Проектирование встроенных управляющих систем реального времени

этого просто создается новый оператор с экземпляром старой модели и оператором сравнения выходов (рис. 2.57).

Рис. 2.57. Принцип проверки эквивалентности проектов

SCADE Suite

Этот же подход может быть использован для анализа состояния деградации (degraded mode analysis). Просто оператор OLD заменяется на оператор, моделирующий поведение в состоянии деградации.

2.5. Разработка прикладного программного обеспечения управляющей системы реального времени

Рассматриваемые в разделе модели применяются также и при разработке аппаратного обеспечения. «Водопад» (Waterfall) является классической моделью жизненного цикла программного обеспечения, которая создана в 80-х годах прошлого века. Она представляет проектирование программного обеспечения в терминах «процесс» (process) и «продукт» (product). Каждый процесс из входного продукта производит новый выходной продукт. Процессы являются итеративными. На рис. 2.58 приведена модель жизненного цикла программного обеспечения «Водопад». Модель хорошо работает, если разработчики делают мало ошибок.

V-модель является модификацией модели «Водопад» (рис. 2.59). Она позволяет использовать модульность подсистем. Под модульностью понимают организацию программы в виде написанных по определенным правилам взаимодействующих частей – модулей.

V-модель регулирует «кто», «когда» и «что» делает в опытноконструкторской работе (ОКР). Модель является стандартом IT систем Германии для гражданских и военных областей. Основу модели составляет иерархическая декомпозиция системы на меньшие части, пока не станет возможной их реализация. Верификация и валидация выполняются на каждойстадии. Нетстрогооговоренного временногопорядка.

181

Заданные

требования

Сопровождение

Спецификация Проработка требований требований

Исполняемые

программные Реализация модули

Поставляемый

программный Поставка продукт

Рис. 2.58. Модель жизненного цикла программного обеспечения «Водопад»

Рис. 2.59. V-модель жизненного цикла программного обеспечения «Водопад»

182

Стандарт DO-178B является рекомендацией по производству программного обеспечения для бортовых систем и оборудования. В нем выделяются следующие уровни безопасности разработки:

•А – состояние катастрофического повреждения самолета (разрушение).

•В – состояние опасного повреждения самолета (травмированные персоны).

•С – состояние серьезного повреждения самолета (вышла из строя система управления полетом, переход на ручное управление).

•D – состояние несущественного повреждения самолета (вышла из строя система связи с землей).

•E – нет влияния на функционирование самолета или высокая загруженность пилота в полете (вышла из строя система развлечений).

Стандарт говорит, что сутью является формулировка требований

иверификация того, что требования были достигнуты, а цель – обнаружение ошибок, которые были внесены в процессе разработки программного обеспечения. Пути достижения требования могут быть разными. Важно, чтобы все требования поддавались проверке и соответствовали требованиям других этапов проектирования. Тестирование является лишь частью процесса верификации, необходимы также экспертиза и анализ. На рис. 2.60 представлен процесс проектирования со-

гласно DO-178B.

183

В работе [23] используется архитектурный подход к встроенным системам. Он является мощным инструментом для понимания и разработки встроенных систем и решения проблем, возникающих при разработке новых систем. На рис. 2.61 представлена модель жизненного цикла, основанная на архитектуре встроенной системы, в которой основополагающим является этап «Создание архитектуры».

Получение и обзор ответной реакции

Реализация архитектуры и тестирование

Разработка системы

Тестирование и анализ системы

Обслуживание системы Поставка и обслуживание

системы

Рис. 2.61. Модель Ноергарда (Noergaard)

Под архитектурой встроенной системы автор понимает абстракцию встроенной системы, в которой не показаны детали реализации, такие как исходный код софта, электрическая принципиальная схема устройства. Вместо этого на уровне архитектуры компоненты аппаратуры и софта представлены как некоторая композиция взаимодействующих элементов. Эти элементы представляются поведенческими абстракция-

184

ми и интерфейсной информацией. Элементы архитектуры могут быть как внутренне интегрированными, так и существовать вне системы. Таким образом, встроенная архитектура включает в себя элементы встроенной системы, элементы, взаимодействующие со встроенной системой, и связи между ними. Информация на уровне архитектуры представляется в виде структуры. Структура – одно из возможных представлений архитектуры, содержащее множество элементов, свойств и информацию о взаимосвязях. Она является краткой характеристикой (snapshot) аппаратуры и софта системы во время проектирования. Так как очень трудно одной краткой характеристикой охватить сложную систему, обычно это компенсируют несколькими структурами.

Все структуры архитектуры имеют внутренние отношения друг с другом, так что сумма всех структур – это и есть архитектура встроенной системы. В табл. 2.5 приведены примеры архитектур.

185

186

Наиболее общими проблемами при разработке архитектуры являются:

•определение и сбор данных о системе;

•ограничения стоимости;

•установление свойств целостности системы, таких как надежность и безопасность;

•работа с пределами функциональности элементов.

187

Архитектура встроенных систем может быть использована для решения этих проблем на ранних стадиях проекта. Без определения или знания некоторых внутренних деталей реализации, архитектура устройства становится первым инструментом анализа и представляется как структурная схема, определяющая инфраструктуру проекта, возможные опции и ограничения. Возможность неформального и быстрого взаимодействия участников проекта (с инженерной подготовкой или без нее), занятых планированием проекта или разработкой устройства, делает архитектурный подход мощной методологией проектирования. Так как архитектура точно обозначает требования системы, она становится прочной базой для анализа и тестирования качеств устройства и его производительности в различных обстоятельствах. Кроме того, если архитектура корректно понята, корректно создана и корректно применяется, она может быть использована для точной оценки и уменьшения стоимости через демонстрацию рисков, содержащихся в реализации различных элементов. Различные структуры архитектуры могут быть применены для проектирования будущих продуктов с подобными характеристиками, что приводит к снижению их стоимости.

Вопросы для самоконтроля

1.В чем принципиальное отличие реагирующих и интерактивных систем?

2.В чем суть проблемы синхронизации в потоковых моделях?

3.Какая проблема была снята введением расширенных конечных автоматов?

4.Какова роль операторов выборки и интерполяции в Lustre?

5.В чем суть модели программно-управляемого автомата?

6.Что изменится, если в модели на рис. 2.46 строгий переход между состоянием SendReq1 и состоянием Wait1 заменить нестрогим переходом?

7.В чем разница между формальной верификацией и верификацией с помощью тестирования?

188

ЗАДАНИЯ

Задания ориентированы на помощь в формировании компонентов компетенции «знать» и «уметь».

1.Рассмотрим таблицу распределения конвейера на рис. 1.6. Предположим, что процессор располагает логикой продвижения, которая способна сказать, что команда A записывает в тот же регистр, из которого читает команда B, и, следовательно, результат, записанный командой A, может быть прямо продвинут в АЛУ, не дожидаясь завершения записи. Предположим, что логика продвижения не тратит времени.

Дать исправленную таблицу распределения. Сколько циклов потеряется на пузыри?

2.Рассмотрим функцию compute_variance для вычисления дисперсии целых чисел из массива data:

1 int data[N];

2

3int compute_variance() {

4int sum1 = 0, sum2 = 0, result;

5int i;

6

7 for(i=0; i < N; i++) {

8 sum1 += data[i];

9}

10sum1 /= N;

12for(i=0; i < N; i++) {

13sum2 += data[i] * data[i];

14}

15sum2 /= N;

17result = (sum2 – sum1*sum1);

19return result;

20 }

Предположим, что программа выполняется на 32-разрядном процессоре с кэш прямого отображения с параметрами (m; S; E; B) = (32; 8; 1; 8). Сделаем следующие допущения:

•целое представляется 4 байтами;

•sum1, sum2, result, и I сохраняются в регистрах;

•data сохраняется в памяти, начиная с адреса 0x0;

189