Содержание к диссертации
ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 5
ВВЕДЕНИЕ б
1. ПРОЦЕСС СОЗДАНИЯ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ АСУТП
I.I. Этапы разработки и специфицирование программного обеспечения АСУТП 15
1.1.1. Этапы разработки по АСУТП 15
1.1.2. Специфицирование программного 18 обеспечения АСУТП
1.2. Требования к математической модели специфицирования 22
1.3. Модели параллельных вычислений 26
1.4. Выбор модели специфицирования 32
2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СПЩШДОРОВАНИЯ ПО АСУШ 39
2.1. Описание модели Керка 39
2.1 Л. Описание циклических процессов 4-0
2.1.2. Описание взаимодействия процессов 4-3
2.2. Проблемы, решаемые при помощи модели Керка 4-6
2.2.1. Тайминг процессов системы 4-6
2.2.2. Проблема тупика 4-8
2.3. Пример специфицирования поведения подсистемы сбора и первичной обработки данных
3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОГРАММНОГО (БЕСПЕЧЕНИЯ АСУГП И СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ б0
3.1. Виртуальная машина и операционная система 61
3.1.1. Виртуальная машина 62
3.1.2. Операционные системы 64
3.1.3. Операционные системы реального времени 65
3.2. Специализация ОСРВ на основе спецификации поведения 67
3.2.1. Специализация ядра ОСРВ 68
3.2.2. Специализация драйверов внешних устройств 70
3.2.3. Специализация системы обработки особых случаев 70
3.2.4. Специализация систем службы времени, загрузки прикладного ПО и диалога с конечным пользователем 71
3.2.5. Специализация системного планирования 72
3.3. Семейство специализированных операционных систем реального времени 75
3.3.1. Методы создания семейства программ 75
3.3.2. Метод фиксированных решений 77
3.4. Интерпретация модели Керка для структуры ПО АСУТП 79
4. ДВУХЦЕНТРОВАЯ АСУТП И СЕМЕЙСТВО СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ ОСРВ 83
4.1. Двухцентровая система программ МЕДИУС для АСУТП 83
4.1.1. Основные функции АСУТП карбамида 84
4.1.2. Аппаратурная база системы -
4.1.3. Общая структура программного обеспечения системы 86
4.1.4. База данных 89
4.1.5. Функциональные подсистемы 91
4.1.6. Операционная система МЕДЕКС 95
4.2. Семейство специализированных операционных систем реального времени МВДЕКС 100
4.3. ОСРВ ГЕО для бортовой геофизической системы программного обеспечения 104
4.4. Операционная система с разделением времени МЕЩСАР и технология программирования систем компьютерного управления Ю7
ЗАКЛЮЧЕНИЕ III
ЛИТЕРАТУРА ИЗ
ПРИЛОЖЕНИЯ А 1г
Введение к работе
Актуальность работы. Одним из важнейших направлений технического прогресса является создание автоматических и автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП). Появление таких систем вызвано интенсификацией технологических процессов и увеличением сложности производственных комплексов, требующих все более сложных систем управления и контроля, а также необходимостью совершенствовать управление производственными процессами с целью минимизировать расход сырья и энергии, предотвращать загрязнение природной среды.
Система автоматического и автоматизированного управления есть комплекс устройств, обеспечивающих автоматическое изменение ряда координат объекта управления с целью установления желаемого режима работы объекта Д/. Под желаемым режимом следует понимать такой режим, при котором достигается цель управления: обеспечивается достижение заданных значений регулируемых величин или оптимизируется определенный критерий качества управления. 6 автоматизированных системах получение, преобразование и передача информации, формирование управляющих команд и их использование для воздействия на управляемый процесс осуществляются частично автоматически, а частично с участием людей-операторов. В автоматических системах, в отличие от автоматизированных, весь процесс осуществляется автоматически, без участия человека.
Управление объектом происходит в реальном времени, нередко в жестких условиях, определяемых течением технологического про - 7 цесса /2/. Поэтому АСУТП может быть рассмотрена как система реального времени, т.е. система, в которой сбор данных, их обработка и выдача результатов (или управляющих воздействий) производятся достаточно быстро в отношении влияния на поведение данного объекта /3/. В настоящее время в АСУТП широко применяются средства электронной вычислительной техники: специализированные управляющие вычислительные машины, а также универсальные мини- и микро-ЭВМ. Поэтому иногда они называются системами компьютерного управления.
Функционирование систем компьютерного управления осуществляется взаимодействием аппаратуры и программного обеспечения (ПО). Чем сложнее алгоритмы и цели управления, тем сложнее ПО системы управления. В настоящее время затраты на алгоритмическое и программное обеспечение превосходят затраты на аппаратуру. Объясняется это ростом сложности ПО, с одной стороны, и трудностями механизации и автоматизации процесса создания его, с другой стороны. Потребности народного хозяйства в программных средствах пока не удовлетворяются ни по номенклатуре, ни по качеству этих средств, из-за чего в годы десятой пятилетки задерживалась автоматизация управления технологическими и производственными процессами /4/.
Один из естественных путей ускорения разработки и повышения качества ПО АСУТП - это повышение технологичности ПО. Последнее означает разработку структуры ПО, а также методов и средств реализации этой структуры, которая обеспечивает более эффективную поэтапную разработку, эксплуатацию и модернизацию ПО по сравнению с традиционным ПО того же назначения. Повышение технологичности может быть достигнуто использованием систем автоматизации проектирования и программирования /5-7/ и/или разработкой раз -8 личных специализированных ЭВМ со строго ограниченным и определенным классом решаемых задач /8/. Как показывает практика, требования, обусловленные разными применениями, нередко так сильно различаются, что целесообразным представляется построение специализированных вычислительных машин. Специализацией обычно достигается:
- упрощение реализации прикладного ПО;
- обеспечение удобного диалога человек-машина;
- удовлетворение противоречивых требований (например, максимального быстродействия, высокой надежности, ограниченного веса и габаритов, низкой энергоемкости, нетрудоемкого обслуживания);
- повышение живучести и надежности системы управления;
- другие, более конкретные технические требования.
Однако построение специализированной ЭВМ для решения того или иного класса задач не всегда оправдано по техническим и экономическим соображениям. В этом случае необходимое улучшение характеристик АСУТП может быть достигнуто при помощи специализации т.н. виртуальной, а не физической машины. Это значит, что данная физическая машина оснащается достаточно развитыми системным ПО, специализированным в соответствии с требованиями потребителей. Назовем такую машину специализированной виртуальной машиной прикладного программиста, или просто виртуальной машиной (ВМ). Для реализатора систем управления ВМ облегчает процесс создания прикладного ПО и тем самым ускоряет процесс разработки АСУТП.
Как автоматизированные системы проектирования, так и специализированные (виртуальные) машины можно рассматривать как удобный инструмент, позволяющий пользователю быстро и целенаправленно создать необходимые ему программы. В этом смысле процесс разработки ПО АСУТП достиг промышленного стиля /9/. Приведенные соображения, а именно 1) повышается сложность систем автоматического управления и контроля;
2) наблюдается тенденция к увеличению стоимости ПО;
3) построение специализированной ЭВМ не всегда оправдано;
4) процесс разработки ПО обрел промышленный стиль
- свидетельствуют о том, что разработка методов, обеспечивающих повышение технологичности ПО систем управления, и применение этих методов для создания ПО АСУТП являются актуальными проблемами.
Цель настоящей работы заключается в следующем:
1) Повышение технологичности ПО АСУТП путем:
- разработки новой методики для специфицирования поведения ПО АСУТП, использующей математическую модель с учетом временных ограничений;
- создания на основе спецификации поведения 6М и семейства ВМ прикладного программиста.
2) Использование разработанных подходов и методов для практической реализации систем компьютерного управления.
В области создания ПО ранее много внимания уделялось искусству программирования, языкам программирования, возможностям операционных систем. Но мало исследовались этапы, предшествующие программированию: формулирование требований и специфицирование ПО ДО/. Только в последнее время возрос интерес к этим ранним этапам разработки ПО. На этапах, предшествующих программированию, следует:
- определить структуру ПО;
- зафиксировать требования к программам и увязать взаимодействия отдельных частей ПО, обнаружить несоответствия в этих
- 10 требованиях;
- ответить на вопрос: могут ли спроектированные программы выполнить заданную задачу управления;
- установить требуемое время выполнения программ и обнаружить ошибки тайминга, т.е. обеспечить корректную постановку задачи программирования. Вопросы корректности постановки задач программирования являются объектом изучения той части вычислительной науки, которая называется специфицированием. Из разных видов спецификаций нас интересует спецификация поведения: описание поведения системы во времени.
Большинство методов специфицирования /II/ основываются на классическом для программистов эвристическом подходе. Однако существуют и начиная примерно с 1975 г. активно развиваются методы специфицирования, основанные на формализованном математическом подходе. Спецификации, созданные при помощи математических моделей, являются однозначными, их можно записать в математически корректных обозначениях и исследовать аналитически. Наблюдается тенденция использовать формальные математические модели на возможно более ранних этапах создания ПО /IZ/. Учитывая требования реального времени ПО АСУТП и малопригодность эвристического подхода при создании ПО реального времени, первоочередными задачами в настоящей диссертации являются выбор, адаптация и применение математической модели для специфицирования ПО АСУШ.
Следующий этап после специфицирования при создании ПО АСУТП - проектирование. Общая практика создания ПО АСУТП заключается в проектировании программ, реализующих систему управления на основе выбранной машины и операционной системы реального времени (ОСРВ), т.е. на основе заданной (нередко универсальной) машины прикладного программиста. Повышение технологичности процесса создания и качества функционирования ПО может быть достигнуто специализацией ВМ. Это значит, что физическая машина оснащается специализированной операционной системой. В отличие от используемых до сих пор эвристических подходов, в настоящей диссертации предлагается осуществлять специализацию ОСРВ на основе спецификации с применением математической модели. Для удобства специализации ОСРВ при разных применениях следует проектировать семейство специализированных ОСРВ, которое вместе с физической машиной образует семейство ВМ прикладного программиста. Разработка ВМ и семейства ВМ прикладного программиста является второй задачей настоящей работы.
Описанные подходы были реализованы при разработке и внедрении ряда систем компьютерного управления, математическая модель использовалась для корректной формулировки задач программирования многофункциональной централизованной системы управления установкой производства карбамида ДЗ/. В ту же систему входит первый представитель семейства ОСРВ Д4/. Остальные члены семейства используются в машинной системе проектирования многомерных регуляторов /15/, в морской геофизической разведочной системе Д6/ и в системе программирования микро-ЭВМ Д7/. Описание АСУГО карбамида и семейства специализированных ОСРВ составляет третью задачу настоящей работы.
Научная новизна. В диссертационной работе разработана новая методика специфицирования поведения ПО АСУТП. Новизна методики заключается в использовании математической модели с учетом временных ограничений (модель Керка). Методика положена в основу создания экспериментальной системы автоматизации проектирования и генерации ПО АСУТП.
Технологичность ПО АСУТП на этапе проектирования предлагается повысить путем создания ВМ прикладного программиста при помощи специализации операционной системы. Новизна подхода к специализации ОСРВ состоит в использовании проверенной спецификации поведения, созданной по разработанной в диссертации методике. Для удобства приспособления ОСРВ для разных применений рекомендуется проектировать семейство специализированных ОСРВ. В диссертации приведен метод фиксированных решений для создания такого семейства.
Технологичность ПО АСУТП на этапе кодирования и отладки можно повысить путем распараллеливания работ. С этой целью в диссертации рекомендуется использовать двухцентровую организацию прикладного ПО и многофункциональную операционную систему.
По теме диссертации автором опубликовано 8 печатных научных работ /14, 17, 37, 38, 62, 84, 98, 102/.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных нац2 страницах машинописного текста, 8 приложений и списка литературы, содержащего 104 наименования работ советских и зарубежных авторов.
Во введении обоснованы актуальность и цель работы; раскрыта научная новизна и описано практическое применение диссертации.
Первая глава посвящена вопросам создания и специфики ПО АСУТП, определению места и важности специфицирования поведения. Осуществлен обзор моделей параллельных программ и выбрана модель, предложенная в работах Керка, позволяющая наилучшим образом учитывать специфику ПО АСУТП.
Во второй главе описаны модель специфицирования ПО АСУТП и ее применение. Выводятся проблемы, которые можно решить при помощи модели. Приведен пример специфицирования системы сбора и первичной обработки данных.
В третьей главе исследование сконцентрировано на возможности специализации ВМ на базе однопроцессорной ЭВМ. Специализация осуществляется на основе спецификации поведения, созданной с использованием модели Керка. Разработаны способы специализации основных частей ОСРВ. Для приспосабливания ОСРВ к разным применениям рекомендуется проектировать семейство специализированных ОСРВ. Разработан метод фиксированных решений для создания такого семейства. В централизованных АСУИІ предлагается использовать двухцентровой принцип организации прикладного ПО, позволяющий параллельно проводить работу на этапе кодирования и отладки.
Четвертая глава посвящена описанию промышленных систем компьютерного управления, в которых реализованы разработанные в диссертации методы и подходы. Показано, что многофункциональная ОС разработанного семейства может быть рассмотрена как еще одно средство повышения технологичности ПО АСУГП, так как она позволяет повысить производительность труда при кодировании и отладке ПО.
В заключении приведены основные результаты диссертационной работы.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с
- целевой комплексной научно-технической программой 0.Ц.026 "Автоматизация управления технологическими процессами, производствами, машинами, станками и оборудованием с применением мини-ЭВМ и микро-ЭВМ";
- программой по решению важнейших научно-технических проблем 0.80.21 "Разработать и внедрить комплексы типовых прикладных программных средств общесистемного и функционального назначения, прогрессивную технологию создания программных средств и автоматизированных систем проектирования АСУ";
- проблемой стран-членов СЭВ "Исследование морей и океанов с целью использования их минеральных ресурсов";
- республиканской комплексной научно-технической программой ЭР-05 "Микропроцессорные системы автоматизации и вычислительные средства";
- планами научно-исследовательских и опытных работ в области научно-технических проблем Института кибернетики АН ЭССР ГП ЭССР 121.172. Задание: "Разработка программного обеспечения для систем реального времени мини-ЭВМ". Этап: "Исследование способов реализации формальной спецификации прикладной системы средствами системного программного обеспечения".
