Ключев А.О., Ковязина Д.Р., Кустарев П.В., Платунов А.Е. Аппаратные и программные средства встраиваемых систем
Подождите немного. Документ загружается.
131
• Необходимость обеспечения защиты процессов друг от друга;
• Необходимость в готовых драйверах периферийных устройств,
вычислительной сети [40].
3.1.4 Программируемые логические контроллеры
Программируемый логический контроллер (ПЛК, PLC) – контроллер,
программируемый конечным пользователем, а не профессионалом в области
программирования. ПЛК обычно выпускаются в виде наборов модулей –
конструкторов, из которых пользователь сам строит систему. В
состав ПЛК
входит, как правило, процессорный модуль и несколько модулей ввода-вывода.
3.1.4.1 Особенности ПЛК
• ПЛК позволяет добиться работы в реальном масштабе времени без
операционной системы реального времени.
• Программы для ПЛК надёжнее программ, написанных с помощью
обычных языков и с сипользованием обычных компиляторов для
встроенных систем.
• Центральный процессор, точнее его регистры и система команд
недоступна пользователю.
3.1.4.2 Варианты построения систем на базе ПЛК
Существует два основных варианта построения систем на базе ПЛК.
В первом варианте в ПЛК предусмотрены специальные разъемы
расширения, в которые можно вставлять пассивные (т.е. без собственного
процессора) модули ввода-вывода. Такой вариант предпочтителен, когда нужно
сконцентрировать большую вычислительную мощность и большое число
входов-выходов в одном месте.
Рисунок 57. ПЛК с модулями расширения, подключаемыми через шину
132
Во втором варианте ПЛК не имеет своих входов выходов вообще или
имеет их ограниченное количество. Дополнительное количество входов-
выходов обеспечивается за счет подключения модулей ввода-вывода через
специальную промышленную сеть. Последний вариант интересен тем, что
позволяет достаточно гибко изменять масштаб системы управления, оставляя
разработчикам значительную свободу в выборе решений.
Рисунок 58. ПЛК с сетевыми модулями расширения
3.1.4.3 Особенности программирования ПЛК
Как правило, люди, программирующие ПЛК, являются не
профессиональными программистами, а специалистами в какой-либо
предметной области. Чаще всего ПЛК используются в АСУТП в качестве
промышленного контроллера. Программирование ПЛК ведётся с помощью
специальных языков программирования IEC1131-3, IEC61131-3, IEC-61499 и
др., позволяющих полностью изолировать уровень системного
программирования от программиста, достичь весьма высокой надежности
функционирования и
работы в реальном масштабе времени.
3.1.4.4 Варианты реализации ПЛК
Существует два полярных варианта реализации ПЛК.
Soft PLC
В первом случае, в качестве аппаратной базы берется обычный
промышленный компьютер и снабжается операционной системой реального
времени или DOS для индустриальных приложений (для компьютеров на базе
процессора Intel). Далее, на этом промышленном компьютере запускается
специальная программа – виртуальная машина ПЛК, реализующая одну или
несколько вычислительных моделей, используемых в языках
программироваания для ПЛК. В
результате мы получаем так называемый Soft
PLC. Этот вариант построения ПЛК интересен своей гибкостью. Конечный
пользователь может в широких пределах менять характеристики программного
обеспечения. Недостатками такого решения являются высокая цена
133
компонентов системы. Вам придется покупать промышленный компьютер,
операционную систему и виртуальную машину ПЛК. Кроме того, если вы не
специалист по операционным системам реального времени, вы можете
получить достаточно низкие характеристики системы.
Специализированный ПЛК
Во втором случае в качестве аппаратной базы используется не
промышленный компьютер, а специализированный контроллер. Все
необходимое программное обеспечение уже прошито в ПЗУ на заводе
изготовителе. Пользователю обычно остается только работы по конфигурации
сети и разработке прикладной программы. Обычный ПЛК можно реализовать
как Soft PLC, закрытый для изменения пользователя, или как
специализированную вычислительную
машину, с аппаратной поддержкой
моделей вычислений, используемых в языках программирования ПЛК.
Достоинством системы на базе специализированного ПЛК является низкая
стоимость, простота использования и высокая надежность. К недостаткам
можно меньшую расширяемость аппаратной части специализированного
контроллера и невозможность изменения системного программного
обеспечения конечным пользователем.
3.1.4.5 Цикл ПЛК
В основе работы программируемого логического контроллера лежит
циклическое исполнение программы.
Рисунок 59. Цикл ПЛК
В начале цикла исполняется ввод-вывод. Происходит обмен между
различными устройствами по сети, получение информации с датчиков и вывод
информации на исполнительные устройства. После этого происходит
исполнение алгоритмов управления. Через некоторое время цикл повторяется
снова. Особенность такого решения состоит в том, что обмен с устройствами
ввода-вывода происходит через строго определенные
промежутки времени. Что
это нам дает? А дает нам это гарантированное время реакции системы, т.е. мы
получаем систему реального времени достаточно простым и надежным
способом. Естественно, у любого метода есть свои недостатки. К недостаткам
такого подхода можно отнести достаточно большое время простоя
центрального процессора. Для того, чтобы цикл ПЛК
был постоянным
134
необходимо, чтобы суммарное время ввода-вывода и время выполнения
алгоритмов управления было всегда меньше периода цикла.
3.1.4.6 Области применения ПЛК
ПЛК хорошо приспособлены для широкого диапазона задач автоматики.
Очень часто, это автоматизация промышленных процессов на производстве, где
цена разработки и поддержки автоматических систем оказывается гораздо
выше суммарной стоимости самих систем автоматики, и, там где требуются
изменения в системах в течении периода их эксплуатации. ПЛК содержат
устройства ввода/вывода совместимые с промышленными
регуляторами и
приводами, поэтому практически не требуют электротехнического
проектирования, а большинство задач укладывается в описание требуемых
наборов операций в нотации релейной логики или диаграмм состояний. ПЛК
могут быть легко перенастроены на выполнение различных задач. Их цена, как
правило, оказывается ниже в сравнении со заказными контроллерами. Хотя, в
случае систем массового
потребления, применение специализированных
управляющих систем является более целесообразным, т.к. позволяет
оптимально выбрать элементарную базу и сократить бесполезную
избыточность.
3.1.4.7 Сравнение с микроконтроллерами
Решения на базе микроконтроллеров будут эффективней, в сравнении с
ПЛК, там, где выпускаются сотни или тысячи устройств (повышенная цена
разработки окупается за счет большого объема продаж) и там, где конечному
пользователю не потребуется изменять алгоритмы управления. Примером
могут служить системы автомобильной автоматики, миллионы устройств
выпускаются ежегодно и только их производители занимаются
программированием контроллеров. Также ПЛК могут оказаться
неприменимыми в тех областях, где предъявляются повышенные требования к
вычислительным ресурсам. В управлении химическим производством часто
требуется реализация сложных алгоритмов управления, с которыми не
справляются даже самые производительные ПЛК. Высокая скорость и точность
вычислений требуется в бортовых системах авиации и военной техники.
3.2 Языки программирования
3.2.1 Основные определения
Язык – система знаков, сопряженная с правилами их связывания и
служащая коммуникативным целям. Язык – средство, позволяющее передавать
человеческие мысли и образы. Формальный язык позволяет однозначно
воспринимать описание, неформальный допускает неоднозначности.
135
Язык программирования – язык, позволяющий выразить человеческие
мысли и образы в формальном виде, однозначно воспринимаемом
вычислительным устройством в рамках конкретной модели вычислений.
К составным частям языка можно отнести: лексику, синтаксис и
семантику.
Лексика – описание элементов языка (его элементарных конструкций).
Например, лексемами языка Си являются: for, if, int, char, while,+, -,...
Синтаксис – совокупность правил написания языковых элементов
(лексем).
Семантика – смысловое наполнение языковых конструкций, связь между
элементами языка и их значением.
Существуют языки, в которых лексемы и синтаксис очень близки, а
семантика – различна. Обычно так происходит, если в основе языков лежат
различные модели вычислений.
Существует несколько подходов к определению семантики языков
программирования. Наиболее широко распространены разновидности
следующих трёх
: операционного, денотационного (математического) и
деривационного (аксиоматического). При описании семантики в рамках
операционного подхода обычно исполнение конструкций языка
программирования интерпретируется с помощью некоторой воображаемой
(абстрактной) ЭВМ. Деривационная семантика описывает последствия
выполнения конструкций языка с помощью языка логики и задания пред- и
постусловий. Денотационная семантика оперирует понятиями, типичными для
математики – множества, соответствия
, а также суждения, утверждения и др.
Статическая типизация – приём, широко используемый в языках
программирования, при котором переменная, параметр подпрограммы,
возвращаемое значение функции связывается с типом в момент объявления и
тип не может быть изменён позже (переменная или параметр будут принимать,
а функция – возвращать значения только этого типа). Примеры статически
типизированных
языков – Ада, Си++, Паскаль.
Динамическая типизация – приём, широко используемый в языках
программирования и языках спецификации, при котором переменная
связывается с типом в момент присваивания значения, а не в момент
объявления переменной. Таким образом, в различных участках программы одна
и та же переменная может принимать значения разных типов. Примеры языков,
где есть
динамическая типизация – Smalltalk Python, Ruby, PHP, Perl,
JavaScript, Object Pascal, Lisp, xBase.
136
3.2.2 Классификация языков
Языки можно классифицировать по следующим критериям:
• Место в жизненном цикле проектирования (язык программирования,
язык спецификации);
• Степень формальности (формальный язык, неформальный язык);
• Используемая модель вычислений;
• Полнота по Тьюрингу;
• Способ реализации (интерпретатор или компилятор);
• Способ типизации (динамическая или статическая);
• Тип используемой семантики (
операционная, денотационная
деривационная).
3.2.3 Языки спецификации и программирования
Программирование ВВС представляет собой сложный многоуровневый
процесс, в котором языковые средства играют ключевую роль. В зависимости
от этапа и характера использования языки принято делить на языки
специфицирования (этап проектирования) и языки программирования (этап
реализации), однако существует мнение, что любой формальный язык, в
принципе,
можно использовать на любом из этих этапов. В отличие от ВС
общего назначения, в ВВС на этапе создания языкового описания некоторого
объекта зачастую невозможно сказать, в каком виде этот объект будет
реализован - как традиционная программа для программируемого процессора,
как конфигурация ПЛИС или как специализированный аппаратный блок.
Исходя из такой особенности применения
языков при проектировании ВВС,
наиболее общим и удобным следует считать взгляд на языки с позиции
использования их для специфицирования средств ВВС для различных целей и
на разных уровнях представления. Именно такой подход к классификации
языков был предложен в, что естественным образом следует из концепции
многоязыкового проектирования ВВС. Ниже мы рассмотрим
языки,
используемые при создании ВВС, именно с этих позиций. Основное внимание
будет уделено средствам, используемым для проектирования на системном
уровне.
Языки используются во время одного из самых важных шагов
проектирования системы: на этапе спецификации системы. Существует
множество языков спецификации. Каждый из них имеет свои преимущества, но
превосходит другие только в пределах
ограниченной прикладной области.
Отбор языка - вообще компромисс между несколькими критериями, такими как
выразительная мощь языка, возможности автоматизации, обеспеченные
моделью, лежащей в основе языка, и наличие инструментальных средств и
методов, поддерживающих язык. В ряде случаев полезно использовать
несколько языков для спецификации различных модулей одного проекта.
Многоязычные решения требуются для проектирования гетерогенных
систем,
137
где различные части принадлежат разным прикладным категориям, например,
управление/данные или непрерывный/дискретный.
Все инструментальные средства проектирования системы используют
языки в качестве входных данных. Они обычно используют промежуточную
форму, чтобы выполнить обработку и преобразование начальной
спецификации. В основе языкового представления лежат модели вычисления,
суть которых была представлена в предыдущем разделе
. Модели вычислений
могут быть ориентированы на данные или на управление. В обоих случаях, они
могут быть синхронными или асинхронными.
3.2.4 Полнота по Тьюрингу
В теории вычислимости
2
исполнитель (множество вычисляющих
элементов) называется тьюринг-полным, если на нём можно реализовать
любую вычислимую функцию. Другими словами, для каждой вычислимой
функции существует вычисляющий её элемент (например, машина Тьюринга)
или программа для исполнителя, а все функции, вычисляемые множеством
вычислителей, являются вычислимыми функциями (возможно, при некотором
кодировании входных и выходных данных). Название
пошло от Алана
Тьюринга, который придумал абстрактный вычислитель - машину Тьюринга и
дал определение множества функций, вычислимых посредством машин
Тьюринга. Большинство широко используемых языков программирования -
тьюринг-полные. Это касается как императивных языков, таких как Паскаль,
так и функциональных (Haskell) и языков логического программирования
(Prolog). Полными по Тьюрингу являются также грамматики общего вида.
Примерами
неполных по Тьюрингу формализмов являются конечные автоматы,
примитивно рекурсивные функции, контекстно-свободные и регулярные
грамматики.
3.2.5 Модель вычислений
Модель вычислений, вычислительная модель (model of computation, MOC)
– набор законов взаимодействия элементов вычислительной системы.
Модель вычислений – набор правил организации вычислительного
процесса, в рамках которых возможен его формальный анализ.
Модель вычислений – набор формальных правил, в рамках которых
организована
взаимосвязь и поведение множества составляющих атомарных
частей модели некоторой вычислительной системы.
2
Теория вычислимости – это раздел современной математики и теории вычислений, возникший в
результате изучения понятий вычислимости и невычислимости. Изначально теория была посвящена
вычислимым и невычислимым функциям и сравнению различных моделей вычислений. Сейчас поле
исследования теории вычислимости расширилось - появляются новые определения понятия вычислимости и
идёт слияние с математической логикой, где вместо вычислимости
и невычислимости идёт речь о доказуемости
и недоказуемости (выводимости и невыводимости) утверждений в рамках каких-либо теорий.
138
Модель вычислений – строго определенная парадигма (набор правил),
описывающая протекание вычислительного процесса, способы обмена
данными, взаимодействия между отдельными функциональными элементами.
Модель вычислений – недвусмысленный формализм для представления
спецификаций проекта и проектных решений.
Модель вычислений – математическая модель, демонстрирующая
пользователю вычислительные возможности вычислителя и правила их
использования.
Теория вычислимости и теория сложности вычислений трактует
модель
вычисления не только как определение множества допустимых операций,
использованных для вычисления, но также и относительных издержек их
применения. Охарактеризовать необходимые вычислительные ресурсы время
выполнения, объём памяти, а также ограничения алгоритмов или компьютера
можно только в том случае, если выбрана определённая модель вычислений. В
модельно-ориентированной инженерии модель вычислений и
её выбор дают
ответ на вопрос, как ведёт себя система в целом, если известно поведение её
отдельных частей. При асимптотической оценке сложности вычислений модель
вычислений определяется через допустимые примитивные операции, для
каждой из которых известна её цена.
Известен целый ряд моделей вычислений, зависящих от набора
применяемых операций и их вычислительной сложности
. Они распадаются на
следующие большие категории: абстрактные машины (абстрактные
вычислители), используемые для доказательства вычислимости и получения
верхней границы вычислительной сложности алгоритма и модели принятия
решений, используемые для получения нижней границы сложности
вычислений для алгоритмических задач.
Примеры языков принадлежащих различным моделям вычислений:
• Си, Pascal, Ada – императивная модель или модель Фон-Неймана;
•
VHDL, Verilog – модель дискретных событий;
• Prolog, Рефал – сентенциональная модель;
• XML – иерархическая модель данных;
• SQL – реляционная модель;
• Lisp – функциональная модель [40].
3.2.6 Стиль программирования
Стиль программирования – внутренне концептуально согласованная
совокупность средств, базирующаяся на некоторой логике построения
программ. Впервые этот термин введен в книге "Основания
программирования".
Стиль программирования следует отличать от стиля кодирования, который
сводится к определенному способу форматирования исходного текста.
139
Термины программирование и программа необходимо определить более точно,
чтобы не возникало неоднозначности. В настоящее время под программой
понимается последовательность действий, совершаемых машиной Фон-
Неймана, а в качестве стиля программирования рассматривается базирующийся
на машине Фон-Неймана структурный стиль программирования. В таком
контексте непонятно, можно ли считать программой текст, написанный на
языке
VHDL или Verilog, а также тексты, описывающие системы, работающие
в других моделях вычислений.
Непейвода приводит следующую классификацию стилей
программирования:
• сентенциальное программирование (Рефал, Prolog);
• функциональное программирование (Lisp);
• автоматное программирование;
• событийное программирование;
• структурное программирование (Си);
• параллельное программирование;
• объектно-ориентированное программирование [42, 43].
3.2.7 Стиль программирования, модель вычислений, платформа
Стиль программирования находится над
моделью вычислений, так как
модель вычислений задает набор правил, в рамках которых реализуется тот или
иной стиль. Между решаемой задачей, стилем программирования и моделью
вычислений не должно быть концептуальных противоречий. В противном
случае возникает резкий скачок сложности проектируемой системы,
увеличиваются количество ошибок, сроки выполнения, быстро заканчивается
бюджет проекта. К сожалению,
большинство программистов не воспринимает
эту проблем, что обычно приводит к увеличению проектных бюджетов и
огромному количеству ошибок.
В качестве примера нарушения гармонии между стилем
программирования и моделью вычислений можно привести ОС РВ, в которых
искусственно создается потоковая модель вычислений, а в качестве стиля
программирования используется структурное программирование (чаще всего
на языке
Си). Аналогичные проблемы есть в современных операционных
системах общего назначения (Microsoft Windows 2000/XP/Vista, Linux,
FreeBSD, Mac OS и т.д.) и в системах программирования для них (Java, C#, C++
и т.д.). В своей статье "Проблемы с потоками" Эдвард Ли подробно освящает
эту проблему [13].
Чтобы избежать противоречий, используют способ проектирования на базе
платформ, в котором каждый слой имеет свою модель
вычислений и
гармонично связанный с ним стиль программирования. Каждый слой системы
при этом является фундаментом для последующих слоев и перемешивания
понятий, встречающегося в современных ОС РВ, не происходит [40].
140
3.2.8 Критерии оценки языков
Профессор Роберт У. Себеста из университета штата Колорадо, в своей
книге «Основные концепции языков программирования» [47], к основным
критериям оценки языков программирования относит:
• Удобочитаемость;
• Лёгкость создания программ;
• Надёжность.
К основным характеристикам языков программирование можно отнести:
• Простоту (минимум языковых конструкций);
• Ортогональность (способность языка
порождать новые языковые
конструкции, например, структуры данных, с помощью небольшого
количества элементарных конструкций);
• Поддержку абстракции (выделение главного);
• Выразительность (понятно и компактно).
Таблица 8. Критерии оценки языков программирования
Критерии
Характеристики Удобочитаемость
Легкость
создания
Надёжность
Простота, ортогональность
● ● ●
Управляющие структуры
● ● ●
Типы и структуры данных
● ● ●
Синтаксическая структура
● ● ●
Поддержка абстракции
● ●
Выразительность
● ●
Проверка типов
●
Обработка исключительных ситуаций
●
Ограниченное совмещение имен
●
3.2.8.1 Удобочитаемость
Удобочитаемость (Readability) – лёгкость чтения и понимания программ,
написанных на языке программирования. Необходимо понимать, что
программа будет понятной и простой, если она написана на языке, подходящем
для данной предметной области. В данном случае речь идёт о таких понятиях
как модель вычислений и стиль программирования.
На удобочитаемость программ оказывает влияние простота языка. Чем
больше
в языке различных языковых конструкций, тем сложнее его
использовать. Программисты, использующие большие языки
программирования (например, такие как C++), очень часто используют только
некоторое подмножество языковых конструкций. Необходимо заметить, что
излишняя простота языка также отрицательно сказывается на читаемости
программы. Например, ассемблер очень простой язык, но понять программу,