Методы и инструментальное обеспечение разработки распределенных информационно-управляющих систем с программируемой архитектурой

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.

Выводы.

1. Использование библиотеки объектов и базовых моделей инструментария при разработке многопроцессорной ИУС позволило выявить ошибки на ранних этапах архитектурного проектирования и сократить длительность цикла разработки на 30 — 40%.

2. Совместная разработка целевой и инструментальной системы позволяет выявлять в проекте «узкие» места, влияющие на соблюдение требований реального времени и уменьшить избыточность целевой системы, возникающей из-за необходимости использования резидентных инструментальных средств.

— 1393. Применение базовой модели инструментария позволило построить сбалансированную по соотношению удобство/стоимость инструментальную отладочную систему и снизить накладные расходы на дополнительные исследования и разработки. 4. Использование методики вложенной отладки позволило распар&тлелить работы по отладке, тестированию и настройке, что привело к сокращению сроков выполнения этих работ примерно в полтора раза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В настоящей работе получены следующие результаты:

1. Показано, что проектирование распределенных гетерогенных информационно-управляющих систем требует создания специальных методов и инструментальных средств, обеспечивающих:

• сбалансированность аппаратных и программных компонент, достигаемую за счет объектной декомпозиции на аппаратнои программно-реализованные модули;

• верифицированные спецификации архитектурных, аппаратных и программных объектов;

• направленный поиск оптимальных решений на основе сравнения вариантов реализации целевой системы на архитектурном, программном и аппаратном уровняхсквозную поддержку всех этапов проектирования.

2. Использование объектно-ориентированного подхода к проектированию РИУС позволило построить библиотеку объектов, обладающую функциональной полнотой в отношении задач проектирования гш С.

3. Принцип программируемое&tradeархитектуры РИУС предполагает получение одного из следующих результатов в процессе проектирования:

• систему с частично незафиксированными аппаратными механизмами;

• параметризуемый шаблон, необходимый для дальнейшего проектирования;

• систему с возможностью эволюции- «тестовую оценку проекта.

4. Предложена иерархия частных характеристик для всех групп объектов, достаточная для вычисления интегральных характеристик объектов проектируемых систем.

5. В качестве основного метода отладки РИУС различных классов предложен метод вложенной отладки, основанный на удаленной отладке распределенной целевой системы, подключенной к инструментальной системе через инструментальный канал. Метод вложенной отладки обеспечивает: загрузку программ и данных в любой узел целевой системы, а также получение и визуализацию информации о функционировании программ в целевой системе.

— 1416. Использование библиотеки объектов и базовых моделей инструментария при разработке многопроцессорной ИУС позволило выявить ошибки на ранних этапах архитектурного проектирования и сократить длительность цикла разработки на 30 — 40%. 7. Использование методики вложенной отладки позволило распараллелить работы по отладке, тестированию и настройке, что привело к сокращению сроков выполнения этих работ примерно в полтора раза.