадачи 11 иди 12
(точка диалога Д1) по усмотрешпо разработчика может быть организован
малый цикл по т'(блоки 11-12-5) или большой никл (блоки 12-1, 5;
блоки 13-1,2).
При невыполнении этого условия проверяется условие блока 6. Если
хотя бы для одного т выполняется -О(т) > 0, Ф(т) > О, то управление
передается на блок 9 с аналогичной организацией большого и малого никла
по т; затем аналогично проверяется условие блока 7.
ДИАЛОГ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПРЕДСТАВ-
ЛЕНИЙ
Новые формы взаимодействия человек-ЭВМ, предоставляе-
мые персональным компьютером яри анализе факторов, влияющих на
устойчивость, дают возможность использовать аппарат исследования гео-
метрической конфигурации областей устойчивости и стабилизируемости
системы (4.88). В этом случае наряду с количественными критериями
устойчивости, и стабилизируемости, разработчик может работать с геомет-
рическими представлениями.
Подключение зрительного восприятия, как утверждают психологи,
значительно расширяет возможность ускоренного формирования у разра-
ботчика целостного обзора исследуемого объекта, более полно подключает
интуицию и его опыт при анализе его свойств. Например, с достаточной
степенью точности „запас” устойчивости у системы данной рассматриваемой
структуры может определяться расстоянием от точки линии Г(т) до
границы области устойчивости системы (рис. 4.37).
Таким образом, использование геометрических образов дает возмож-
ность более полно анализировать динамические свойства объекта — разра-
207
Рис. 4.37. Пример взаимного расположения областей устойчивости и линии Г(т)
ботчик вовлекается в диалоговый процесс решения задачи, а это значитель-
но расширяет его возможности. В связи с этим в диалоговой процедуре с
аналитическими критериями устойчивости и стабилизируемое™ целесооб-
разно использовать геометрические представления с выводом соответству-
ющего графического изображения на экран монитора или (и) выдачей
графопостроителем по запросу пользователя соответствующего рисунка.
Использование двумерных геометрических изображений принципиальных
трудностей не вызывает. Развитие математического обеспечения трехмер-
ной графики позволит еще шире использовать геометрические образы при
дальнейшей разработке диалоговых процедур.
В данном случае диалоговая процедура аналитического варианта (схема
на рис. 436) при геометрическом варианте решения теш же задачи заметно
изменяется (схема на рис. 4.38). Предварительно, как и выше, разработала
выбирает (точка диалога Д1) структуру системы, для чего (блок 2) вво- *
дятся соответствующие зависимости характерных параметров и вид функ-
ций D и Ф. Однако затем (блок 3) производится расчет границ областей
устойчивости, нестабилизируемости и динамической неустойчивости из
условий D - 0 и Ф = 0 в пространстве параметров zbz2,r и результаты
для разлшнтых т выводятся на дисплей (или на графопостроителе. Визу-
альный анализ (блок 4) этой картины разработчиком дает возможность
понять, насколько расположение границ областей зависит от момента
времени т. В данном примере в связи с близостью граничных поверхностей,
заданных уравнениями D = О, Ф = 0, к цилиндрическим эти границы фак-
тически неподвижны. Тогда разработчик (точка диалога Д2), естественно,
выбирает направление дальнейших расчетов, связанное с построением всей
траектории Г(т) состояний объекта для всех т (блок 5) и выводом ее на
зкран (блок 6). Визуальный анализ взаимного расположения границ обла-
стей устойчивости системы и траектории дает возможность разработчику
сразу (без организации внутренних циклов по т, как на схеме рис. 4.36)
сделать вывод об устойчивости, если траектория Г(т) на рис. 4.37 не
пересекает заштрихованных областей, о нестабилизируемости или о дина-
208
Рис. 4.38. Схема анализа динамики и выбора характеристических параметров системы
на основе геометрических представлений
мической неустойчивости, если траектория Г(т) на рис. 4.37 пересекает
соответствующие области.
В первом случае (точка диалога ДЗ) разработчик решает, достаточен ли
запас устойчивости, во втором и третьем — в каком направлении и на-
сколько нужно изменить структуру системы так, чтобы траектория вышла
из недопустимых (нерабочих) областей или чтобы области деформирова-
лись в нужном направлении (точка диалога Д4).
В этом случае разработчику достаточно указать направление желаемого
перемещения точки (zj, z$) начала траектории при т = 0. При этом допол-
нительно по его усмотрению могут быть проведены расчеты различных
положений точки (zj, Zq) и деформаций границ при различных сочетаниях
параметров к, 0, f, 7, с в разрешенных пределах их изменения (с запомина-
нием ЭВМ соответствующих значений параметров).
Тогда, если область возможных перемещений точки (zq,Zq) (траекто-
рии) за счет изменения, например, параметров деьшфирования попадает в
допустимую область, то разработчик указывает на изображении желаемую
точку и ЭВМ определяет соответствующее значение параметров, которые
идут на начало процедуры для контрольного расчета. Если область всех
возможных перемещений точки и всей траектории Г(т) не попадает в
допустимую область, то зто является доказательством неразрешимости
задачи устойчивости этими средствами и необходимости перехода к другим,
более сильным (и сложным) средствам, например к перестройке струк-
туры системы и т. д.
209
Заметим, что связь направления перемещения точки в плоскости с
изменением структуры объекта регулирования может быть установлена
(рассчитана) до начала диалога автоматически.
ЗАДАЧА ФОРМИРОВАНИЯМ, СОПОСТАВЛЕНИЯ И ВЫБОРА ДО-
ПУСТИМЫХ РЕШЕНИЙ
Общие замечания. Расчеты параметров zlt z3, с, к, [3, у, а
также функций стабилизируемости ф(г) и собственной динамической
неустойчивости D(t) могут привести, как видно, к трем различным ситу-
ациям: „
Ф>0;£>>0
— система собственно динамически устойчива и одновременно струк-
турно устойчива — наиболее благоприятный вариант;
Ф<0;£»0
— система собственно динамически устойчива и структурно неустойчи-
ва — промежуточный вариант;
Ф< 0; D< 0
— система собственно динамически неустойчива и (как следствие)
структурно неустойчива — худший случай.
Напомним, что в рассматриваемой задаче термины стабилиэируемость и
структурная неустойчивость используются как эквивалентные.
Итак, для данной системы возможны три ситуации, существенно различ-
ные с точки зрения разработчика, которые диктуют и различный выбор
допустимых решений, а именно:
настройку параметров регулятора или изменение его структуры в
целом;
выбор параметров (или способов) демпфирования ^паразитных”
колебаний;
изменение структуры систеъял в целом (конструктивная доработка).
Здесь нет однозначной зависимости методов стабилизации от характера
неустойчивости (это было бы слишком хорошо, чтобы быть правдой!).
В то же время предпочтительность каждого из указанных возможных реше-
ний проявляется достаточно ясно для разработчика, имеющего уже некото-
рый опыт работы с данной системой.
Рассмотрим эти конструктивные решения.
Формирование и выбор допуспвиого варианта параметров регулятора.
Предположим, что разработчику, поставленному перед фактом нестабнпи-
зируемости, необходимо оценить возможность коррекции параметров для
ослабления обнаружешюго неблагоприятного эффекта (блок 8 на рйс.
210
4.35). Реальный регулятор является, как правило, принципиально нели-
нейным элементом, что выражается, в частности, в том, что его характери-
стики Л (со) , <р(са) зависят от амплитуды входного сигнала. Тем не менее
разработчику на первом этапе целесообразно принять для оценочных рас-
четов его линейную модель (блок 2).
Известно, что при колебаниях любых систем демпфирование, хотя и
слабое, всегда существует. Из предварительной оценки на основе теорети-
ческого анализа обычно известно, что случае структурной неустойчивости
системы желательно снизить коэффициент усиления регуляторов в полосе
частот oi, а2 „паразитных” колебаний.
В этом направлении необходимо и действовать, подбирая в режиме
диалога коэффициенты е , е 2 (а возможно, и , к2), не нарушая, однако,
условий устойчивости объект рамках модели (точка диалога Д2). По-
добрав параметры учтя нелинейность регулятора, можно перейти (точка
диалога ДЗ) к нелинейной модели регулятора н провести корректный
расчет предельных циклов в замкнутой системе объект — регулятор.
Редко, однако, вопрос о стабилизации структурной неустойчивости си-
стемы решается так просто. Обычно разработчику приходитст решать
усложненную задачу — выбирать одновременно коэффициенты демпфи-
рования н параметры регулятора в узких пределах возможности.
Здесь н речи не может быть об использовании известных методов
оптимизации (Понтрягина, Веллмана и др.) в сипу „проклятия размер
ности”, поэтому диалог — единственное средство найти приемлемое реше-
ние. Сценарии при этом, выбираеьше по схеме рис. 4.34, естественно,
усложняются. При этом, конечно, как неоднократно подчеркивалось, нужна
предварительная, часто очень трудоемкая работа по анализу тенденции
влияния на устойчивость изучаемых параметров с привлечением как тео-
ретического анализа, так и опыта разработчика. Без такой предварительной
работы никакой диалог у разработчика невозможен (ни с коллегощ ни с
ЭВМ!).
Заметим, что изменение структуры регулятора (именно структуры, а
не параметров) является, как правило, крайне нежелательным для разра-
ботчиков системы управления, так как они постоянно трудятся в условиях.
противоречивости требований к их системе. Поэтому разработчику собст-
венно системы в большинстве случаев приходится в неблагоприятных ситу-
ациях искать решение в рамках самой системы, не предъявляя дополнитель-
ных требований к системе регулирования.
Формирование и выбор допустимых вариантов демпфирования коле-
баний. Предположим, что в обобщенном пространстве параметров объек-
та (zt, zt) выбраны области, в которых объект управления является не-
стабилизируемым. Допустим далее, что разработчику необходимо изу-
чить возможность устранения этой неблагоприятной ситуации с помощью
внедрения дополнительного демпфирования (блок 21 рис. 4.35). Проана-
лизируем структуру диалога в этом случае. Демпфирование колебаний,
как правило, нелинейное, обычна формирует предельный цикл, ампли-
211
туда которого определяется равенством энергии, поступающей и рассеи-
ваемой в системе.
Несмотря на объективные нелинейности, разработчику, тем не менее,
при первой прикидке целесообразно обратиться к грубой линейной мо-
дели диссипативных сил и путем математического анализа эксперимента
(на основе, например, метода корневого годографа) вычислить требуемые
для устойчивости коэффициенты демпфирования с учетом необходимых
запасов. Далее среди известных технологически оправданных решений
следует выбрать способ реализации этого демпфирования („пассивное”
или „активное”) и затем, оценив выбранный вариант по линейной моде-
ли, произвести корректный расчет амплитуды предельных циклов.
Если найденные параметры предельных циклов допустимы, то зада-
чу следует считать решенной. Во всех других случаях разработчик должен
продолжить диалог с ЭВМ, выбрав подходящий сценарий на основе схе-
мы на рис. 4.35 до получения требуемых рекомендаций.
Формирование и выбор наилучшей структуры системы. Иногда воз-
никают ситуации (D < 0; Ф < 0), когда устранить неустойчивость объек-
та регулирования средствами регулятора принципиально невозможно
(случай собственной динамической неустойчивости объекта регулирова-
ния). Тогда разработчику приходится изучать вопрос о коррекции уже
выбранной структуры системы, или (в более сложных случаях) вопрос
о возможном предпочтении одной структуры другой.
В точке диалога Д1 (см. рис. 4.35) разработчик может рассмотреть
ряд вариантов. Меняя отдельные элементы системы, а также .характер
связи между ними, мы тем самым меняем конфигурацию областей ста-
билизируемости и расположение пинии Г(т) в них (см. ,Диалог с ис-
пользованием геометрических образов”). В процессе реализации такого
математического эксперимента можно определить тенденции изменения
структуры, приводящие к устранению эффекта собственной неустойчи-
вости и резкому ослаблению требований к характеристикам демпфирова-
ния и параметрам регулятора.
Что при этом видит разработчик на экране монитора? Вообще говоря,
границы областей устойчивости в пространстве параметров объекта, а так-
же положение линии Г(т) по отношению к ним. Задача размещения линии
Г(т) в нужной области пространства напоминает игровую задачу (меняя
параметры, меняем ситуацию на экране). Конечно, она может и не иметь
решения, но в тех случаях, когда оно есть, находится довольно просто.
Переход от обобщенных параметров к собственно параметрам системы
может быть непростым, но принципиальных затруднений не Вызывает.
Практически процесс оптимизации динамических свойств проектируемой
системы может именно так (или почти так) и выглядеть.
АРМ инженера — попытки практической реализации. Анализ пробле-
мы динамической устойчивости системы показывает, Что традиционная
для инженера „классической” школы глубокая качественная проработ-
ка сути вопроса в век компьютеризации столь же необходима, как и в
212
докомпьютерное время. Перспектива использования в качестве инстру-
мента анализа персонального компьютера позволяет лишь расширить
круг решаемых вопросов внутри данной проблемы, еще более подняв
достоверность окончательных выводов. В то же время такая качествен-
ная проработка проблемы определяет требования к двум важнейшим
компонентам использования ЭВМ — интерфейсу человек — ЭВМ и пол-
ноте функции требуемого программного обеспечения. К сожалению, как
указывалось, чаще ситуация такова, что не ЭВМ выбирают „под задачу”,
а задачу решают в рамках возможностей имеющегося в наличии компь-
ютера. Примерно так и получилось с реализацией АРМ инженера-разра-
ботчика.
Первая попытка реализовать АРМ на базе задач § 4.1, 4.2 была свя-
зана с использованием ЭВМ БЭСМ-б, которая в первых своих выпусках
была действительно „персональной” ЭВМ, правда, очень дорогой. Харак-
теристики и возможности этой ЭВМ широко известны. Работа с этой вы-
числительной машиной позволила уточнить необходимую схему работы
по данной проблеме (см. рис. 4.35), однако реализация диалоговых про-
цедур оказалась далеко не простым делом в силу ограниченных возмож-
ностей операционной системы БЭСМ-6. Работа инженера на такого рода „соб-
ственном АРМ” также оказалась далеко не легкой, так как сервисные
возможности этой ЭВМ для пользователя были также достаточно скром-
ными.
С появлением принципиально нового класса ЭВМ — персональных
компьютеров — идея автоматизированного рабочего места во всех сфе-
рах деятельности получила новую мощную ноддержку.
АРМ инженера; реализующее диалоговые процедуры исследования
устойчивости движущихся систем, где активно использовались модели
Мо, Mt, М2, было реализовано на ПЭВМ „Электроника ДЗ-28” (рис. 4.39).
Рис. 4.39. Вычислительная микросистема на базе микроЭВМ „Электроника ДЗ-28
213
Некоторые характеристики микросистемы „Электроника ДЗ-28”:
Процессор..................
Дисплей....................
Принтер....................
Емкость памяти (ОЗУ).......
Внешняя память.............
Языки программирования . . .
Число команд...............
Производительность при выпол-
нении операций Бейсика, мс:
сложения, вычитания ....
умножения...............
деления ................
извлечения корня........
тригонометрических функ-
ций ..................: .
микроЭВМ „Электроника ДЗ-28”
15ИЭ 200X170-017 или 15ИЭ-00-
-13 24X80
термопринтер Г5ВВП8ОС02 или
УВВПЧ-0004
32 Кбайт
кассетный накопитель МК-60 ем-
костью 2X200 Кбайт
мнемокод, Бейсик-интерпретатор
470
1,5
20
20
80
100
' Новым и привлекательным моментом здесь являлась реальная ,.персо-
на льность” компьютера, позволяющая разработчику проводить анализ
в созданной им операционной и информационной среде, в своем темпе
и в то время, когда зто удобно. Заметим, что этому фактору не зря при-
дается сейчас все большее значение как важнейшему источнику повыше-
ния эффективности работы инженера в целом. Ощущение комфорта во
многих случаях позволяло закрыть глаза на множество мелких неудобств,
связанных с реальными возможностями „Электроники ДЗ-28”. Эти воз-
можности, как видно, весьма ограничены. Функции операционной систе-
мы здесь в какой-то мере выполняет алгоритмический язык Бейсик, дале-
ко не в лучшей версии. По существу диалог человек-ЭВМ замыкается
лишь на вычислительной стороне проблемы (анализ моделей Мо, Mi, М2).
Ни обработка текста, ни графика, ни тем более серьезные базы данных
не могли быть использованы из-за скромных возможностей техническо-
го и полного отсутствия системного (программного) обеспечения. Все,
что требовалось для программной поддержки автоматизированного рабо-
чего места, приходилось делать разработчикам. В конечном счете реали-
зация рассматриваемого АРМ на „Электронике ДЗ-28” позволила техно-
логическую схему на рис. 434 превратить действительно в систему диало-
говых процедур, решающих требуемый комплекс задач, цравда, ценой
исключения модели М2 из-за ограниченной памяти.
Относительная полнота созданного программного обеспечения тако-
го АРМ (в его вычислительном аспекте), заметная комфортность исполь-
зования, опыт эксплуатации АРМ в целом дают довольно ясное представ-
ление о том, как такое АРМ должно выглядеть в современных условиях.
Хочется верить, что в цепочке технических средств БЭСМ-6 - „Элект-
роника ДЗ-28” — современный персональный компьютер осталось сделать
последний шаг, переложив диалоговые процедуры рис. 4.34, как на музы-
ку, на программное обеспечение, допустим ЕС-1841, удовлетворив самые
214
изысканные вкусы инженеров-разработчиков этого профиля от элегант-
ных баз данных до совершенного редактора и цветной графики, в реаль-
ном масштабе времени показывающей процесс установления колебаний
в системе. Конечно, и итоговый отчет самого высокого качества должен
быть напечатан на том же компьютере.
Глава 5
ПЕРСОНАЛЬНАЯ ЭВМ В ФОРМИРОВАНИИ ИНЖЕНЕРА:
ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ
5J. ЗАДАЧИ СОВРЕМЕННОГО ОБРАЗОВАНИЯ И ЭВМ
НА ПУТИ К ВСЕОБЩЕЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ ГРАМОТНОСТИ
В предыдущих разделах книги описаны особенности архи-
тектуры современных ПЭВМ и их программного обеспечения, АРМ, но-
вые средства диалога. Все это предполагает наличие у пользователя опре-
деленного уровня знаний и навыков работы с этими средствами. Такой
уровень должна обеспечить система образования, рассматриваемая в пол-
ном объеме. В этой главе обсуждается ряд проблем, возникающих в усло-
виях перехода к массовому использованию новой техники в сфере обра-
зования - одной из важнейших областей компьютеризации.
По оценке академика А. П. Ершова, к началу нового века число ис-
пользуемых в стране ПЭВМ и АРМ приблизится к 200 млн. На каждого
активного члена общества будет приходиться по одной машине. Встроен-
ные микроЭВМ будут исчисляться миллиардами, а число входов в нацио-
нальную сеть передачи информации — сотнями миллионов (это в десятки
раз больше, чем сейчас телефонов).
Итак, вполне правомерна постановка вопроса о ликвидации компью-
терной неграмотности населения. По масштабам эта задача сравнима с об-
разовательной кампанией 20-х годов, а по сложности неизмеримо превы-
шает ее. Неслучайно в первую очередь здесь оказалась задействованной
средняя школа, работающая с наиболее массовыми контингентами уча-
щихся. С 1985 г. в 9—10 классах изучается предмет „Основы информати-
ки и вычислительной техники”. Явление беспрецедентное: как указывает
А. П. Ершов, еще пять-шесть десятилетий назад не было никаких пред-,
посылок к появлению информатики, а сегодня без нее не мыслится со-
временное образование.
Умение общаться с ЭВМ должно стать таким же естественным для
каждого образованного человека, как знание грамматики, арифметики
или физики. Есть и другие причины, требующие обеспечения компьютер-
ной грамотности учащихся. Бурное развитие науки, лавинообразный рост
объема информации об окружающем мире предъявляют совершенно но-
215
вые требования к содержанию образования, к объемам знаний выпуска-
емых специалистов^ При старых методах представления информации слож-
ность учебных программ близка к предельной. Сроки обучения увеличи-
вать невозможно, поэтому единственным средством модернизации учеб-
ного процесса, адекватным требованиям сегодняшнего дня, является
применение ЭВМ и математических методов обработки информации.
Не менее сложные задачи стоят перед системой повышения квалифи-
кации. Здесь нельзя ограничиваться элементами компьютерной грамот-
ности. Специалисты должны уверенно применять ЭВМ в своей профес-
сиональной сфере. Та же система повышения квалификации должна под-
готовить преподавателей нового школьного предмета „Оснрвы информа-
тики и вычислительной техники”, для этого обучение предстоит пройти
сотням тысяч преподавателей математики и учителей физики.
Итак, компьютеризация образования — действительно объективная
и острая необходимость, которая влечет за собой огромный комплекс
проблем, связанных с выполнением противоречивых требований: обес-
печить подлинную массовость образования при высоком качестве обу-
чения.
ИЕРАРХИЯ УРОВНЕЙ ОБУЧЕНИЯ
Подготовка специалистов в области использования. ЭВМ
должна осуществляться дифференцированно. Это находит отражение в
разработанных квалификационных требованиях, которые предусматри-
вают, что каждый выпускник среднего учебного заведения (школы, ПТУ,
техникума) должен получить четкое представление о возможностях вы-
числительной техники и хотя бы минимальные навыки программирова-
ния на одном из алгоритмических языков. Предполагается, что такая
подготовка позволит им активно включиться в работу с ЭВМ в своей
профессиональной деятельности, а тем, кто будет продолжать обучение,
создаст базу для овладения программами высшей школы.
Подготовка специалистов высшей школы в области применения вычис-
лительной техники подразделяется на базовую и специальную. Базовая под-
готовка имеет цепь дать специалисту необходимые сведения о вычислитель-
ной технике и программировании, методике математического моделиро-
вания и решения задач на ЭВМ, привить ему навыки подготовки программ
на ЭВМ. Специальная подготовка предназначена для расширения знаний и
упрочения практических навыков в таких областях как микропроцессор-
ная техника, САПР, АСУТП, автоматизированные системы научных исследо-
ваний и т. д.
Определены три уровня базовой и два уровня специальной подготовки
по каждому из перечисленных направлений. Первый уровень базовой
подготовки — уровень массового пользователя. Он обеспечивает знакомст-
во специалиста с возможностями использования вычислительной техники в
своей и смежных специальностях, владение навыками расчетов на ЭВМ,
216
умение составить на одном из алгоритмических языков программу реше-
ния задач и подготовить ее к выполнению на ЭВМ. Объем подготовки спе-
циалиста первого уровня составляет 70-120 ч учебного времени, из них не
менее половины отводится на практические занятия. Для приобретения
практических навыков обучаемых в ходе подготовки самостоятельно решат
ет с использованием ЭВМ 10 — 15 задач. По завершении курса обучения
учебными планами института предусматривается практическое использова-
ние студентом ЭВМ для решения задач по другим дисциплинам из. расчета
3 — 5 ч контактного времени использования ЭВМ в неделю. Из зарубежных
источников и отечественного опыта известно, что эта цифра является мини-
мальной для приобретения студентом требуемых навыков общения с ЭВМ.
Второй уровень подготовки — уровень большей специализации, однако
по существу он только соответствует массовой подготовке хотя и в мень-
ших масштабах. Он предусматривает, что специалист владеет методами раз-
работки алгоритмов и программ решения задач на ЭВМ по специальности
методами моделирования процессов, знает н использует алгоритмические
языки программирования и языки управления заданиями операционных
. систем.
Третий уровень базовой подготовки предполагает, что наряду со знани-
ями обусловленными вторым уровнем, специалист владеет методами сис-
темного программирования, оптимизационными методами решения задач
по специальности, знает методы организации данных в ЭВМ, умеет разраба-
тывать пакеты прикладных программ по специальности и включать их в
математическое обеспечение ЭВМ, Первый уровень базовой подготовки
назначается студентам, в профессии которых вычислительная техника явля-
ется вспомогательным средством. Специалисты этой категории по мере по-
полнения прикладного программного обеспечения ЭВМ, относящегося к их
предметной области, должны стать программирующими пользователями,
умеющими эффективно использовать возможности ЭВМ при выполнении
своих служебных обязанностей.
Второй уровень базовой подготовки назначается студентам, готовящим-
ся к широкому использованию вычислительной техники н различных авто-
матизированных систем на базе вычислительной техники. К этой категории
относятся студенты, будущая профессиональная деятельность которых свя-
зана с различным проектированием, исполнением большого количества
расчетов и т. д.
Третий уровень базовой подготовки назначается студентам, будущая
профессиональная деятельность которых связана с проектированием вычис-
лительной техники программного обеспечения ЭВМ, а также различных
автоматизированных систем на базе вычилнтельной техники.
Важную роль в настоящее время играют факультеты и курсы повыше-
ния квалификации. Действительно, в такой области, как вычислительная
техника, технические средства через каждые 5—7 лет полностью обновля-
217
готся. Сама вычислительная техника завоевывает все новые области при-
менения. Читаемые в вузах курсы не всегда поспевают за этими темпами,
и только система ФПК и ИПК может вооружить инженера информацией
с переднего края науки, реализуя по существу следующий уровень — по-
следипломной подготовки.
ОРГАНИЗАЦИЯ НЕПРЕРЫВНОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ПОДГОТОВКИ
Сейчас, когда обучение основам вычислительной техники
начинается в средней школе (ПТУ, техникуме), продолжается в вузе,
а конечной целью имеет удовлетворение потребностей производства, осо-
бенно важно обеспечить непрерывность подготовки в цепочке „школа —
вуз — производство”, используя преемственную техническую базу и об-
щие методические концепции.
Основные направления использования ЭВМ для обучения следующие:
алгоритмизация решения задач как средство развития логического
(формального) мышления;
• моделирование явлений и процессов в целях совершенствования про-
цесса познания;
информационное обслуживание для расширения возможностей па-
мяти;
формирование у обучаемого профессиональных навыков для его
будущей практической деятельности.
В соответствии с указанными направлениями в учебных заведениях
целесообразно организовывать следующие классы (кабинеты) для авто-
матизированного обучейия (рис. 5.1): классы алгоритмизации, модели-
рования, информационные кабинеты (в школах) и сети (в вузах), клас-
сы автоматизации (классы тренажеров в ШУ, межшкольных УПК, клас-
сы АСНИ, САПР, АСУТП в вузах).
Для успешной разработки комплекса аппаратно-программных средств
необходимо учитывать следующие факторы:
нужна полная преемственность технических и программных средств
пвсольной и вузовской информатики по отношению к унифицированным
средствам микропроцессорной техники массового применения в промыш-
ленности (САПР, ГАП, автоматизация управленческой деятельности, ин-
формационные системы и др.);
качество обучения решающим образом зависит от числа рабочих мест
в создаваемых автоматизированных обучающих системах (АОС); только
применение ПЭВМ позволяет обеспечить рост числа рабочих, мест без ус-
ложнения системного программного обеспечения и ухудшения эксплуата-
ционных характеристик АОС.
21»
Области применения ЭВМ
Формирование
профессиональных навык
Информационное
обслуживание
Моделирование
процессов
Ялгоритмизаци.
задач
ВУЗ
Школы,
ДТУ,
техникумы
в
S
Рис. 5.1. Уровни компьютерной грамотности:
1 — минимальный; 4 — максимальный
Техническое обеспечение
компьютерной орамотности
школьные ЭВМ
Отличительной особенностью парка учебных ПЭВМ является необхо-
димость соблюдения комплектности поставок для организации учебных
классов. Номенклатура учебных ПЭВМ должна в минимальных конфигу-
рациях смыкаться с перспективными моделями программируемых микро-
калькуляторов, а в максимальных — с моделями ЕС ЭВМ и СМ ЭВМ ( в ре-
жиме терминалов).
СТРУКТУРА ПАРКА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ.
ПЭВМ - ТЕХНИЧЕСКАЯ БАЗА МАССОВОГО ОБУЧЕНИЯ
Сравнение разных средств и методик обучения — дело до-
вольно сложное и неблагодарное. Во-первых, очень трудно в организаци-
онном плане поставить „чистый эксперимент”. Во-вторых, понятие каче-
ство знаний весьма слабо формализовано и оценивается во многомсубъ-
ективно. Наконец, результаты обучения в полной мере проявляются лишь
через длительное время. Тем не менее на основе изучения технических
характеристик (средств вычислительной техники) СВТ и материале®
журнальных публикаций можно провести сравнение эффективности обу-
чения при использовании учебного класса ПЭВМ, с одной стороны, и си-
219
стемы коллективного пользования (СКП) на базе средней или мини-
ЭВМ — с другой.
Безусловно, сравнение имеет смысл лишь при условии достижения
поставленной цели обучения в обоих вариантах конфигурации техниче-
ских средств. Критериями могут быть вычислительная производитель-
ность (время решения задачи, точность), стоимость обработки данных,
сервисные удобства, простота освоения техники и т. д.
Обратимся вначале к описанному в литературе эксперименту с вы-
полнением задачи экономического моделирования в СКП и на ПЭВМ.
Программы были составлены на близких версиях одного и того же язы-
ка и имели аналогичные параметры. Время работы центрального процес-
сора большой ЭВМ, как и ожидалось, было менее 5 мин, в то время как
на ПЭВМ вычисления продолжались около 2 ч. Однако полное время про-
хождения задания в СКП составило 7 ч 28 мин, что значительно уступает
результату ПЭВМ [ 25 ].
Вывод отсюда может быть только один: мощные ЭВМ целесообразно .
использовать в основном для решения крупйых задач, требующих огром-
ных объемов памяти и значительных скоростей обработки, недоступных
ПЭВМ. При выполнении же большого числа мелких задач резко возраста-
ют потери времени в связи с непроизводительной работой по непрерыв-
ному перераспределению вычислительных ресурсов СКП, что еще более
усугубляет организационные неудобства, изначально заложенные в систе-
мах с разделением Времени. Очевидно, именно ПЭВМ в состоянии разгру-
зить крупные ВЦ, взяв на себя значительную часть такой „мелочи”. Клас-
сы задач, которые целесообразно „поручать” ПЭВМ, перечисляются в
табл. 5.1.
Большой интерес представляет опыт Union College (США), где обучение
нескольких сотен студентов основам вычислительной техники проводи-
лось несколько лет с использованием двух конфигураций учебных клас-
сов: шесть ПЭВМ Apple III и мини-ЭВМ PDP-11/34 с шестью терминалами.
Вот выводы, полученные авторами статьи [108] (см. также табл. 5.2):
стоимость класса ПЭВМ ниже на 50-70%;
стоимость обслуживающего персонала для мини-ЭВМ составила 10 ты-
сяч долл, в год, в то время как для ПЭВМ дополнительный штат не требу-
ется;
стоимость технического обслуживания ПЭВМ на порядок ниже; они
проще тестируются; кроме того, при необходимости ремонта или замены
ПЭВМ легко транспортируются в автомобиле;
скорость работы мини-ЭВМ более чем вдвое превышает скорость
ПЭВМ, также быстрее происходит обращение к дисковой памяти; в PDP-
11/34 аппаратно реализована система с плавающей точкой;
компактность и транспортабельность ПЭВМ имеют оборотную сторо-
ну: их легче украсть;
в обоих вариантах имеются основные языки программирования:
Бейсик, Паскаль, Фортран и др.;
220
Таблица 5.1. Эффективность применения ПЭВМ для решения некоторых задач
Типичные численные задачи Требования к Нелесооб- разность примене- ния ПЭВМ
времени счета емкости памяти точ- ности вводу- выводу
Нахождение корней алгебраиче- ских и трансцендентных уравне- ний н н с н + +
Решение линейных алгебраиче- ских уравнений н с с н +
Нахождение собственных значе- ний с с с с +
Построение кривых н н н н + +
Интерполяция и аппроксимация н н н н + +
Численное интегрирование и диф- ференцирование н н н н + +
Решение обыкновенных диффе- ренциальных уравнений н н н с + +
Решение уравнений в частных производных с в с в —
Оптимизация в н с н —
Примечание- Н - низкие требования, С - средние, В ма целесообразно, + - целесообразно, - - нежелательно. - высокие, + + - весь-
Таблица 5.2. Персональные ЭВМ и терминальные классы
(сравнительный анализ)
Критерий Персональные Мини-ЭВМ
сравнения ЭВМ (6 шт.) и 6 дисплеев
Стоимость, относит, ед. 1 2
Необходимость в специальном персонале Нет Есть
Стоимость ремонта, относит, ед. 1 10
Скорость обработки числовых данных Низкая Высокая
Точность Средняя Высокая
Языки программирования Основные Все
Преемственность обучения и использования Есть Более
вычислительной техники высокая
Наличие мощных баз данных Нет Есть
для мини-ЭВМ, которые существуют дольше, разработано больше
пакетов прикладных программ, имеются многочисленные объединения
пользователей;
обе системы имеют возможности расширения, но ограничения по
объёму памяти для ПЭВМ более жесткие;
надежность системы ПЭВМ в целом значительно выше: при отказе
одной из машин остальные продолжают работу; отказ мини-ЭВМ приво-
дит к прекращению работы на всех терминалах; '
221
мини-ЭВМ предоставляют лучшие возможности работы с большими
базами данных;
удобным носителем информации (в том числе студенческих программ)
являются гибкие диски, которые можно хранить даже и тетради. На ПЭВМ
они имеются, возможно оснащение ими и мини-ЭВМ;
цели достигаются в обоих случаях приблизительно в равной мере.
Приведенных данных достаточно, чтобы вместе с авторами сделать
вывод о предпочтительности ПЭВМ как более дешевой, компактной и на-
дежной альтернативы. Напомним в этой связи известный прогноз исхода
сражения тысячи пехотинцев с Голиафом, у которого в день боя случи-
лось расстройство желудка [50].
Вот еще один пример. Известная американская обучающая система
Plato на основе мощной ЭВМ фирмы Control Data Corporation потребовала
за 20 лет свыше 900 млн. долл, на исследования и разработки. В результа-
те 1 ч обучения на ней студента стоил в среднем 3,2 долл, (при традици-
онной методике этот показатель составляет 1,4 долл.). В то же время эта
система не давала оснований говорить о существенном повышении успе-
ваемости. Когда же с 1982 г. система Plato появилась в варианте ПЭВМ,
ее использование за год возросло на 20%. Применение ПЭВМ позволило
снизить стоимость учебного места, оборудованного дисплеем, с 5 до 1 тыс!
долл. В пересчете на учебный час это составляет 1,5 долл.
Из изложенного ясно, что благодаря ряду своих особенностей ПЭВМ
могут и должны активно использоваться в высшей школе. Однако было
бы неверным на этом основании полностью свернуть применение больших
и средних ЭВМ, особенно там, где они уже успешно функционируют. Для
них разработано много программных средств, накоплен большой опыт.
В своей профессиональной деятельности очень многие выпускники встре-
тятся и с ЕС-ЭВМ н с СМ ЭВМ, к чему они должны быть готовы. Поэтому
речь идет не о замене одной техники другой, а об их разумном сочетании.
По нашему мнению, не менее 75% всех СВТ высшей школы должны со-
ставлять ПЭВМ, а остальную долю — большие и мини-ЭВМ.
Исходными материалами для такого вывода послужили, в частности,
и упоминавшиеся требования к подготовке студентов по трем уровням
использования вычислительной техники. Для нужд первого, уровня (не-
сколько миллионов студентов) достаточно ресурсов ПЭВМ*. Велика их доля
и среди СВТ для второго уровня (порядка 1 млн. студентов). И только
на третьем уровне, где предполагается более углубленное изучение раз-
личных вычислительных средств и программных комплексов, ПЭВМ
уступают ведущее положение. Но этот уровень — самый немногочислен-
ный (менее 100 тыс. человек). Учитывались также потребности в вычис-
лительной технике для научных исследований, в системе повышения ква-
лификации и т. д. Не была обойдена вниманием и парадоксальная на
первый взгляд точка зрения, согласно которой ЭВМ: в вузах должны в
первую очередь использоваться не для расчетов. А. для. чека же?* Для
выполнения тех работ, которые без компьютеров невозможны или-вы-
222
полняются с гораздо худшим -качеством: для информационного поиска,
в качестве множительной техники (с широкими возможностями трафи-
ки и обработки текстов), для выполнения чертежных работ, схем, диа-
грамм и т. п., и, наконец, для вычислительных экспериментов, модели-
рования процессов, работы с базами знаний. В этом списке также есть
хорошие возможности „разделения труда”: его большую часть вполне
могут взять на себя ПЭВМ, оставив информационный поиск и решение
задач большой размерности высокопроизводительным компьютерам.
Вероятно, в условиях насыщения вычислительной техникой она и
будет использоваться с такими приоритетами. Сейчас, однако, основное
применение ЭВМ в вузе — автоматизированные обучающие системы и рас-
четы по прикладным Программам. Нужно иметь в виду, что в начале ны-
нешней пятилетки „среднегодовая потребность высшей школы в ЭВМ и
периферийных устройствах удовлетворялась только.на 15%” [15]. Наи-
большие трудности вызывала комплектация запоминающими устройст-
вами на магнитных дисках и терминалами (дисплеями). Причиной здесь
явилось отставание технологического уровня в промышленности СВТ
от современных требований к таким прецизионным устройствам, как
дисководы и т. п. (см. гл. 1).
Следствием явилось то, что к середине 80-х годов основу вузовско-
го парка ЭВМ составляли малые машины выпуска 70-х годов типа ,Даи-
ри” и др., дополненные некоторым количеством машин серий ЕС ЭВМ и
СМ ЭВМ, как правило, в минимальной конфигурации. Как указывали
сотрудники НИИ проблем высшей школы [77, 80], парк ЭВМ в вузах на
69% состоял из устаревших и малопроизводительных моделей. Отсутст-
вие терминалов и запоминающих устройств не позволяло организовы-
вать дисплейные классы, препятствовало внедрению автоматизировав-
ных обучающих систем. На одну ЭВМ приходилось в среднем до 350 сту-
дентов, на одну большую ЭВМ - около 1500, а в некоторых регионах
(Центрально-Черноземный, Сибирь, Дальний Восток) - свыше 2000 че-
ловек. Такая техническая база предопределяла и способ ее использова-
ния. Широко распространены были изучение студентами одного из язы-
ков программирования для больших ЭВМ (Фортран, ПП/1), составле-
ние учебных программ, а затем в лучшем случае - отладка их в пакетной
режиме. При этом студент за семестр успевал полностью решить на ЭВМ
неболее двухзадач.
Значительная часть -времени при таком способе обучения тратилась
на изучение особенностей конкретной ЭВМ и операционной системы
(обычно — языка управления заданиями ОС ЕС). Полученные при этом
знания и навыки очень быстро устаревают и становятся балластом при
изучении методов применения средств информатики. Пакетный режим
работы сохраняется -и поныне в ряде институтов. Организационные не-
удобства, длительное время ожидания результатов, значительное коли-
чество ошибок при подготовке данных, в которых порой виноваты вов-
се не студенты, не позволяют достичь целей обучения и, более того, спо-
223
собствуют формированию у студентов негативного отношения к вычис-
лительной технике.
В вузах ЭВМ используются, как правило, не только в учебном процес-
се, но и в научно-исследовательской работе. Здесь также возможности тех-
ники зачастую приходят в противоречие с требованиями решаемых задач.
В ряде случаев приходится выполнять НИР на заведомо устаревшем обо-
рудовании. В то же время решение научных задач, как правило, не требу-
ет организации дисплейных классов, вполне достаточно наличия несколь-
ких терминалов. Снижены также требования к средствам сервиса, времени
реакции на действия пользователя. Что касается неполной комплектации
учебных кабинетов, то существует мнение, что 2 — 3 терминала на группу
студентов — хуже, чем ничего: это лишь создает иллюзию обучали.
Использование учебных классов на основе ПЭВМ позволяет сдать в
архив большинство из отмеченных негативных моментов и организовать
подшншо массовое обучение на уровне требований сегодняшнего дня.
В последнее время уделяется большое внимание внедрению новых техно-
логий обучения на базе широкого применения ВТ. Решением партии и пра-
вительства предусматривается приоритетное оснащение системы образова-
ния вычислительной техникой. К концу XII пятилетки в высшей школе
будет создано 130 тыс. рабочих мест, оснащенных терминалами или ПЭВМ.
5.2 ПЕРСОНАЛЬНЫЕ ЭВМ В ТЕХНИЧЕСКОМ ВУЗЕ
ЕЩЕ ОДИН ВЗГЛЯД НА ОБУЧЕНИЕ
Известные неудачи меценатского подхода к применению
компьютера в образовании, основанные на чересчур буквальном приме-
нении лозунга „техника решает все”, породили широкую негативную
реакцию. Появились многочисленные критические обзоры, в которых
98% учебных программных средств для ПЭВМ выставлялась оценка .не-
удовлетворительно”. Появилась и тенденция к пересмотру роли компью-
тера в учебном процессе. По мнению автора работы [4], „...вернее всего
начать с уяснения того, как человек учится и каким образом микрокомпь-
ютер может помочь учиться”.
Учитывая невозможность дробления групп учащихся — единственного
очевидного метода повышения эффективности обучения — по экономи-
ческим причинам, предлагается полностью поручить функцию управле-
ния учебной деятельностью персональному компьютеру. Преподаватель
получает возможность вести индивидуальную работу с учащимся. Работа
же с остальными проходит под управлением программы, входящей в си-
стему „Наставник”. Авторами учебных курсов в системе „Наставник”
учитывается и специфика изучаемого предмета, и вариации в поведении
учащихся. Чтобы обеспечить усвоение материала в свободном, посильном
каждому из них темпе, система загружает в диалоге необходимое котшче-
224
ство упражнений. Принимая за отправную точку то, что .дидактический
эффект порождается не в результате электронного предъявления мате-
риала, а ... в зависимости от добротности материала по существу и от дей-
ственности управления его проработкой”, авторы системы демонстрируют
весьма простую и гибкую конфигурацию. Программируемый калькуля-
тор либо простейшая ПЭВМ с интерпретатором языка ДССП и текстом
системы в ПЗУ могут стать ядром комплекта на 8-32 учащихся; учеб-
ный материал представляется в виде специально структурированных книг.
МЕТОДИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ОБУЧЕНИЯ
До сих пор приходится встречаться с мнением, что для
организации автоматизированного обучения достаточно приобрести обо-
рудование и написать (либо где-то позаимствовать) программы, отража-
ющие содержание предмета. При этом упускается из Виду ключевая роль
методического обеспечения учебного процесса. Отсутствие продуманной
методики проведения занятий сводит в ряде случаев роль студентов
к бездумному нажатию определенной последовательности клавиш и вкле-
иванию в тетрадь- распечаток результатов. При отсутствии принтера до-
бавляется еще одно „содержательное” занятие: списывание результатов
с экрана.
Необходимо с самого начала занятий выработать у студентов пони-
мание того факта, что применение ЭВМ в образовании вызвано не данью
моде и не любовью к аттракционам, что компьютер может стать незаме-
нимым помощником в овладении знаниями, что его дидактический по-
тенциал огромен (но тем не менее ограничен, и эти границы также сле-
дует четко представлять).
Добиться такого понимания непросто. Его зачастую нет н у препо-
давателей. Как известно, первые попытки компьютеризации натолкну-
лись в ряде учебных заведений США на резко выраженную оппозицию
наиболее консервативной части преподавателей. Одни не желали тратить
время и усилия на овладение новой техникой, другие не собирались рас-
ставаться с привычными, апробированными за годы работы приемами
и методами, третьи просто боялись оказаться ненужными. Между тем
компьютер не может и не должен полностью заменять преподавателя, он
скорее выполняет функции ассистента, нежели наставника. Он в состоя-
нии взять на себя наиболее рутинную, нетворческую часть педагогическо-
го труда, позволяя преподавателю сосредоточиться на основном содер-
жании предмета и на процессах передачи знаний.
В докомпьютерную эпоху основными средствами обучения были
учебник и лекция. Но по одному и тому же учебнику занимаются тыся-
чи студентов, одну н ту же лекцию слушают сотни человек. Компьютер
дает возможность индивидуализировать процесс обучения. Сидя за тер-
8 Зак.854 225
миналами персональных ЭВМ, студенты могут работать в своем собст-
венном, удобном темне. „Отличники” не томятся в ожидании „отста-
ющих”, решая более сложные задачи, а те, в свою очередь, могут в зло-
бой момент вернуться к неусвоенному разделу, не исиытывая никакого
дискомфорта от соседства с более ,быстрыми” товарищами. ЭВМ пред-
лагает каждому персональное задание, оценивает ответ, при необходи-
мости дает подсказку, напоминает материал, отсылает к другим разде-
лам курса, а при необходимости направляет студента к преподавателю.
Об этих и других возможностях см. в разделе Программное обеспече-
ние учебного процесса”.
Разумеется, такая организация обучения предъявляет новые требо-
вания к преподавателям. Одно из основных — уверенное владение тех-
никой. Кроме того, педагог должен обладать быстрой реакцией при от-
ветах на вопросы студентов, при их ошибочных действиях, в непредви-
денных ситуациях. Особенно трудно мгновенно переключать внимание,
когда каждый выполняет персональное задание, работая в собственном
ритме. Избалованный автоматикой студент ожидает и от преподавателя
столь же быстрого и точного ответа, как и от компьютера. В связи с но-
вым содержанием педагогического труда возникает вопрос об оптималь-
ной численности учебной группы. По-видимому, на лабораторных заня-
тиях она не должна превышать 10—12 человек.
Рис. 5.2. Персональные компьютеры в обучении:
а) на дому; 6} в учебных заведениях
226
' Новый подход необходим и при создании учебных пособий. Автома-
тизированные учебные курсы не должны сводиться к „электронному
перелистыванию страниц”. Не следует повторять и негативные стороны
опыта „программированного обучения”, когда под новизной методики
зачастую понималось всего лишь расположение небольших порции тради-
ционного материала на разных страницах учебника. Как свидетельствует
уже упомянутый опыт [4], очень хорошие результаты дает применение
специально разработанных печатных пособий в сочетании с обучающи-
ми программами. Это значительно экономит память ЭВМ, кроме того,
книга читается гораздо легче, чем текст на экране дисплея.
Отметим, что испожзование обучающих систем на ПЭВМ может вы-
звать следующие трудности методического характера; ,
сложнее организовать эффективную обратную связь между студен-
тами и преподавателем;
затруднен контроль успеваемости и сбор статистических данных об
использовании ЭВМ;
имеется проблема защиты программного обеспечения (учебные кур-
сы, контрольные вопросы, эталонные ответы) от несанкционированного
доступа со стороны студентов.
Частичным решением этих проблем может служить организация ло-
кальных сетей, а также применение сменных специализированных ПЗУ.
Примером локальной сети является разработанный в МИЭТ класс на базе
„преподавательского комплекса” ДВК-2, соединенного с 10—15 ДВК-1 —
персональными рабочими местами учащихся (ПРМУ). Различные конфи-
гурации рабочих мест представлены на рис. 5.2. Сменные ПЗУ применя-
ются во многих зарубежных ПЭВМ, а также отечественной ПЭВМ „Элект-
роника БК-0010”.
РАБОЧЕЕ МЕСТО УЧАЩЕГОСЯ.
ПСИХОЛОГИЧЕСКИЕ И ЭРГОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ
Согласно определению, приведенному в [70] .рабочее место —
это „оснащенное техническими средствами (средствами отображения ин-
формации, органами управления, вспомогательным оборудованием) про-
странство, где осуществляется деятельность исполнителя”. При правиль-
ной организации рабочего места производительность труда машинисток
возрастает на 30—40%, операторов ЭВМ иа 20%.
Для успешного применения вычислительной техники в образовании
необходимо обращать должное внимание на психологические, эргономи-
ческие и прочие факторы. Нередко и преподаватели, и студенты ощущают
на себе действие психологического барьера, мешающего освоению вычис-
лительной техники и программирования да ЭВМ. Часто вызывает затруд-
неиие понимание функционирования отдельных элементов и узлов ЭВМ,
логики машинных программ. К числу субъективных факторов, влияющих
на формирование барьера, можно отнести недостаточное понимание сту-
й* 227
центом роли вычислительной техники в его будущей профессиональной
сфере.
Следствие влияния психологического барьера — допускаемые студен-
тами ошибки. Отметим особенность, состоящую в том, что ошибочный
результат возникает независимо от того, какая допущена ошибка — мел-
кая или крупная, существенная или несущественная. В итоге у будущих
специалистов появляется неуверенность в полученных знаниях и возмож-
ности их практического применения.
Ликвидации психологического барьера или, во всяком случае, сни-
жению его высоты может способствовать рациональная организация диа-
логового взаимодействия студента с ЭВМ. По мнению авторов, программ-
ное обеспечение диалога должно удовлетворять следующему минималь-
ному набору требований:
время ответа системы на запрос, как правило, не должно превышать
4—5 с; при длительных вычислениях необходимыкомментарии;
ошибки пользователя не должны приводить к сбоям системы;
изображение должно быть как можно более наглядным — во всех
случаях желательна замена таблиц графиками, диаграммами, гистограм-
мами, а черно-белого изображения — цветным;
для повышения доверия к получаемым с помощью ЭВМ результа-
там необходимо предусмотреть возможность эффективного контроля
промежуточных результатов и при необходимости — изменения порядка
вычислений;
результаты работы должны отображаться в содержательных, привыч-
ных пользователю категориях; -
система должна позволять пользователю в любой момент перейти к
другому виду работы, вернуться к анализу предыдущих вариантов, вос-
пользоваться справочными таблицами.
Не менее важными являются требования к техническим средствам.
Анализ 35 типов американских дисплеев показал, что ни один из них не
удовлетворяет современным требованиям эргономики [75]. Среди специ-
алистов, постоянно работающих с дисплеем, примерно в 55% случаев на-
блюдается утомление глаз, в 30% — головные боли, в 43% — боли спины,
в 15% — шеи, в 18% — кистей рук. Существенный дискомфорт вызывает
блеск экрана, что отмечают 85% операторов. При работе с блестящими
клавишами число операторов, жалующихся на зрительное напряжение
и боль в шее, возрастает на треть, у каждого второго возникают голов-
ные боли. Красный цвет клавиш начинает быстро раздражать пользовате-
ля. Утомление глаз при работе с экраном сопровождается нарушением
моторных функций и глазодвигательной, координации, ослабеванием
внимания, падением удовлетворенности трудом и т. п. По наблюдению
московских педагогов, через 25 мин работы на ПЭВМ „Агат” у учащихся
появляются слезотечение, воспаление глаз и головные боли („Крокодил”,
1985, № 17). В качестве положительного примера можно привести рас-
пространенный дисплей 15ИЭ-00-017. К его достоинствам относятся авто-
номность монитора, переменный угол его наклона, возможность регули-
228
ровки фокуса и яркости в процессе работы, удобное для восприятия изо-
бражение на экране. У части изделий экран покрыт сетчатым матовым
слоем, исключающим появление бликов. Среди его недостатков отметим
некоторую перегруженность клавиатуры специальными символами, необ-
ходимость частых переключений регистров.
В вузовской практике, к сожалению, мало внимания уделяется тако-
му моменту, как удобная или неудобная рабочая поза. Между тем, по
данным журнала „Вестник высшей школы”, 89% студентов, пользующихся
обычной мебелью, испытывали неудобство и повышенную утомляемость
при письме, 36% — при слушании, 75% — при выполнении измерений. При
удобной позе число таких студентов составляло в среднем 8—10%. k
Развертывающиеся в нашей стране работы по компьютеризации вклю-
чат в круг пользователей ЭВМ миллионы школьников и студентов, десят-
ки тысяч специалистов. Необходимо создать для них рациональные и без-
опасные условия труда, это задача государственной важности.
5.5. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ УЧЕБНОГО
ПРОЦЕССА
ЯЗЫКИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ
В период возникновения ЭВМ, относимых ныне к первому
поколению, их количество было заметно меньше числа пользователей.
То были почти исключительно специалисты высокой квалификации, пре-
красно знакомые с архитектурой и возможностями техники. К средствам
общения пользователя с ЭВМ особых требований не предъявлялось, да
и реализовать их было бы сложно ввиду аппаратных ограничений.
Переход к серийному выпуску компьютеров второго поколения, ус-
ложнение решаемых задач, рост численности пользователей ЭВМ поста-
вили вопрос о совершенствовании интерфейса человек — ЭВМ. Ответом
на него явилось создание языков программирования и трансляторов, что
можно считать первым шагом к работе с ЭВМ на естественном языке.
Лексическими единицами таких языков являются слова обычных языков
или аббревиатуры. Правила синтаксиса по необходимости жестки, что вы-
звано требованием однозначности перевода команд на язык«ЭВМ.
К этому же периоду относится начало бурного роста численности язы-
ков программирования для различных областей применения. Наиболь-
шее распространение тогда получили Фортран, предназначенный для на-
учно-технических расчетов. Кобол — для задач экономики, Алгол и ряд
других.
Сегодняшний уровень развития языков программирования опреде-
ляется стремлением разработчиков сочетать универсальность их приме-
нения с достаточной мощностью, необходимой для удовлетворения по-
требностей пользователя при максимальном удобстве и простоте их ос-
воения и иепользования. Различные комбинации указанных свойств по-
родили широкий диапазон более или менее специализированных языков.
229
Перечень существующих в настоящее время языков насчитывает свыше
200 названий. Более 40 из этого числа относятся к таким областям, как
точные науки, обработка экономической информации, обработка списков,
операции над формулами. Насчитывается свыше 30 универсальных язы-
ков. Около 90 языков относятся к узкоспециализированным областям.
В нашей стране наибольшее распространение для микроЭВМ полу-
чили Бейсик, Ассемблер, Паскаль, Фортран, ПЛ/М.
Выбор между языком Ассемблера и одним из языков высокого уров-
ня производится с учетом реальной или предполагаемой стоимости разра-
ботки программного обеспечения и требуемой скорости обработки дан-
ных. Программы на языках высокого уровня требуют в 2—10 раз больше
информационной емкости памяти по сравнению с программами на Ас-
семблере и выполняются в 2—100 раз медлежее. В то же время сроки
разработки программ на языках высокого уровня составляют от поло-
вины до одной десятой времени, требуемого для разработки программ
на языке Ассемблера.
Подобно языку Бейсик, Паскаль является одним из очень популяр-
ных язьпсов программирования для микроЭВМ. Он имеет многие досто-
инства как язык для разработки систем с пакетным режимом обработки
данных. Как подчеркивает автор языка Н. Вирт, преимуществами Паска-
ля являются его переносимость и структурированность. Приверженцы
Паскаля ие без оснований полагают, что работа на этом языке форми-
рует „хоропий стиль” программирования.
Языки Фортран и ПЛ/М менее популярны среди пользователей мик-
роЭВМ, и за рубежом наблюдается тенденция вытеснения их другими
языками.
К числу пока относительно мало известных в нашей стране широко-
му кругу пользователей следует отнести языки АПЛ, Си, Форк, Лисп,
Пролог и Лого. Язык Си тесно связан с использованием (итерационной
системы UNIX. Она написана на Си, и пользователи UNIX обычно предпо-
читают Си всем другим языкам. Он компактен, выразителен, обладает
высокой мобильностью и позволяет создавать очень эффективные про-
граммы (возможно включение ассемблированного кода в программы
на Си). Тем самым он представляет собой идеальное средство для разра-
ботки системного программного обеспечения. Форт обладает большой
гибкостью и быстротой. Его отличительная черта — предоставляемая поль-
зователям возможность свободно развивать язык по своим потребностям.
Программы на Форте при выполнении подвергаются компиляции до про-
межуточного кода с последующей интерпретацией.
В связи с интенсивными работами над ЭВМ пятого поколения в буду-
щем, очевидно, получат развитие языки, ориентированные на системы
искусственного интеллекта, в частности Пролог, Лисп. Возрастает инте-
рес к этим языкам и в связи с разработкой систем, основанных на базах
знаний. Из этих примеров наглядно видно, что развитие средств програм-
мирования идет по пути приближения их к пользователю. На это же ука-
зывается в [29]: „Вычислительные системы стали теперь гораздо более
230
удобными в эксплуатации. Еще совсем недавно для того, чтобы вкусить
прелести автоматизации, приходилось, напрягая все силы, продираться
сквозь дебри непривычных языковых конструкций. Современные ЭВМ
понимают человека значительно лучше”.
Иначе и быть не может, ведь сейчас годовое количество производи-
мых в мире ЭВМ измеряется миллионами, что значительно превышает
число профессиональных программистов. Вполне естественно желание
массового пользователя знать об устройстве своего „электронного ас-
систента” не больше, чем о внутренностях телевизора, и обходиться в ра-
боте простейшим набором действий и навыков.
Именно простота реализации и использования была одним из глав-
ных требований при создании в 1965 г. профессором Кемени и его со-
трудниками по Дартмутскому колледжу языка программирования Бей-
сик.
Пользователи, для которых в первую очередь предназначен Бейсик,
не профессиональные программисты. Главное, что им нужно от ЭВМ (по
крайней мере, на первых этапах знакомства с ней), — это вычисления по
несложным расчетным формулам. Эти вычисления проще, чем научные
расчеты, для которых предназначен Фортран. Поэтому Бейсик был сразу
задуман как язык, который был бы проще Фортрана. Приступая к рабо-
те с ЭВМ, инженер смотрит на нее лишь как на более мощный и удобный
вариант его логарифмической линейки или калькулятора. Бейсик как раз
и включает все необходимое для выполнения таких расчетов и в то же
время не содержит ничего лишнего (хотя, возможно, это „лишнее” пона-
добилось бы в других, более сложных ситуациях). Таким образом, по-
требности пользователей, на которых ориентирован Бейсик, обусловили
его основное качество — простоту.
Как правило, Бейсик реализуется в диалоговых (интерактивных)
системах с интерпретацией программы. Интерпретация в отличие от ком-
пиляции обеспечивает простую диагностику ошибок: характер ошибки
и место, где она обнаружена, легко описываются не в терминах преры-
ваний и адресов памяти машины, а в терминах языка, на котором напи-
сана программа. При работе в режиме диалога имеется возможность, по-
лучив сообщение об ошибке, проверить значения переменных, изменить
их н попытаться продолжить выполнение программы или повторно запу-
стить ее. При решении несложных задач разработка, тестирование и от-
ладка программы проводятся непосредственно за терминалом.
Эти качества Бейсика фактически решили проблему доступности
программирования на ПЭВМ. Сейчас большинство микроЭВМ, включая
карманные, имеет встроенные версии Бейсика, готовые к работе сразу
же после включения машины. Результатом этого явилось то, что, напри-
мер, в США большинство из тех, кто обучался программированию в по-
следние несколько лет (когда распространились микрокомпьютеры),
знают лишь Один язык программирования, а именно — Бейсик. В Ан-
глии ,30 многих школах обучение программированию и использованию
ЭВМ выродилось в краткосрочные курсы по Бейсику” [113]. Эти две теи-
231
денции — поставка интерпретатора вместе с техникой и широкое изуче-
ние языка — дополняют и подкрепляют друг друга, поэтому в ближайшее
время положение вряд ли изменится, несмотря на ряд недостатков Бей-
сика, которые указываются, например, в [4]. К ним относятся в первую
очередь бесструктурнс|сть и ограниченность. Ограниченность является
как бы оборотной стороной простоты. Средства языка не позволяют ре-
шать относительно Сложные задачи, поэтому Бейсик-системы обрастают
расширениями и дополнениями. Свои коррективы вносят особенности
архитектуры ЭВМ, на которых язык реализован. Как следствие» на сегод-
ня известно свыше 250 диалектов языка, причем некоторые из них значи-
тельно сложнее Фортрана. Определенное представление о взаимосвязи
' некоторых версий Бейсика дает работа [111].
Весьма важным является вопрос о содержании курса программирова-
ния. В него, разумеется, должно входить обучение алгоритмическому
языку. На выбор языка влияют цели обучения, которые различаются
для разных категорий пользователей. Массовому потребителю нужно при-
обрести умение взаимодействовать с ЭВМ при минимуме специальных
знаний. Непрофессиональные программисты должны владеть каким-либо
языком программирования настолько, чтобы уметь писать и отлаживать
не слишком сложные программы. Профессиональные программисты долж-
ны уметь быстро и безошибочно создавать эффективные программы [53].
Помимо профессиональных требований, обучение программированию пре-
следует еще как минимум одну цель: развивать аналитические, логические
способности, или, говоря короче, „учить думать”. Наконец, поскольку
знания о конкретных ЭВМ и программных комплексах устаревают быст-
рее, чем в любой другой области, необходимо учить в первую очередь
методам применения средств информатики и таким языкам, которые мо-
гут облегчить быстрое и безболезненное овладение другими.
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ УЧЕБНЫЕ КУРСЫ
Эффективное использование ЭВМ в образовании не следует
отождествлять с умением программировать. При изучении дисциплин, не
связанных с вычислительной техникой, на передний план выходят вопросы
методики построения курса, логики изложения материала, организации
эффективного контроля усвоения знаний. Эти же вопросы приходится
решать при передаче части „преподавательских” (точнее, информацион-
ных) функций вычислительной машине.
Основным вариантом применения в учебном процессе больших и
средних ЭВМ при наличии соответствующего оборудования и программ-
ного обеспечения являются автоматизированные обучающие системы
(ДОС). Идея автоматизации обучения при помощи ЭВМ известна не одно
десятилетие, однако ее широкомасштабная реализация стала практически
возможной сравнительно недавно вследствие распространения ЭВМ, сни-
жения их стоимости и стоимости машинного времени, появления новых
периферийных устройств, разработки программного обеспечения. В соот-
ветствии с БСЭ ДОС — зто „функционально связанный набор подсистем
232
тебно-методического, информационного, математического и инженер-
о-технического обеспечения на базе средств вычислительной техники,
редназначенный для оптимизации процесса обучения в различных его
юрмах и работающий в диалоговом режиме коллективного пользова-
ия”. Одними из первых в нашей стране АОС стали появившиеся в сере-
ине 70-х годов системы „САДКО” (завод-втуз при ЗИЛ), „ЭВОС — БГУ”,
кОС Львовского политехнического института, НЭТИ, МИНХиГП. В обзо- *
е [42] приведены данные о 26 АОС, реализованных на различной техни-
еской основе. В последние годы наиболее активно в области создания
чебных курсов и пакетов прикладных программ для АОС на базе ЕС
>ВМ работают НИИ ВШ и ИК АН УССР. Подготовленный этими организа-
циями каталог [39] содержит аннотации 250 автоматизированных учеб-
1ых курсов, сгруппированных в 16 разделов.
В то же время необходимо отметить, что среди разработанных авто-
матизированных учебных курсов значительное место занимают пакеты
трограмм, предназначенные для изучения самих операционных систем
эяда ЕС. Между тем, как уже подчеркивалось в разделе „Структура пар-
ка вычислительной техники”, массовому пользователю эти знания не нуж-
ны и, более того, вредны. Но в конце концов можно написать много других
пакетов (и такие работы интенсивно ведутся): не столь уж существенно,
с какого курса начинать, и никто не бросит камень в приверженцев ОС ЕС
только за то, что они в первую очередь пытаются автоматизировать подго-
товку своих коллег, а не, к примеру, биологов или философов. Хуже цру-
гое. Опыт эксплуатации терминальных классов на базе ЕС ЭВМ при име-
ющихся в настоящее время программных средствах поддержки режима
разделения времени свидетельствует о совершенно неудовлетворитель-
ном уровне дидактической (не говоря уже об экономической) эффектив-
ности такого обучения. Основные причины создавшегося положения связа-
ны с ненадежной работой оборудования и с неуклюжестью операционной
системы, вследствие чего сбои системы стали непременным атрибутом лк#-
бого учебного занятия, а время ожидания ответа даже при устойчивой ра-
боте во много раз превышает все мыслимые нормы (см. выше о психоло-
гической стороне диалога с ЭВМ). В „тепличных” условиях такие пакеты,
возможно, выглядят эффектно, но прн массовом обучении на них всерьез
рассчитывать не приходится.
Не следует думать, что авторы задались целью опорочить ЭВМ общего
назначения. Их заслуги в решении грандиозных по масштабам задач неоспо-
римы. Но* не они призваны ,делать погоду” в сфере образования — таковы
реальные факты. Не случайно, как указывалось выше, американцы в силу
организационных и экономических причин переставили свою систему Plato
на ПЭВМ. Также не случайно в качестве первоочередной задачи сотрудника-
ми НИИ высшей школы и ряда других организаций выдвигается создание
обучающих программ, ориентированных на использование персональных
компьютеров. Отметим уже реализованные и тиражируемые в вузах разра-
ботка МИЭТ (на базе ДВК), МЭИ и т. д.
233
О КЛАССИФИКАЦИИ ОБУЧАЮЩИХ ПРОГРАММ
Целью обучения любому предмету является формирование
у учащихся тех или.иных знаний и навыков. Это в полной мере относится
и к обучению с применением компьютеров. Весь объем сведений, необхо-
димых для овладения предметом, включая контрольные вопросы, реали-
зуется в виде обучающей программы. При этом, как указывается [52], не
существует однозначной связи между программой и учебной деятельно-
стью. Программа является лишь одним из средств этой деятельности. Ре-
зультат реализации программы в значительной мере определяется организа-
цией учебного процесса. Отметим несколько типов обучающих программ.
Это тренировочные программы (drill and practice programs), рассчитанные
на формирование „жестких” связей между знаниями и навыками путем
многократного повторения, „натаскивания” и практического подкрепле-
ния; пошаговые (step-by-etep programs) программы, последовательно веду-
щие обучаемого от усвоения одних элементов к другим с учетом уровня
его индивидуальных достижений (наиболее широко в таких программах
используется принцип: сначала дается правило, а затем — пример задачи,
которая решается согласно этому правилу); наставнические программы
(tutorial programs), которые дают консультацию обучаемому, показывают
допущенные им ошибки, исправляют ответы, генерируют подсказки и т. д.,
и, наконец, программы, рассчитанные на самостоятельную творческую ак-
тивность обучающегося (discovery learning), которые предусматривают,
что учащийся будет самостоятельно выявлять, „открывать” тот или иной
принцип, закон или правило. Каждый из перечисленных типов программ
позволяет решать определенный круг задач обучения и имеет определен-
ную область применения, в пределах которой он может быть эффективным.
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ - ПЕРСПЕКТИВЫ
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ И НАУЧНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЯХ
Предположим, что настало изобилие вычислительных
средств — любых классов, разных уровней производительности, оснащен-
ных периферийными устройствами, доступных по цене. Означает ли это
мгновенное и автоматическое решение всех возможных научных задач?
Не будем торопиться с утвердительным ответом. Вспомним старую фра-
зу из научного фольклора о том, что компьютеры подобны жерновам,
механически перемалывающим все, что в них заложено. За исходный
материал полную ответственность несет пользователь. Если ему нужна
высококачественная ,,мука”, следует засыпать полноценное „зерно”
В нашем случае таким исходным материалом служит математическая
модель явления или процесса. Построение адекватных и в то же время
удобных для расчетов моделей - одна из основных задач вычислитель-
ной математики.
234
Наиболее сложные проблемы, где в первую очередь и требуется при-
менение компьютеров, связаны с существенной нелинейностью процес-
сов, сложной формой зависимости от ряда параметров, многокритериаль-
ным выбором. Новой современной методологией решения задач научных
исследований, поиска, прогноза является вычислительный эксперимент
(ВЭ) на ЭВМ.
Согласно одному из виднейших специалистов в данной области, ака-
демику А. А. Самарскому, ВЭ реализует цепочку „объект — модель —
алгоритм — программа — анализ результатов — управление объектом”.
Наиболее существенная часть ВЭ, его ядро — это триада „модель — алго-
ритм — программа”. Технология проведения одного цикла ВЭ включает
две фазы: формирование модели и прогноз на ее основе. Стадии прогноза
должен, как правило, предшествовать натурный эксперимент, позволяю-
щий оценить адекватность модели и учесть свойства среды. Приведем да-
леко не полный список задач, которые целесообразно решать с использо-
ванием ВЭ,. взяв за основу работу [74]. Отметим, что этот список можно
рассматривать и как перечень учебных курсов: ведь в процессе подготов-
ки будущие специалисты решают содержательные задачи из своих предмет-
ных областей, таким образом, ВЭ служит „по совместительству” и мето-
дологией обучения.
В рамках энергетической программы с помощью ВЭ можно, в частно-
сти, выполнять расчет и долгосрочное прогнозирование атомных й термо-
ядерных реакторов на основе детального математического моделирования
происходящих в них физических процессов. При этом исследовательский
цикл существенно ускоряется и удешевляется.
В космической области ВЭ находит свое место при расчетах траекто-
рий летательных аппаратов, в задачах обтекания, системах автоматизиро-
ванного проектирования и т. д.
При обработке данных натурного эксперимента (изображений со спут-
ников, радиолокационных данных, сейсмических сигналов) применение
компьютера в сочетании с измерительным прибором позволяет значитель-
но уточнить результаты измерений за счет использования алгоритмов
сглаживания.
В экологии математическое моделирование - единственно возмож-
ная основа для решения вопросов прогнозирования и управления экоси-
стемами, поскольку о натурном эксперименте в данном случае говорить
не приходится.
Моделирование климата, долгосрочный прогноз погоды и землетря-
сений, моделирование развития звезд и солнечной активности, проблемы
происхождения и развития Вселенной — вот типичные задачи гео- и астро-
физики.
В биологии интерес к математическому моделированию растет в свя-
зи с разработкой новых методов биотехнологии.
В технологии ВЭ применяется для создания материалов с заданными
свойствами, моделирования теплового режима, получения кристаллов
и пленок. Отметим, что прочность и надежность материалов, необходимых
235
промышленности, зависят именно от технологии их получения и обработ-
ки. Задачи технологии (как правило, многопараметрические) зачастую
оказываются сложнее задач ядерной физики, космонавтики, физики плаз-
мы. Поэтому здесь особенно необходимы эффективные модели.
Подчеркнем еще раз, что только при активном изучении и использо-
вании идей и методов ВЭ в вузе, в процессе решения задач соответству-
ющей сложности, взятых из реальной практики, специалист сможет гра-
мотно и уверенно перейти к применению ВЭ в задачах большей размер-
ности. Именно последовательное применение методов математического
моделирования и вычислительного эксперимента дает возможность орга-
низовать непрерывную вычислительную подготовку, ориентированную
на потребности практики.
Приложение 1
ШЕСТЬДЕСЯТ ЧЕТЫРЕ ПОЛЕЗНЫХ ТЕРМИНА
1. АДАПТЕР - собирательное название МОДУЛЕЙ или отдельных
тройств ПЭВМ, используемых для связи с виелжими источниками или приемниками
[формации (например, графический АДАПТЕР позволяет выводить иа экран ДИСП-
ЕЯ графическую информацию, акустический АДАПТЕР позволяет ПЭВМ получать,
передавать информацию через трубку телефонного аппарата).
2. АСИНХРОННЫЙ обмен данными (в противоположность синхронному) ~ ме-
да, передачи данных по каналу связи, при использовании которого появление данных
канале является событием, запускающим процесс обмена. Наиболее часто испольэу-
ся для связи ПЭВМ с другими ЭВМ в СЕТЯХ.
3. АССЕМБЛЕРА язык - язык символического кодирования программ, основан-
ий на МНЕМОНИКАХ и именах переменных и обеспечивающий программисту доступ
о всем без исключения возможностям аппаратуры ПЭВМ. Использование языка
ССЕМБЛЕРА для ПЭВМ ограничено узким кругом квалифицированных программи-
гов.
4. БЕЙСИК - наиболее распространенный диалоговый язык программирования
ля ПЭВМ, а также некоторых моделей микрокалькуляторов. Применение Бейсика
елесоебразно для написания простейших ПРОГРАММ вычислительного или погиче-
кого характера.
5. БОД - единица измерения скорости передачи данных по каналам связи. Cool-
er ств у ет передаче одаого информационного бита в секунду (без учета передачи слу-
жебных битов - сигналов). Для телефонных каналов связи в АДАПТЕРАХ ПЭВМ
бычно принята скорость от 110 до 9600 БОД.
6. БУФЕР — набор ячеек оперативной ПАМЯТИ, входящих в состав различных
'стройств ПЭВМ и используемых для временного хранения данных в процессе их по-
[учения, передачи, чтения или записи. Примеиеше БУФЕРА позволяет согласовывать
ВРЕМЕНА ДОСТУПА к отдельным устройствам ПЭВМ при их совместной работе.
7. ВРЕМЯ ДОСТУПА - интервал от момента запроса на передачу данных между
устройствами ЭВМ до момента начала такой передачи. В зависимости от типа устрой-
:тва лежит в пределах от долей микросекунд (оперативная ПАМЯТЬ) до минут
(магнитная лента).
8. ГИБКИЙ МАГНИТНЫЙ ДИСК - диск из гибкой пластмассы с магнитным
покрытием, заключенный в защитный конверт (футляр). Диаметр таких дисков
принадлежит ряду 203, 133 (мини) или 88 мм и менее- (микро). Применяются сино-
нимы „флонпидиск”, .дискета”.
9. ГРАФИКА РАСТРОВАЯ - метод формирования изображений на экране ДИСП-
ЛЕЯ ПЭВМ, аналогичный телевизионной развертке. Точка растра описывается содер-
жимым одного или нескольких битов ПАМЯТИ (часто - специальной видеоПАМЯТИ).
10. ДИАЛОГ - обобщающее понятие, означающее запрограммированное взаимо-
действие пользователя с ЭВМ. Для ДИАЛОГА используются языки программирова-
ния, текстовые и позиционные КОМАНДЫ, речевые сообщения и др. Разработка мо-
делей ДИАЛОГА является одной из основных задач программиста, работающего
на ПЭВМ.
11. ДИСКОВОД - устройство для чтения и записи информации, размещаемой
иа ГИБКИХ или ЖЕСТКИХ МАГНИТНЫХ ДИСКАХ. Для ДИСКОВОДОВ с гермети-
зированными дисками и головками чтения/записи используется термин „Винчестер”.
Применяют также синонимы „накопитель иа магнитных дисках”, „устройство внеш-
ней памяти иа магнитных дисках”.
12. ДИСПЛЕЙ - устройство визуальной индикации данных, выводимых в про-
цессе работы ЭВМ. В ДИСПЛЕЯХ применяются электронно-лучевые трубки, плоские
индикаторные панели и проекционные устройства. Отличительным признаком ПЭВМ
237
часто считают возможность одновременной индикации на экране ДИСПЛЕЯ tokctoboi
и графической информации.
13. ДОРОЖКА - часть поверхности магнитного диска, проходящая под голов
кой чтения/задаси за один оборот. Участки ДОРОЖКИ, содержащие записанные дав
ные, называют „блоками” или „секторами”.
14. ДРАЙВЕР - программа, входящая в состав ядра операционной системь
ПЭВМ н выполняющая операции ввода/вывода для конкретного устройства или груп
пы устройств ПЭВМ по обращению из основной выполняемой ПРОГРАММЫ.
15. ЗАЩИТА - 1) предотвращение случайного или иеавторизовакиого доступ
к ПАМЯТИ ПЭВМ; 2) процесс подготовки дубликата содержимого для магнитны?
НОСИТЕЛЕЙ ИНФОРМАЦИИ, который рекомендуется регулярно проводить пользе
вателям ПЭВМ.
16. ЖЕСТКИЙ МАГНИТНЫЙ ДИСК - диск с жесткой основой И магнитным
покрытием (для ПЭВМ - обычно в герметизированном корпусе). Имеет существенно
большую информационную емкость, чем ГИБКИЙ МАГНИТНЫЙ ДИСК, - десятки
мегабайт н сотни килобайт соответственно. Нфяду с ЖЕСТКИМИ МАГНИТНЫМИ
ДИСКАМИ начинают применяться в ПЭВМ диски с оптическим способом записи и
чтения информации (также на жесткой основе).
17. ИНСТРУКЦИЯ - операция, выполняемая ЦЕНТРАЛЬНЫМ ПРОЦЕССОРОМ
ПЭВМ в ходе работы ПРОГРАММЫ. Инструкции обычно кодируются на языке' АС-
СЕМБЛЕРА либо автоматически формируются ТРАНСЛЯТОРОМ. Полный набор
ИНСТРУКЦИЙ, выполняемых ЦЕНТРАЛЬНЫМ ПРОЦЕССОРОМ, часто называют
„системой машинных команд”.
18. ИНТЕГРИРОВАННЫЙ ПАКЕТ ПРОГРАММ - набор ПРОГРАММ, объеди-
ненный единой с точки зрения пользователя ПЭВМ моделью ДИАЛОГА. Обеспечивает
нерегламеитированное попеременное использование нескольких (обычно 3—6) резки-,
мов диалога с ПЭВМ: ОБРАБОТКУ ТЕКСТОВ, работу с ЭЛЕКТРОННОЙ ТАБЛИ-
ЦЕЙ, режим РАСТРОВОЙ ГРАФИКИ и др. Один из наиболее крупнотиражных про-
граммных продуктов для ПЭВМ.
>19 . ИНТЕРФЕЙС - совокупность аппаратуры и программных средств, необходи-
мых для подключения ПЕРИФЕРИЙНЫХ УСТРОЙСТВ к ПЭВМ или для соединения
ПЭВМ в СЕТИ ЭВМ. См. также АДАПГЕг.
20. КЛАВИАТУРА - устройство ввода алфавитной, цифровой и управляющей
(в том числе позиционной) информации в ПЭВМ. Ввод информации в ПАМЯТЬ ПЭВМ
происходит непосредственно при нажатии клавиши или через БУФЕР. Функции КЛА-
ВИАТУРЫ в ПЭВМ могут быть частично переданы МАНИПУЛЯТОРАМ.
21. КОДОВАЯ ТАБЛИЦА - Таблица, ставящая в соответствие СИМВОЛАМ ал-
фавита ПЭВМ и управляющим сигналам, вводимым с КЛАВИАТУРЫ, двоичные чис-
ла — коды. Ее применение позволяет унифицировать правила работы различных про-
грамм с текстовой информацией. В ПЭВМ допускается применение по выбору поль-
зователя нескольких КОДОВЫХ ТАБЛИЦ (национальные алфавиты, простые пик-
тограммы и др.).
22. КОМАНДА — СИМВОЛ, МНЕМОНИКА иди слово, вводимое или выбираемое
из МЕНЮ на экране ДИСПЛЕЯ пользователем в процессе ДИАЛОГА с ПЭВМ. Ввод
КОМАНДЫ вызывает однозначно определенное действие со стороны ПРОГРАММЫ,
выполняемой ПЭВМ. КОМАНДЫ вводятся с КЛАВИАТУРЫ либо с помощью МАНИ-
ПУЛЯТОРОВ.
23. КОНВЕРТОР — ПРОГРАММА, выполняющая преобразование информации
в ПЭВМ, необходимое для достижения СОВМЕСТИМОСТИ с ЭВМ других типов. В от-
личие от ЭМУЛЯТОРОВ КОНВЕРТОРЫ не включаются в состав операционных си-
стем ПЭВМ, а имеют статус прикладной программы.
24. КОНФИГУРАЦИЯ - состав аппаратуры ПЭВМ (ПЕРИФЕРИЙНЫХ УСТ-
РОЙСТВ, МОДУЛЕЙ и др.), определяемый пользователем на этапе оформления за-
каза или расширения комплектации ПЭВМ.
25. КУРСОР - перемещаемый по экрану ДИСПЛЕЯ по КОМАНДАМ пользова-
теля с КЛАВИАТУРЫ или под управлением ПРОГРАММЫ маркер, легко отличимый
238
я СИМВОЛОВ алфавита ПЭВМ. Применяется для отслеживания вводимой позици-
швой вяформации и для указания знакоместа, на котором появится очередной СИМ-
ВОЛ. Важный элемент ДИАЛОГА.
26. МАГИСТРАЛЬ - набор электрических соединений между основными устрой-
лвами ПЭВМ (ЦЕНТРАЛЬНЫМ ПРОЦЕССОРОМ, ПАМЯТЬЮ и АДАПТЕРАМИ)
Важный элемент унифккавяи конструкции ПЭВМ.
27. МАНИПУЛЯТОР - устройство ввода в ПЭВМ позиционной информации (ко-
ординатных вар, направления движения КУРСОРА и др.). Отличается большим разно-
образием конструкдай - известны МАНИПУЛЯТОРЫ типа „ручка (джойстик)”,
„мышь”,„шар (трекбол)”ит.д.
28. МАТРИЧНОЕ ПЕЧАТАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО - устройство вывода инфор-
мации (СИМВОЛОВ и изображений) на бумажный НОСИТЕЛЬ ИНФОРМАЦИИ, от-
тштаатпуегя растровым принципом формирования контуров. Обеспетавает высокую
скорость вывода при удовлетворительном уровне четкости (см„ например, таблицы
в гл. 3). Основной тип ПРИНТЕРА, применяемый в ПЭВМ.
29. МЕНЮ - один из наиболее распространенных способов организации ДИАЛО-
ГА с ПЭВМ. Пользователь отмечает требуемый СИМВОЛ, слово или другой объект
на экране ДИСПЛЕЯ с помощью КУРСОРА и дает сигнал подтверждеикя выбора.
На экране может одновременно находиться несколько МЕНЮ. Применение МЕНЮ
существешо повышает темп ДИАЛОГА, вытесняя применение КОМАНД.
30. МИКРОПРОЦЕССОР - большая интегральная схема, выполняющая в ПЭВМ
все функции ЦЕНТРАЛЬНОГО ПРОЦЕССОРА. Основной элемент структуры (или
архитектуры) ПЭВМ.
31. МИКРОЭВМ - собирательное название Яля ЭВМ, обладаюних минимальны-
ми размерами и стоимостью среди изделий вьгмелительной техники массового при-
менения. Содержит один либо несколько МИКРОПРОЦЕССОРОВ. Обычно МИКРО-
ЭВМ построены из МОДУЛЕЙ, объединяемых МАГИСТРАЛЬЮ.
32. МНЕМОНИКА - короткое легко запоминающееся слово или аббревиатура,
используемое в качестве КОМАНДЫ ДИАЛОГА или слова в языке программирова-
ния. Кроме текстовых МНЕМОНИК, для организации ДИАЛОГА все шире использу-
ются ПИКТОГРАММЫ.
33. МНОГОЗАДАЧНЫЙ РЕЖИМ - способ построения ОПЕРАЦИОННОЙ СИ-
СТЕМЫ ПЭВМ, обеспечивающий „одновременное” с точки зрения пользователя
выполнение нескольких (возможно, вэажмодействуюимх) ПРОГРАММ. Применя-
ется иа высокопроизводительных ПЭВМ - например, в составе САПР.
34. МОДЕМ (модулятор/демодулятор) — устройство (или интегральная схе-
ма), преобразующее данные в поток высокочастотных сигналов для передачи по те-
лефонным каналам и выполняющее обратное преобразование. Применяется для под-
ключения ПЭВМ к СЕТЯМ ЭВМ.-
35. МОДУЛЬ — конструкционный узел ПЭВМ, выполненный на ПЕЧАТНОЙ ПЛА-
ТЕ и реализующий какую-либо основную или дополнительную (МОДУЛЬ расшире-
ния) функцию. Примеры МОДУЛЕЙ — устройства ПАМЯТИ, АДАПТЕРЫ и т. п.
36. МОНИТОР - 1) блок с электронно-лучевой трубкой или индикаторной па-
нелью, являющийся конструкционной основой ДИСПЛЕЯ ПЭВМ; 2) программа
организмам ДИАЛОГА с ПЭВМ на уровне машшшых ИНСТРУКЦИЙ. Применяется
программистами при отладке ПРОГРАММ.
37. НОСИТЕЛЬ ИНФОРМАЦИИ - физическая среда, используемая для запо-
минания или регистрации информации (в ПЭВМ — бумага ПРИНТЕРА и магнитные
носители).
38. ОБРАБОТКА ДАННЫХ - широкий термин, подразумевающий применение
ЭВМ для обработки числовой информации большого объема. Перенос ряда задач ОБ-
РАБОТКИ ДАННЫХ на ПЭВМ требует, в частности, их подключения к СЕТЯМ ЭВМ.
39. ОБРАБОТКА ТЕКСТОВ - одно из первых и наиболее массовых применений
ПЭВМ, обеспечивающее существенное повышение производительности труда при
подготовке и обработке текстовой документации. См. также ЭЛЕКТРОННАЯ
ПОЧТА.
239
40. ПАМЯТЬ - 1) МОДУЛЬ ПЭВМ с интегральными схемами, обеспечивающим
постоянное или оперативное хранение информации и согласованными по темпу o6ps
щеяия (ВРЕМЕНИ ДОСТУПА) с ЦЕНТРАЛЬНЫМ ПРОЦЕССОРОМ; 2) ПЕРИФЕРИЙ
НОЕ УСТРОЙСТВО ПЭВМ с функцией долговременного хранения информации
41. ПАСКАЛЬ - ЯЗЫК ВЫСОКОГО УРОВНЯ, вводящий строгий контрол!
типов используемых в ПРОГРАММЕ данных, что облегчает обнаружение ошибок )
обеспечивает хорошую «штаемость ПРОГРАММ. Паскаль рекомендуется для освоеню
современных технологий программирования.
42. ПЕРИФЕРИЙНОЕ УСТРОЙСТВО — устройство ПЭВМ, подключаемое к МА
ГИсГРАЛИ с помощью АДАПТЕРОВ. Примеры - ПРИНТЕР, ДИСКОВОД, МОДЕМ
43* ПЕРСОНАЛЬНАЯ ЭВМ (ПЭВМ) - ЭВМ массового применения, отличаю
щаяся от ЭВМ других классов малыми габаритами, повышенной надежностью, про
стотой изменения КОНФИГУРАЦИИ и развитыми средствами ДИАЛОГА. Термин
связывают с появлением иа мировом рынке микроЭВМ фирмы IBM, названной „per-
sonal computer”.
44. ПИКСЕЛ (пэл, элемент изображения) - минимальный элемент изображения,
формируемого на экране ДИСПЛЕЯ ПЭВМ методом РАСТРОВОЙ ГРАФИКИ. Точка
растра, представляющая собой ПИКСЕЛ, описывается несколькими атрибутами (ко-
ординаты, цвет,‘яр кость и др.). ।
45. ПОРТ — часть электрической схемы АДАПТЕРА ПЭВМ, используемая непо-
средственно для ввода и вывода данных.
46. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ ДОСТУП - режим работы с ПЕРИФЕРИЙНЕЙ!
УСТРОЙСТВОМ ПЭВМ, при котором для перехода от одной позиции НОСИТЕЛЯ
ИНФОРМАЦИИ к другой необходимо пройти все промежуточные позиции. Устрой-
ства этого типа дешевы, ио малоэффективны.
47. ПРИНТЕР - собирательное название печатающих устройств, построенных
на различных физических и конструкционных принципах. В ПЭВМ используются
ПРИНТЕРЫ последовательного действия как на ударном, так и иа безударном прин-
ципе. Большинство ПРИНТЕРОВ ПЭВМ позволяют выводить иа печать растровые
изображения.
48. ПРОГРАММА — набор машинных ИНСТРУКЦИЙ, с помощью которого зако-
дирован алгоритм решения задачи или управления процессом. Пользователю ПЭВМ
чаще всего недоступен исходный текст' записи алгоритма на языке программирова-
ния - он имеет дело с готовыми к применению ПРОГРАММАМИ и сам не дорабаты-
вает их.
49. ПРЯМОЙ ДОСТУП В ПАМЯТЬ - метод, позволяющий АДАПТЕРУ в со-
ставе ПЭВМ вести обмен данными с ПАМЯТЬЮ без участия ЦЕНТРАЛЬНОГО ПРО-
ЦЕССОРА. Этот метод существенно повышает фактическую производительность
ПЭВМ.
50. РАЗЪЕМ - набор контактных электрических соединений, устанавливаемый
внутри или иа внешней панели СИСТЕМНОГО БЛОКА ПЭВМ. Входит в состав АДАП-
ТЕРА либо используется для подключения внешних АДАПТЕРОВ. Применяется так-
же термин „слот”.
51. „РОМАШКА” - печатающий узел ПРИНТЕРА- ПЭВМ, использующий для фор-
'мирования СИМВОЛОВ круглую пластину с радиальными лепестками, на свободных
концах которых находятся рельефы СИМВОЛОВ. Обеспечивает при небольшой скоро-
сти ПР ИНГЕРА высокое качество печати.
52. САМОДИАГНОСТИКА - процедура автоматической проверки правильности
функционирования узлов и устройств ПЭВМ, выполняемая при включении электрик
веского питания.
53. СЕТЬ ЭВМ - система соединенных между собой каналами передачи данных
ЭВМ различной производительности и КОНФИГУРАЦИИ. ПЭВМ широко применяются
в составе локальных СЕТЕЙ ПЭВМ.
54. СИМВОЛ — элемент алфавита ПЭВМ, имеющий определенное начертание либо
оговоренную функцию („конец строки”, „пробел” и т. п.). Из СИМВОЛОВ состоят
240
исходные тексты ПРОГРАММ, текстовые документы, сообщения ЭЛЕКТРОННОЙ
ПОЧТЫ и др.
55. СИСТЕМА ОПЕРАЦИОННАЯ - набор ПРОГРАММ, управляющих распреде-
лением ресурсов ПЭВМ в ходе ДИАЛОГА прикладных ПРОГРАММ с пользователем.
Для ПЭВМ ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ в большой степени унифицированы. См.
СОВМЕСТИМОСТЬ.
56. СИСТЕМНЫЙ БЛОК - основа конструкции ПЭВМ; в нем расположены ос-
новные МОДУЛИ и АДАПТЕРЫ, источник питания и РАЗЪЕМЫ для МОДУЛЕЙ рас-
ширения. В ряде случаев объединяется конструктивно с ПЕРИФЕРИЙНЫМИ УСТ-
РОЙСТВАМИ (КЛАВИАТУРА, ДИСКОВОД).
57. СЛОВО - последовательность бигов, участвующая в операциях обмена или
обработки как единый элемент данных. Обычно разделяется на байты (по 8 битов).
58. СОВМЕСТИМОСТЬ - 1) возможность использования ПРОГРАММЫ, ПЕРИ-
ФЕРИЙНОГО УСТРОЙСТВА или НОСИТЕЛЯ ИНФОРМАЦИИ на различных моделях
ПЭВМ и ЭВМ других классов; 2) возможность подключения ЭВМ различных типов
к СЕТЯМ ЭВМ.
59. СОПРОЦЕССОР - 1) ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА, расширяющая функцио-
нальные возможности основного МИКРОПРОЦЕССОРА ПЭВМ (вычисления повы-
шенной точности, обработка сигналов и т. п.); 2) МОДУЛЬ с дополнительным М4К-
РОПРОЦЕССОРОМ, позволяющим реализовать дополнительный режим СОВМЕСТИ-
МОСТИ.
60. ТРАНСЛЯТОР - программа, автоматически преобразующая ПРОГРАММУ
на языке программирования в последовательность ИНСТРУКЦИЙ. Разновидности
ТРАНСЛЯТОРОВ - компилятор, интерпретатор.
61. ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ПРОЦЕССОР - в ПЭВМ - МИКРОПРОЦЕССОР, управля-
ющий обменом с ПАМЯТЬЮ и АДАПТЕРАМИ, выполняющий логические и ариф-
метические операции и определяющий функциональные свойства (архитектуру)
ПЭВМ в целом.
62. ЭЛЕКТРОННАЯ ПОЧТА - режим передачи и запоминания коротких сооб-
щений в локальной СЕТИ ПЭВМ. Является важным инструментом решения задач
ОБРАБОТКИ ТЕКСТОВ.
63. ЭМУЛЯТОР - собирательное название ПРОГРАММ или аппаратных МОДУ-
ЛЕЙ, применение которых в ЭВМ обеспечивает СОВМЕСТИМОСТЬ.
64. ЯЗЫК ВЫСОКОГО УРОВНЯ - язык программирования, свойства которо-
го позволяют обеспечить СОВМЕСТИМОСТЬ разрабатываемых ПРОГРАММ, повы-
сить нх надежность н сделать их легко модифицируемыми. Примеры таких языков,
получивших распространение на ПЭВМ, - Бейсик, Паскаль, Фортран, Си, Модула-2,
Кобол.
Приложение 2
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
МИКРОПРОЦЕССОРОВ
ЧЕТЫРЕХРАЗРЯДНЫЕ ОДНОКРИСТАЛЬНЫЕ
МИКРОПРОЦЕССОРЫ
На рис. П2.1 представлены примеры некоторых, функциональных
схем этого класса МП, в табл. П2.1 и П2.2 даны их характеристики, возможности
и данные по быстродействию. Практически все МП выполнены по МОП-технологии,
и их быстродействие характеризуется временем выполнения простейших операций
4,5—75 мкс. По всем рассмотренным моделям число используемых команд состав-
ляет 8-110, причем возможность использования команд различной длины реализо-
вана только в 6 моделях из рассмотренных 16. В среднем число регистров общего
назначения не превышает 6, максимальная адресуемая емкость памяти ие более
4 Кбайт. Более половины всех моделей используют два уровня напряжения пита-
ния, остальные — один. В большинстве случаев в стандартной конфигурации МП пре-
дусмотрена возможность прерываний. Возможность прямого доступа к памяти реа-
лизуется редко.
Таблица П2.1. Основные технические характеристики
4-разрадных микропроцессоров
Год выпуска или до* лучения ин фор- Время выпол- Число Макси- мальная Мощ- ность Чис- ло
модель цро- стей- команд РОН адресу- емая память, рас- сея- ния, уров- ней на-
мадии ших опера- ций, мкс Кбайт мВт пря- же- ния пита- ния
США, Intel 4-разрядные микропроцессоры
X
4004 1971 10,8 46 16 8 450 2
4040 1974' 10,8 60 24 16 600 2
США, NEC Electronics USA Microcomputer Division
дсогп4 1977 10 80 2 Пере- менная 300 2
MPD7520 1981 20 47 2 0,77 49 2
дРО7500 1981 10 ПО 4 8 2
США, Texas Instruments
TMS1000 Family 1973 15 43 0 Пере- менная 175 2
4-разрядные секционные микропроцессоры с высоким быстродействием
США, Advanced Micro
Devices
242
Двунаправленная инфермациеннал шина
| вуфер информационной
дну трен ни я информационная шине (8разрядов)
С
ZT
§5
3 S
нИИш1ителл (У)
Накопитоль ~| [временной
(в) регистр (в)
Десятичный
корректор
Триггеры
признанев
13“—
рифметйчеол
лаеичеснеа
трои- .
ства
(8)'
Е~Т_
I
регистр командна
Дешифратор
команд
и управление
Хронирование
и управление
л Управление УпраВяе- У прав пение Управление Синхронизи
^ишрормаци-ниепре- запросом вгкида- Сипхро- рующие
Ценной шинойрыванием шин наем низацил tiunllMi
—~~+128
-—>58
-&--5В
т j । т j, । < » г ~
WR 1 Разрешение} ч Запрос я Гетов Синхрона- « V. Сарес
Информиаианнм шина ^^'За)рес Разрешение испояьзовЗ^
в режиме ввода. прерывании "м шин
Разрешение
рунпцие *|
импульсы
..тг I
—•j Мультиплексор]
ВремФитй (в^ремениЦб^
Регистр В №J Регистре
. .1.11 Г.Ill .Д.
Регистре _
Регистр Н(^
^7®
7------W
Регистре
Указатель магазина^
' Счетчик команд
буферный регистр!Й
приращения/уменьшения
адреса
буферный регистр адреса®)
Адресная шина
I
51
S’
Рис. П2.1. Функциональные схемы 4-разрядных микропроцессоров:
а) МП 4004 фирмы Intel; б) МП 4040 фирмы Intel
Окончание табл. П2.1
Страна, фирма» модель Год ^выпуска или по- лучения инфор- мации Время выпои- нения про- стей щих опера- ций, мкс Число Макси мальва адресу- емая память. Кбайт Мощ* : hocti рас- сея- ния, мВт Чис- ло уров- нен на прн- же- - НИЯ пита- ния
команд РОН
Ат2901В АШ29О1С 1975 1982 .0,115 Пере- менное 16 16 Пере- 900 1 меиная „ 1
Аш2903 1978 0,170 Пере- менное 16 Пере- 1200 1 менная
АШ2903А Ат29а03 1982 1982 16 16 »> 1 1
США, Motorola
10800 Family 1975 0,075 ,, 16 1400 2
США, Texas Instruments
74IS481 1977 0,13 2 1725 1
Таблица П2.2. Возможности 4-разрядных микропроцессоров
Хар актернстика Intel 4040 Intel 4004 Rockwell Р PS-43 Fairchild PPS = 25
Год появления на рынке 1974 1971 1973 1973 ,
Число основных команд 60 46 50 96
Число РОН 24 16
Основная тактовая частота, МГц 0,75 0,75 0,2 0,4
Непосредственно адресуемое пространство, Кбайт 8 4 4 6
Технология рМОП рМОП рМОП рМОП
Время выполнения операции 10,8 10,8 5 62,5
сложения, мкс
Число стековых регистров 7 3 4 4
Возможность прерывания — + — —
ВОСЬМИРАЗРЯДНЫЕ МИКРОПРОЦЕССОРЫ
Данные по этому классу МП приведены на рнс. П2.2 н в табл. П2.3,
П2.4. Быстродействие 8-разрядных МП характеризуется временем выполнения про-
стейших операций 0,1-8,3 мкс. Число команд, используемых в данных МП, состав-
ляет от 32 до 181, нв большей части моделей реализована возможность использова-
ния команд различной длины. В структуре МП данной группы используется от 2 до
128 регистров общего назначения.
245
Сч
Двунаправленная информационная шина
Ро-О3 ZS.
Внутренняя информационная шина
(У разряда)
SUHtpOpMA
Д шины
ХУ zy
Накопитель [Временной
I [рггистр (у) ТТоиггёоы
„ [признакоЦ
десятичный ____
корректор
ирмети-
•ко-логи-
ческоеуст
'ройство,
(МУ)
Регистр
команд (g)
Дешиф-
ратор
команда
управяент
I
Выдача Управление
-Ж--10В кере- Кент- ______
-^.чзвураса ПЗУ ОЗУ роль'__шагом
I П НЙ { | I г
ЛеРенве ^ПЗУв^ОЗ^т^.,^Р
Прерывание I
о-з
Синхронизация
Ъг управление ,
Управление„ Синхрени-
одним Синхро- зирующае
шагом низацин импульсы
ЫудьтиплеНсоЛ
1 магазина, j
\сйетчик
ном ан О (121
‘ Уровень НЧ
Уровень НЧ
Уровень N*3
Уровень КЯУ
У ревень Кг5
Уровень Ка6
Уровень К*7
s
I
J
Магазин адресов
. ss;«* л-
Подтверждение
а)
Рис. П2.2. Функциональная схема наиболее распространенного отечественного микропроцессора - 8-разрядного МП серии К58О
Таблица П2.3. Осяошвав технические характеристики
8-разрядных микропроцессоров
Страна, фирма, модель Год вы- пуска или полу- чении »• форма- ции Время жыпоткв- НИИ про- стейтп опера- ций. мкс Число Макси- мальная адресу- смаяна- мять. Кбайт Мощ- ность рас- сея- ния, мВт Число уров- ней напри- жеяия пита- ния
ко- манд РОН
США, Commodore 6502 1982 0,1 56 5 64 500 1
6503 1982 0,1 56 5 4 500 1
США, Fairchild Semiconductor
F8 1974 2 76 64 64 500 2
F3870 1978 2 70 64 2 275 1
F38E70 1982 2 76 64 4 325 1
F6802 1982 1 72 64 65 300 1
США, Intel
8008/8008-1 1971 2 48 6 16 420 2
8021 1978 60 64 1 300 1
8035/8035 1976 5 90 64 4 325 1
8080А 1973 2 78 6 64 800 3
8085А/8085Н 1976/80 1 82 6 64 800 1
8088 1979 0,6 134 8 1000 1500 1
США, Motorola
MC6801U4/3U4 1982 1 72 2 64 1200 1
МС6800 1974 2 72 2 64 600 1
МС6809 1979 13 59 2 64 1000 1
МС6805Р4 1981 2 63 5 0,256 350 1
МС1468052 1981 3 61 2 61 20 2
МС68701 1980 1,6 62 2 64 1200 1
США, National Semiconductor INS8Q35148 1980 136 96 16 4 325 1
INS800 1980 1 158 11 64 50 1
Та блица П2.4. Возможности 8-разрядных микропроцессоров
Характеристика Z80 Intel 8080А К580
Год появления на рынке 1976 1975 1979
Число основных команд 158 78 78
Число РОН 16 8 8
Основная тактовая частота, МГц 2,5 2 23
Непосредственно адресуемое пространство, или 4 64 64 64
Кбайт Технология пМОП ПМОП лМОП
Время выполнения безадресной команды, 1,6 или 1 2 1,6
МКС Число выводов корпуса 40 40 40
247
Максимальная адресуемая емкость памяти 126 Кбайт. В большей части рассмотрен-
ных моделей реализована возможность прямого доступа к памяти. Почти все микро-
процессоры данного класса выполнены по МОП-технологии, используют один или
два уровня напряжения, рассеиваемая мощность 12—1500 мВт. Наиболее популяр-
ны модели Z80 фирмы Zilog н NSC800 фирмы National Semiconductor.
Микропроцессор типа Z80 характеризуется высоким быстродействием (время
выполнения простейших операций 1,6 мкс) и больишм выбором, используемых
команд различной длины. В нем реализованы все рассматриваемые возможности,
в том числе возможность прерываний, прямого доступа к памяти, использования
управляющей программы.
Модель NSC800 также отличается хорошим сочетанием технических парамет-
ров н несколько превосходит Z80 по быстродействию (время выполнения простей-
ших операций 1 мкс).
ШЕСТНАДЦАТИРАЗРЯДНЫЕ МИКРОПРОЦЕССОРЫ
На рис. П2.3, в табл. П2-5-П2.7 представлена информация по этому
классу МП- Подавляющее большинство 16-разрядных МП выполнено по МОП-техно-
логии. Их быстродействие характеризуется временем выполнения простейших опе-
раций, составляющим от 0,25 до 8,8 мкс, мощность рассеяния принимает значения
в диапазоне 150-2000 мВт, а число используемых уровней напряжения питания —
от 1 до 3. Число команд, используемых в МП данной группы, 21-134, при этом в по-
ловине рассмотренных моделей реализована возможность использования команд
различной длины. Количество регистров общего назначения в МП данной группы
4-128, емкость адресуемой памяти от 1 Мбайт до 8 Мбайт. Практически во всех мо-
делях МП реализованы возможности прерываний и прямого доступа к памяти.
В качестве примера модели среднего класса может служить микропроцессор
TMS9900 фирмы Texas Instruments (США). В TMS9900 реализованы все рассматри-
ваемые возможности МП.
Таблица П2.5. Основные технические характеристики 16-разрядных микропроцессоров
Страна; фирма, модель - Год вы- пуска или по* лучения инфор- мации Время выпол- нения простей- ших опера- ций, мкс Число Макси- мальная адресу- емая память, Кбайт Мощ- ность рас- сея- ния, мВт Число уров- ней напря- жения пита- ния
комацд РОН
США, Advanced Micro- Devices - *
Am29116 1982 — Пере- 32 Пере- — 1
менное менная
США, Data General, MicroNOUA
mN602 1979 2,4 90 4 64 1000 3
США, Digital Equipment 1978 2 70 64 2 275 1
Micro/T-11 1982 1,2 56 8 64 1100 1
США, Intel
8086 1978 0,6 134 8 1000 1500 1
США, Fairchild Semiconductor
F9445 1982 0,25 21 4 65 1500 1
248
Окончание табл. П2.5
Страна» фирма» модель Год выпуска или по- лучения инфор- мации Время выпол- нения про- стей ших опера- ций» мкс Число Максн-| Мощ- малънаяпость Чис- ло' уров- ней на пря- же- ния пита- ния
команд РОН
адресу- емая память» Кбайт рас- сея- ния, мВт
США, Texas Instruments SBP9900 1976 4,67 69 32 1000 1
SBP9989 1982 2,7 73 —. 64 1
TMS9900 1976 4,67 69 — 32 1200 1
TMS9940 1982 2,8 68 128 1 750 1
TMS9980/81 1977 4,2 69 — 16 750 2
TMS9995 1981 1,33 72 — 64 800 1
TMS99105 1981 0,8 84 128 900 1
99110 1981 0,8 99 — 128 900 1
США, Zilog Z8001/Z8004 1981 0,4 110 16 32 800 1
Z8002/Z8004 1979 0,4 110 16 32 _ 800 1
Таблица П2.6. Возможности 16-разрядных микропроцессоров
(без учета функций, выполняемых сопроцессорами и вспомогательными БИО
Характеристика TI9900 18086 Z8000 MC68000 NS16032
Год появления на рынке 1976 1978 1979 1980 1982
Число основных команд 69 95 110 61 121
Число РОН 16 14 16 16 8
Основная тактовая частота, МГц 3 4-8 2,5-3,9 5-8 10
Непосредственно адресуемое про- 0,064 1 6X8 16/64 16
странство, Мбайт Число выводов корпуса 40 40 48/40 64 48
Число режимов адресации 8 24 6 14 9
Основные типы данных: биты + + + +
целые числа (байт или слово) + + * + + +
целые числа (двойное слово) — — + + +
логические величины (байт или + + , + + +
слово) логические величины (Двойное — +
слово) символьные строки (байт или + + + +
слово) символьные строки (двойное — — — - — ' +
слово) ДКД- байт + +
ДКД - слово — — — — +
ДКД - двойное слово — — — — +
Числа с плавающей точкой — — — — —
Структура данных стеки + +
249
Окончание табл. П2.6
Характеристика TI19900 18086 Z8000 MC68000 NS16032
массивы + . — — — +
упакованные массивы + — — • — +
записи + + + + +
упакованные записи —» — — — +
строки — + + — +
Элементарные команды управления:
примитивы кодов условий + — + + +
переходы + + + + +
условные пер входы + + + + +
простые циклы + + + + +
вызов подпрограммы + + + +
селективные инструкции — — •— — +
Управляющие структуры:
вызов внешних процедур — — — — +
семафоры — + + + +
внутренние прерывания + + + +
внешние прерывания + + + + +
режим супервизора + — + + +
совместимость с другими МП — — — +
Примечание. MC68000 и NS16032 фактически относятся к 16/32-разряд-
ным микропроцессорам.
Таблица П2.7. Быстродействие 16-разрядных микропроцессоров
Операция 1 к 11 Тип данных Быстродействие, мкс
TI9900 (3) 18086 (5) Z8000 (5) MC68000 (Ю) NS 16032 (6)
Пересылка Байт/слово, 4,60 0,40 0,75 0,50 0,30
регистр-регистр двойное слово 9,80 0,80 1,25 0,50 1,00
Пересылка Байт-слово, 7,30 3,40 зло 1,50 1,00
память—регистр двойное слово 14,60 6,80 4,25 2,00 150
Пер ссылка Байт/слово, 9,90 7,00 2,50 1,70 1,70
память—память двойное слово 19,80 14,00 850 3,75 250
Сложение Байт/слово, 7,32 3,60 3,75 150 1,20
память—регистр двойное слово 21,30 7,20 5,25 2,25 1,60
Сравнение Байт/слово, 9,90 7,00 7,25 3,00 1,70
память—память двойное слово 19,80 14,00“ 950 4,00 250
Умножение Байт, слово, 21,90 13,00 20,25 5,25 350
память—память двойное слово 21,90 23,00 16,00 8,75 5,10
Условный Условие истинно 180,64 7,60 115,20 2,20 85,75 2,75 43,00 1,25 8,30 1,30
переход Условие ложно 7,90 3,80 3,75 2,25 2,00
Изменение индек- Условие истинно 7,60 2,20 2,75 1,25 1,30
са; переход к нулю Переход к под- 7,90 3,80 3,75 2,25 2,00
программе
Примечание. В скобках указана тактовая частота, МГц.
250
Регистр
команд
I
ф Признаки,
А АЛУ
я
У
к
U
5g
ft
1?
*!Л 2*»i
НРегиот-
г ровый
у файл
Внутренняя
Схема
Регистр ---------- .
упраВле- ускоренной
ния дешифрацш
КО!
а)
Регистр _к Дршифршт.
ломано “V команд
Выбор
регистра
и функции
Исполнительный
блок
Адрес
сегмента
Смещение счет
чина кемаидрче?
чин обновления.
пения и инкреме
нтерсшагем 2
Шина комакд гз
Адрес
Управ-
ленив
6)
'ЗУ
микрокоманд
Примерный
объем
660к Ю
ЗУ
Выбор перехода
Условия fldpee
37
нанокоманд
примерный
объем „
280x70
Исполнительный блок инягерфейса
блок (Иб) ‘
Регистры
общего
назначение
шины(ВИШ)
Сегментные
регистры
Указатель
инструкций
I j Ицльншплек-
бычисление \cupefdHue
адреса и 'ii,’"" 'i'‘i Д
управление шина,
Л . шиной
ЯЛУ
Очередь
инструкций
Регистр -
данных
1. _ 1 1
I Вуферы
I П/вы9
^4—.
_ Схема
дыделеши
цесеор
J gf“ смещения Микропрограммное I ' I
—i |L_ ntuempe управление » |
^\9ыифайл сигцаль1 ^4j(emuy^rmepl'
ZISIZZwZIb
МУ
г)
Сигналы
управлы
Интерфейс |
шины !
Рис. П2Л. Функциональные схемы 16- 16/32-разрядных микропроцессоров:
a) Z8000 фирмы Zilog; б) 8086 фирмы Intel; в) МС6800 фирмы Motorola; г) NS фирмы National Semiconductor
ТРИДЦАТИДВУХРАЗРЯДНЫЕ МИКРОПРОЦЕССОРЫ
Данные по этому классу МП приведены на рис. П2.4 (функциональ-
ные схемы) и в табл. П2.8. Все модели данной группы обладают довольно высоким
быстродействием (время выполнения простейших операций составляет 0,4-0,5 мкс),
набором используемых команд, равным 56-86, количеством регистров общего на-
значения, равным 8-17, емкостью адресуемой памяти 1-256 Мбайт. На самом высо-
ком уровне в данной группе находится микропроцессор МС 68020 фирмы Motorola,
который значительно (в 16 и более раз) превосходит все остальные модели по емко-
сти адресуемой памяти. По остальным рассматриваемым параметрам данная группа
-микропроцессоров однородна.
Наиболее впечатляющие успехи электронной промышленности в последнее вре-
мя связаны с созданием нового поколотя 32-разрядных МП. Характеристики-ряда
перспективных моделей приведены в табл. П2.9.
Рис. П2.4. Функциональные схемы 32-разрядных микропроцессоров:
a) Belltnac 32А фирмы BellLabs; б) 1АРХ432 фирмы Intel
252
гблица П2.8. Основные технические характеристики
-разрядных микропроцессоров
Страна, фирма, модель Год вы- пуска или полу- чения инфор- мации Время вы- полнения простей- ших опе- раций, мкс Число Макси- мальная адресу- емая па- мять, Кбайт Мощ- ность рассея- ния» мВт Число уров- ней на- пряже- ния пи- тания
ко- манд РОН
ША, Motorola
MC68000 1979 0,4 56 16 16 1200 1
МС68008 1982 0,4 56 16 1 1200 1
МС68010 1982 0,4 58 16 16 1200 1
MC68020 1982 54 16 256 1
'ША, National
emiconductor
NS16008 1983 0,4 86 8 16 юоо 1
NS16016 1983 0,4 86 8 16 1000 1
NS16032 1982 0,4 86 8 16 1000 1
Таблица П2.9. 32-разрядные микропроцессоры второго поколения
(1985-1990 г.г.)
Обозначение и краткие характеристики Фирмы- изготовители, цена Такто- вая ча- стота, МГц БИС. обрамления Области применения
80386; адресное пространство до 2” байт, 275 тыс. транзи- сторов в БИС, совместимость с МП 8086, 80286, ориентация иа ОС UNIX Intel (США); 299 долл. 12,5-20 Графический со- процессор, конт- роллер локальной сети, контроллер прямого доступа и ОЗУ, арифмети- ческие сопроцес- соры 6 моделей ППЭВМ (1987), и том числе Personal System/2 Model 80 фирмы IBM (США)
Clipper; набор из трех СБИС, архи- тектура с упро- щенной системой команд, ориента- ция на ОС UNIX Fairchild (США), 500-1200 долл, за набор СБИС 33 " Используются БИС из других серий'МП Сопроцессоры - ускорители для ППЭВМ, рабочие станции САПР
68020; ведущее положение на рынке в 1986- 1987 гг, большое адресное прост- ранство, ориента- ция иа ОС UNIX Motorola (США), Thomson (Франция), Hitachi (Япония), 300-7.70 долл. 20-25 Диспетчер памяти, арифметический сопроцессор, графический сопроцессор ППЭВМ середины 80-х годов, пи- фические рабо- чие станции
253
Окончание табл. П2.9
Обозначение и краткие характеристики Фирмы- изготовители, цена Такто- вая ча- стота, МГц БИС обрамление Области применения
32332; архитек- тура, близкая к мини-ЭВМ се- рии VAX, ориен- тация на ОС UNIX National Semicon- ductor (США), 195 долл. 10 Диспетчер памяти арифметический -сопроцессор контроллер прерываний , Сопроцессоры- ускорители для ППЭВМ, рабо- чие станции дляГПС
WE32; ориента- ция на ОС UNIX Zilog, AT&T Technologies (США), 120 долл. 10(30) Диспетчер памяти, ППЭВМ, обору- контроллер памя- доваяие связи ти, арифметиче- ский сопроцессор
V60/70; архитек- - тура аналогична 80386, начало производства — 1987 г. NEC Electronics (Япония), цена не объяв лен* 16 Арифметический сопроцессор, диспетчер памяти ПЭВМ, системы реального Вре- мени
Примечание. ППЭВМ — профессиональная ПЭВМ.
Приложение 3
ПЕРИФЕРИЙНЫЕ УСТРОЙСТВА
Обсудим кратко характеристики периферийных устройств персональ-
ных компьютеров, а также модулей расширения. Сфера эффективного использова-
ния ПЭВМ обеспечивает и требования к номенклатуре и параметрическому ряду пе-
риферийных устройств и модулей расширения. Для периферийных устройств ПЭВМ
характерна тенденция к постоянному снижению удельного веса и электромеханиче-
ских узлов, и электровакуумных приборов в их конструкции; это обеспечивает
как снижение трудоемкости производства устройств, так и повышение их надежно-
сти, Другим важным свойством периферийных устройств является практически пол-
ная замена в них „россыпной” логики управления однокристальными микроконт-
роллерами. Одноплатные модули распярения находят применение прежде всего
в автоматизации научных исследований: номенклатура этих модулей должна быть
сформирована с учетом отита создания ряда модулей и устройств в стандартах КА-
МАК и КОП(МЭК) и функциональных возможностей нерсиективной элементной
базы (однокристальные и гибридные АЦП/ЦАП, вентильные матрицы и заказные
БИС).
Далее рассматриваются параметры периферийных устройств и модули расши-
рения ПЭВМ, как сложившиеся в настоящее время, так и в развитии на ближайшие
5 лат по основным номенклатурным группам.
КЛАВИАТУРЫ
Блок на 60—90 клавиш, отвечающий расширенному стандарту (при-
лив под нижним рядом клавиш, подсветка задействованных функциональных и уп-
равляющих клавиш и др.). Стандартные коды управления (по аналогии с ANSI
Х3.64). Клавиши со свободным ходом;
сенсорный блок ва 50-100 позиций с накладными шаблонами (применение
в САПР, САНИ);
многофункциональный блок тактильного ввода (ввод позиционной и тексто-
вой информации).
Технология типа Touchscreen. Число позиций - до 960. Применение в образова-
нии, САПР, САНИ.
ДИСПЛЕИ
Простейшие ЭЛТ-дисплеи для алфавитно-цифрового монохромно-
го режима. Полоса видеосигнала — свыше 12 МГц, Число знакомест — до 132X64
(варианты ориентации экрана — ландшафтный и портретный). Применение — об-
работка текстов, САПР;
растровые монохромные дисплеи с применением ЖК- и ЭЛ-технологий. Формат
растра - до 320X160 (в дальнейшем до 640X200). Применение - образование, обра-
ботка текстов;
растровые монохромные ЭЛТ-дисплеи с адресуемыми точками растра. Формат
растра - до 640X200 (вариант - до 768X400). Применение - все массовые области;
растровые цветные ЭЛТ-дисплеи с адресуемыми элементами изображений и бу-
ферной памятью. Формат растра — до 2048X2048 (в старших моделях этого ряда —
контроллер со встроенным микропроцессором класса M68000/NS16032). Примене-
ние: » САПР.
255
НАКОПИТЕЛИ НА ГИБКИХ МАГНИТНЫХ ДИСКАХ (НГМД)
Диаметр носителя - 133 мм. Высота^лока - до 35 мм. Унифициро
ванный интерфейс, обеспечивающий возможность , прямого доступа к ОЗУ на маги-
страли, емкость - от 0,5 до 10 Мбайт с возможностью переключения на режимы
совместимости с распространенными ПК. Наработка на отказ от 6000 до 20 000 ч;
диаметр носителя - 76-90 мм (в соответствии с перспективными стандарта-
ми). Унифицированный интерфейс. Емкость от 0,3 до 4 Мбайт, наработка на отказ -
от 6000 до 10 000 ч. Жесткий предохранительный конверт носителя.
НАКОПИТЕЛИ НА ДИСКАХ ТИПА „ВИНЧЕСТЕР" (НМД , Д’)
Диаметр носителя - 76-90 мм (совместимый с НГМД). Интерфейс,
унифицированный с интерфейсом НГМД Емкость до 20 Мбайт, в многопластинном
варианте - до 100 Мбайт. Наработка на отказ - от 6000 до 15 000 ч;
диаметр носителя - 133 мм. Унифицированный интерфейс. Емкость - до
50 Мбайт, в многопластинном варианте до 500 Мбайт. Скорость обмена по малому
интерфейсу от 600 до 1500 Кбайт/с (последнее - в составе файловых серверов под-
систем локальных сетей ПК). Наработка на отказ — от 6000 до 20 000 ч.
НАКОПИТЕЛИ НА ОПТИЧЕСКИХ ДИСКАХ
Диаметр носителя - не более 203 мм. Интерфейс унифицирован с ин-
терфейсом НМД „В” диаметром 133 мм. Емкость до 2000 Мбайт. Среднее время до-
ступа к данным - от 100 до 300 мс. Наработка на отказ - до 10 000 ч, развитые ме-
тоды коррекции ошибок.
УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЗАЩИТЫ СОДЕРЖИМОГО НМД ,Д’
Накопитель бобинного типа. Ширина носителя - 12,7 мм. Емкость
тома - до 150 Мбайт в поточном режиме („летящая лента”)- Возможность работы
со стандартной файловой структурой. Скорость носителя в поточном режиме — до
500 см/с. Встроенный контроллер с буферной памятью. Настольное исполнение.
Накопитель кассетного типа. Ширина носителя - 6,4 мм. Емкость кассеты до
50 Мбайт. Скорость носителя в режиме чтения/записн - до 500 см/с. Встраиваемое
-исполнение. Унифицированный интерфейс; число дорожек н способ записей данных
могут отличаться для разных моделей.
ПРЕЦИЗИОННЫЕ УСТРОЙСТВА ВВОДА
ГРАФИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
Планшет ручного ввода. Формат рабочей поверхности — АЗ/А4. Раз-
личные типы манипуляторов (кнопочный, курсор и др.). Съем данных - магнитно-
стрикционный, электромагнитный и др. Точность — 0,1 мм. Возможность кодиро-
вания цветов. Встроенный микроконтроллер. Интерфейсы — ИРПР, КОП;
планшет эскизного ввода. Формат рабочей поверхности — от 120X120 до 400Х
Х500 мм. Тактильный ввод. Съем данных мембранный с цифровым или аналого-
вым выходным сигналом. Точность — от 0,5 до 13 мм. Интерфейсы — аналоговый
(для манипулятора), ИРПС;
устройство ввода с ТВ-камеры. Формат рабочей поверхности - до 300X400 мм.
Число элементов дискретизации — до 1000X2000. Возможность кодирования цветов/
градаций яркости. Интерфейс — магистральный, возможна предобработка сигнала.
256
УСТРОЙСТВА ВЫВОДА ГРАФИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
, Графопостроитель планшетный/барабанный. Формат листа - от А2 до
А4. Сменный комплект цветных перьев. Точность - 0,1-0,3 мм. Встроенный микро-
процессор с возможностью выполнения операций стандарта ГКС/ВДИ. Интерфейс -
ИРПР,-ИРПС, КОП;
растровые устройства печати.
УСТРОЙСТВА ПЕЧАТИ
Устройство печати минимальной стоимости с термическим переносом
красителя на бумагу. Скорость вывода - от 20 до 60 зн./с. Алфавит до 96 знаков.
Буфер на строку. Микроконтроллер и заказные БИС обрамления. Настольаое/встра-
иваемое исполнение;
устройство печати с шрифтоносителем „ромашка”. Скорость вывода до 60 зн./с.
Алфавит до 100 знаков. Буферное ОЗУ, возможность печати иа обратном ходе пишу-
щего узла. Широкий набор функций микроконтроллера;
растровые устройства печати. Скорость вывода - до 600 зн./с. Технологии —
ударная матричная, струйная. Программируемый алфавит. Встроенный микроконт-
роллер с возможностью выполнения операций стандарта ГКС/ВДИ. Интерфейс -
ИРПР, КОП.
МОДУЛИ РАСШИРЕНИЯ
Они представляют собой, как правило, одноплатные конструктиве
ные узлы с выходами (разъемами) магистрального интерфейса и одного или более
периферийных интерфейсов.
Включение МР в состав ПК обеспечивает следующие основные цреямущества:
возможность модульного наращивания технических средств, по мере уточнения
требований, характерных для конкретных применений ПЭВМ (в основном зто отно-
сится к МР ОЗУ/ПЗУ, МР УСОи МР адаптеров для каналов связи);
возможность создания проблемно-ориентированных и специализированных
комплексов на базе типовых конфигураций ПЭВМ (для этой цепи применяются
МР средств машинной графики, МР УСО, МР эмуляции терминалов и МР обработки
сигналов);
возможность аппаратной поддержки определенных функций системы приклад-
ного и программного обеспечения (МР таймера/калевдаря, МР многофункциональ-
ных контроллеров периферийных устройств, МР ОЗУ/ПЗУ).
Данные о применимости и основных характеристиках МР этих групп приведены
в табл. П3.1.
Таблица П3.1. Модули расширения ПЭВМ
Наименование . группы модулей, примерная номенкла- тура* основные характеристики Маги- с тральный/ периферий- ный ин- терфейс Уровень насыщения областей применения
образо- вание обра- ботка тек- стов дело- вая гра- фика эконо- мика н уп- равле- ние САПР/ ГПС АСНИ
Расширение ОЗУ/ПЗУ, Шина 0,05 в,01 0.3 0,3 0,8 0,8
4-8 типов, 64- ПЭВМ/-
1024 Кбайт
9 Зак. 854
257
Окончание табл. П3.1
Наименование группы модулей, примерная номенкла тура, основные характеристики Маги- стральный/ периферий- ный ин- терфейс Уровень насыщения областей примеве вне
образо- вание обра- ботка тек- • стой дело- вая гра- фика эконо- мика и уп- равле- ние САПР/ ГПС АСНИ
-Графические адапте- ры, 5-15 типов, раз- личные виды индика- торов (ЭЛТ, ЖК, ЭЛ), локальное видеоОЗУ Шива 0,001 ОД) 0,01 0,001 0,9 0,6 □ЭВМ/ ИРПР, локальные сети, МЭК625
Адаптеры каналов
связи, 10-20 типов,
скорость обмена
100-ЮМ бод
Шина 0,99 0,3 0,3 0,6 0,6 0,6
ПЭВМ/
С2, ИРПС,
локальные
сети
Многофункциональ- ные контроллеры, 10-50 типов, локаль- ное ОЗУ, специализи- рованные БИС/СБИС Шина 0,05 0,6 0,6 0,4 0,8 0,6 ПЭВМ, упрощен- ные шины/ специализи- реванше интерфейсы
Специализированные ироцессоры, 10- 20 типов, заказные/ полузакаэные БИС Шива 0,001 0,0 0,01 0,01 0,04 0,5 ПЭВМ/ МЭК 625, А/Ц каналы
Приложение 4
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЭВМ
259
Таблица П4.1. Основные характеристики технических и программных средств ПЭВМ отечественного производства
Модель ПЭВМ Элементная база (пропессор) Быстро- дейст- вие, тыс. оп./с , Емкость, Кбейт Системное программное обеспечение Внешний накопитель Устройство отображения информации
ОЗУ ПЗУ адресу- емая память
ДВК-2М МС 0501.02 К1801ВМ1 500 56 8 64 осдвк Языки: Ассемблер, Фортран, Бейсик НГМД Э-6022 15ИЭ-00-013.1
ДВК-3 МС.0502 К1801ВМ2 1000 56 8 64 ОСДВК Языки: Ассемблер, Бейсик, Фортран, Паскаль . НГМД Э-6021 МС 6105.03
ДВК-ЗМ2 К1801ВМ2 1000 56 8 64 То же НГМД Э-6021 МС 6105.01
Электроника 85 МС0585 К1811, К1818 600 512 16 4096 ОС: Прос, Фобос 2 Языки: Бейсик, Фортран, НГМД 2X400 Кбайт, НМД „Винчестер” 5-10 Мбайт МС 6105.02, 960X240 точек
260
1 Модель ПЭВМ Элементная база (процессор) Быстро- дейст- вие, тыс. оп./с Емкость, Кбайт
ОЗУ ПЗУ адресу- емая память
Электроника
БК-0010
Электроника
БК-ООЮш
К1801ВМ1 500 Пользе- 32 64
вателя
16 (28),
экран-
ной
16(4)
Малогабаритное К588 100 32 16 64
информационное
устройство
(МИУ)
ЕС-1840 > К1810ВМ86 800 256 32 640
Продолжение табл. П4.1
Системное программное обеспечение Внешний накопитель Устройство отображения информации
Паскаль,
Макро,
Модула-2
Системные Бытовой
программы кассетный
в сменных магнитофон
БИС ПЗУ;
Языки:
Фокал,
Бейсик
Бытовой телевизор,
1600 символов,
512X256 точек
ОСМИУ Языки; Бейсик, Паскаль, Ассемблер Бытовой ЖК панель, 1 кассетный 480 символов, магнитофон, 256X128 точек сменный мо- дуль памяти
Микроо-86, Альфе-ДОС; Языки: Бейсик, Паскаль, Фортран, Си НГМД 133 мм, Дисплей (монохромный 2X360 Кбайт монитор) до 2000 симво- лов до 640X200 точек
Окончание табл. П4.1
Модель ПЭВМ Элементарная база (процессор) Быстро- дейст- вие, тыс. оп./с Емкость, Кбайт Системное программное обеспечение Внешний накопитель Устройство отображения информации
ОЗУ ПЗУ адресу- емая память
СМ-1810 К1810ВМ86 800 512 64 До 4 Мбайт ДОС 1810, НГМД 133 мм, Дисплей, до 2000 симво- Микрос-86, 2X360 Мбайт лов; различные варианты БОС-1810 графических адаптеров Языки: Бейсик, Фортран, Паскаль, Си
Нейрон И-66 640:320X200 К1810ВМ86 800 256 64 640 Нейрон-ДОС1, НГМД 133 мм, Дисплей (монохромный Нейрон-ДОС2 2X360 Кбайт монитор) до 2000 симво- лов до 640X2'00 точек
АГАТ * 6502 (США) 200 32 16 64 ДОС; Языки: Бейсик НГМД ЕС-5088 Дисплей (монохромный монитор) 2048 символов, 256X256 точек; возможен цветной монитор
Корвет СЛ КР580ИК80А 600 64 32 64 МикроДОС Языки: Бейсик, Рапира, Паскаль НГМД 133 мм, Дисплей (монохромный 2X360 Кбайт монитор) 2048 символов, до 512X256 точек возможен цветной монитор " 1 II -I —
262
Таблица П4.2. Персональные ЭВМ стран СЭВ
Модель Аналог МП Емкость, Кбайт ВЗУ Дисплей Программное обеспечение
операционные системы языки про- граммирования
ОЗУ ПЗУ
НРБ
Правей 82 Арр1е-2 6502 48- 64 12 2*140 Кбайт, НГМД Ч/б, цветной дисплей; текстовый режим, 24*40, с дополнитель- ным модулем 24*80 символов; графика до 15 цветов, до 280*192 точек DOS, ИС, SDP, СР/М 80 Бейсик, Паскаль, Фортран, Кобол, Ассемблер, макро- ассемблер для 6502 и 8080/Z80
ИЗОТЮЭ1С K580 64 — НГМД ЕС-5088 Дисплей (монохром- ный монитор) до 1920 символов; графика до 640*200 точек СР/М-80 Ассемблер, Бейсик, Фортран, Паскаль
ИЗОТ 1036С IBM PC K1810 128- 640 40 НГМД 133 мм, 2*360 Кбайт Дисплей (монохром- ный монитор) до 1920 символов; графика до 640*200 точек ’ ДОС ПК, Микроо86 Бейсик, Ассемблер, Паскаль, Кобол
Правей 16 IBM PC 8088 512 * НГМД 133 мм, 2*360 Кбайт Дисплей (монохром- ный монитор) до 1920 символов; графика до 640*200 точек PCDOS, • Предмет допол- MSDOS, нительной по- ' СР/М-86 ставки
Продолжение юбл. П4.2
Модель Аналог МП Емкость, Кбайт йзу Дисплей .1 1 Программное обеспечение
операционные системы языки про- граммирования
ОЗУ ПЗУ
ИЗОТ 1037С IBM PC К1810 640 ДО 64 НГМД 133 мм, 2*360 Кбайт Дисплей (монохром- ный монитор) до 1?20 симиолов; графи- ка до 640*200 ДОС ПК, МИКРОС-86 Бейсик, Ассемблер, Кобол, Фортран, Паскаль, Си, Кобол
ГДР
СМ-1910-2С — К1810 128— 640 — ЮМБайт Дисплей графический, 640*400,1920 симво- лов SCP 1700, (СР/М86), MRT 1700 (RMX-86) Бейсик, Фортран, Паскаль, Кобол
СМ-1910-2 - К1810 128 - 2 внешних на- копителя, 133 мм, воз- можны 203 мм (НГМД) Дисплей графический 640*400,1920 симво- лов ОС 1620 (СР/М), ОС 1700 Бейсик, Фортран, Паскаль
Роботрон 1715 - U880 64 2 2 НГМД, 133 мм или 203 мм 1920 символов, квази- графические символы SCP '(СР/М) Паскаль, Бейсик, MABS. 1520
264
Окончание табл. П4.2
Модель Аналог МП Емкость, Кбайт ВЗУ Дисплей Программное обеспечение
операционные системы языки про граммировдиия
ОЗУ ПЗУ
ВНР
VT-16
с НМД
„Винчестер”
128 НГМД 133 мм
2*1 Мбайт;
1 НГМД
И1 НМД
„Винчестер”
5 или
10 Мбайт
Дисплей (монохром-
ный монитор),
I960 символов
UPM, СР/М,
MSDOS,
СР/М-86
Фортран,
Бейсик
VT-16
128 НГМД 133 мм Дисплей (монохроМ- То же
2*1 Мбайт ный монитор),
1960 символов
То же
ПНР
МЭРИТУМ-1 TRS-81 U880 18 14 Кассетный магнитофон Дисплей или теле- визор (ч/б) Резидентная программа; Б ейсик-Мэритум Б ейсик- Мэритум
МЭРИТУМ-2 TRS-81 U880 18 14 НГМД То же То же То же
МЭРИТУМ-3 TRS41 U880 18 14 НГМД Телевизор (ч/б) » »>
Приложение 5
ОПЕРАТОРЫ И ФУНКЦИИ БЕЙСИКА
Диалект Microsoft BASIC, применяемый на профессиональных и
учебных ПЭВМ, включает следующие основные группы операторов и функций.
КОМАНДЫ И ОПЕРАТОРЫ ОСНОВНОЙ ГРУППЫ
ЛИТО л — автоматическая генерация номеров .строк исходного текста
CONT DELETE LIST LLIST NEW RENUM REN TRON/TRAFF CLEAR DATA DIM DEF- DEF FN. DEFUSR — продолжение выполнения программы после останова — удаление строк исходного текста с указанными номерами — вывод на экран исходного текста — вывод на печать исходного текста - уничтожение текста программы в ОЗУ — перенумерация строк в исходном тексте < — запуск (при необходимости — загрузка) программы — включение/выключение трассировки программы — управление распределением памяти (очистка) - создание массива констант для операторов READ - указание максимальной размерности и размера массива - указание типов переменных (DEFINT, DEFSNG...) - определение функции, задаваемой пользователем — определение входной точки подпрограммы в машинном коде
ERASE END ERROR FOR...TO ...NEXT COSUB/RETURN GOTO IF...THEN/GOTO—ELSE IM PUT LINE INPUT LET ..f... LPRINT MID $ ON ERROR GOTO ON...GOTO — уничтожение массивов в программе - завершение программы. , — работа с кодами сообщений об ошибках — обрамление цикла в программе (возможен шаг STEF) — оформление вызова подпрограммы и возврата из нее - передача управления по указанному номеру строки - условная передача управления (ветвление) - ввод данных с клавиатуры — ввод длинной строки символов с клавиатуры - оператор присваивания (слово LET необязательно) - вывод данных на печать (...USING) - замена части символьной строки — обработка ошибок в подпрограмме пользователя - передача управления по одному из указанных номеров строк
ON...GOSUB - вызов подпрограммы по одному нз указанных номеров строк
POKE PRINT PRINT USING READ - запись кода в ячейку ОЗУ - вывод данных иа экран - вывод данных на экран в указанном формате — присвоение переменным значений из массива констант DATA
REM RESTORE RESUME ' - комментарий в программе. — установка позиции чтения массива констант DATA — возобновление выполнения программы после обработки ошибки
STOP SWAP - останов программы н переход в режим исполнения команд обмен значениями между двумя переменными функциями основной группы
265
ABS — абсолютное значение выражения
ASC — определеяиекода символов
ATN - арктангенс
BIN $ - перевод в двоичную форму (строка „1” и „0”)
CDBL — перевод «ело повышенной точности
CHR $ — определение символов по коду
CINT — перевод в целое число
COS - косинус
CSNG — перевод в число стандартной точности
ERR/ERL — определеште кода и номера строки при фиксации ошибки
EXP — экспонента
FIX — выделение целой части числа (модуль+знак)
FRE - определение размера свободной области памяти
HEX $ - переход в шестнадцатеричную форму
INKEY $ - ввод одного символа с клавиатуры без вывода на экран
INPUT $ - ввод строки с клавиатуры без вывода на экран
INSTR — поиск подстроки в строке
INT - выделение целой части числа
LEFT $ — выбор подстроки из строки (слева направо)
len - определение длины строки
LOG - логарифм
LPOS - определение позиции печатающей головки
MID $ - выбор подстроки из строки (справа налево)
OCT $ — перевод в восьмеричную форму
PEEK - чтение кода из ячейки ОЗУ
POS - определение позиции курсора (указателя) иа экране
RIGHT $ - выбор подстроки из строки (начиная справа)
RND - обращение к генератору псевдослучайных чисел
SGN - определение знака висла
SIN - синус
SPACE $ - формирование строки пробелов
SPS — вывод пробелов ла экран или печать
SQR - квадратный корень
STR $ - перевод в символьную форму
STRING $ - формирование сороки одинаковых символов
TAB - табуляция иа экране или печати
TAN - тангенс
USR - вызов подпрограммы в машинных кодах
VAL - овределелие численного .значения строки
VARPTR - определение адреса переменной или описателя файла в ОЗУ
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ОПЕРАТОРЫ И ФУНКЦИИ
SCREEN
WIDTH
CLS
LOCATE
COLOR
PUT
GET...
CIRCLE
DRAW
LINE
PAINT
PSET/PRESET
266
- определение графического режима н параметров устройств
- определение числа знакомест в строке '
— шиЛка экрана
~ выбор знакоместа для вывода иа экран
- определение цвета на экране
- вывод эоны точек растра на экран
- ввод эоны точек растра из видеопамяти
- вывод на экран эллипса или сектора
- рисование контура на экране
- вывоЬ на экран линии или прямоугольника (с заливкой)
- заливка цветом замкнутого контура на экране
- установка/сброс точки заданного цвета на экране
KEY
KEY LIST
KEY ON/OFF
BEEP
MOTOR
SOUND
PLAY
MAXFILES
OPEN
PRINT #
INPUT #
LINE INPUT
INPUT $
CLOSE
SAVE
LOAD
MERGE
BSAVE
BLOAD
CSAVE
CLOAD
- определение действия функциональной клавиши
- вывод строк, присвоенных функциональным клавишам, на экран
- разрешение/отмена индикации функциональных клавиш на экране
- вывод звукового сигнала
— управление магнитофоном
— вывод тона заданной частоты
— вывод звуковой последовательности
- указание максимального числа открытых файлов
— открытие файла
- вывод данных в файл
— ввод данных из файла
# - ввод длинной строки из файла
— ввод строки из файла
— закрыть файл
- запись на (гибкий) диск текста программы из ОЗУ
- загрузка текста программы в ОЗУ
- слияние строк текста программы с содержимым файла
- запись двоичного содержимого ОЗУ на (гибкий) диск
— загрузка двоичного содержимого ОЗУ
- зашсь двоичного содериягмого ОЗУ на кассету
- загрузка двоичного содержимого ОЗУ с кассеты
В этом неречне опущены некоторые машинно-зависимые операторы и функции,
которые требуют .особого внимания при использовании и не рекомендуются к исполь-
зованию при написании мобильных программ.
В новейшей реализации Microsoft BASK? для бытовых и учебных ПЭВМ серии
MSX [116] введен мощный оператор расширения языка CALL (обозначаемый так-
же знаком подчеркивания _). С помощью этого параметра можно вводить в язык
новые функции с параметрами. Соответствуюпже этим функциям подпрограммы
находятся во вставных кассетах ПЗУ и могут либо обслуживать нестандартные пе-
риферийные устройства, либо реализовать специальные расширения языка (напри-
мер, для работы с матрицами). Естественно, что такой прием противоречит требо-
ванию мобильности, однако места применения оператора CALL в ирогрямме легко
локализуются и могут быть изменены пользователем. Аналогичное жредупреждение
следует сделать в отношении обращений к подпрограммам в машинном коде. По
поводу мобильности программного обеспечения см. § 2.6.
Приложение 6
ТЕКСТЫ ПРОГРАММ НА БЕЙСИКЕ
10 REM ИНТЕГРИРОВАНИЕ ПО МЕТОДУ ТРАПЕЦИЙ
20 DEF FNI(Х> = ЕХР <Х>
30 INPUT “НИЯНИЙ ПРЕДЕЛ ="; А
40 INPUT "ВЕРХНИЙ ПРЕДЕЛ В
SO INPUT "ЧИСЛО ИНТЕРВАЛОВ -“; N
60 INPUT "ТОЧНОСТЬ »"; Е
70 Z - 1
ВО Н » (В - А> 7 N
90 IF В < A THEN 1В0
1ОО GOSUB 1ООО
110 PRINT “ПРИ"| N; " ИНТЕРВАЛАХ ИНТЕГРАЛ РАВЕН"; Т
120 IF Z » 1 THEN 140
130 IF ABS (TO - T> <- E THEN 190
140 TO - T
150 Z » О
160 N = N * 2
170 GOTO BO
ISO PRINT "НИЯНИЙ ПРЕДЕЛ БОЛЬШЕ ВЕРХНЕГО"
190 END
1 000-REM ПОДПРОГРАММА ВЫЧИСЛЕНИЯ ИНТЕГРАЛА
1010 Т » О
1020 FOR I » 1 ТО N-1
1030 X - А + Н * I
1040 Т - Т + FNI <Х>
1050 NEXT I
1060 Т= Н » <Т + .5 * (FNI (А) + FNI <В>7>
1070 RETURN
Рис. П6.1. Программа вычисления'определенного интеграла методом'трапеций
10 REM НАХОЖДЕНИЕ КОРНЕЙ ПОЛИНОМА
20 REM МЕТОДОМ НЬЮТОНА - РАФСОНА
30 INPUT "СТЕПЕНЬ ПОЛИНОМА-"; J
40 DIM F(J>
50 INPUT “ТРЕБУЕМАЯ ТОЧНОСТЬ-"; Е
60 FOR 1-0 ТО J
70 PRINT "ВВОД"; I; "—ГО КОЭФЧМЦИЕНТА"
ВО INPUT F(I>
90 NEXT I
1OO INPUT "НАЧАЛЬНОЕ ПРИБЛИЖЕНИЕ-"; X
110 GOSUB lOOO
120 PRINT “ПОВТОРЯТЬ ЛИ С ДРУГИМ"
130 PRINT "НАЧАЛЬНЫМ ПРИБЛИЖЕНИЕМ?"
140 INPUT “1—ДА, О—НЕТ"; А
150 IF А—1' THEN 100
160 END
1000 REM МЕТОД НЬЮТОНА - РАФСОНА
1010 REM ОБОЗНАЧЕНИЯ! Р-ПОЛИНОМ
1015 REM PI-ЕГО ПРОИЗВОДНАЯ
1020 REM Л-СЧЕТЧИК ИТЕРАЦИЙ
Рис. П6.2. Программа решения уравнения методом Ньютона
268
1030 Xl=Xs 01-1
1040 P=0: Pl-0
1050 FOR 1=0 TO □
1060 P=P+F<I>*X~<I>
1070 IF 1=0 THEN 1090
1080 Pl-Pl+F<I)*1*ХЛ<1-1>
1090 NEXT I
1100 IF ABSCP><—E THEN 1180
111O IF Pl-0 THEN 1160
1120 X-X-PZP1
1130 Jl-Jl+1
1140 IF JI>100 THEN 1200
1150 80T0 1040
1160 PRINT “НАЧ.ПРИБЛ. ";X1J “ПР0ИЗВ0ДНАЯ-0"
1170 GOTO 1210
1180 PRINT "НАЧ.ПРИБЛ. “;XIJ“КОРЕНЬ-";X
1190 GOTO 1210
1200 PRINT “КОРЕНЬ HE НАЙДЕН ЗА 100 ИТЕРАЦИЙ"
121,0 RETURN
Рис. П6.2. Программа-решения уравнения методом Ньютона
(окончание)
10 REM ПРОГРАММА ПОИСКА ВСЕХ КОРНЕЙ ПОЛИНОМА
20 REM МЕТОДОМ БАРСТОУ
30 DIM COF<5>, А<5>, В (5), РРСЗ), QQ<3>, RRC5), RI(5), С<5>, DCS)
40 COFCO) = 4: ;CQF<1> - -9: COF <2> = 14s C0F<3> = 50s COFC4) = -600
50 N = 5
60 GOSU8 1000
70 REM ПЕЧАТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ
80 PRINT "КОРНИ МНОГОЧЛЕНА"
90 PRINT "-----------------------------"
100 PRINT “ДЕЙСТВ. МНИМАЯ"
110 PRINT “ЧАСТЬ ЧАСТЬ"
120 PRINT “----------------------------“
130 FOR I — О TO N-l
140 PRINT RRCI), RI(I>
150 NEXT I
160 PRINT “----------------------------"
170 END
1000 REM ПОДПРОГРАММА ВЫЧИСЛЯЕТ ВСЕ КОРНИ (В Т.Ч. КОМПЛЕКСНЬЕ)
1ОЮ REM ПОЛИНОМА С ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫМИ КОЭФЧМЦИЕНТАМИ ВИДА
1020 REM X~N + COFCO) » XZ'(N-1) + COFCl) * Хл(М-2> +. ..+ COF CN-1I - О
1030 REM ОБОЗНАЧЕНИЯ: N - СТЕПЕНЬ ПОЛИНОМА, COF - МАССИВ, СОДЕРЖАНИЙ
1040 REM ЕГО КОЭФФИЦИЕНТЫ, A,B,C,D - РАБОЧИЕ МАССИВЫ РАЗМЕРНОСТИ N,
1050 REM RR,RI - ВЕКТОРЫ, СОДЕРЖАЩИЕ ДЕЙСТВИТЕЛЬНЕЕ И МНИМЫЕ ЧАСТИ
1060 REM НАЙДЕННЫХ КОРНЕЙ, PP,QQ - РАБОЧИЕ МАССИВЫ РАЗМЕРНОСТИ CN/2+1)
1070 REM
1080 REM ИСПОЛЬЗУЕТСЯ МЕТОД НЬЮТОНА. ЕСЛИ ОН НЕ СХОДИТСЯ
1090 REM ЗА 1ОО ИТЕРАЦИЙ, ПРОЦЕСС ОБРЫВАЕТСЯ.
11OO М — Ns Р — Os Q — Os L — INT С CN + 1 > / 2)
1110 FOR I - О ТО N-1
1120 ACI) = COFCI)
ИЗО NEXT I
1140 FOR □ = 0 ТО L-2
1150 GOSUB 1500
1160 PPCJ) - Ps QQCJ) ж □
1170 М = М - 2
1180 IF М = 2-THEN 1300
Рис. П6.3. Программа нахождения корней многочлена методом Барстоу
269
1190 FOR К - О TO M - 1
1200 А<К> = ВСЮ
1210 NEXT К
1220 IF И • 3 THEN 1250
1230 NEXT J
1240 REN ПОИСК ПОСЛЕДНЕГО ОДИНОЧНОГО КОРНЯ ПОЛИНОМА НЕЧЕТНОЙ СТЕПЕНИ
1250 X = - В (О)
1260 OOSUB 1780
1270 РР<1_—2» - А<0) + Xi Q0(L-2> - - А<2> / X
1280 GOTO 1310
1290 REM ПОИСК ПОСЛЕДНЕЙ ПАРЫ КОРНЕЙ ПОЛИНОМА ЧЕТНОЙ СТЕПЕНИ
1300 PPCL-1) = В<0>1 QQ(L-l) = В<1>| L = L + 1
1310 FOR К = О ТО N-1
1320 АСК» « COF СК»
1330 NEXT К
1340 IF М - 4 THEN 1380
1350 М - N
1360 GOSUB 1780
1370 RRCN-1> - X: RKN-D - О
1380 М = N
1390 FDR j » О ТО L-2
1400 Р = PPCJ»i Q - QQCJ»
1410 8O6UB 1510
1420 D = P*P-4*Q
1430 IF D < О THEN 1470
1440 RRC2 * J) = С- P + SQR CD»),/ 2.1 RI <2 » J) =0.
1450 RR<2 • J + 1» = <- F - SQR CD>> I 2. I RI<2 * J + 1» - O.
1460 BOTO 1490
1470 RRC2 * J » = - P / 2.1 RIC2 » J) = SQRC- D> / 2
1480 RI (2 * J + 1» - - P / 2.1 RI <2 * J + 1) = - SQRC- D> / 2.
1490 NEXT □
1500 RETURN
1510 REM ПОИСК КВАДРАТИЧНОГО ДЕЛИТЕЛЯ ПОЛИНОМА СТЕПЕНИ М
1520 ВСО) = АСО» - Р1 BCD » АС1» - Р * 8(0) - Q
1530 ССО» - - 1.1 СС1» = - В<0» + Р
1540 DCO) - O.i DC1) - - 1.
1550 FOR I - 2 ТО М-3
1560 BCD - ACI»’ - P » BCI-l) - Q * ВС1-2»
1570 CCI> » - BCI-l» - P * C(I-1> - Q » CCI—2»
1580 DCI) “ СС1-1»
1590 NEXT I
1600 R » ACM—2» - P * ВСМ-3» - О * BCM—4»
1610 S ACM—1» - 8 » BCM—3>
1620 RP « - BCM—3» - P * CCM—3» - Q* CCM—4»
1630 RQ “ - BCM-4) - P » D(M—3) - О * DCM-4»
1640 SP - - Q » CCM—3»
1650 SQ = - BCM-3) - Q * DCM—3»
1660 DE»RP«SQ-SP«RQ
1670 DP « CS » RQ - R * 9Q) /DE
1680 DQ = (R • SP - S » RP) / DE
1690 IF AB8CDP) > 0.001 * АЭ8СР» 0OTO 1730
1700 IF ABBCDQ» > 0.001 • ABSCQ) GOTO 1730
1710 P « P + DPi Q « Q ♦ DQ
1720 RETURN
1730 ICT - ICT + 1
1740 IF ICT > 100 THEN 1760
1750 P - P + DPi Q = Q + DQi BOTO 1520
Рис. П6.3. Программа нахождения корней многочлена методом Барстоу
(продолжение)
270
1760 PRINT "РЕШЕНИЕ HE НАЙДЕНО ЗА 100 ИТЕРАЦИЙ"
1770 RETURN
1780 REN ПОИСК КОРНЯ МЕТОДОМ НЬЮТОНА
1790 ICT “ О
1800 F - X л М * АСМ-1)
1810 DF - М * X л СМ-1)
1820 FOR I - О ТО М-2
1830 F = F + А<1) * X л <М - 1 - I)
1840 DF - DF + ACD * <М - 1 - I > * X - <М - 2 - I >
18S0 NEXT I
i860 DX = _ F / DF
1870 IF ABS(DX) > 0.0001 * ABS(X) 80T0 1900
1880 X - X + DX
1890 RETURN
1900 ICT = ICT + 1
1910 IF ICT > 100 THEN 1940
1920 X = X +. DX
1930 GOTO 1800
1940 PRINT “СВЫШЕ fOO ИТЕРАЦИЙ"
1950 RETURN
Рис. П6.3. Программа нахождения корней многочлена методом Барстоу
(окончание)
5 REM ЧИСЛЕННОЕ ИНТЕГРИРОВАНИЕ
10 REM ОБЫКНОВЕННОГО ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО УРАВНЕНИЯ
20 REM МЕТОДОМ РУНГЕ - КУТТА
30 REM
40 REM ОСНОВНАЯ ПРОГРАММА
50 INPUT "ВВЕДИТЕ ЗНАЧЕНИЕ НАЧАЛЬНОГО ШАГА") Н 1
60 INPUT "ВВЕДИТЕ Х<0>“| R
70 PRINT "ВВЕДИТЕ Y(O)“s S
80 PRINT "ВВЕДИТЕ МАКСИМАЛЬНОЕ ЗНАЧЕНИЕ X"
90 PRINT. "ЖЕЛАТЕЛЬНО, ЧТОБЫ ДО НЕГО БЫЛО ЦЕЛОЕ ЧИСЛО ШАГОВ"
100 INPUT МАХ
110 REM ЗДЕСЬ ВВОДИТСЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ УРАВНЕНИЕ, НАПРИМЕР
120 DEF FND(X) - 3*X-2*X*Y
130 GOSUB 200
140 ЕЮ
200 REM ПОДПРОГРАММА ВЫЧИСЛЕНИЙ ПО МЕТОДУ РУНГЕ-КУТТА
210 REM С ПОСТОЯННЫМ ШАГОМ.
220 REM ПЕРЕД ОВРАЫРШЕМ К НЕЙ НЕОБХОДИМО ОПРЕДЕЛИ ТЫ
230 REM ВЕЛИЧИНУ ШАГА ИНТЕГРИРОВАНИЯ (Н) , НАЧАЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ ДЛЯ X И Y
240 REM (R И S СООТВЕТСТВЕННО) , МАКСИМАЛЬНОЕ ЗНАЧЕНИЕ X (МАХ)
250 REM И ЗАДАТЬ С ПОМОЩЬЮ ОПЕРАТОРА DEF ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ УРАВНЕНИЕ
260 L INT < (МАХ - R> / Н)
270 DIM X(L+1), YCL+1)
280 1 -0
290 Х<0) - R
300 YCO) ж S
310 PRINT "ПРОЦЕДУРА РУНГЕ - КУТТА С ШАГОМ"| Н
320 PRINT
330 PRINT "ШАГ ПО X X Y-F(X>"
Рис. П6.4. Программа интегрирования дифференциального уравнения методом
Рунге-Кутта
271
340 PRINT TAB <21; I) TAB<10);
350 PRINT USING X(I>;
360 PRINT TAB<23);
370 PRINT USING "****#.*#***“J Y(I>;
380 X(I+1> - X(I) + H
390 IF X1I+1) > MAX THEN GOTO 470
400 К » FNDCXCI), Y(I)>
410 KI - FND1X < I) +.5*H, Y(I)+.5«H*K)
420 K2 - FND(X(I)+.5*H, Y(I)+.5*H*K1)
430 КЗ - FND(X(I)+H, Y(I)+H«K2>
440 Y1I+1) - Y(I> + <H/6) * <K+2»K1+2»K2+K3)
450 I - I ♦ 1
460 GOTO 340
470 RETURN
Рис. П.6.4. Программа интегрирования дифференциального уравнения методом
Рунге-Кутта (окончание)
10 REM МЕТОД ЖОРДАНА - ГАУССА
20 DIM А<20,21>
30 REM ВВОД ДАННЫХ
40 INPUT "ВВЕДИТЕ ЧИСЛО УРАВНЕНИЙ"; N
50 FOR I» 1 ТО N
60 FOR 3 - 1 ТО N + 1
70 PRINT “ВВЕДИТЕ КОЭФФИЦИЕНТ A(";I;J;">";
80 INPUT All,J)
90 NEXT J
10O NEXT -I
110 REM ПРОЦЕДУРА ИСКЛЮЧЕНИЯ
120 FOR I » 1 TO N
130 FOR J - 1 TO N
140 IF J - I THEN 190
150 M » A(J,I) / All,I)
160 FOR К • 1 TO N + 1
170 A(J,K> » A(J,K) — M * A(I,K)
180 NEXT К
190 NEXT J
200 NEXT I
210 REM ПЕЧАТЬ РЕЗУЛЬТАТА
220 FOR I - 1 TO N
230 X (!) - A<I,N+1) / A(I,I>
240 PRINT "X("|I;"> -";X(I>
250 NEXT I
260 END
Рис. П6.5. Программа решения «шейной системы методом Жордана-Гаусса
5 REM БЫСТРОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ФУРЬЕ
10 SCREEN 21 KEY OFF
20 DIM Х<256>,Y<256)
30 INPUT "ВВЕДИТЕ ЧИСЛО ТОЧЕК"; N
40 P2 - INT (LOGIN) / L0G(2>)
50 REM ЗДЕСЬ НЕОБХОДИМО ВВЕСТИ ФУНКЦИЮ ХС...1
120 REM
130 REM МАСЫТАБИРОВАНИЕ
140 FOR I - О TO N-l
Рис. П6.6. Программа быстрого преобразования Фурье
272
150 X(I> « Х<1> / N
160 NEXT I
170 REM ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ФУРЬЕ
ISO PRINT "ВЫЧИСЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ"
190 Cl = N/2: C2 > 11 W - 2 * 3.14159 / N
200 FOR I = 1 TO P2
210 Di = O: D2 = Cl
220 FOR J = 1 TO C2
230 BF = INT (DI / Cl>
240 GOSUB 390
250 C » COS(W*BR)s S = -SIN(W*BR)
260 FOR К - DI TO 02 - 1 -
270 Al = X(K>: A2 - ¥<K>
280 Bl = C * X(K+C1> - S * Y(K+C1>
290 B2 = S * XCK+Cl) + C * Y(K+C1>
300 X<K> « Al + Bit Y(K> = A2 + B2
310 X(K+C1> = Al - Bl: Y(K+C1> “ A2 - B2
320 NEX-T К
330 DI » DI + 2 * Cl: D2 = D2 + 2 • Cl
340 NEXT J
350 Cl - Cl / 2: C2 = 2 * C2
360 NEXT I
370 INPUT "ВВЕДИТЕ T ДЛЯ ВЫВОДО ТАБЛИЦЫ ИЛИ P - ДЛЯ ГРАФИКА"; R4
380 IF R»="T“ OR R«=“t" THEN 480 ELSE 590
390 REM ПОДПРОГРАММА ОБРАЫЕНИЯ БИТОВ
400 BR - О: NN = N
416 FOR L=1 TO ~P2
420 NN = NN / 2
430 IF BF < NN THEN 460
440 BR - BR+2-(L~l>
450 BF = BF - NN
460 NEXT L '
470 RETURN
480 REM ВЫВОД ТАБЛИЦЫ
490 INPUT "СКОЛЬКО СТРОК ВЫВОДИТЬ НА ЭКРАН?"; ML
500 CLS: LL » О
510 PRINT "НОМЕР ГАРМОНИКИ"; TAB< 15» "ДЕЙСТВ. ЧАСТЬ" ;
515 PRINT ТАВ(ЗО) “МНИМАЯ ЧАСТЬ"; ТАВ(45> "МОДУЛЬ"
520 FOR I = О ТО N/2
530 BF = 1
540 GOSUB 390
550 PRINT I; ТАВ<15> X (BR> ; ТАВ<30> Y(BR>;
555 PRINT TAB(45> SQR(X(BR>Z'2 + Y(BR>~2>
560 LL = LL+1: IF LL = ML’ THEN LL » О
565 INPUT "НАХЛИТЕ КЛАВИШУ ДЛЯ ПРОДОЛЖЕНИЯ"; Q
570 NEXT I
5S0 GOTO 370
590 REM ВЫВОД ГРАЧИКА
600 CLS
610 FOR I О TO N/2 <
620 BF = Il GOSUB 390
630 H = 5 * 1+1: V = 200
640 DRAW "BM=H;,»V;"
Ь50 V » 200 - 200 * SQR(X(BR>*"2 + Y(BR>"-2>
660 DRAW "M»H;,»V;"
670 NEXT I
680 LOCATE 1,11 GOTO 370
690 END
Рис. П6.6. Программа быстрого преобразования Фурье (окончание)
273
Приложени е 7
МЕСТО ПЭВМ В ОБЩЕЙ СТРУКТУРЕ МИРОВОГО ПАРКА
СРЕДСТВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ (ПО ДАННЫМ
ЗАРУБЕЖНОЙ ПЕЧАТИ ВТОРОЙ ПОЛОВИНЫ 80-Х ГОДОВ}
В функциональных группах, составляющих современный мировой парк ЭВМ,
следует выделять ряд классов с учетом как стоимостных показателей, так и уровня
проблемной ориентации моделей одного семейства. При этом чисто стоимостные
градации не могут дать представления о реалыгойроли тех или иных функциональных
групп: так, решение ряда задач САПР, представлявшееся недавно возможным только
с помощью супер-ЭВМ, осуществимо сегодня с помощью высокопроизводительных
рабочих станций со специальными процессорами, а миниатюризация элементной базы
и периферийных устройств позволяет использовать архитектуру малых ЭВМ общего
назначения во встраиваемых УВК.
В группе многотерминалиых комплексов общего назначения ресурсы аппарату-
ры централизованы и могут наращиваться лишь в некоторых пределах. Структура
терминальных сетей (как правило, е радиальным подключением терминалов к мульти-
плекорам или коммуникационным процессорам) не ограничена по территориальному
охвату, но, как правило, ограничена ресурсами центральной машины типа Mainframe.
Поэтому для ЭВМ этой труппы в справоздых материалах часто указывается макси-
мальное число подключаемых терминалов, а производительность измереяется не
миллионами операций в секунду, а чйслом операций с базой данных (транзакций),
выполняемых в единицу времени.
По техническим характеристикам ЭВМ этой группы могут выполнять также и
роль серверов в сетях ЭВМ, но на практике возможность их щшменения в этой роли
ограничена набором функций базового программного обеспечения. Отсутствие сов-
местимости между ЭВМ этой труппы, принадлежащих к разлшшм семействам,
частично преодолевается путем включения в сети связи анециалиэированных уст-
ройств—"шлюзов” и применения терминалов, эмулирующих стандарты нескольких
фирм. Однако эти системные решения обнято громоздки.
В группе рабочих станций ресурсы аппаратуры также централизованы и ограниче-
ны. Отличительной особенностью рабочих «акций является строго иадавидулытый
характер доступа к ним, что позволяет практически неограниченно повышать уровень
их проблемной ориентации (путем специализации программных средств, подключения
уникальных периферийных устройств, использования специализированных процес-
соров и т.п.). Персональные ЭВМ в группе рабочих станций обладают максимальным
достижимым уровнем проблемной ориентации: номенклатура, одноплатных модулей
расширения д ля таких ПЭВМ, как IBM PC или Apple, составляет сотни наименований.
Высокопроизводительные рабочие станции сличаются от ПЭВМ прежде всего емкестыо
оперативной в внешней памяти (увеличена в 5-10 раз), применением 32-разрядных
процессоров (их быстродействие в 2-5 раз больше, чем в ПЭВМ) и развитыми средст-
вами машинной графики.
В группе серверов ресурсы аппаратуры централизованы, во обладают большими
возможностями расширения. Кроме того, программное обеспечение серверов ориен-
тировано на работу в гетерогенных (неоднородных, содержащих ЭВМ с различной
274
архитектурой) сетях ЭВМ. В роли серверов-вычислителей часто применяются старшие
модели ЭВМ общего назначения и супер-ЭВМ, * также появляющиеся в последнее вре-
мя на мировом рынке спепиализиронаниы» параллельные вычислителшьге едстеаш.
В роли файловых серверов применяются малые ЭВМ общего назначения с высоко
скоростными подсистемами внешней памяти (пример—ЭВМ семейств VAX в конфи-
гурации типа V AXCIuster). Наконец, в роли серверов дорогостоящих периферийных
устройств-графопостроителей, высокоскоростных принтеров и т. п. — применяются
микроЭВМ.
В труппе управляющих вычщяпггелъных комплексов (УВК) очевидна тенденция
к децентрализации ресурсов аппаратуры и разделению функций исполнительных и
инструментальных операционных систем.
Часто в современных УВК выделяются подсистемы с функциями серверов,
которые связаны с низовыми подсистемами (промышленными контроллерами,
измерительными приборами, устройствами связи с объектами управления) локальной
сетью магистрального или кольцевого типа. В тек случаях, когда сложный объект,
обслуживаемый УВК, имеет незначительные размеры, или когда достижима высокая
степень децентрализации вычислений, применяют встраиваемые контроллеры с высоко-
производительными (32-разряднымж) процессорами.
Таким образом, можно считать, что ПЭВМ являются подклассом в классе рабо-
чих станций и играют роль ’’рыбы лоцмана” в освоении вновь появляющихся массо-
вых секторов рынка ЭВМ. Представляет интерес современное состояние рынка рабо-
чих станций.
Во второй половине 80-х годов наибольшей динамикой обладает именно тот
сектор мирового рынка ЭВМ, который связан с рабочими станциями. Опережающее
развитие получают (в количественном выражении) рабочие станции на базе профес-
сиональных персональных ЭВМ с архитектурой IBM PC/AT и в последнее время IBM
PS/2. Области применения АРМ на базе таких рабочих станций охватывают обработку
текстовых и таближпях данных с использованием некоторых средств машинной
трафики. Одновременно для САПР и шетрумеяталаных комплексов типа "рабочее
место программиста” ускоренное развитие получили рабочие станции на базе 32-раз-
рядных процессоров, обеспечивающие улучшенные в 4-5 раз ио сравнению с ПП ЭВМ
функциональные характеристики (быстродействие, емкость ОЗУ и ВЗУ и др.). Объем
производства ’рабочих станций этого класса в течение последних трех лет ежегодно
удваивался, достигнув в стоимостном выражения 1,5 млрд. доля. (1986 г.). К 1999 г.
этот показатель достигнет бее учета роста производства ПП ЭВМ 3 млрд. долл.
Для высокопроизводительных рабочих станций сложилась следующая структура
областей применения:
САПР.............................................................. 60%
Системы электронной полиграфии........................... . . . . 18%
Комплексы типа "рабочее место программиста”....... . . . 12%
Системы для решения задач искусствегшого игтелекта............... . 5%
Другие области применений......................................... 5%
Средняя стоимость рабочих станций в лих областях применений за последние
два года уменьшилась с 30 до 22 тыс. долл^ этот уровень стоимости в основном
определяется цедменением ОЗУ ж ВЗУ болыпой емкости.
275
В целом отмечается тенденция к унификации пользовательских характеристик
рабочих станций (использование шструментальных программных средств на базе
ОС UNIX; иерархия стандартов на средства машинной графики, применение единой
модели сетей телеобрабоки данных). Конкурентоспособность различных моделей
определяется достигаемым в них уровнем показателя "производительность-стои-
мость” и составом прикладного программного обеспечения.
В 90-х годах существенно возрастает удельный вем рабочих станций, ориентиро-
ванных на решение задач искусственного интеллекта (эта цель поставлена, в частности,
при выполнении международных и национальных программ НИОКР: МСС и SCI в
США, ESPRIT и EUREKA в Западной Европе, ’’ЭВМ пятого поколения” в Японии).
С учетом основных сфер применения рабочих станций складывается определен-
ная специализация крупных фирм-поставщиков ЭВМ массового применения. Ведущее
место иа рынке рабочих станций в США в 1986 г. занимали следующие фирмы:
Фирма Объем сбыта в млн. долл.
Hewlett-Paclard 398(28,3%)
АррЫ 391 (27,8 %)
Sun Microsystems 341 (24,3 %)
DEC 103 (7,3 %)
Silicon Graphics 59 (4,2 %)
IBM 48 (3,4 %)
Masscomp 35 (2,5 %)
Другие 30 (2,1 %)
Наиболее освоенный сектор рынка — системы автоматизированного проектиро-
вания, поэтому в конфигурациях рабочих станций особое значение придается емкости
внешней памяти (в среднем уже-сегодня она превышает-100 Мбайт) и характеристи-
кам графических дисплеев. В то же время интенсивно осваиваются те секторы рынка,
в которых раньше ие наблюдалось особенного оживления. В частности, фирма Hew-
lett-Packard сумела занять ведущие позиции благодаря росту спроса на отладочные
комплексы для создания специализированных микропроцессорных устройств н
комплексы типа "рабочее место программиста”, оснащенные усовершенствованным
вариантом операционной системы UNIX.
Наиболее динамичным в США и Японии становится рынок систем ’’оперативной
компьютерной полиграфии”. Ожидается, что на ием будут доминировать две фирмы -
Apple и IBM (последняя - с новой ПЭВМ PS/2-80). Однако в целом рабочие станции
не сливаются по характеристикам с ПЭВМ, а, напротив, приобретают все новые отли-
чительные характеристики. Получают развитие программные средства для локальных
сетей САПР, в которых реализуются новые модели распреденеяных баз данных;
совершенствуется технология цветных и монохромных мониторов е выеокой разре-
шающей способностью (более, чем 1024 X 768 точек растера) в обширной цветовой
палитрой; в состав рабочих станций включается специализированные процессоры.
Поэтому в рассматриваемый период для рабочих станций САПР н ’’АРМ програм-
миста” будет преобладать тенденция улучшения функциональных характеристик
при сохранении уровня цен. Важное значение приобретает стандартизация програм-
мных средств рабочих станций ие только на уровне операционной системы (UNIX),
276
но и на уровне доступа к базам данных в локальных сетях, а также в диалоговых
моделях интерфейса "человек-машина”.
Примером рабочих станций для задач автоматизации административно-управлен-
ческой деятельности служит ряд PC фирмы Convergent (США).
Эти PC в сочетании с серверами предназначены для построения локальных инфор-
мационно-вычислительных сетей (Lan) с использованием моноканалов двух типов:
высокопроизводительный канал типа ISO 8802.3 Ethernet и канал минимальной стои-
мости типа RS422. Основная рекомендуемая область применения - системы автома-
тизации учрежденческой деятельности (САУД).
Оборудование представляет собой ряд модульных рабочих станций и средств
комплексирования, включающих в себя наряду с адаптерами LAN адаптеры региональ-
ных сетей с протоколами х.25/х.3/х.28/х.29/, SANA и BSC.
Среди этих PC особый интерес представляет модульная рабочая станция NGEN
с процессорным модулем СР-003/287 (элементная база — микропроцессор INTEL
80386 с тактовой частотой 16 Мгц, процессор арифметики с плавающей запятой INTEL
80287; емкость ОЗУ до 4 Мбайт). Емкость ВЗУ на НМД "Винчестер” до 85 Мбайт
на дисковод, подключение дисководов по магистральному интерфейсу SCSI (проект
стандарта ISO); к этому интерфейсу подключается также НГМД (133 мм) и НМЛ
"QIC Картридж” емкостью до 60 Мбайт. Графические средства — цветной и моно-
хромный (с высоким разшерением, 1024 X 768 пикселов) мониторы с диагональю
31 см; буферная память изображения до 128 Кбайт. Программное обеспечение вклю-
чает базовый набор функциональных пакетов программ САУД (обработка текстов,
демонстрационная графика, электронная таблица, электронная почта) и набор трансля-
торов (Си, Паскаль, Фортран и др.).
Важной отличительной особенностью ПО рабочих станций NGEN является приме-
нение многорежимной операционной системы CONTEXN MANAGER (ТМ фирмы
Convergent Technologies), которая позволяет выполнять на правах отдельных задач
параллельно - программы, написанные для операционных систем MS DOS, D1STRIX
(вариант системы UNIX SYSTEM V) и CTOS (система для предыдущего поколения
рабочих станций фирмы).
Конструктивно модули процессоров, контроллеров и ВЗУ рабочей станции
NGEN выполнены в виде настольных конструкций с габаритами по боковой стороне
203 X 304 мм, чем достигается эффективная комбинация эргономических и функцио-
нальных характеристик.
В составе локальных сетей рабочих станций NGEN рекомендуется также исполь-
зование многопроцессорной ЭВМ—сервера SRP для баз данных объемом до 8,1 Гбайт
и принтеров (до 16 устройств); емкость ОЗУ SRP до 24 Мбайт, в процессорных
элементах используется МП БИС INTEL 80186..
Для рабочих станций нижнего уровня в локальной сети предлагается бездисковая
модель CWS, совместимая по программному обеспечению со станцией NGEN и постро-
енная на МП БИС INTEL 80186.
277
По техническому уровню модели NGEN, SRP и CWS в совокупности со средст-
вами сетевой телеобрабоки данных представляют собой новейшие образцы техноло-
гии САУД. Применение международных стандартов в арихектуре технических и прог-
раммных средств фирмы Convergent Technogies обеспечивает высокий уровень их
потребительских свойств и в этом весьма насыщенном изделиями секторе рынка
фирма занимает одно из ведуп}их мест на рынке средств САУД в С&А. Основной
рынок сбыта — крупные корпорации и государственные учреждения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. . Антонюк Б. Д. Информационные системы в управлении. - М.: Рацио и связь,
1986. - 240 с.
2. Баяахан М-, Раттер Э. Введение в операционную систему UNIX: Пер. с англ. -
М-: Радио и связь, 1986. - 341 с.
3. Бочков А. Ф. Микро-ЭВМ для химиков//Химия и жизнь. - 1984. - № 9. - С. 58-
62; №10- - С. 60—65; №11. - С. 64-68; №12. - С. 100-106.
4. Брусенцов Н. И. Микрокомпьютеры. - М.: Наука, 1985. - 206 с.
5. Брябрин В. М. Программное обеспечение персональных ЭВМ. - М.: Наука,
1988. - 272 с.
6. Бухтияров А. М., Маликова ГО. П., Фролов Г. Д. Практикум по программирова-
нию иа Фортране. - М.: Наука, 1983- - 304 с.
7. Бытовая персональная микроЭВМ „Электроника БК-00Ю”/С. М. Косенков,
А. М. Полосин, 3. А. Счепицкий и др7/Микропроцессорные средства и систе-
мы. - 1985. - № 1. - С. 22-25.
8. Вайда Ф., Чакаяь А. Микро ЭВМ: Пер. с англ. - М.: Энергия, 1980. - 360 с.
9. Вегиер П. Программирование на языке Ада: Пер. с англ. - М.: Мир, 1983. -
239 с.
10. Вейцман К. Распределенные системы мини- и микроЭВМ: Пер. с англ. — М.: Фи-
нансы и статистика, 1983. - 392 с.
11. Велихов Е. П. Об организации в Академии Наук СССР работ по информатике,
вычислительной технике и автоматизации//Вестник АН СССР. — 1983. — № 6. —
С. 24-52.
12. Вельбицкий И. В. Технология программирования. - Киев: Техйка, 1984. —
279 с.
13. Вельбицкий И. В., Ходаковский В, Н., Шоямов Л. И. Технологический комп-
лекс производства программ иа машинах ЕС ЭВМ и БЭСМ-6. - М.: Статистика,
1983. - 263 с.
14. Вигдорчик Г. В. Операционная система с разделением функций для СМ ЭВМ. —
М.: Финансы и статистика, 1984.
15. Винокуров В., Зуев К. Актуальные проблемы развития вычислительной техяи-
ки//Коммунист. - 1985. - № 5.
16. Вуд А. Микропроцессоры в вопросах и ответах: Пер. с англ. - М.: Эиергоатом-
/ издат, 1985. - 184 с.
' 17. Гантмахер Ф. Р. Теория матриц. - М.: Наука, 1967. - 576 с.
18. Ги К. Введение в локальные вычислительные сети: Пер. с англ. - М.: Радио и
связь, 1986. - 176 с.
19. Гиглавый А. В., Котляров В. П. Возможна ли идеальная персональная ЭВМ?//
Микропроцессорные средства и системы. — 1986. - № 4. - С. 3-8.
20. Гибсон Г., Лю JO.-Ч. Микропроцессоры и микрокомпьютеры: Пер. с англ. —
М.: Мир, 1983. - 463 с.
2L Г лис сан О. Компьютерное иоколение//Курьер..- 1983. - № 4. - С. 24-25.
22. Глушков В. М. О системной опгимизации//Кибериетика. — 1980. - № 5. —
С. 69-70.
23. Готье К. Операционная система Юникс: Пер. с англ. - М.: Финансы и статистика,
1985.-244 с.
24. Гримм С. Как писать руководства для пользователей ЭВМ: Пер. с англ. - М.:
Радио и связь, 1986. - 185 с.
25. Громов Г. Р. Профессиональные приложения персональных ЭВМ//Микропроцес-
сорные средства и системы. — 1985. — № 3. — С. 9—15.
26. Грэхем Р. Практический курс языка Паскаль для микро-ЭВМ: Пер. с англ. —
М.: Радио и связь, 1986. - 200 с.
27. Дойл у. Табличный процессор Суперкалк для персонального компьютера: Пер.
с англ. - М.: Финансы и статистика, 1987.
279
28. Дробинцев Д. Ф., Котляров В. П., Самочадин А. В. Программное обеспечение
систем на микропроцессорах и микроЭВМ. - Л.: ИЛИ, 1983. — 72 с.
29. Дуй X. Д., Гупта А. Новое направление в программном обеспечении персональ-
ных ЭВМ//ТИИЭР. - 1984. Т. 72. - № 3. — С. 168-182.
30. Дьяконов В. П. Программируемые микрокалькуляторы в аппаратуре и технике
экспернмента//Приборы и техника эксперимента. - 1985. - № 6. - С. 5-18.
31. Дьяконов В. П. Персональные ЭВМ в аппаратуре и технике эксперимента//При-
боры и техника эксперимента. - 1986. - № 1. - С. 7-18.
32. Дьяконов В. П. Справочник по расчетам на микрокалькуляторах. - М.: Наука,
1985. .-224 с.
33. Ершов А. П. Алгоритмический язык в школьном курсе основ информатики
н вычислительной техники//Микропроцессорные средства и системы. — 1985. —
№2.-С. 48-51.
34. Ершов А. П. Как учить программированию//Мнкропроцессорные' средства и си-
стемы. - 1986. - № 1. - С. 91-93.
35. Ефремов В. К., Черемных С. В., Поляк Ю. Е. Методические проблемы использо-
вания микро-ЭВМ в учебном процессе//Технические средства в учебном процео-
се/ЛИСИ. - Л.: 1983. - С. 19-22.
36. Инструментальная мобильная операционная система ИНМОС/М. И. Беляков,
А. Ю. Ливеровский, В. П. Семик и др. - М.: Финансы н статистика, 1985. - 231 с.
37. Йенсен К., Вирт Н. Паскаль: руководство для пользователя и описание языка:
, Пер. с англ. -М.: Финансы н статистика, 1982. — 151 с.
38. Карась Э. К. Проблемы тиражирования и аттестации программ//Микропроцес-
сорные Средства н системы. - 1986. - № 1. - С. 34-42.
39. Каталог автоматизированных учебных курсов (на базе типовых пакетов при-
кладных программ). - Москва-Киев, 1984. - 174 с.
40. Керниган Б., Ритчи Д. Язык программирования Си: Задачи по языку: Пер.
с англ. - М.: Финансы н статистика, 1985. - 279 с.
41. Колмэн Дж. Экспертные системы - средство повышения производительности
труда инженера//Электроника. - 1985. - № 14. - С. 51-63.
42. Корнейчук В. И., Сороко В. И., Кунцевич М. В. Состояние и перспективы разви-
тия технических средств автоматизации учебного процесса//Автоматика. — 1983.—
№ 3. - С. 80-90.
43. Королев Л. Ц. Микропроцессоры и персональные компьютеры. — М.: Знание,
1986. - 48 с. ‘
44. Корчак А. Е. Интерпретатор языка программирования Бейсик/F для микроЭВМ//
* Микропроцессорные средства н системы. — 1985. - № 3. — С. 21—24.
45. Коффрон Дж. Технические средства микропроцессорных систем: Пер. с англ. —
М.: Мир, 1983. - 344 с.
46. Кочетков Г. Б. Автоматизация-конторского труда в США. - М: Наука, 1985. -
224 с.
47. Кочетков Г. Б. Сложный путь компьютеризации обраэования//ЭКО. 1984. —
№ 10. - С. 200-208.
48. Краткий терминологический словарь по микропроцессорной технике. — М.:
МЦНТИ, 1984. - 104 с.
49. Кройль Г. Что умеет мой микрокалькулятор: Пер. с нем. - М.: Мир, 1981. —
132 с.
50. Крылов А. Н. Мон воспоминания. - Л.: Судостроение, 1980. - 480 с.
51. Ландау И. Я., Иткин Л. К. Унифицированная операционная система МИКРОС-
80//Труды ИНЭУМ. - 1985. - Вып.97. - С. 7-23.
52. Ломов Б. Ф. ЭВМ и развитие человека//Вестник высшей школы. — 1985. - № 12.—
С. 29-33.
53. Лосев И. С. Размышления об обучении программированию//Микропроцессор-
ные средства и системы. - 1985. - № 3. - С. 24-27.
54. Майерс Э. Надежность программного обеспечения: Пер. с англ. — М.: Мир, 1980. —
360 с.
280
55. Мандельштам Л. И. Лекции по теории колебаний. - М.: Наука, 1982. — 470 с.
56. МикроДОС: мобильная операционная система для микроЭВМ. Описания приме-
нения/В. Н. Глухов, Е. Е. Дудников, И. Лоозе, П. Мерии. - М.: МЦНТИ, 1986. -
41 с. -
57. Микропроцессорные комплекты интегральных схем: Состав н структура: Спра-
вочник/В. С. Борисов, А. А. Васенков, Б. Н. Малашевич н др. - М.: Радио и связь,
1982. - 192 с.
58. Микропроцессорные средства н системы. - 1986. - № 4.
59. Микро-ЭВМ/Под рад. А. Дирксена: Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат, 1982. -
328 с.
60. Микро-ЭВМ СМ-1800. Архитектура, программирование, применеяие/А. В. Ги-
главый, Н. Д. Кабанов, Н. Л*. Прохоров, А. Н. Шкамарда. - М.: Финансы и стати-
стика, 1984. - 136 с.
61. Наумов Б, Н., Гиглавый А. В. Микропроцессорная технология - основа перспек-
тивных ЭВМ массового применения//Мнкропроцессорные средства и системы. —
1984. - № 1. - С. 7-10.
62. Операционная система для диалоговых вычислительных комплексов/Хохлов
Е. С. н др.//Электронная промышленность. — 1985. — № 2. - С. 45—57.
63. Основы информатики и вычислительной техники: В 2-х ч. Пробное уч. пособие
для сред. учеб. заведений/Под рад. А. П. Ершова, В. М. Монахова. - М.: Просве-
щение, 1986.
64. ТИИЭР. - 1984. - Т. 72, № 3: Персональные ЭВМ. Тем. вып.
65. Поснова М. Ф., Поснов Н. Н. Микрокалькуляторы с программным управлением
в учебной лаборатории. — Минск.: Университетское, 1985. - 207 с.
66. Поспелов Г. С., Ириков В. А., Курилов А. Е. Процедуры и алгоритмы формиро-
вания комплексных программ. — М.: Наука, 1985. - 426 с.
67. Природный В. Эволюция технологии микроэлектроники. - М.: Знание, 1985. -
64 с.
68. Программирование на языке Бейсик-плюс для ЭВМ СМ-4./В. П. Семик, В. Р. Мон-
цибович, Д. П. Непочатых и др. - М.: Финансы и статистика, 1981. - 246 с.
69. Растригин Л. А. Вычислительные машины, системы, сети. - М.: Наука, 1982. -
224 с.
70. Романов Г. М., Туркииа Н. В., Колпащиков Л. С. Человек н дисплей. - Л.: Ма-
шиностроение, 1986. — 256 с.
71. Романов Ф. И., Шахнов В. А. Конструкционные системы микро-ЭВМ. — М.: Ра-
дио н связь, 1983. - 120 с.
72. Рудзицкий Б. М. Персональные ЭВМ. — М.: Знание, 1986. — 48 с.
73. Савельев А. Я., Новиков В. А., Лобанов Ю. И. Подготовка информации для авто-
матизированных обучающих систем. — М.: Высшая школа, 1986. — 176 с.
74. Самарский А. А. Проблемы использования вычислительной техники и развитие
информатики//Вестник АН СССР. - 1985,- № 8. - С. 57-т69.
75. Сенин Г. В. Персональные базы данных. - Тбилиси: ГрузНИИНТИ, 1986. - 40 с.
(Обзорная информация. Сер. 1. Вып. 17.)
76. Сидоров И. М., Гончарова Л. Е., Лебедев В. Г. Управление движущимися объек-
тами на основе алгоритма с моделью. - М.: Машиностроение, 1981. - 232 с.
77. * Современное состояние использования микро-ЭВМ в вузах РСФСР./И. В. Ива-
нов, С. В. Черемных, Ю. Е. Поляк и др.//Индивидуальные диалоговые системы
, на базе микро-ЭВМ. - Л.: Наука, 1984, с. 22-25.
78. Современное состояние н. тенденции развития микропроцессоров за рубежом.—
И.: ЦНИИТЭИПриборостроения, 1984. - 44 с.
79. Современный компьютер: Пер. с англ. - М.: Мир, 1986. - 211 с.
80. Средства обучения в высшей школе. - М.: НИИВШ, 1984. - 55 с.
81. Толстых Б. Л. Развитие средств вычислительной техники//Электронная про-
мышленность. - 1984. - № 1. - С. 37-39.
281
82. Трейстер Р. Персональный компьютер фирмы ИБМ: Пер. с англ. - М.: Мир,
1986. - 202 с.
83. Трохименко Я. К., Любич Ф. Д. Инженерные расчеты на программируемых мик-
рокалькуляторах. - Киев:Техника, 1985. — 328 с.
84. Трэктон К. Программы на Бейсике для инженерно-технических расчетов: Пер.
с англ. - М.: Радио и связь, 1985. - 96 с.
85. ТУнг X. Д., Гупта А. Персональные компьютеры//Вмире науки. - 1983. - № S.-
С. 53-65.
86. Уокерли Д. Архитектура и программирование микро-ЭВМ: В 2-х кн. — М.; Мир,
1984. - Кн. 1. - 486 с.; кн. 2. - 359 с.
87. Уэйт М., Ангермейер Д. Операционная система СР/М: Пер. с англ. — М.: Радио
и связь, 1986. - 312 с.
88. Физические ограничения минимальных размеров элементов современной мик-
роэлектроники. /Ю. В. Гуляш, В. Б. Сандомирский, А. А. Суханов, Ю. Я. Ткач//
. Успехи физических наук. - 1984. - Т. 144. - Вып. 3. - С. 475-495.
89. Фокс А., Фокс Д. Бейсик для всех: Пер. с англ. - М.: Энергоатомнздат, 1986.-
174 с.
90. Хротко Г. Языки программирования высокого уровня для микро-ЭВМ. - М.:
МЦНТИ, 1985. - 91 с.
91. Хэнкок Л, Кригер М. Введение в программирование иа языке Си: Пер. с англ.—
. М.: Радио и связь, 1986. - 312 с.
92. Цветков А. Н., Епанечников В. А. Прикладные программы для микро-ЭВМ „Эле-
ктроника БЗ-34”, „Электроника МК-54“, „Электроника МК-56”.- М.: Финансы
и статистика, 1984. — 175 с.
93. Цимринг Ш. Е. Специальные функции. Программы для микрокалькулятора
„Электроника БЗ-21”. - М.: Радио и связь, 1983. - 120 с.
94. Черемных С. В., Агеев И. А., Поляк Ю. Е, Опыт использования персональных
ЭВМ в курсовом проектировании. — В кн.: Применение экономико-математи-
ческих методов н ЭВМ в системе обучения экономистов. - М.: ЦЭМИ АН СССР,
1986, с. 191-192.
95. Черемных С. В., Иршсов В. А., Мазурик В. П. Диалоговые процедуры анализа
динамических свойств космических аппаратов. - М.: Мапшностроение, 1984. —
256 с.
96. Черемных С. В., ПОляк Ю. Е. Компьютеризация образования - проблемы массо-
вого обучения//ЭКО. - 1986. - № 2. - С-157-168.
97. Черемных С. В„ Сенин Г. В. О совместимости персональных ЭВМ//Прикладная
информатика. - М.: Финансы и статистика. - 1987. - Вып. 2(13). - С. 148-155.
98. Шахнов В. А. Микропроцессорные комплекты интегральных схем//Микропро-
цессориые средства и системы. - 1984. - N* 1. - С. 17—22-
99. Шияейко А. В., Милейко Т. И. Микропроцессоры. - М.: Радио и связь, 1986. -
112 с.
100. AUswang J. Should the Computer User Learn to Program?//Interface Age. - 1983. —
N»ll. — P. 146-162.
101. Blaisdell J., Burroughs A. How to Tell if Programming Language is OK//SIGCSE Bul-
letin. - 1985. - V. 17, N 3. - P. 5-8.
102. Bok D. The Use of New Technology in College Education//Computer and People. —
1985.-N7, 8.-P. 7-13.
103. Bork A. Computer and Education — Today and Tomorrow//Computers in Engine-
ering. - 1982. - V. 4. - P. 301-305.
104. Chambers J. Computer-Assisted Instructions. — Prentice—НаП, 1983. - 232 p.
105. DahmkeM. IBM Compatibility issues//Byte. - 1985. - Nil. - P. 187-190.
106. Dillman R. Problem Solving with BASIC. - Pittsburgh: Halt Rinehart and Winston,
1983. - 326 P.
107. Ellibt P. J. Languages//Personal Computer World. — 1985. - Nil. - P. 184—187.
108. Goldbogen G., Williams G. The Feasibility of Personal Computers Versus a Minicom-
282
puter for a Computer Science Program//SIGCSE Bulletin. - 1981. - N3. - P. 2-4.
109. Haskell R. IBM PC BASIC Programming. - Prentice-Hall, 1984. - 182 p.
110. Hawthorne J. Application Packages Validation Checklist and Procedures//DataPRO
Review. — 198Д. - P. 18/3451—18/3473.
111. Lockwood R. ine Genealogy of BASIC/7'Creative Computing. - 1984. - V. 10,
Nil. - P. 86-87.
112. Khaira B. Super Class//Personal Computer World. — 1986. - N3. — P. 110-117.
113. Masterton F. Languages for Students//Byte. — 1984. — N6. - P. 233-238.
114. Meadows A. J., Gordon M., Singleton A. Dictionary of Computing and New Informa-
tion Technology. - London: Kogan Page, 1984. - 229 p.
115. Moore D. Introduction to Forth. - Prentic^Hall, 1984.
116. MSX Technical Data Book. Haxdware/Softwaxe Specification. ASCII Corp. - Japan,
1984.
117. Shoup T. Applied Numerical Methods for the Microcomputer. — Prentice-Hall, 1984.—
257 p.
118. Taylor R. Breaking Away from BASIC//Computen in the Schools. - 1985. - N2/3. -
P. 165 - 170.
119. Wolfe P. BASIC Engineering and Scientific Programs for the IBM PC — Prentice-Hall,
1983. - 347 p.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие................... . . . ....................... 3
ГЛАВА 1
КОНСТРУКЦИЯ ПЕРСОНАЛЬНЫХ ЭВМ..............................8
1.1. Микропроцессоры................................................. 8
Общие замечания ............................................... 8
Микропроцессоры: начало и эволюция...................... . . 10
Технология изготовления микропроцессоров...................... . . 12
Области применения микропроцессоров и микроЭВМ.................. 15
Основные технические характеристики микропроцессоров....... . . . 18
Тенденции развития микропроцессоров и микроЭВМ...................19
1.2. Из истории развития персональных ЭВМ............................. 20
Начало производства. Первые модели и их изготовители. ... .... 20
Рынок ПЭВМ.........................j . ..... .................. 22
О профессиях ПЭВМ.............................................. .24
1.3. Что такое персональная ЭВМ.................................< .. .27
К определению................................................... 27
"Анатомия” ПЭВМ............ . . ..............................28
Характер использования ПЭВМ . ...................................33
Конструкция ПЭВМ ................................................38
1.4 Парк персональных ЭВМ — каким ему быть............................42
Концепции развития парка..................................... 42
Функциональные требования к ПЭВМ в различных сферах применения
(из зарубежного опыта)......................................... 45
Г ЛА В А 2
ЯЗЫКИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ И ЯЗЫКИ ОБЩЕНИЯ
ДЛЯ ПЕРСОНАЛЬНЫХ ЭВМ................................... 48
2.1. Что должен знать инженер о программировании..................... . 48
Общие замечания'.................................................48
Понятие о программном, изделии. Жизненный цикл программы.........50
От программирования — к общению................................. . . 53
2.2. Развитие средств программирования инженерных задач.......... ... 56
Фортран в XXI веке?..............................................56
О надежности программного обеспечения.......................... 58
2.3. Бейсик - Фортран для начинающих?................................ 61
История диалектов Бейсика......................................... . 61
Современные возможности Бейсик-систем для ПЭВМ...................64
Специализированные диалекты Бейсика............................. . . 64
24. Пакеты прикладных программ - лицо ПЭВМ .......................... 65
' Инженер наедине с программой......................................65
Пакеты, библиотека, фонды........................................66
По горизонтали и по вертикали......................... ..........67
Что нужно для диалога........................................ 70
284
Что под знаком интеграла....................................... 71
Как аттестуются программы..........................................74
2-5. Операционные системы: что нужно знать о них пользователю персональ-
ной ЭВМ ......................................................... 78
"Монстры” в мире программ...................................... 78
Три группы операционных систем в ПЭВМ..............................78
Чем занята постоянная память в ПЭВМ................................81
Программы-конверторы................................................ . 82
2.6. О совместимости иерсональных ЭВМ...................................84
Терминология. Уровни совместимости . . ........................ 84
Совместимость с точки зрения пользователя......................... 85
Условия совместимости и причины несовместимости....................87
Пример анализа совместимости двух типов ПЭВМ.......................88
О программе испытаний ПЭВМ иа совместимость .....................90
ГЛАВА 3
ВОПРОСЫ ОРГАНИЗАЦИИ РАБОЧЕГО МЕСТА ИНЖЕНЕРА-
ИССЛЕДОВАТЕЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЭВМ ........... 91
3.1. О современном инструментарии инженера.............................91
Библиотеки стандартных программ.................................. 91
Калькулятор на рабочем столе................................... 92
Персональные ЭВМ — новые возможности для инженера (примеры).......93
3.2. Новые средства диалога с персональной ЭВМ ........................96
Общие замечания ...................................................96
Что такое электронная таблица.................................... 96
Использование электронных таблиц для решения математических задач . . . 100
Исследование логических сетей......................................104
Другие возможности электронных таблиц. , . ........................107
Современные интегрированные пакеты................................108
3.3. Что же главное в АРМ (несколько слов о персональных базах данных). ... 110
Персональные базы данных — вопросы классификации. 110
Электронные таблицы и текстовые базы данных.......................114
Интерфейс с пользователем........................................ 117
Как инженеру приступить к конструированию своего АРМ , ...........120
3.4. Из опыта разработки программного обеспечения АРМ в сфере планирова- -
ния и управления ......................................................121
Общие замечания...................................................121
ПЭВМ в решении задач сетевого планирования...................... 122
ПЭВМ моделирует развитие отрасли..................................124
ПЭВМ в оценке влияния научно-технического прогресса на развитие
отрасли....................................................... 127
- Задача оценки состояния отрасли и корректировки плановых заданий .... 132
3-5- Персональная ЭВМ в системах автоматизации инженерного труда.......135
Еше раз о стандартах.......................... . .................135
Проблемная ориентация в современных АРМ...........................138
285
ГЛАВА 4
ЭВМ НА РАБОЧЕМ МЕСТЕ ИНЖЕНЕРА:
КАЛЬКУЛЯТОР ИЛИ ПЕРСОНАЛЬНЫЙ КОМПЬЮТЕР....... 140
4.1. Классическая задача об устойчивости колебаний системы двух осцилля-
торов.................................................................140
Общие замечания......................................... .'......140
Уравнения колебаний............................................. 140
Причины неустойчивости управляемой системы двух осцилляторов. . . . , , 145
Пассивная стабилизация системы................................. 148
4.2. Исследование более сложных моделей...............................152
Построение областей динамической устойчивости....................152
Области стабилизируемости.................................... 156
Как выбирать средства стабилизации колебаний.................... 161
Активная стабилизация колебаний................................. 168
Использование нетрадиционной структуры регулятора................. . 175
От классического численного анализа — к активному диалогу с ком-
пьютером ....................................,...................176
4.3. Реализация диалоговых процедур иа персональных ЭВМ................ . 187
Общие замечания................................................ 187
Полнота моделей и методов. .................................... 188
Особенности реализации диалоговых процедур.......................193
Задача исследования устойчивости динамической системы. ...... . . 196
Задача качественного анализа устойчивости системы................200
4.4. Пример технологии качествемого анализа............................ . 205
Структура подзадач и информационных связей.......................205
Процедуры анализа............................................. 206
Диалог с использованием геометрических представлений.............207
Задача формирования, сопоставления и выбора допустимых решений .... 210
ГЛАВА 5
ПЕРСОНАЛЬНАЯ ЭВМ В ФОРМИРОВАНИИ ИНЖЕНЕРА:
ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ...................................215
5.1. Задачи современного образования и ЭВМ............................215
На пути к всеобщей компьютерной грамотности. . ............... 215
Иерархия уровней обучения...................................... 216
Организация непрерывной вычислительной подготовки ............. 218
Структура нарка вычислительной техники. ПЭВМ - техническая база
, массового обучения..............................................219
5.2. Персональные ЭВМ в техническом вузе ........................... 224
Еще один взгляд на обучение.................................... 224
Методические вопросы автоматнзироваияого обучения.............. 225
Рабочее место учащегося. Психологические и эргономические аспекты.... 227
5.3. Программное обеспечение учебного процесса...................... 229
Языки программирования в учебнвм процессе...................... 229
286
Автоматизированные учебные курсы........................ 232
О классификации обучающих программ...................... 234
Вычислительный эксперимент - перспективы использования в учебном
процессе и научных исследованиях......................... 234
Приложение 1. Шестьдесят четыре полезных термина...............237
Приложение 2. Технические характеристики микропроцессоров......242
Приложение 3. Периферийные устройства.......................... 255
Приложение 4. Технические характеристики ПЭВМ. . ..............259
Приложение 5. Операторы и функции Бейсика......................265
Приложение 6. Тексты программ на Бейсике.......................2б8
Приложение 7. Место ПЭВМ в общей структуре мирового парка средств
вычислительной техники (по данным печати второй
половины 80-х годов)...........................................274
Список литературы............................................. 279
Производственное издание
ЧЕРЕМНЫХ СТАНИСЛАВ ВЛАДИМИРОВИЧ
ГИГЛАВЫЙ АЛЕКСАНДР ВЛАДИМИРОВИЧ
ПОЛЯК ЮРИЙ ЕВГЕНЬЕВИЧ
ОТ МИКРОПРОЦЕССОРОВ К ПЕРСОНАЛЬНЫМ ЭВМ
Заведующая редакцией Г. И. Козырева
Редактор Т. М.Бердичевская
Обложка художника В. Ф. Громова
Художественный редактор Н. С. Ш е и н
Технический редактор И. Л. Т к а ч е н.к о
Корректор Н. Л. Жу к о в а
ИБМ* 1915
Подписано в печать с оригинала —макета 24.0S.t8. Т-15503 Формат 60Х901 Д*
Бумага тип. И* 3. Гарнитура „Пресс-роман” Печать высокая Уел. иеч. л. 18,0
Уел. кр.-отт. 18,25.Уч.-изд- л. 20,53.Тираж 150000 экз. (2 завод 50.001—150000 экз.,
изд. „Прейскурантяздат”) Изд. N* 21568/1468 Заказ N* 854 Цена 1 р.
Издательство „Радио и связь". 101000, Москва, Почтимг а/я 693
Отпечатано в тип. Прейскурантиздата. 125438, Москва, Пакгаузное шоссе, 1