Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Широкое использование ЭВМ во всех сферах человеческой деятельности привело к созданию индустрии программмного обеспечения (ПО). Поэтому проблематика разработки ПО сложных систем и товарных программ продолжает оставаться актуальной темой для широкого круга специалистов.
Несмотря на интеЕісивную работу в области совершенствования методологии разработки ПО, специалисты-практики констатируют наличие фундамент&чьного несоответствия между состоянием теории и запросами повседневной практики программирования: так называемого методологического разрыва. Ведущие специалисты считают основными причинами этого разрыва внутреннюю сложность ПО, его невидимость и необходимость приспособления к меняющимся в ходе разработки и эксплуатации требованиям и спецификациям.
Поэтому продолжается интенсивная работа, связанная с поиском методов и созданием инструментов для улучшения качества как процесса проектирования ПО, так и программных продуктов.
Сложность разработки ПО принято разделять на существенные виды сложности, присущие внутренней природе ПО, и дополнительные виды сложности, связанные с сегодняшними трудностями разработки ПО, но не свойственные ПО как таковому.
Логической сложностью ПО называют его существенную сложность, которая обусловлена многовариантностью: количество вариантов работы программы, содержащей проверку N условий, может составить до 2N. Другой вид существенной сложности ПО -функциональная сложность; она возникает, если для решения задачи необходимо использовать специальный математический аппарат.
Математические методы, которые решают многие проблемы других научных и инженерных дисциплин, оказываются непригодными или малоэффективными в качестве инструментов разработки ПО. Эти методы не позволяют преодолевать сложность ПО в процессе его разработки потому, что сложность математического описания функции ПО оказывается той же самой, что и сложность этого ПО.
В результате сформировалось общепринятое мнение, что новые подходы должны сочетать использование как формальных, так и неформальных методов, и притом так, чтобы это сочетание оказалось адекватным проблемам разработки ПО.
Концептуальной основой новых подходов остаётся иерархическая декомпозиция. Но форма её использования, как правило, далеко не очевидна. Более того, техника структурирования, которая подходит в одной ситуации, может оказаться непригодной в другой.
Важным успехом в области преодоления существенной сложности
ПО стало изобретение в конце 1950-х годов языков третьего поколения (Third Generation Languages, 3GL). Использование 3GL повышает производительность работы программиста не менее, чем в 5 раз.
Однако, система абстракций 3GL была приспособлена к отображению особенностей аппаратуры ЭВМ, которая считалась наиболее дорогостоящей частью вычислительного комплекса. Возникшее понимание того, что наибольшие затраты связаны с ПО, привело к обратной ситуации: сегодня схемотехники предлагают аппаратную поддержку всё новых особенностей ПО. Но абстракции 3GL, отражающие особенности исчезнувшей аппаратуры, остаются прежними.
Таким образом, актуальным направлением исследований является разработка новых способов организации обработки информации в ЭВМ и новых способов организации и управления вычислительным процессом (который определяется программой), с целью повышения эффективности преодоления существенной сложности ПО, прежде всего, логической сложности.
В центре проблемы разработки ПО продолжает оставаться человек-проектировщик, который должен мыслить точно и тщательно. Такому мышлению способствуют подходы, ориентированные на визуализацию ПО.
Успешное использование визуальных и иконных сред проектирования ПО продемонстрировало конструктивность визуальных методов. Тем не менее, остаётся немало открытых проблем, в частности, разработка для программ и структур данных комплексного тексто-графического представления.
Считается, что перспективные методологии должны быть связаны с использованием не одной, а нескольких парадигм, графических и/или текстовых, применением комбинации текстовых и графических обозначений, разнообразных инструментов и устройств, ориентацией средств коммуникации "человек-компьютер" на проектировщика.
Таким образом, перспективными направлениями работ по решению проблемы преодоления методологического кризиса в области разработки ПО являются следующие, взаимосвязанные направления.
Разработка новых способов организации обработки информации в ЭВМ и новых способов организации и управления вычислительным процессом, который определяется программой, с целью повышения эффективности преодоления существенной сложности ПО, прежде всего, логической сложности.
Разработка новых методов взаимодействия человека с ЭВМ, ориентированных на проектировщика и обеспечивающих повышение эффективности преодоления сложности ПО.
Решение поставленной проблемы согласуется:
с планом работ по комплексной программе АН СССР, Минэлекгронпрома СССР и Минвуза РСФСР "Повышение эффективности применения средств вычислительной техники в научных исследованиях, производстве и в учебном процессе", проводимых но приказу Минвуза РСФСР №810 от 26.12.1985 г.;
с планом работ по Федеральной инновационной программе "Российская инжиниринговая сеть технических нововведений" ("Инжиннрингсеть России"), проводимых по постановлению Правительства Российской Федерации №396 от 13.07.1991, проект 1.1.3.03, 1991-1995 гг.;
с приоритетными направлениями развития науки и техники, утверждёнными Правительственной комиссией Российской Федерации по научно-технической политике №2727п-П8 от 21.07.1996, направление "Фундаментальные исследования", раздел "Информационная, вычислительная техника, автоматизация";
- с планом работ Санкт-Петербургского государственного технического
университета по грантам Госкомитета РФ по высшему образованию по
фундаментальным исследованиям в области вычислительной техники,
информатики, кибернетики "Графическая технология проектирования
профаммных средств и архитектура ЭВМ, ориентированная на
профаммное обеспечение" (1994-1995 гг.) и "Методология
проектирования профаммных средств и организации вычислительных
процессов на базе ірафических моделей" (1996-1997 гг.).
Предметом исследования диссертационной работы являются методы преодоления логической сложности при разработке ПО, способы организации обработки информации в ЭВМ и способы организации и управления вычислительным процессом, который определяется профаммой, методы взаимодействия человека с ЭВМ в ходе разработки ПО, методы визуализации ПО, ориеитированиная на ПО организация вычислительных процессов.
Цель диссертационной работы заключается в разработке визуального формализма для представления профамм и определяемого профаммами вычислительного процесса, а также соответствующих новых способов организации обработки информации и взаимодействия человека с ЭВМ, позволяющих существенно сократить сроки проектирования и уменьшить количество ошибок при разработке ПО с логическим характером сложности.
Достижению этой цели должно способствовать решение следующих задач.
1. Разработка и исследование таких визуальных средств представления управления последовательностью действий в ходе вычислительного процесса, которые способствуют инкапсуляции логической
сложности решаемой задачи и существенно сокращают количество ошибок при разработке ПО.
-
Разработка и исследование таких визуальных средств представления управления данными, которые способствуют преодолению логической сложности решаемой задачи и существенно сокращают количество ошибок при разработке ПО.
-
Практическая проверка разработанных визуальных средств в ходе проектирования ПО с логическим характером сложности в различных операционных средах на ЭВМ различных архитектур.
Научные результаты и их новизна. Основной научный результат диссертационной работы состоит в том, что предложен новый визуальный формализм для разработки ПО: модель L-сети. Использование L-сети как инструмента синтеза ПО позволяет существенно повысить эффективность разработки ПО с высоким уровнем логической сложности. Эффективность формализма L-сети достигнута использованием комплекса новых методов взаимодействия человека с ЭВМ и новых способов организации обработки информации в ЭВМ, в том числе, организации и управления вычислительным процессом, которые состоят в следующем.
-
Предложена новая модель управлении последовательностью действий в L-сети в ходе вычислительного процесса, которая основана на использовании модулей с двумя выходами и с возможными побочными эффектами. Предложена новая система понятий, связанных с определением точки возобновления вычислений после завершения работы модуля с двумя выходами: возвраты и окончания с шагом, с переходом, с успехом, с неуспехом, с мультиветвлением.
-
Предложены два новых комплекта визуальных примитивов, один из которых ориентирован на представление программы в форме сети автоматов, которые могут вызывать другие автоматы подобно подпрограммам, а другой - на представление программы в форме иерархической сети модулей.
-
Предложены новые средства визуализации операций управления данными, включённые в модель L-сети. Дано обоснование того, что эти средства способны обеспечить те же возможности, что и связь через аргументы-параметры в распространённых 3GL.
-
Выполнено теоретическое обоснование мощности модели L-сети. Доказано, что модель L-сети без сетевых программ может быть построена по произвольному конечному автомату, и при этом допускает важные для практического программирования расширения. Доказано, что модель L-сети с сетевыми программами может быть построена, по произвольной контекстно-свободной грамматике и обеспечивает интегрирование синтаксиса и семантики
для учёта контекстно-зависимых свойств. Доказано, что мощность модели L-сети эквивалентна мощности машины Тьюринга.
Значение результатов для практики. На базе теоретически обоснованного подхода к проектированию ПО с использованием модели L-сети разработана новая визуальная технология программирования, которая включает методологию программирования задач с большой логической сложностью, формы реализации модели L-сети на основе компилируемого и интерпретируемого кода, а также соответствующие программные инструменты для разработки ПО.
С использованием разработанной технологии выполнены сложные программные проекты (объёмом до 130.000 строк). Практика показала высокую эффективность использования формализма L-сети как на ЕС ЭВМ, так и на ПЭВМ IBM PC в сочетании с различными языками программирования, прежде всего - PL/1, С, C++.
Использование модели способствует сокращению сроков проектирования в 10-20 раз по сравнению со сроками на основе широко известной научной системы оценок Б.У.Боэма, низкому уровню ошибок, высокой степени портируемости ПО.
Практическую значимость имеют также методы использования модели L-сети, в частности, при организации конфигурируемых программных средств контроля синтаксиса языка SQL, а также архитектурные решения по организации конфигурируемых программных средств контроля синтаксиса языка SQL, концептуальную основу которых составляет L-сеть.
Таким образом, формализм L-сети оказывается проверенным на практике инструментом визуализации ПО, который основан на структурной декомпозиции и допускает простую интеграцию с другими методологиями, в частности, объектно-ориентированными.
Достоверность результатов. Обоснованность и достоверность результатов и выводов, полученных в диссертационной работе, подтверждается приведённым в работе теоретическим обоснованием модели L-сети; 20-летней практикой её использования в проектах ПО с высоким уровнем логической сложности (трансляторы формальных языков, САПР дискретных устройств) общим объёмом свыше 500.000 строк исходных текстов, причём объём отдельных проектов составил до 130.000 строк; а также результатами апробации на международных, всесоюзных, республиканских конференциях и за рубежом (ФРГ).
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Визуальная модель L-сети, предназначенная для разработки ПО с логическим характером сложности, и определяемый этой моделью виртуальный вычислительный процесс.
-
Доказательства теоретической мощности L-сети.
-
Реализация в форме компилируемого или интерпретируемого кода.
-
Методы использования модели L-сети при организации конфигурируемого ПО контроля синтаксиса языка SQL.
-
Архитектурные решения по организации конфигурируемых программных средств контроля синтаксиса языка SQL.
Внедрение результатов. Результаты проведенных исследований нашли применение в ряде проектов ПО, выполненных либо лично автором, либо под его руководством и при непосредственном участии. Наиболее значимыми из них являются следующие.
-
Конфигурируемые программные средства контроля синтаксиса языка SQL (СПб, фирма "Эквилибр", 1996-1997гг.).
-
Пакет прикладных программ автоматизированного синтеза цифровых устройств (Ассоциация Центров Инжиниринга и Автоматизации, 1993г.).
-
Язык ЛМ для описания дискретных устройств на совмещённом уровне логических схем и регистровых передач и система ЛМ моделирования дискретных устройств (СПбГТУ, версия 2: 1990г.).
-
Учебный машинно-ориентированный язык (СПбГТУ, 1987г.).
В приложении к диссертации содержатся документы, которые подтверждают использование модели L-сети и других научных результатов автора в этих проектах и отражают степень его личного участия в них.
Реализация работы выразилась также в использовании модели L-сети и спроектированных с её использованием программных средств в учебном процессе для студентов специальностей 210100 - Управление и информатика в технических системах и 220100 - Вычислительные машины, комплексы, системы и сети, в дисциплинах "Теория и технология программирования", 'Теоретическая информатика", "Проектирование СУ ГПС", "Проектирование ЭВМ", "Современная программотехника".
Апробации. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались в следующих научных собраниях.
-
3-я Всесоюзная конференция "Применение ЭВМ серии МИР в расчётах по радиотехнике и электронике" (Киев, 1975).
-
Всесоюзный семинар "Опыт эксплуатации и математическое обеспечение ЭВМ серии МИР" (Киев, 1977).
-
Всесоюзная конференция "Автоматизация проектных и конструкторских работ" (Москва, 1979).
-
Республиканский семинар 'Технология программирования" в Институте Кибернетики АН УССР (Киев, 1983).
-
Всесоюзная научно-техническая конференция "Программные средства как продукция производственно-технического назначения" (Калинин, 1985).
-
Научный семинар в Fachhochschule Hamburg (ФРГ, Гамбург, 1993).
-
Международная конференция 'Технологии и системы сбора, обработки и
представления информации" (Рязань, 1993).
-
3-я Международная научно-методическая конференция "Высокие интеллектуальные технологии образования и науки" (СПб, 1995).
-
Российская научно-техническая конференция "Инновационные наукоёмкие технологии для России" (СПб, 1996).
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 33 печатные работы, в том числе одна монография, 2 книги (в соавторстве), 3 учебных пособия (два из них. - в соавторстве) и 1 статья в зарубежном научном журнале (ФРГ)-
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка литературы из 211 наименований. Общий объём диссертации составляет 238 страниц машинописного текста, который включает 62 рисунка.
Похожие диссертации на Организация программного обеспечения и вычислительных процессов ЭВМ на базе визуального формализма
