автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Методы построения инструментальных средств разработки программного обеспечения систем реального времени

ВВЕДЕНИЕ .*

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

1.1. Обзор методов моделирования исполнения программ.

1.2. Метод пооператорного моделирования

1.3. Особенности реализации исходного языка при поопе-. . раторном моделировании

1.4. Расширение операций ввода/вывода.

1.5. Отладка ПО при пооператорном моделировании . 15 Выводы по первому разделу.

2. ПРИНЦИПЫ РАЗРАБОТКИ- ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СРЕДСТВ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ МЕТОДА ПООПЕРАТОРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ. . I?

2.1. Пооператорное моделирование и исходный язык . I

2.2. Организация ядра.

2.3. Трансляция операторов реального времени.

2.4. Функциональная эквивалентность результирующих программ.

2.5. Количественная оценка метода пооператорного моделирования.

Выводы по второму разделу.

3. ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ ТРАНСЛИРУЮЩЕЙ ГРАММАТИКИ ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИИ ВВОДА/ВЫВОДА В ЯЗЫКЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ.

3.1. Структура параметрического транслятора

3.2. Схема организации транслирующей подграмматики для операторов ввода/вывода

3.3. Язык описания внешних устройств

Выводы по третьему разделу.

4. ОТЛАДКА ПРИ ПООПЕРАТОРНОМ МОДЕЛИРОВАНИИ

4.1. Система автономной отладки.

4.1.1. Язык отладочных директив.

4.1.2. Транслятор отладочных версий программ

4.1.3. Интерпретатор отладочных директив

4.2. Комплексная отладка программного обеспечения.

4.2.1. Модель внешней среды.

4.2.2. Модель работы системы прерываний.

4.2.3. Особые случаи в отладке программ взаимодействующих процессов.

4.3. Моделирование операций ввода/вывода .Ю

Выводы по четвертому разделу

5. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ОТЛАДКИ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРИ ПООПЕРАТОРНОМ МЕТОДЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ'. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ.

5.1. Назначение системы и состав оборудования.

5.2. Проектирование ПО по процессам.

5.3. Синхронизация процессов

5.4. Использование общих переменных.

5.5. Моделирование прерываний.

5.6. Моделирование ввода/вывода.

Выводы по пятому разделу

ХХУI съезд КПСС определил необходимость перевода народного хозяйства СССРЛ на преимущественно интенсивный путь развития. Этот путь интенсификации требует скорейшего внедрения научных достижений в народное хозяйство и прежде всего тех, которые связаны с ускорением проектирования новых высококачественных изделий, с автоматизацией их производства, с рациональным использованием ресурсов, с совершенствованием технологии.

Роль вычислительной техники и программного обеспечения в этих условиях становится еще более значительной. Это объясняется тем, что вычислительная техника все более приобретает характер инструмента, от качества и массовости выпуска которого ощутимо будет зависить процесс интенсификации по существу во всех областях народного хозяйства, науки, медицины, образования,техники. В то же время существенным препятствием для широкого внедрения вычислительной техники является низкая производительность * труда программистов. Результаты исследований в области средств обработки данных показывают, что производительность программистов с 1955 по 1975 г. увеличилась только в 5,6" раза; в то время как мощность машин увеличилась в 10000 раз [4б]. Особенно остро этот вопрос стоит в области микропроцессорной техники, где стоимость одного оператора программы становится соизмеримой со стоимостью самого микропроцессора [44].

В настоящее время центр тяжести в исследованиях по программированию должен быть перенесен именно на разработку вопросов, связанных с созданием предметно-ориентированного математического обеспечения. Прежде всего следует обратить внимание на создание инструментальных систем (имея в виду языковые, информационные и программные аспекты), которые обеспечили бы интенсификацию процесса разработки программ для микропроцессоров, микро- и мини-ЭВМ и вычислительных систем, предназначенных для решения конкретных задач в той или иной области промышленного производства, робототехники и автоматизации [27] .

Для программного обеспечения (ПО) указанных средств вычислительной техники важным вопросом является технология его разработки. Имеется в виду использование кроссовых (инструментальных) и резидентных комплексов. Не касаясь достоинств и недостатков каждой из технологий, отметим, что в настоящее время инструментальные комплексы получили широкое распространение. Например, для микропроцессорных комплексов лишь одна четвёртая часть [55] систем подготовки ПО ориентирована на собственно микро-ЭВМ. Поэтому настоящая работа, посвященная повышению эффективности использования инструментальных комплексов, представляется актуальной.

Предметом исследования данной работы являются инструментальные комплексы для создания программного обеспечения микроЭВМ и микропроцессоров.

Объектом исследования работы является ПО систем реального времени.

Целью работы является разработка методов построения инструментальных комплексов (ИК) для ПО систем реального времени, реализуемых на малых ЭВМ, обеспечивающих высокую скорость моделирования программ целевой ЭВМ на ИК, моделирование воздействий внешней среды для проведения комплексной динамической отладки на ИК, а также создание системного ПО для решения указанных задач.

В результате выполнения поставленной задачи получены следующие основные научные результаты, выносимые на защиту: а) предложена структура кроссового инструментального комплекса, основанного на применении языка реального времени высокого уровня, позволяющая производить комплексную динамическую отладку ПО систем реального времени на ИК и допускающая реализацию ИК на малой ЭВМ ; б) разработан метод построения ПО ИК, основанный на использовании параметрического синтаксически-ориентированного транслятора и обеспечивающий статическую Функциональную эквивалентность результирующих программ кросс- и моделирующего трансляторов; в) разработана система моделирования воздействий внешней среды для проведения комплексной динамической отладки на уровне входного языка реального времени; г) предложены средства автоматизации расширения трансляторов языка реального времени, связанные с изменением состава внешних устройств.

Диссертационная работа состоит из введения, 5-и разделов,заключения и списка литературы.Работа содержит 146 страниц; машинописного текста,2? рисунка и 58 наименований в списке литературы.

Выводы по пятому разделу

На примере системы измерения теоретического веса полосы агрегата продольной резки были рассмотрены основные этапы проектирования и комплексной отладки ПО системы реального времени на щ с пооператорным методом моделирования. Пример продемонстрировал:

1. Эффективность применения языка Бэйсик-П для задач реального времени (в частности - механизма синхронизации процессов).

2. Возможности, имеющиеся для проведения комплексной динамической отладки и относящиеся к а) исследованию процессов, имеющих общие переменные; б) построению событийных процедур в целом и для моделирования прерываний в особых областях в частности; в) моделированию операций ввода/вывода и получению печати результатов отладки в наглядной форме.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Для моделирования исполнения программ ЭВМЦ на ИК предложен метод пооператорного моделирования. Метод обладает высоким быстродействием, что создаёт хорошие предпосылки для проведения на ИК комплексной динамической отладки ПО.

2. Разработан язык реального времени Бэйсик-Процесс, который ориентирован на пооператорное моделирование. Реализация указанного языка основана на использовании ядра. Незначительный объём ядра позволяет создать на ИК функционально-эквивалентную ему модель.

3. Рассмотрен процесс трансляции операторов реального времени. Используемые в нем описатели событий позволяют упростить конструкцию примитивов, входящих в состав ядра, и делают трудоёмкость их реализации соизмеримой с трудоемкостью процедурных операторов.

4. Приведена методика обеспечения статической функциональной эквивалентности результирующих программ кросс- и моделирующего трансляторов.

5. Разработана структура транслирующей грамматики, рассчитанная на такое расширение языка Бэйсик-Процесс и транслятора с него, которое обусловлено изменением состава используемых внешних устройств. Приведен язык описания внешних устройств, который позволяет автоматизировать указанный процесс расширения.

6. Разработана система автономной отладки Бэйсик-Процесс программ. Система предназначена для работы в интерактивном режиме в терминах исходного языка. Показано, каким образом, модифицируя транслирующую грамматику моделирующего транслятора,можно получить транслятор для отладочных версий объектных программ.

7. Разработана система моделирования внешней среды для проведения комплексной динамической отладки ПО на ИК. Помимо высокой скорости пооператорного моделирования функционирование этой системы обеспечивается специальными конструкциями исходного языка. К ним следует отнести выделение в явном виде Фонового процесса, за счет которого осуществляется значительная часть системных расходов машинного времени. А исключение из исходного языка операторов управления работой системы прерываний упрощает моделирующую программу, что также ведет к уменьшению системных расходов.

8. разработана методика для комплексной динамической отладки программ взаимодействующих (имеющих общие переменные) процессов в рамках описанной модели внешней среды.

9. На примере конкретной системы рассмотрены основные этапы проектирования и комплексной динамической отладки ПО систем реального времени на ИК с пооператорным методом моделирования.

10. Программное обеспечение ИК, разработанное с использованием указанных в работе методов, внедрено на нескольких предприятиях страны. Суммарный экономический эффект всех разработок составляет 53 тыс.руб. в год. Документы, подтверждающие внедрение полученных результатов в производство, приведены в приложении.

1. Автоматизация проектирования вычислительных систем. Языки моделирования и базы данных. - М.: Мир, 1976. - 462 с.

2. Айзенберг Я.Е., Вельбицкий И.В., Каюров В.Ю. и др. Автоматизированная система производства программ СИНТЕРМ-2. В кн: Технология программирования. - Киев: Ж АН УССР,1977,с.57-64.

3. Аксельрод И.Р., Белоус Л.Ф. Основные принципы системы построения трансляторов СПУТНИК. Вычислительная математика и вычислительная техника. - Харьков: 1972, вып.III, с.49-51.

4. Апанасенко Л.С., Матусова И.З., Топоров Н.Р. Система отладки и редактирования ЯСК-программ в режиме диалога на ЭВМ "Минск-32". УСИМ, 1975, № I, с. 40-41.

5. Артёмов Ю.И., Вялов В.Л., Рудобаба В.П. и др. Система подготовки программ для микропроцессора К580ИК80. УСиМ, 1981,3, с. 71-72.

6. Белявский Е.И., Михлин Г.З., Фрумкин В.А. О построении интерпретаторов специализированных ЦВМ. УСиМ, 1975, №5,с.96-99.

7. Бергсон А., Рауд Р. Использование функционально эквивалентных модулей при разработке программ для УЦВМ. Программирование, 1981, № 4, с.50-56.

8. Библиография работ по технологии программирования. В кн.:

9. Технология программирования: ТБзисы докладов I Всесоюзной конференции. Пленарные доклады и общие материалы (Киев,1979г.) Киев: ИК АН УССР, 1979, с. 52-70.

10. Бумбу В.Т. Инструментальный комплекс Т-СЕМОЛ как средство построения мобильных многоязыковых процессоров. Программирование, 1979, № 6", с. 44-51.

11. Герасимов И.В., Родионов С.В. О средствах автоматизации отладки вычислительных программ в составе кросс-моделирующей программы. Программирование, 1981, № 3, с. 68-70.

12. Грис Д. Конструирование компиляторов для ЦВМ. М.: Мир, 1975. - 544 с.

13. Гришман Р. Критерии для языка отладки. В сб.: Средства от. ладки больших систем. - М.: Статистика, 1977, с. 57-71.

14. Девис У. Операционные системы. М.: Мир, 1980. - 436 с.

15. Липаев В.В. Проектирование математического обеспечения АСУ.~ . М.: Советское радио, 1977. 400 с.

16. Липаев В.В., Серебровский Л.А., Филиппович В.В. Система автоматизации программирования и отладки комплексов программ управления ЯУЗА-6. Программирование, 1977, № 3, с.87-94.

17. Липаев В.В., Фидловский Л.А., Филиппович В.В. и др. Отладка систем управляющих алгоритмов ЦВМ реального времени. М.: Советское радио, 1974. - 328 с.

18. Лоусон Г'.В. Архитектура вычислительных машин и микропрограммирование. В кн.: Мобильность программного обеспечения.-М.: Мир, 1980, с. 6T-I02.

19. Мартин Дж. Программирование для вычислительных систем реального времени. М.: Наука, 1975. - 359 с.

20. Миллис Б. Свойства супервизора. В сб.: Супервизоры и операционные системы. - М.: Мир, 1972, с. 37-53.2 4. Михлин Г.З. Методы моделирования операций мини-ЭВМ и использование открытых подпрограмм. Программирование, 1977, № I, с. 69-73.

21. Программирование на новом этапе развития научно-технического прогресса. Программирование, 1982, № 5, с. 3-6.

22. РаудР.К., Тамм Б.Г. Состояние в области программирования для микро-ЭВМ. Программирование, 1982, № 5, с. 31-43.

23. Саватьев В.А., Бобовский В.В. Программное обеспечение автоматизированного рабочего места программиста микропроцессора на базе ЭВМ М6000. УСиМ, 1981, № 4, с. I09-II3.

24. Слободянюк А.И., Погорелый С.Д.", Вайсбанд С.Г. Кроссовая система отладки программного обеспечения микропроцессора К580ИК80 на малых ЭВМ. УСиМ, 1982, №2, с. 38-41.

25. Средства отладки больших систем. М.: Статистика, 1977. -136 с.

26. Таран Е.А. Структура системы отладки программного обеспече-ч ния для кроссового комплекса. Киев; 1983. - 8 с. Рукопись деп. в УкрНИИНТИ, инв. № 83Ук - Д83.

27. Таран Е.А. К вопросу построения программного обеспечения микропроцессорных систем реального времени. Киев, 1983.- 15 с. Рукопись деп. в УкрНИИНТИ, инв. № 84УК-Д83.

28. Таран Е.А. О реализации операторов ввода/вывода в языке реального времени. Киев, 1983. - Г7 с. Рукопись деп. в УкрНИИНта, инв. № 82УК-Д83.

29. Таран Е.А. Увеличение эффективности процесса отладки программного обеспечения на кроссовом комплексе. Киев, 1983.- 17 е. .Рукопись деп. в УкрНИИНТИ, инв. № 8Ш-Д83.

30. Темов В.Л. Meтаалгоритмическая система общего назначения (МАСОН). В кн.: Методы реализации новых алгоритмических языков: Труды Всесоюз. симпозиума (Новосибирск, 1975). Новосибирск: ВЦ СО ДН СССР, 1975, с.8-24.

31. Томашев В.Ф. Отладочная интерпретирующая шаговая трассировочная программа для языка ЛЯПАС-М. УСиМ, 1975, № I,с. 29 31.

32. Хор К.А.Р. Советы по разработке языка программирования для работы в реальном масштабе времени. М.: Всесоюзный центр переводов научно-технической литературы и документации, 1979, перевод № A-6I330. - 31 с.

33. Хьюз Дж., Мичтом Дж. Структурный подход к программированию. М.: Мир, 1980. - 278 с.

34. Цикритзис Д., Бернстайн Ф. Операционные системы. М.: Мир, 1977. - 336 с.

35. Шоу А. Логическое проектирование операционных систем. М.: Мир, 1981. - 360 с.

36. Allison A. Follow three simple rules to improve software productivity. "EDN", 1980, vol. 25, N 6, pp. 167-171.

37. Aapinal D., Dagless E. Overview of a development environment. Microprocessors and Microsystems, 1979, vol. 3, N 7> pp. 301-304.

38. Computer technology shifts emphasis to software: a special report. Electronics, 1980, vol. 53, N 11, pp. 142-149.

39. Dack D. Development systems. Microprocessors and Microsystems, 1980, vol. 4, N 5, pp. 163-164.

40. Elzer P., Roessles R. Real time languages and operating systems. "Digital Comput. Appl. Process Contr. Proc. 5 th IFAC/IFIP Int. Conf., The Hague, 1977". Amsterdam e. a., 1977, pp. 1-12.

41. Harp R. Microcomputer program development tools. Comput. Des., 1981, vol. 20, N 12, pp. 147-150.

42. Hoppe Jiri. A comparison of Modula with other system programming languages. "Int. Comput. Symp. 1977"• - Amsterdam e. a., 1977, pp. 129-133.

43. Hoppe J. A simple nucleus written in Modula-2 : a case study. Software - Practice and Experience, 1980, vol. 10,1. N 9, pp. 697- 706.

44. Ma P.-Y.R., Lewis T. On the design of microcode compiler for a machine-independent high-level language. IEEE Transactions on Software Engineering, 1981, vol. 7, N 3, pp. 261-273.

45. Nagata W.M., Miller D.,S. An interactive simulator for the KIM-1-microcomputer. Simulation, 1981, vol. 36, N 1, pp. 21-33.

46. Rodd M.G., Gray G.T. An alternative approach to the development of microprocessor software a hardware/software simulator. - Int. J. Elec. Eng. Educ., 1979, vol. 16, N 2-3,pp. 183-190.

47. Santoni A. Microcomputer development systems. ЕШ, 1980, vol. 25, N 16, pp. 141-151.

48. Schindler M. Pick a computer language that fits the job. -Electron. Des., 1980, vol. 28, N 15, pp. 62-78.

49. Tomeк I., Kwok В., Steele P.H., Steele P.W. Efficient programming and flexible simulation of microprocessors. "MIMI 77. Proc. Int. Symp. MINI and MICRO Comput., Montreal, 1977", New York, N.Y., 1978, pp. 32-34.

50. Van der Linden P.W. New generation of microsystem simulators. Microprocessors and Microsystems, 1980, vol. 4, N 1, pp. 5-10.