автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Разработка модели и алгоритмов отладки и контроля комплекса программ АСУ реального времени

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ХАРАКТЕРИСТИКА И ОСОБЕННОСТИ КОМПЛЕКСА

ПРОГРАММ АСУ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ.

1.1. Основные этапы разработки комплекса программ АСУ реального времени

1.2. Проблема надежности программ, основные понятия.

1.3. Классификация методов обеспечения надежности программ

1.4. Постановка задачи отладки и контроля комплекса программ АСУ реального времени 38 Выводы.

ГЛАВА 2. ФОРМАЛИЗАЦИЯ ОПИСАНИЯ ТРЕБОВАНИЙ (СПЕЦИФИКАЦИЙ) И РАЗРАБОТКА МОДЕМ КОМПЛЕКСА ПРОГРАММ

АСУ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ.

2.1. Формализация описания требований (спецификаций) к комплексу программ АСУ реального времени.

2.2. Разработка модели комплекса программ

АСУ реального времени.

2.3. Анализ ошибок и отказов в программах, функционирующих в реальном времени

2.4. Формулировка задачи распределения временных ресурсов на отладку и оперативный динамический контроль комплекса программ АСУ реального времени

Выводы.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ АНАЛИЗА КОМПЛЕКСА

ПРОГРАММ АСУ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ.

3.1. Разработка алгоритма анализа требований (спецификаций) к комплексу программ АСУ реального времени

3.2. Разработка алгоритма построения функционала надежности комплекса программ АСУ реального времени

3.3. Разработка алгоритма решения задачи распределения временных ресурсов на отладку и оперативный динамический контроль комплекса программ АСУ реального времени . . 126 Выводы

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛИ И

АЛГОРИТМОВ.

4.1. Описание программного обеспечения аппаратно-программного комплекса автоматизации эксперимента в реальном масштабе времени с расчетными, имитационными и физическими моделями

4.2. Экспериментальное исследование программного обеспечения аппаратно-программного комплекса автоматизации эксперимента в реальном масштабе времени с расчетными, имитационными и физическими моделями

4.3. Инженерная методика распределения временных ресурсов на отладку и оперативный динамический контроль исследуемого программного обеспечения

Выводы.

В материалах ХХУ1 съезда КПСС указывается, что одной из важнейших является задача повышения качества всех видов промышленной продукции в соответствии с современными потребностями научно-технического прогресса [32]. Важным звеном в решении этой задачи является использование автоматизированных систем управления реального времени (АСУ РВ) для проведения экспериментальных исследований различных видов промышленной продукции. При этом эффективность внедрения АСУ РВ существенно зависит от сроков и качества проведения всех этапов разработки комплекса программ, в результате чего обеспечивается надежность этого комплекса программ. Проблема обеспечения надежности комплекса программ АСУ РВ для проведения экспериментальных исследований приобретает принципиальное значение, поскольку эксперимент происходит почти без посредничества человека, а ошибка в программах или в данных может повлечь за собой катастрофические последствия.

Проблема обеспечения надежности программ всегда была одной из наиболее важных и трудных в программировании, причем ее значение возрастает с каждым годом, этой проблеме посвящен ряд работ советских и зарубежных авторов: В.В.Ли-паева, А.П.Ершова, В.М.Глушкова, Б.А.Головкина, Д.Дейкстры, Г.Майерса, Э.Нельсона, В.Турского и др. Несмотря на значительное число работ в данной области, в настоящее время еще не сложилась общая теория создания надежных комплексов программ АСУ РВ, это обусловлено: во-первых, сложностью рассматриваемой проблемы; во-вторых, наличием многих взаимосвязанных факторов, затрагивающих все этапы создания комплекса программ и влияющих на его надежность. Решение проблемн обеспечения надежности и получения новых результатов в этой области при сегодняшнем уровне развития методов и средств разработки программных комплексов возможно только с выделением и учетом основных особенностей и анализом наиболее существенных этапов разработки комплекса программ АСУ РВ, при этом отладка и контроль функционирования комплекса программ играют несомненно важную роль. Поэтому тема диссертационной работы - разработка модели и алгоритмов отладки и контроля комплекса программ АСУ реального времени является актуальной.

Основной целью диссертационной работы является разработка модели и алгоритмов отладки и контроля для обеспечения надежности комплекса программ АСУ реального времени. В соответствии с целью в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Формализация описания требований (спецификаций) к комплексу щюграмм АСУ РВ на основе учета его специфических особенностей.

2. Разработка показателя и нритерия надежности комплекса программ АСУ РВ.

3. Разработка модели комплекса программ АСУ РВ, позволяющей представить требования (спецификации), проводить статический и динамический контроль, получать аналитическое выражение функционала надежности.

4. Классификация отказов и ошибок в комплексе программ АСУ РВ.

5. Формулировка и решение оптимизационной задачи распределения ограниченных временных ресурсов на отладку и оперативный динамический контроль комплекса программ АСУ РВ.

При исследовании используются методы математической логики, аппарата сетей Петри, аппарата сетей абстрактных процессов, теории надежности, оптимизации и машинной имитации. При этом формальные методы сочетаются с содержательными.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Предложено формализованное описание требований (спецификаций) к комплексу программ АСУ РВ, которое позволяет представить их в виде внешнего и внутреннего описания, в результате чего строится совокупность предусловий и постусловий, которые проверяются на полноту и непротиворечивость.

2. Разработан показатель надежности комплекса программ АСУ РВ, который учитывает потери от программных отказов для пользователя, вероятностное распределение входных данных, оценки вероятностей возникновения программных отказов, структуру комплекса программ по управлению.

3.Разработана модификация модели программ на основе иерархической сети абстрактных процессов, позволяющая проводить статический контроль управления, статический и оперативный динамический контроль предусловий и постусловий, получать аналитическое выражение функционала надежности комплекса программ АСУ РВ.

4. Сформулирована и решена оптимизационная задача распределения ограниченных ресурсов времени на отладку и оперативный динамический контроль по критерию минимума функционала надежности комплекса программ АСУ РВ.

Практическая ценность полученных в диссертационной работе результатов заключается в следующем:

1. Разработан алгоритм проверки формализованного описания требований (спецификаций) к комплексу программ АСУ РВ, которое представляется в виде совокупности предусловий и постусловий, на полноту и непротиворечивость.

2. Разработана методика проведения имитационного эксперимента по набору статистики отказов комплекса программ АСУ РВ.

3. Разработан алгоритм получения аналитического выражения для функционала надежности на основе использования модели комплекса программ АСУ РВ.

4. Разработана методика и алгоритмы решения оптимизационной задачи распределения ограниченных временных ресурсов на отладку и оперативный динамический контроль.

5. На основе методики проведения имитационного эксперимента, алгоритма получения аналитического выражения функционала надежности и методики решения оптимизационной задачи по распределению ресурсов разработаны программы для обеспечения надежности комплекса программ АСУ РВ.

Выполненные в диссертационной работе исследования входят составной частью в комплекс научно-исследовательских работ, проводимых кафедрой Автоматизированных систем обработки информации и управления Ленинградского ордена Ленина электротехнического института имени В.И.Ульянова (Ленина) в рамках комплексной программы "Автоматизация научных исследований" АН СССР и Минвуза РСФСР. Полученные автором результаты использовались при разработке аппаратно-программного комплекса автоматизации эксперимента в реальном масштабе времени с имитационными, расчетными и физическими моделями.

Результаты исследований, выполненных по теме диссертационной работы, обсуждались и получили положительную оценку на следующих семинарах и конференциях:

- Ш Всесоюзной школе-семинаре молодых ученых "Современные проблемы автоматического управления" (Нарва, 1979),

- П Всесоюзной научно-технической конференции "Математическое, алгоритмическое и техническое обеспечение АСУ ТП" (Ташкент, 1980),

- Всесоюзной конференции "Синтез, тестирование, верификация и отладка программ" (Рига, 1981),

- 1 Всесоюзной научно-технической конференции "Синтез и проектирование многоуровневых систем управления" (Барнаул, 1982),

- Научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава Ленинградского электротехнического института имени В.И.Ульянова (Ленина), 1981-1984 гг.

По материалам диссертационной работы опубликовано 5 печатных работ.

Диссертационная работа содержит: основной текст на 149 страницах, включающий введение, четыре главы, заключение и приложение; список литературы из 67 наименований, 15 рисунков и 15 таблиц.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4

1. В качестве объекта исследования выбрано программное обеспечение АПКАЭ, обладающего рядом специфических особенностей: реализация в основном логических функций; относительно простые вычисления, представленные в небольшом количестве; простые структуры обрабатываемых данных.

2. Формализованное представление требований (спецификаций) к программному обеспечению АПКАЭ позволило провести их анализ на полноту и непротиворечивость, построить предусловия и постусловия.

3. Была построена модель ПО АПКАЭ на основе АР сети, с помощью которой был проведен статический контроль управления и статический контроль предусловий и постусловий.

4. Решение задачи распределения ресурсов позволило минимизировать показатель надежности ПО АПКАЭ в условиях ограничений на времена отладки и оперативного динамического контроля.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Целью диссертационной работы являлась разработка модели и алгоритмов отладки и контроля для обеспечения надежности комплекса программ АСУ РВ. Для достижения этой цели в диссертационной работе проведены следующие исследования и разработки.

В первой главе проанализирован процесс разработки или жизненный цикл комплекса программ АСУ РВ. Рассмотрены основные этапы жизненного цикла с точки зрения влияния их на надежность комплекса программ АСУ РВ. Рассмотрены вопросы, относящиеся к проблеме надежности, определяются основные понятия. Проводится обоснование выбора показателя и критерия надежности комплекса программ АСУ РВ. Приводится классификация и проводится анализ методов обеспечения надежности программ. В конце главы ставится задача отладки и контроля комплекса программ АСУ РВ.

Во второй главе производится формализованное описание требований (спецификаций) к комплексу программ АСУ РВ, которое позволяет строить предусловия и постусловия. Для возможности проведения статического структурного и оперативного динамического контроля, а также оценки показателя надежности, комплекс программ АСУ РВ представляется моделью в виде сети абстрактных процессов. Приводится классификация ошибок и программных отказов комплекса программ АСУ РВ. Формулируется задача распределения ограниченных временных ресурсов на отладку и оперативный динамический контроль комплекса программ АСУ РВ.

Третья глава посвящена разработке алгоритмов. Разрабатывается алгоритм анализа формализованного описания требований спецификаций) к комплексу программ АСУ РВ на полноту и непротиворечивость. Предлагается алгоритм, который позволяет получить аналитическое выражение для функционала надежности комплекса программ АСУ РВ. Разработан также алгоритм распределения ресурсов времени на отладку и оперативный динамический контроль.

В четвертой главе решаются задачи экспериментальной проверки разработанной модели и алгоритмов отладки и контроля на примере программного обеспечения аппаратно-программного комплекса автоматизации эксперимента в реальном масштабе времени с расчетными, имитационными и физическими моделями.

На основе разработанных алгоритмов реализованы программы, использование которых позволяет проверить формализованное описание требований (спецификаций) в виде совокупности предусловий и постусловий на полноту и непротиворечивость; проводить имитационный эксперимент по набору статистики программных отказов; получать аналитическое выражение функционала надежности; распределять ограниченные ресурсы времени отладки и оперативного динамического контроля между программными компонентами по критерию минимума показателя надежности. Эти программы были использованы при разработке и отладке аппаратно-программного комплекса автоматизации эксперимента в реальном масштабе времени с расчетными, имитационными и физическими моделями в рамках НИР "Разработка типового учебно-исследовательского терминального комплекса для целей обучения, исследования и проектирования систем автоматизации эксперимента и исследований", проводимой по Комплексной программе АН СССР и Минвуза РСФСР "Автоматизация научных исследований". Экономический эффект от внедрения составил 12230 рублей.

Подводя итоги можно выделить следующие основные результаты диссертационной работы:

1. Предложено формализованное описание требований (спецификаций) к комплексу программ АСУ РВ, которое позволяет представить их в виде внешнего и внутреннего описания, в результате чего строится совокупность предусловий и постусловий, которая проверяется на полноту и непротиворечивость.

2. Разработан показатель надежности комплекса программ АСУ РВ, который учитывает потери от программных отказов для пользователя, вероятностное распределение входных данных, оценки вероятностей возникновения программных отказов, структуру комплекса программ по управлению.

3. Разработана модификация модели программ на основе иерархической сети абстрактных процессов, которая позволяет проводить статический контроль управления, статический и оперативный динамический контроль предусловий и постусловий, получать аналитическое выражение функционала надежности комплекса программ АСУ РВ.

4. Сформулирована и решена оптимизационная задача распределения ограниченных ресурсов времени на отладку и оперативный динамический контроль по критерию минимума функционала надежности комплекса программ АСУ РВ.

5. Проведена экспериментальная проверка разработанной модели и алгоритмов на примере программного обеспечения аппаратно-программного комплекса автоматизации эксперимента в реальном масштабе времени с расчетными, имитационными и физическими моделями.

1. Банков В.Д., Дубенецкий В.А., Кузнецов А.Г. Анализ алгоритмов реализации задач моделирования в аналого-цифровом моделирующем комплексе. В кн.: Методы анализа и синтеза нелинейных цепей, - Киев: Наукова думка, 1982. - с.70-76.

2. Барлоу Р., Прошан Ф. Математическая теория надежности. -М.: Советское радио, 1969. 420с.

3. Беллман Р. Динамическое программирование. Иностранная литература, i960. - 400с.

4. Берзин Е.А. Оптимальное распределение ресурсов и элементы синтеза ситем, М.: Советское радио, 1974. - с.187-189.

5. Боэм Б., Браун Д., Каспар X., Липов М., Мак-Леод Г., Мерит М. Характеристики качества программного обеспечения. -М.: Мир, 1981. 207с.

6. Брукс Ф.П. Как проектируются и создаются программные комплексы (мифический человеко-месяц). -М.: Наука, 1979.- 152с.

7. Вавилов А.А. Структурный и параметрический синтез сложных систем. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та,' 1979. - с.32.

8. Вирт Н. Систематическое программирование. Введение. М.: Мир, 1977. - 183с.

9. Гвардейцев М.И., Морозов В.П., Розенберг В.Д. Специальное математическое обеспечение управления. М.: Советское радио, 1978. - 512с.

10. Глушков В.М. Фундаментальные исследования и технология программирования. Программирование, № 2, 1980. - с.3-13.

11. Головкин Б.А. Надежное программное обеспечение (обзор). -Зарубежная радиоэлектроника, № 12, 1978. с.3-61.

12. Головкин Б.А. Классификация методов обеспечения надежности программ. Управляющие системы и машины, № 5, 1979.- с.3-12.

13. Гордиенко А.В. К вопросу об эффективности критерия тестирования программ по путям. Управляющие системы и машины, W 2, 1982. - с.107-109.

14. Дал У., Дейкстра Э., Хоор К. Структурное программирование.- М.: Мир, 1975. 248с.

15. Дейкстра Э. Дисциплина программирования. М.: Мир, 1978.-275с.

16. Ершов А.П. Введение в теоретическое программирование. -М.: Наука, 1977. 288с.

17. Закс JI. Статистическое оценивание. -М.: Статистика, 1976.- с.231.

18. Креденцер Б.П. Прогнозирование систем с временной избыточностью. Киев: Наукова думка, 1978. - 240с.

19. Кузнецов А.Г., Рябов В.ф. Системный подход к отладке программного обеспечения АСУ реального времени. Тезисы доклада Всесоюзной конференции: Математическое, алгоритмическое и техническое обеспечение АСУ ТП. - Ташкент: РИО ТашПИ, 1980. - с.85-86.

20. Кузнецов А.Г., Рябов В.Ф. Эффективность отладки программного обеспечения АСУ испытаниями. Известия ЛЭТИ, Науч. тр. /Ленинградский электротехнический институт имени В.И.Ульянова (Ленина), 1983, вып.330. - С.99-101.

21. Лингер Р., Миллс X., Уайт Б. Теория и практика структурного программирования. М.: Мир, 1982. - 406с.

22. Липаев В.В. Проектирование математического обеспечения АСУ. М.: Советское радио, 1977. - 400с.

23. Липаев В.В. Надежность программного обеспечения АСУ. -М.: Энергоиздат, 1981. 240с.

24. Липаев В.В. Качество программного обеспечения. -М.: Финансы и статистика, 1983. 263с.

25. Майерс Г. Надежность программного обеспечения. -М.: Мир, 1980. 360с.

26. Месарович М., Такахара Я. Общая теория систем: математические основы. М.: Мир, 1978. - 311с.

27. Методы параллельного микропрограммирования /Под редакцией Бадмана О.Л. Новосибирск: Наука сиб. отд., 1981.- с.44-50.

28. Надежность в технике. Термины и определения. ГОСТ 13377-75. М.: Изд-во стандартов, 1975. - 28с.

29. Советов Б.Я., Рябов В.Ф., Кузнецов А.Г. Некоторые вопросы отладки программного обеспечения АСУ реального времени.

30. В кн.: Синтез, тестирование, верификация и отладка программ. Тезисы докладов Всесоюзной конференции. Рига: Изд-во Латв. гос. ун-та, 1981. - с.197-198.

31. Тейер Т., Липов М., Нельсон Э. Надежность программного обеспечения. М.: Мир, 1981.- 325с.

32. Тихонов Н.А. Основные направления экономического и социального развития СССР на 1981-1985 годы и на период до 1990 года. Доклад 26 съезду КПСС. - М.: Политическая литература, 1981.

33. Турский В. Методология программирования.- М.: Мир, 1981.-265.

34. Шаракшанэ А.С., Шахин В.П., Халецкий А.К. Испытания программ сложных автоматизированных систем. -М.: Высшая школа, 1982. 102с.

35. Alberts W. The economios of software quality assurance.-Proc. of national computer conf., 1976,- p.234-239.

36. Alfard M. A requirements engineering methodology for realtime processing requirements.- IEEE Transactions on software eng., vol.3, IT I, 1977.- p.60-69.

37. Anderson Т., Shrivastava S. Reliable software: a sebcted annotated bibliograhy.- Software practice and experience, vol.8,1. I, 1978,- p.59-76.

38. Bill Т., Bixler D., Dyer M. An extendable approach to computer-aided software requriments engineering.- IEEE Transactions on software eng., vol. SE-3, IT I, 1977.- p.49 -60.

39. Boehm B. The high cost software practical strategues for developing large software systems.- Addison-Wesley, 1975.- p.I20.

40. Bohm C., Jacopini G. Flow giagrams, turing machines and lang-uges with only two formation rules.- Com. of the ACM, vol.9, IT 5, 1966.- p.366-371.

41. Cherniavsky J. On finding test data sets for loop free programs.- Inf. proc. letters, vol.8, IT 2, 1979.- p.106-107.

42. Davis A. Formal techniques and automatic processing to ensure correctness in requirements specifications.- Proc. IEEE conf. on specifications of reliable software, 1979.- p.15-35.

43. Elmendorf W. Functional analysis using cause-effect graphs.-Proc. of SHARE XLIII, 1Т.У.-.SHARE, 1974.- p.567-577.

44. Pagan M. Design and code inspections to reduce errors in programm development.- IBM systems journal, vol.15, IT 3, 1976.-p.182-211.

45. Floyd R. Assigning meanings to programs.- Proc, symp. in applied mathematic.- AMS, vol.19, 1967.- p.I9-32.

46. G-erhart s., Yelawitz L. Observations of fallibiliti in applications of modern programming methodologies.- IEEE Transactions on software eng., vol.SE-2, IT 3, 1976.- p.195-207.

47. Goodenough J., Gerhart S. Toward a theory of test data selection.- In: proc. 1975, Int. conf. on reliable software, Los Angeles; N.Y., ACM, 1975.- p.493-510.

48. Hack M. Decision problems for Petri nets and vector addition systems.- MAC-TM59, Project MAC, Cambrige MIT, 1974.- p.79.

49. Hack M. Decidability questions for Petri nets.- TBI6I, MIT laboratory for computer sci., Cambridge, 1976.- 194 p.

50. Hamilton M., Zeldin S. Hider order software- a methodology for defining software.- IEEE Transactions on software eng., vol. SE-2, N 2, 1976.- p.9-32.

51. Howden W. Reliability of the path analysis testing strategy.-IEEE Transactins on software eng., vol.SE-2, II 3, 1976.-p.2o8-250.

52. Jones M. HIPO for developing specifications.- Datamation, 1976, N 3.- p.112-125.

53. King J. A new approach to program testing. Programming methodology.- Berlin: Springer-Verlag, 1975.- p.278-290.

54. Nelson E. A statistical basis for software reliability assessment.- TEW -SS-73-03,March 1973.

55. Panzl D. Automatic software test drivers.- Computer, 14, I 1978.- p.44-50.

56. Peterson J. Petri nets.- Computing surreys, vol. 9, IT 3, 1977.- p.223-252.

57. ShickG., Wolverton R. An analysis of computing software reliability models.- IEEE Transactions on software eng., vol.SE-4, IT 2, 1978.- p.104-119.

58. Shooman M., Lolsky M. Types didtribution and test and correction times for programming errors.- Proc. of the 1975 Int. conf.on reliable software, IEEE catalog IT 75, CH0940-7 CSR.- p.347-362.

59. Shooman M. Structural models for software reliability prediction.- 2-nd Int. conf. on software eng., 1976.- p.268-280.

60. Teichroew D., Hershey E. PSL/PSA: A computer aided technique for structured documentation and analysis of information processing systems.- IEEE Transactions on software eng., vol.SE-3,1. I, 1977.- p.41-48.

61. Yeh R. Guest editorial.- Computer surveys, vol.8, IT 3, 1976.-p.301-303.