автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.13, диссертация на тему:Методы и инструментальное обеспечение разработки распределенных информационно-управляющих систем с программируемой архитектурой

/ / ' ' : ; • ' / ! П Л ■ ■

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙуГОСУДАРСТВЕННЬШ ИНСТИТУТ ТОЧНОЙ МЕХАНИКИ И

ОПТИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

КЛЮЧЕВ АРКАДИЙ ОЛЕГОВИЧ

МЕТОДЫ И ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАЗРАБОТКИ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕ^С ПРОГРАММИРУЕМОЙ АРХИТЕКТУРОЙ

05.13.13 - Вычислительные машины, комплексы, системы и сети

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доцент, кандидат технических наук, Платунов А. Е.

Санкт-Петербург - 1999 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

1.ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ 8

1.1 Классификация и особенности современных МП ИУС 8

1.2 Методы проектирования РИУС ! 4

1.3 Обзор и классификация инструментальных отладоч! ¡ых средств 24

1.3.1 Обзор стандартных отладочных средств 24

1.3.2 Обобщенная модель стандартных отладочных средств 28

1.3.3 Выводы о необходимости вложенной отладки 30

1.4 Постановка задачи проектирования РИУС 31 Выводы . 33

2. МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РИУС ПА ' 34

2.1 Методы проектирования РИУС ПА 34

2.1.1 Формирование требований 3 5

2.1.2 анализ требований 35

2.1.3 Анализ ситуации 36

2.2.4 Выбор стратегии 37

2.2 Целевая модель РИУС ПА 38

2.2.1 Проектирование системы с частично используемыми аппаратными механизмами 39

2.2.2 Проектирование параметризуемого шаблона 39

2.2.3 Проектирование системы с возможност ью эволют тии 39

2.2.4 Тестовая оценка проекта 40

2.3 Базовая модель РИУС 40

2.4 Библиотека объектов РИУС ПА 41

2.5 Модель проектирования 41

2.6 Объекты РИУС ПА 44 Выводы 56

3. АНАЛИЗ ОБЪЕКТОВ РИУС ПА 57

-33.1 классификация объектов РИУС ПА 57

3.1.1 Объекты элементной базы 5 7

3.1.2 Интерфейсные объекты 63

3.1.3 Объекты инструментария 64

3.1.4 Объекты реального времени 66

3.2 Характеристики объектов РИУС ПА 67 3.2.1 Функциональное назначение объекта 67

3.2.3 Внутренние характеристики 68

3.2.4 Внешние характеристики 68 3.2.3 Характеристики интерфейса 69

3.3 Методы получения характеристик 69

3.4 Критерии корректности характеристик объектов 70

3.5 Примеры формирования характеристик для конкретных групп объектов 70 Выводы 77

4. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА РИУС ПА 79

4.1 Проблема отладки РИУС 79 4.1.1 Отладка сложных и ответственных РИУС 79 4 Л .2 Отладка РИУС в промышленных условиях 80

4.1.3 Отладка простых РИУС 81

4.1.4 Некоторые наблюдения и закономерности 81

4.1.5 Формулирование задачи отладки РИУС 82

4.2 Обобщенная модель вложенной отладки 82

4.3 Инструментальная модель 84

4.3.1 Виды инструментальных моделей 84

4.3.2 Критерии принадлежности моделей 95

4.3.3 Критерии избыточности моделей 97

4.4 Базовые инструментальные средства РИУС ПА 98

4.4.1 Вложенная отладка 98

4.4.2 Средства 1СР 102

4.4.3 Инструментальный сервер 106 Выводы 110

5. ПРИМЕРЫ ПРАКТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

112

-45.1 Общая архитектура разработанной инструменталы юй системы 112

5.2 Архитектура инструментальной системы Т51 ИЗ Карта распределение памяти Т51 114 5.2.2 Основные механизмы реализованные в Т51. п4

5.3 Архитектура инструментальной системы Т167 120

5.4 Резидентный инструментарий 126

5.4.1 Bootstrap и программирование системной (нулевой) страницы FLASH 126

5.4.2 HEX машина сервисного процессора v 2.01-02 (С167) 127

5.5 Инструментальный кросс сервер ICS v 1.0 (для Linux 2.0) 129

5.5.1 Перечень команд BBF монитора 134

5.5.2 Пример файла задания (qnx2m2 . tsk) 137

5.5.3 Пример отчета 138 Выводы 138

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 140

ЛИТЕРАТУРА

142

ВВЕДЕНИЕ

С развитием вычислительной техники и расширением областей ее применения, значительно усложнился процесс разработки микропроцессорных информационно-управляющих систем (МП ИУС). Большая сложность проектов, гетерогенный характер компьютерных систем, необходимость распределенного управления на больших территориях - все эти факторы увеличивают стоимость и время разработок. В тоже время существенная доля эмпирики в процессе проектирования зачастую не позволяет разработчикам быть уверенными в необходимом качестве проекта.

В настоящее время остро стоит проблема ускорения цикла разработки сложных микропроцессорных систем. Появление новых технологических решений (таких как программируемая логика, функциональные расширители в составе однокристальных микро ЭВМ (ОКМЭВМ)) с одной стороны, сильно расширило возможности разработчиков, а с другой стороны, усложнило процесс разработки, из-за фрагментарности и гетерогенности инструментальных средств, поддерживающих процесс разработки проектов.

В данной работе произведен анализ узких мест классических процессов разработки и предложен ряд методов и технологических приемов позволяющих повысить прозрачность процесса проектирования. В качестве иллюстрации к методике проектирования рассматривается инструментарий для отладки распределенных информационно-управляющих систем с программируемой архитектурой (РИУС ПА).

Целью работы является разработка методики проектирования РИУС ПА, методов оценки и оптимизации проектов, разработка и исследование инструментальных систем (ИС) РИУС.

Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи:

1. Проанализированы современные методики проектирования РИУС.

2. Исследованы архитектурные объекты РИУС.

3. Сформирована библиотека объектов РИУС ПА.

4. Разработан метод оценки проектных решений на базе библиотеки объектов РИУС ПА.

5. Доказана необходимость совместной разработки целевой и инструментальной систем.

6. Разработан метод использования базовых моделей инструментария.

7- Разработан метод вложенной отладки РИУС.

-68. Предложена архитектура инструментального сервера.

9. Разработаны инструментальные средства отладки РИУС.

10. Разработана методика проектирования РИУС.

Поставленные в диссертационной работе задачи решаются с использованием теории нечетких множеств, теории автоматов, теории графов, методов натурного моделирования и методов экспертных оценок.

Научную новизну представляют предложенные в работе:

1. Определение распределенной информационно-управляющей системы с программируемой архитектурой (РИУС ПА), позволяющее рассматривать РИУС ПА в качестве параметризованного шаблона системы.

2. Объединенная модель целевой и инструментальной систем, позволяющая не только учитывать, но и уменьшать погрешность, вносимую инструментарием в работу целевой системы.

3. Система базовых моделей проектирования РИУС, включающая в себя модели инструментария, тестирования и надежности, позволяющая ускорить процесс проектирования, увеличить его прозрачность и качество.

4. Обобщенная модель инструментальной системы РИУС ПА, основанная на использовании нового понятия «инструментальный сервер», позволяющая в отличии от классических моделей строить инструментальные системы рассчитанные как на коллективную работу с РИУС, так и на работу со сложными, распределенными вычислительными системами через один инструментальный интерфейс.

5. Метод вложенной отладки РИУС, в рамках которого поставлена и частично решена задача оптимизации инструментальной системы, позволяющий отлаживать и тестировать РИУС различной размерности при помощи нескольких видов инструментальных серверов.

6. Методика проектирования РИУС ПА, объединяющая перечисленные выше новые модели и методы, так и ряд положений технологии спецификации систем реального времени Пирбхая и Хатли.

Практическая ценность работы заключается в создании средств для вложенной отладки на основе инструментальных серверов, которые были разработаны в рамках предложенной объединенной модели проектирования на основе инструментальной базовой модели РИУС. Внедрение предложенных средств позволило ускорить процесс проектирования, снизить затраты на разработку прикладного и системного ПО, повысить

качество разработки. Предложенные средства использованы в проектах, связанных с системами транспортной автоматики, встроенными управляющими системами и приборными микроконтроллерами (около десяти проектов).

Реализация результатов работы состоит в создании ряда инструментальных мониторов и прикладного ПО для процессоров Siemens C167-CRLM (система железнодорожной автоматики), Siemens SAB535 (система управления газовым нагревателем, теплофизические измерительные контроллеры, учебные стенды), Intel 80C196KR (контроллер дизельгенератора, распределенная система управления заводским освещением), а также клиентских инструментальных кросс-систем Т51, Т167, BBFCOM (на базе DOS/Windows/Unix) и инструментального кросс сервера ICS (на базе ОС Unix). Общий объем исходных текстов на языке С и Ассемблер превышает 500 Кбайт.

Апробация работы произведена в 6 докладах на 4 конференциях. Всего по теме диссертации сделано 10 публикаций.

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1 Классификация и особенности современных МП ИУС

Современные микропроцессорные информационно управляющие системы (МП ИУС) мы определим как системы для управления и сбора информации, работающие в реальном масштабе времени (РМВ). Под реальным масштабом времени мы будем понимать обеспечение гарантированной и строго детерминированной по времени выдачи управляющего сигнала в ответ на сигнал от управляемого объекта. С точки зрения ответственности за невыполнение временных ограничений мы будем разделять системы на системы жесткого и мягкого реального времени. Системой жесткого реального времени (ЖРВ) мы будем называть систему, невыполнение временного ограничения в которой приводит к катастрофическим для целевой функции системы последствиям. На разработчика системы ЖРВ ложится проблема не столько выполнения временных соотношений, сколько проблема надежного выполнения временных соотношений. Системой мягкого реального времени (МРВ) мы будем называть систему невыполнение временного ограничения в которой приводит к неприятным, но не катастрофическим последствиям. Мы будем считать, что в любой МП ИУС есть как минимум одна подсистема ЖРВ, отвечающая за целевую функцию. Подсистема МРВ в МП ИУС может присутствовать, а может и нет.

Модель МП ИУС имеет вид показанный на рис. 1. Под целевой функцией системы, мы будем понимать множество главных функций, выполняемых системой в соответствии с требованиями ЖРВ. Под сервисными функциями мы будем понимать множество вспомогательных функций, улучшающих общие характеристики МП ИУС. Невыполнение сервисной функции не должно приводить к срыву выполнения целевой функции.

Термин МП ИУС мы будем считать синонимом термина встроенная система (Embedded System), широко используемым как у нас, так и за рубежом.

В принципе, МП ИУС более широкое понятие, но в данной работе мы будем рассматривать только те аспекты, которые связаны с проектированием центральных вычислителей, не затрагивая проблемы вторичного электропитания, аналоговую часть, устройства сопряжения с объектом (УСО) и т.п.

По принципу комплексирования, МП ИУС можно разделить на четыре категории: полностью готовые, блочные, заказные, полузаказные или смешанные.

Полностью готовая система - это система, выполняющая целевую функцию, либо требующая незначительной по трудоемкости доводки для выполнения своей целевой функции. Как правило, МП ИУС на основе готовых систем обладают максимальной избыточностью и соответственно стоимостью.

Последующий по сложности вариант - система из готовых блоков. Чтобы такая система выполняла свою целевую функцию, необходимо комютекшрованне или интеграция покупных программных и аппаратных блоков. Избыточность системы существенно ниже, чем в первом случае. Стоимость разработки также невысока.

В третьем и четвертом вариантах присутствует заказная компонента, требующая зачастую проведения научно-исследовательских работ, проведения подготовки производства, разработки новых технологий. Стоимость разработки тем выше, чем больше доля заказной составляющей. При достаточно большой серийности или при необходимости создания оптимальной по каким либо параметрам системы заказная разработка оправдана. Заказная разработка позволяет опустить уровень возможной неоптимальности до уровня мелких комплектующих (СБИС, вентили, БМВ элементы, печатные платы и т.п.). Смешанный вариант комплексирования позволяет объединять систему из готовых и заказных блоков (например, на заказном контроллере ставится готовая ОС СЯЯХ), применяя готовые блоки с минимальным коэффициентом избыточности. В настоящей работе будут в основном рассматриваться аспекты проектирования связанные со смешанным и чисто заказным типом комплексирования.

ВЫСОКАЯ

СТОИМОСТЬ СИСТЕМЫ

НИЗКАЯ

НИЗКАЯ

СЛОЖНОСТЬ РАЗРАБОТКИ

ВЫСОКАЯ

Рис. 2

Можно выделить следующие основные структурные характеристики МП ИУС (см.

рис. 3)

• Количество уровней иерархии.

• Количество вычислителей в системе.

• Степень разнородности вычислителей в системе.

• Количество процессоров в вычислителе.

• Тип связи между процессорами в вычислителях.

• Степень однотипности процессоров в вычислителе.

• Степень равноправия процессоров.

Однопроцессорная система это система имеющая в своем составе один процессор, не включенная в сеть (за исключением тех случаев, когда это необходимо в инструментальных целях), обладающая функциональной полнотой. Многопроцессорные системы - это системы, содержащие в себе несколько процессоров (два и более) объединенных сильной или слабой связью, имеющих разнообразные варианты взаимной подчиненности (равноправные, главный - вспомогательный и т.п.). Системы с интеллектуальными контроллерами, функциональными расширителями и т.д. мы будем считать многопроцессорными. Сильносвязанные системы - это многопроцессорные

Рис. 3

системы, в которых связь между процессорами осуществляется либо через быструю шину, либо через механизм общей памяти.

Слабосвязанная система это система с двумя вариантами связи между процессорами: распределенной и сосредоточенной. При распределенной связи, процессоры находятся на значительном расстоянии друг от друга, за пределами одной платы. Они могут объединяться в локальную сеть или через общую шину. При сосредоточенной связи обмен данными между процессорами производится через специальные обменники, каналы ввода вывода и т.п., процессоры находятся на одной плате. Одноуровневая система - система имеющая один уровень иерархии управления. Многоуровневая система - система имеющая два и более уровней иерархии.

Термины «гомогенность» и «гетерогенность» по отношению к МГ1 ИУС можно рассматривать как с точки зрения системы вообще, так и с с точки зрения отдельных программных и аппаратных компонент. Таким образом, мы получаем три определения.

• Гомогенная система - это система, состоящая из однотипных целевых платформ. Под целевой платформой мы будем понимать программно-аппаратный комплекс, определенный на конкретном иерархическом уровне (например, процессор и операционная система, вычислитель и распределенная многопроцессорная ОС).

• Гомогенная аппаратная система - это система состоящая из однотипных процессоров, вычислителей и других элементов одного иерархического уровня.

• Гомогенная программная система - это система, построенная на базе одинаковых программных средств в пределах одного иерархического уровня (например, на всех процессорах внутри вычислителя работает одинаковая ОС РВ).

Равноправной называется система с несколькими процессорами, выполняющими сходные, основные функции. Неравноправной называется система, в которой часть процессоров выполняет основные функции, а часть вспомогательные. Вспомогательные процессоры можно разделить на несколько категорий:

• Программируемый контроллер - контроллер с жесткой логикой, предназначенный для задач управления.

• Интеллектуальный контроллер - контроллер с программируемой архитектурой, ориентированный на задачи управления.

• Функциональный расширитель - специализированный преобразователь информации.

• Сервисный процессор - контроллер для обеспечения технологических, инструментальных и контрольных функций по отношению к главным процессорам.

По критериям, необходимым при разработке МП ИУС, можно выделить следующий ряд классов систем:

• Системы общего назначения.

• Безопасные системы.

• Надежные системы.

• Дешевые системы.

• Мобильные системы.

• Портативные системы.

« Системы с микро энергопотреблением.

• Системы для тяжелых условий эксплуатации.

Попробуем определить класс систем МП ИУС с точки зрения их сложности. Для сложных или больших систем существует несколько вариантов определений:

• По способу описания: сложная система это система, которую можно описать не менее чем на двух различных математических языках.

• По возможности математического описания: сложные системы невозможно или очень сложно описать математически.

• По функциональной избыточности: сложная система не прекращает деятельности при отказе одного или нескольких ее элементов.

Плохо организованные или диффузные системы - системы в которых существует много взаимн�