автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Автоматизация отладки мультипрограммных систем реального времени

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОБЛЕМ ОТЛАДКИ

ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ АСУ ТП.

1.1. Особенности проектирования ПО АСУ ТП

1.2. Анализ кроссовых систем автоматизации отладки ПО систем реального времени

1.3. Математическая модель АСУ ТП.

1.4. Общая характеристика кроссовой системы подготовки программ АСУ ТП.

2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИМИТАТОРА АСУ ТП.

2.1. Общие положения. Структура имитатора

2.2. Организация вычислительного процесса

2.3. Организация ввода-вывода

2.4. Взаимодействие программ имитатора

3. ЛИНГВИСТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМЫ ОТЛАДКИ

3.1. Общая характеристика языка описания внешней среды УВК.

3.2. Описание информационных модулей. Каналы

3.3. Модуль конфигурации .■.

3.4. Связь РВ- и ДП-црограмм.

3.5. Имитационные модели технологического объекта управления

4. РЕАЛИЗАЦИЯ ТРАНСЛЯТОРА ОПИСАНИЯ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ УВК.

4.1. Процессор семантического анализатора

4.2. Семантический процессор генерации выходных структур

4.3. Генерация сигналов в ДП-программах.■.

5. ИЛЛЮСТРАТИВНЫЙ ПРИМЕР МОДЕЛИРОВАНИЯ.

5.1. Постановка задачи

5.2. Описание модели задачи СОИ

5.3. Моделирование задачи СОИ

Создание систем автоматизированного проектирования программного обеспечения (ПО) вызвано насущной необходимостью повышения эффективности разработки систем реального времени. Все возрастающая сложность проектируемых систем управления,, с одной стороны, и повышение требований к срокам, стоимости и качеству разработки ПО, с другой стороны, неуклонно ведут к необходимости создания ПО АСУ на индустриальной основе.

Эффективным направлением для решения этой задачи является развитие кроссовых методов производства программ для АСУ, что позволяет проводить основные этапы подготовки ПО управляющего вычислительного комплекса на инструментальной ЭВМ организации-разработчика и снизить затраты.заключительных и наиболее трудоемких стадий внедрения ПО на объекте. Это качественное изменении в технологии проектирования ПО АСУ позволяет рассматривать разрабатываемый комплекс программ как продукт, производимый технологически отдельно от технических средств АСУ [4.IIJ. К этому продукту, как и к промышленному изделию, должны быть предъявлены требования по обеспечению надежности [9.l].„Известно, что отладка и испытание ПО систем реального времени составляют около 50%, а с учетом сопровождения в эксплуатации до 80%1 [ji.I3] общей стоимости его создания. Поэтому проверка работоспособности ПО на стадии разработки АСУ является крупной самостоятельной проблемой при создании сложных систем, в значительной степени определяющей осуществимость реализации системы в заданные сроки.^ Применительно к АСУ технологическими процессами (АСУ ТП) решение этой сложной и вмёсте с тем актуальной проблемы состоит в том, что система отладки, входящая, в кроссовую систему автоматизированного проектирования ПО АСУ ТП, дожна позволять на инструментальнойЭВМ с высокой степенью адекватности имитировать работу управляющего вычислительного комплекса (УВК) и сопряженного с ним технологического объекта управления (ТОУ)Л^Разработчики кроссовых систем автоматизированного проектирования ПО АСУ ТПбаспользуот'^различные методы и средства для построения систем автоматической отладки7>выбор которых существенным образом отражается на эффективности отладки и, следовательно, на надежности проектируемого программного продукта <( В этом отношении пока нет устоявшихся решений.) Малоизученным остается также вопрос адекватного моделирования внешней среды синхронно с исполнением управляющих программ.

В диссертационной работе рассмотрен круг вопросов, связанных с выбором методов и средств построения кроссовой системы автоматизации отладки, позволяющей реализовать программные модели, соответствующие основным задачам проектирования АСУ ТП.^Диссертация состоит из 5-ти глав, списка литературы и приложений.

В первой главе дан сравнительный анализ методов и средств, положенных в основу построения систем отладки в известных кроссовых системах автоматизированного проектирования АСУ. ^Предпочтение отдано методу использования высокого языкового уровня представления функционирования АСУ ТП, суть которого состоит в исполнении на инструметальной ЭВМ программ, совокупно представляющих, собой программный эквивалент модели УВК и сопряженного с ним ТОУ.Предложен способ реализации данного метода: от представления общей математической модели АСУ ТП и выработки требований к средствам построения системы отладки до реализации этих средств.

Во второй главе предложена и описана среда моделирования, в которой реализуется мультипрограммная обобщенная модель, эквивалентная исходной модели АСУ ТП. Дано описание языковых средств дляпрограммирования алгоритмов управления и представления технических и операционных средств УВК.

В третьей и четвертой главах предложены и исследованы языковые средства для представления внешней среды УВК и их программная реализация.

В пятой главе приведены экспериментальные исследования на примере моделирования внешней среды в АСУ ТП "Химия",В приложениях приведены формальные спецификации языков, некоторые результаты моделирования и материалы внедрения результатов исследований.

На защиту выносится следующее:- метод создания кроссовой системы автоматизации отдалки, заключающийся в формализации модели АСУ ТП соответствующими языковыми средствами и формулировании требований к программному и технологическому обеспечению системы отладки для обобщенной мультипрограммной модели АСУ ТП;- мультипрограммная модель операционной системы УВК с учетом интерфейсов с моделями функциональных программ УВК и. информационного представления технологического объекта управления;- разработка и реализация лингвистических средств описания технологического объекта управления, включающих возможность моделирования замкнутого контура управления.

Основные результаты исследований, проведенных автором на кафедре вычислительной техники Киевского политехнического института, опубликованы в 6 работах. Система кроссовой подготовки программ, система отладки которой рассмотрена в диссертации, передана в Гос ФАП в 1984 г. Результаты докладывались на П Всесоюзном совещании. "Автоматизация проектирования и конструирования (Ленинград, 1983 г.), на Всесозной конференции "Индустриализации,проектирования математического обеспечения АСУ ТП" (Киев, 1983 г.),на Всесоюзной конференции "Повышение эффективности и качества разработки программного обеспечения АСУ ТП на основе использования типовых решений и средств автоматизации программирования и отладки" (Киев, 1984 г.), на У1 Межреспубликанской школе-семинаре "Интерактивные системы" (Батуми, 1984 г.).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные в диссертационной работе исследования позволяют сформулировать следующие результаты:

1. Проанализированы методы отладки программного обеспечения АСУ ТП и выделены нерешенные вопросы отладки мультипрограммных средств реального времени в кроссовых системах подготовки ПО АСУ ТП

2. Предложена общая математическая модель АСУ ТП, позволяющая произвести рациональное разбиение языковых средств описания процесса функционирования АСУ ТП, необходимого для построения системы отладки ПО.

3. Развит метод модельного исполнения отлаживаемых программ в условном реальном времени во взаимодействии с технологическим объектом управления применительно к мультизадачной среде ДОС АСПО управляющей ЭВМ СМ-2.

4. На основе этого метода построена мультипрограммная модель операционной системы, включающая супервизоры моделирования, задач и команд оператора с учетом интерфейсов с моделями функциональных программ УВК и информационного представления объекта управления.

5. Разработаны и реализованы языковые средства описания технологического объекта управления, допускающие подключение произвольных программных имитационных моделей ТОУ (что позволяет моделировать замкнутые контуры управления), сложность которых ограничивается только вычислительными ресурсами инструментальной ЭВМ.

6. Разработанные программные средства исследованы с технологических позиций производства (генерации) программ, тестирования и переносимости . 7. Разработанные в результате теоретических и экспериментальных исследований языковые и программные средства включены в состав кроссовой подготовки программ для УВК СМ-2 (СМП-2.1.2), приняты Междуведомственной комиссией и сданы в ГОСФАП. Практическое значение проведенной работы подтверждено соответствующими документами.

1. Материалы съездов, конференций, симпозиумов

2. Всесоюзная конференция по математическому обеспечению систем управлещш производственными процессами (Алма-Ата): тезисы докладов. М.: 1974. - 120 с.

3. Всесоюзная научно-техническая конференция "Проблемы математического, программного и информационного обеспечения АСУ технологическими процессами": тезисы докладов. Черновцы: 1979, -250 с.

4. Ш всесоюзная межвузовская конференция: тез. докл./ Ананьевский С.А., Самофалов К.Г., Бею Т.В., Бедненко В.В., Тригуб Н.Ф. Реализация параметрического транслятора. Киев: 1975, с. 97-98.

5. Ш Всесоюзная научно-техническая конференция молодых .ученых и специалистов (Северодонецк): тезисы докл./ Ананьевский С.А., Бедненко В.В., Бею Т.В., Стеблянко В.Г. Синтаксически ориентированный транслятор для управляющих ЦВМ. 1973, с. 18-19.

6. Синтез, тестирование, верификация и отладка программ. Тезисы докладов Всесоюзной конференции. Рига: ЛГУ, 1981. - 236 с.

7. Технология программирования. Тезисы докладов I Всесоюзной конференции. Киев: Ин-т кибернетики АН УССР, 1979. - 90 с.

8. Труды I Всесоюзного симпозиума по математическому обеспечению вычислительных систем, работающих в реальном масштабе времени.1. Киев: 1974. 120 с.

9. Шестая межреспубликанская школа-семинар "Интерактивные системы" (Батуми, 1984): тезисы докл./ Ананьевский С.А., Бедненко В.В., Марченко А.И. Интерактивные средства кроссовой отладки программреального масштаба времени. Тбилиси:1984. - 472 с.

10. Международный семинар ИФАК по автоматизации проектирования систем управления: тезисы докл. М.: ИНЭУМ, 1980. - 188 с.4. К н и г и

11. Беме Г., Борн В. Программирование управляющих вычислительных систем / Пер. с нем. М.Н.Гельмана. М.: Энергия, 1975.72 с.

12. Блэкман М. Проектирование систем реального времени /Пер. с англ. Ф.Р.Выдры, В.М.Храпкина, под общей ред. Е.Е.Масловского. М.: Мир, 1977. - 346 с.

13. Бусленко В.Н. Автоматизация имитационного моделирования сложных систем. М.: Наука, 1977. - 62 с.

14. Вальков В.М., Вершин В.Е. Автоматизированные системы управления технологическими процессами. Л.: Машиностроение, 1977. -238 с.

15. Гласс Р. Руководство по надежному программированию / Пер. с англ. Ю.П.Кондратенко, В.М.Рабиновича; Под ред. В.М.Рабиновича. Предисл. В.В.Липаева. М.: Финансы и статистика, 1982. -256 с.

16. Жабеев В.П., Николаев В.П., Шавловский С.Н. Исследование методов полунатурного моделирования ТОУ при отладке АСУ ТП /Обзорная информация, серия ТС-3 "Автоматизированные системы управ. ления", вып. 6. М.: ЦНИИТЭИ приборостроения, 1982. - 54 с.

17. Коэн Л.Д. Анализ и разработка операционных систем /Пер. с англ. под ред. В.Ф.Тюрина. М.: 1975. - 190 с.

18. Липаев В.В. , Колин К.К., Серебровский Л.А., Математическоеобеспечение управляющих ЦВМ. М.: Сов.радио, 1972.- 528 с.

19. Липаев В.В. Надежность программного обеспечения АСУ. М.: Энергия, 198I. - 240 с.

20. Липаев В.В. Качество программного обеспечения. М.: Финансы и статистика, 1983. - 264 с.

21. II Липаев В.В. Проектирование математического обеспечения АСУ.. . 136.

22. М.: Сов.радио, 1977. 400 с.

23. Литвинов В.В. Математическое обеспечение проектирования вычислительных систем и сетей. Киев: Техника, 1982. - 176 с.

24. Майерс Г. Искусство тестирования программ / Пер. с англ. под ред. Б.А.Позина. М.: Финансы и статистика, 1982. - 176 с.

25. Маккимак У., Хорнинг Д., Уортман Д. Генератор компиляторов / Пер. с англ. С,М,Крутовой, под ред. и с предисл. В.М.Савинкова. М.: Статистика, 1980. - 527 с.

26. Мартин Д. Программирование для вычислительных систем реального времени / Пер. с англ. В.П.Семиколенко. М.: Наука, 1978. - 360 с.

27. Программные средства.моделирования непрерывно-дискретных систем /В.М.Глушков, Т.П.Марьянович, М.А.Сахнкж, В.В.Гусев. -Киев: Наукова думка, 1975. 152 с.

28. Рей У. Методы управления технологическими процессами /Пер. с . англ. М.: Мир, 1983. - 368 с.420.^Средства отладки больших систем / Под ред. Р,Растина. Пер. с англ. И.Х.Зусман, Д.А.Корягина и И.Л.Любимоской. М.: Статистика, 1977. - 136 с.

29. Технология проектирования.комплексов программ АСУ /.В.В.Липа-ев, Л.А.Серебровский, П.Г.Гаганов и др.; Под ред. Ю.В.Асафьева, В.В.Липаева. М.: Радио и связь, 1983. - 264 с.

30. Управляющие вычислительные машины в.АСУ технологическими процессами / Под.ред. Т.Харрисона, пер. с англ. под ред. И.М. Шенброта. М.: Мир, т.2, 1976. - 532 с.

31. Айзенберг Я.Е., Вельбицкий И.В., КоноревБ.М., Стогний А.А. Автоматизированная система производства программ СИНТЕРМ. -Управляющие системы и машины, 1980, J& I, С. 16-21.

32. Ананьевский С.А. Язык описания вычислительного процесса в АСУ ТП. Механизация и автоматизация управления, 1976, № I, с. 43-46.

33. Ананьевский С.А., Стеблянко В.Г., Бедненко В.В. и др. Параметрический транслятор в системе автоматизированного проектирования математического обеспечения. Механизация и автоматизация управления, 1975, № 4, с. 19-24.

34. Белявский Е.И., Михлин Т.З. Фрункин В.А. О построении интерпретаторов специализированных ЦВМ. Управляющие системы и машины, . 1975, № 5, с. 96-99.

35. Бергсон А., Рауд Р. Использование функционально эквивалентных модулей при разработке программ для УЦВМ. Программирование, 1982, В 4, с. 50-56.4.23.4.24.- 138 . .

36. Ананьевский С.А., Бедненко В.В., Колинько Р.Ф. О семантической разрешимости неоднозначностей КС-грамматик. Вестник Киев, политехи, ин-та. Автоматика и электроприборостроение, 198I, с. 51-55.

37. Бедненко В.В. и др. Об использовании ПЛ/l для программировать функциональных алгоритмов параметрического транслятора.-Вестник КПЙ, автоматика и электроприборостроение, 1979, № 16, с. 54-57.

38. Ананьевский С.А., Тригуб Н.Ф. Учет времени в системах кроссовой отладки программ управляющих ЭВМ. Вестник КПЙ, автоматика и электроприборостроение, 1983, вып. 20,

39. Дейкстра Э. Заметки по структурному программированию. В кн.: Структурное программирование: Пер. с англ. - М.: Мир, 1975.

40. Бедненко В.В., Стеблянко В.Г. Язык представления внешней среды для отладки программ управляющей ЭВМ. Вестник КПЙ, автоматика и электроприборостроение, 1983, вып. 20, с. 57-61.

41. ЛипаевВ.В., Серебровский JI.A., Филиппович В.В., Система автоматизации программирования и отладки комплексов программуправления. (ЯУЗА-6). Программирование, 1978, №3, с. 86-92.

42. Липаев В.В., Штрик А.А. Основные концепции кросс-системы автоматизации программирования и отладки сложных комплексов программ на базе ЕС ЭВМ. В кн.: Технология создания программных средств АСУ /Центропрограммсистем. - Калинин, 1980, с. 248-252.

43. Липаев В.В., Каганов Ф.А., Система автоматизации технологии разработки комплексов управляющих программ для микропроцессоров, и микро-ЭВМ (ТЕМП). Управляющие системы и машины, 1980,№ I, с. 32-36.

44. Липаев В.В., Серебровский Л.А., Керепанов Б .А. Автоматизация разработки комплексов управляющих программ на базе технологии

45. САЛО ЯУЗА-6. В кн.":ЭТИ Всесоюзное совещание по.проблемам управления/ тез.докл. - Таллин, 1980, с. 697-699.

46. Шло X. Программирование больших систем по принципу сверху-вниз. В кн.: Средства отладки больших систем: Пер. с англ. / Под ред. P.M.Растила. - М.: Статистика, 1977

47. Михлин Г.З. Методы моделирования операций мини-ЭВМ и использование открытых подпрограмм. Программирование, 1977, I I, с. 68-73.

48. Мытус Л.Л. Операционные системы реального времени, применяемые в АСУ ТП (обзор зарубежных систем). Программирование, 1977, № 6, с. 44-56.

49. Рауд Р. СЕРП-система разработки программ, управляющих микроЭВМ класса CM-I800. в кн.: Программное обеспечение АСУ / Секция Ш: тез. докл., Калинин, 1980, с. 130-133.

50. Шварц Дж.Т. Обзор ошибок. В кн.: Средства отладки больших систем. - М.: Статистика, 1977, с. 8-92.523. lonson M.S. Dispel, a run-limb debugging language. Computer language* , ,6, a/2.-p. 7-3-94.

51. БЖ Oottrdt },K., Workmen "D.A. on interactiveenvironment for software development andmaintenance.- Data Base J980fM, л/5,

52. Huang J.C. Program Instrumentation ctnd Software Testing Computer, 4916, \J.44, л/4, p. £5-34.

53. Ross D.T. ,Pike H.E. Automating Control computer software production. Conlr.Eng., <972, v.{9, MoJO, p. 4И7.

54. Van der linden F.W. New yweratm oj Microsystem Simulator.- Microprocessors and Microsystems , 1980, v.4, Jan., p.5-10.

55. Sduutder M. Pick a computer lanquaqe thatjits the job.-Eeectron .ies., №0, \Jot.Z6 p.62-78.

56. Na^ata W.M., MiUerD., S. An interactive simulator' for the KlM-< minicoputer. -Simulation, <Ш ,\tot.36, A/{ , p. 2/-33.

57. AtCisOn A. Fottow three simple ruUes to improve sojtware productivity. "FDN'\ Ш, vo£. 25, h/6, рр.(6ЭД

58. Morxxtee IX Hi<jh Imt lanyuages; a hard waremeans vi&w'.''ELeolron and Power", Ш ,2?, л/2, p. <20436.6. Д и с с е р т а ц и и

59. Стеблянко В.Г. Разработка параметрического транслятора для автоматизации проектирования математического обеспечения управляющих ЦВМ. Дисс. на соискание учен, степени канд. техн. наук. - К., 1976. - 139 с.

60. Тригуб Н.Ф. Организация моделирования вычислительных процессов в кроссовой системе подготовки программ управляющих ЭВМ. -Дисс. на соискание учен, степени канд. техн. наук. К., 1982. - 170 с.9. Нормативно-техническиедокументы

61. ГОСТ 13377-75. Надежность в технике. Термины и определения. -Введен с I.I.I975 г.

62. Единая система электронных вычислительных машин ЕС ЭВМ. Опера. . ционная система. Техническая документация.

63. Агрегатная система программного обеспечения М-7000 и СМ ЭВМ. Дисковые операционные системы. Краткое описание и руководство по пользованию. 3.100.007 Т.1977, 229 с.12. Депонированные рукописи

64. Ананьевский С.А., Бедненко В.В., Бею Т.В., Колинъко Р.Ф.,- 142 •