Аппаратные и программные средства реализации алгоритмов

Вычислительная машина (ВМ) - это искусственная инженерная система  для автоматической обработки  информации по заданному алгоритму.

Вычислительные средства для реализации алгоритмов можно разделить на аппаратные и программные. Аппаратные средства реализуют какие-либо действия алгоритма одномоментно, без возможности дробления со стороны программиста. (Примеры аппаратной реализации:  сумматоры, быстрые умножители,  устройства для преобразования сигналов в реальном времени и т.д.)

Программные средства – это совокупности инструкций по реализации вычислительного процесса с помощью аппаратных средств в соответствии с алгоритмом. Традиционно под программированием обычно понимают процедурное программирование – задание последовательности действий  по реализации алгоритма,  причем  действия  происходят последовательно во времени.

В то же время «программировать» решение задачи можно и структурно, пользуясь  заданным набором аппаратных средств, в этом случае программирование – это указание путей следования потоков данных от одних аппаратных средств к другим. (Термин «структурное программирование» в литературе по вычислительной технике обычно используется для указания на определенную методологию разработки программного обеспечения, подразумевающую нисходящее проектирование системы, использование только основных управляющих конструкций, отказ от операторов GOTO и т.д. В данном контексте  «структурное программирование» означает программирование в пространстве аппаратных структур.) Структурное программирование еще называют «аппаратурно-ориентированным».

Программирование структуры и процедурное программирование не являются взаимоисключающими подходами, как правило, они дополняют друг друга.

Рассмотрим процесс решения задачи на универсальной ЭВМ, включающий ряд этапов, показанных на рисунке.

На начальном этапе задача, возникающая в некоторой прикладной области, формулируется  на естественном  языке  (составляется описание задачи). Затем осуществляется математическая постановка задачи  и выбор соответствующих типовых подзадач. Следующим этапом является выбор типовых вы¬числительных процедур для реализации необходимых подзадач и отображение алгоритма на структуру вычислительной системы. После этого алгоритм исполняется на имеющейся вычислительной структуре.

В универсальных ЭВМ арифметико-логическое устройство (АЛУ) строится, как правило, на основе универсального сумма¬тора. Такое АЛУ выполняет лишь элементарные операции типа сложения, сдвига и некоторые другие. Поэтому для исполнения алгоритма на таком АЛУ необходима программа, состоящая из та¬ких операций.

Таким образом, выбор типовых подзадач, типовых процедур и отображение алгоритма на структуру вычислительной системы осуществляется в универсальной ЭВМ на этапе процедурного программирования.

Время решения задачи на такой ЭВМ прямо зависит от длины программы. Чем крупнее будет математическая функция, выполняемая аппаратурно, тем меньше будет длина программы, меньше обращений к памяти, а, следовательно, меньше время решения и выше производительность ЭВМ.

По мере роста возможностей интегральной электроники  увеличивается  сложность  задач, для которых  возможна аппаратная реализация их решения, и  граница  между задачами, реализуемыми аппаратурно и программно, сдвигается. То есть, аппаратурно  реализуются уже типовые вычислительные процедуры, крупные математические и даже прикладные алгоритмы.

С другой стороны,  рост  производительности  процессоров позволяет  решать более сложные задачи, традиционно решавшиеся аппаратным способом, программными средствами (примером может служить появление т.н. Winmodem’ов). Таким образом, граница между программными и аппаратными средствами при реализации алгоритмов  постоянно плавает.