= РАСПРЕДЕЛЕННЫЕ ВСТРОЕННЫЕ СИСТЕМЫ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ -
УДК 681.3
ПРОБЛЕМЫ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ ПОДДЕРЖКИ РАЗРАБОТКИ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ВСТРОЕННЫХ СИСТЕМ
РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ
© 2013 г. А.Г. Бахмуров, Р.Л. Смелянский
Факультет вычислительной математики и кибернетики МГУ им. М.В. Ломоносова 119991 ГСП-1, Ленинские горы, МГУ, д. 1, стр. 52 E-mail: bahmurov@cs.msu.su, smel@cs.msu.su Поступила в редакцию 02.02.2013
Распределенные встроенные системы реального времени (РВС РВ) относятся к числу сложных в разработке и ответственных в эксплуатации объектов. Задачи инструментальной поддержки и автоматизации разработки РВС РВ остаются актуальными, несмотря на сорок лет исследований. В данной статье уточнено понятие РВС РВ. Рассмотрены недостатки традиционных подходов к проектированию РВС РВ, сформулирован модельно-ориентированный подход к проектированию. Выдвинута концепция инструментальной среды, поддерживающий этот подход. Сформулированы основные задачи, которые должны быть решены для построения такой среды. Описано современное состояние дел в области решения указанных задач.
1. ВВЕДЕНИЕ
В статье рассмотрены распределенные встроенные системы реального времени (РВС РВ) как информационно-управляющие системы, их место в классификации автоматизированных систем управления (АСУ) и их основные особенности, отличающие их от других видов АСУ, проблемы разработки РВС РВ и современный инструментарий, используемый для этого.
Статья имеет следующую структуру. В разделе 2 введено понятие РВС РВ, указано её взаимоотношение с управляемым техническим объектом. Описаны обобщённая структура и особенности функционирования РВС РВ. Рассмотрены традиционные подходы к проектированию РВС РВ и их недостатки. Сформулирован модельно-ориентированный подход к проектированию, основанный на пошаговой детализации модели РВС РВ и как можно более полной проверкой требований технического задания на каждом шаге. Выдвинута концепция среды поддержки проектирования и сформулированы задачи построения инструментов такой среды. В последующих разделах 3-6 описа-
но современное состояние дел по реализации упомянутых инструментов.
Раздел 3 посвящён проблемно-ориентированным средствам описания и исследования моделей, а также генерации исходного кода по модели. В разделе 4 рассматриваются средства интеграции компонентов РВС РВ, отладки и тестирования в реальном времени, в том числе когда отдельные подсистемы ТОУ представлены натурными образцами.
В разделе 5 рассмотрены средства исследования моделей методами, отличными от имитационного моделирования, а также средства автоматизированного проектирования: доказательство соответствия РВС РВ спецификации; интеллектуальная поддержка проектирования, планирование вычислений, синтез и оптимизация структуры РВС РВ, оценка времени выполнения программы.
Раздел 6 содержит описание "инфраструктурных" средств, обеспечивающих выполнение, компоновку и упрощение сложных моделей: специализированная среда для поддержки процесса разработки РВС РВ: синхронизация времени в полунатурной среде, где одновременно функци-
онируют как имитационные модели, так и натурные образцы подсистем РВС РВ, обеспечение интероперабельности компонентов РВС РВ при ее полунатурном воплощении, масштабирование имитационных моделей.
В заключении статьи сформулированы некоторые перспективные задачи для исследования.
2. РВС РВ КАК ОБЪЕКТ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
В общем случае управляющая система таких технических объектов является подклассом Автоматизированных Систем Управления (АСУ), и ее можно рассматривать в виде совокупности взаимосвязанных процессов управления, функциональных подсистем, часть из которых может являться системами автоматического управления (САУ), то есть без участия лица, принимающего решения (ЛИР). Обобщенной целью автоматизации управления является повышение эффективности использования потенциальных возможностей технического объекта управления (ТОУ). Таким образом, можно выделить ряд целей создания таких систем [1, 2]:
1. Предоставление лицу, принимающему решение (ЛИР), релевантных данных для принятия решений.
2. Ускорение выполнения отдельных операций по сбору и обработке данных.
3. Снижение количества решений, которые должно принимать ЛПР.
4. Повышение уровня контроля и оперативности управления в темпе реального времени технического объекта управления.
5. Снижение затрат ЛПР на выполнение вспомогательных процессов.
6. Повышение эффективности решений, принимаемых ЛПР.
В случае системы автоматического управления (САУ) ЛПР отсутствует, и его роль играет автоматическая система поддержки принятия решений (СППР). В этой статье речь пойдет, прежде всего, об автоматизированных информационно-управляющих системах,
которые представляют собой подкласс Автоматизированных Систем Управления (АСУ).
Основными компонентами рассматриваемых систем, которые мы будем называть распределенной встроенной системой реального времени (РВС РВ), являются:
• система датчиков, возможно со средствами первичной обработки собираемых ими данных; информационно-управляющие средства, сюда могут входить кроме собственно органов управления, т.е. средств, с помощью которых воздействуют на объект управления, и средства визуализации состояния управляемого объекта, например, если в контуре управления задействовано ЛПР (все такие компоненты мы далее для краткости будем называть периферией);
•
ленный спецвычислитель для обработки информации от периферии и выработки управляющих воздействий на средства управления;
•
ду периферией и вычислительной системой;
разделить на функциональное и базовое. Функциональное программное обеспечение ВС (ФИО) предназначено для вторичной обработки данных, получаемых от датчиков, выработки управляющих воздействий либо рекомендаций для человека-оператора. Базовое программное обеспечение ВС (БПО) обеспечивает работу ФИО (например, операционная система, средства управления обменом по СИО и т.д.).
В данной работе упор делается на системы управления ТОУ, которые являются сложными движущимися техническими объектами,
которые характеризуются:
•
логикой переключения между этими режимами;
• жёсткими требованиями к времени реакции (частота снятия показаний с датчиков и выдача управляющих воздействий на органы управления измеряется сотнями Гц, в случае подсистем связи и навигации тысячами Гц);
•
ном сложности подсистем, интегрируемых в единую систему - технический объект управления (ТОУ);
•
ния и оптимизации структуры вычислителя и СИО в целях соблюдения временных ограничений;
правильности функционирования и безопасности как ТОУ, так и РВС РВ, в строгом соответствии со стандартами, поскольку такие системы являются критическими для жизнеобеспечения человека.
Следует подчеркнуть, что для рассматриваемых ТОУ, РВС РВ является неотъемлемой частью ТОУ, и конструктивно они не разделимы.
Не следует путать такие системы управления с системами важного и распространённого класса АСУ технологическими процессами (БСАБА-систем [3]), так как основными свойствами последних являются: •
акции (секунды-минуты);
•
а сбор информации и визуализация для оператора (ЛПР); переключение режимов выполняется вручную;
управления и небольшое число допустимых режимов функционирования объекта управления;
большого числа относительно простых модулей;
•
пределению ФПО по вычислителям, по составлению расписания выполнения задач и информационных обменов;
разработки программ, на языках, понятных инженеру.
При разработке РВС РВ и их программного обеспечения выделяют следующие варианты постановок задач проектирования:
1. Для заданного состава периферии, структуры вычислительной системы и СИО, средств управления и распределения функций системы между ними "подобрать" структуру, состав алгоритмов и структур данных функционального программного обеспечения (ФПО) и базового программного обеспечения (БПО) так, чтобы удовлетворить требованиям технического задания (ТЗ) на функционирование комплекса в целом.
2. Для заданного состава периферии, структуры и состава СИО, вычислительной системы, состава ФПО и БПО, распределить компоненты ФПО так, чтобы удовлетворить требованиям ТЗ на функционирование комплекса.
3. Для заданного состава и структуры ФПО "подобрать" (скорректировать, проверить) структуру, характеристики и распределение функций между периферией, СИО, ВС так, чтобы удовлетворить требованиям ТЗ на функционирование комплекса в целом.
Системы рассматриваемого класса и сложившиеся на сегодня подходы к их разработке характеризуются следующими особенностями:
1. Распределенность, как во времени, так и в пространстве. Компоненты технически сложных объектов, например, периферия и вычислительная система, создаются на разных предприятиях в разное время.
2. Разные компоненты РВС РВ разрабатывают коллективы с разной специализацией и разными технологическими традициями и культурой.
Эти особенности, условия создания являются источниками следующих проблем:
1. Возможность проверять соответствие характеристик создаваемого объекта требованиям технического задания (ТЗ), отрабатывать взаимодействие и сопряжение компонентов РВС РВ и интеграцию РВС РВ с остальными подсистемами объекта, создаваемых в разных организациях, появляется лишь на поздних этапах разработки объекта, когда организация-интегратор проводит сборку натурных образцов и опытные испытания объекта. Поэтому возможность выявления ошибок проектирования в основном появляется лишь на этапе натурных испытаний, когда цена исправления ошибок становится существенно выше по сравнению с тем, если бы эти ошибки были выявлены на более ранних этапах.
2. В "традиционной" технологии создания ФПО для РВС РВ разработка и отладка функциональных блоков для компонентов РВС РВ выполняется на эмуляторе соответствующего компонента РВС РВ с применением техники имитационного моделирования для "подыгрывания" недостающих компонентов, а сборка функциональных блоков в единый комплекс и его отладка, как единой программной системы, - на натурном образце РВС РВ. Это является еще одним фактором, "оттягивающим" выявление ошибок в системе на поздних этапах ее созда
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.