Особенности технических средств в АСУТП

Специфические требования предъявляют к вычислительной аппарату­ре, работающей в составе АСУТП в цеховых условиях. Здесь используют как обычные персональные компьютеры, так и специализированные программируемые логические контроллеры (ПЛК), называемые промышленными компьютерами. Специфика ПЛК - наличие нескольких аналоговых и цифровых портов, встроенный интерпретатор специализированного язы­ка, детерминированные задержки при обработке сигналов, требующих не­замедлительного реагирования. Однако ПЛК в отличие от персональных компьютеров IBM PC рассчитаны на решение ограниченного круга задач в силу специализированности программного обеспечения. В целом промышленные компьютеры имеют следующие особенности:

1) работа в режиме реального времени (для промышленных персональных компьютеров разработаны такие ОС реального времени, как OS-9, QNX, VRTX и др.);

2) конструкция, приспособленная для работы ЭВМ в цеховых условиях (повышенные вибрации, электромагнитные помехи, запылен­ность, перепады температур, иногда взрывоопасность);

3) возможность встраивания дополнительных блоков управляющей, регистрирующей, со­прягающей аппаратуры, что помимо специальных конструкторских реше­ний обеспечивается использованием стандартных шин и увеличением чис­ла плат расширения;

4) автоматический перезапуск компьютера в случае «зависания» программы; 5) повышенные требования к надежности функ­ционирования.

В значительной мере специализация промышленных ком­пьютеров определяется программным обеспечением. Конструктивно про­мышленный компьютер представляет собой корзину (крейт) с несколькими гнездами (слотами) для встраиваемых плат. Возможно использование мос­тов между крейтами. В качестве стандартных шин в настоящее время пре­имущественно используют шины VME-bus (Versabus Module Europe-bus) и PCI (Peripheral Component Interconnect). VME-bus - системная шина для создания распределенных систем управления на основе встраиваемого оборудования (процессоры, накопители, контроллеры ввода-вывода). Представляет собой расширение локальной ши­ны компьютера на несколько гнезд объединительной платы (до 21 слота), возможно построение многомастерных систем, т.е. систем, в которых веду­щими могут быть два или более устройств. Имеет 32-разрядные немультиплексируемые шины данных и адресов, возможно использование мультиплек­сируемой 64-разрядной шины. Пропускная способность шины 320 Мбайт/с. РС I - более удобная шина для однопроцессорных архитектур, получает все большее распространение. Пропускная способность до 264 Мбайт/с, раз­рядность шины 2x32 и (или) при мультиплексировании 64, архитектура с одним ведущим устройством. Имеется ряд разновидностей шины, напри­мер шина CompactPCI, в которой унифицирован ряд геометрических и ме­ханических параметров. Программная связь с аппаратурой нижнего уровня (датчиками, исполнительными устройствами) происходит через драйверы. Межпрограммные связи реализуются через интерфейсы, подобные OLE. Для упрощения соз­дания систем разработан стандарт ОРС LE for Process Control).

ЛИНГВИСТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САПР

Это совокупность языков, используемых в процессе разработки и эксплуатации САПР для обмена информацией между человеком и ЭВМ. Термином " язык" в широком смысле называют любое средство общения, любую систему символов или знаков для обмена информацией. Лингвистическое обеспечение САПР состоит из языков программирования, проектирования и управления. Языки программирования служат для разработки и редактирования системного и прикладного программного обеспечения САПР. Они базируются на алгоритмических языках - наборе символов и правил образования конструкций из этих символов для задания алгоритмов решения задач. Языки проектирования - это проблемно-ориентированные языки, служащие для обмена информацией об объектах и процессе проектирования между пользователем и ЭВМ. Языки управления служат для формирования команд управления технологическим оборудованием, устройствами документирования, периферийными устройствами ЭВМ. Существуют различные уровни языков программирования: высокие, более удобные для пользователя, и низкие, близкие к машинным языкам. Программа, записанная на некотором языке программирования высокого уровня, называется исходной. Прежде чем исходная программа будет исполнена, она должна быть преобразована в машинную форму, соответствующую ЭВМ данного типа. Подобные преобразования осуществляются специальными программами, называемыми языковыми процессорами. Основные типы языковых процессоров -трансляторы и интерпретаторы; соответственно преобразования программ называют трансляцией и интерпретацией. Трансляцией называют перевод всего текста программы на исходном языке (исходной программы) в текст на объектном языке (объектную программу). Если исходный язык является языком высокого уровня, а объектный - машинным, то транслятор называют компилятором. Если исходный язык - машинно-ориентированный (в автокоде), а объектный - машинный, то транслятор называют ассемблером. Если исходный и объектный языки относятся к одному уровню, то транслятор называют конвертером. По методу трансляции (компиляции) сначала исходная программа переводится на машинный язык, а затем скомпилированная рабочая программа исполняется. При интерпретации перевод исходной программы в рабочую совмещены во времени; очередной оператор исходной программы анализируется и тут же исполняется. В большинстве случаев применение трансляторов приводит к меньшим затратам машинного времени, но к большим затратам машинной памяти, чем при интерпретации. Совокупность языка программирования и соответствующего ему языкового процессора называют системой программирования. Класс машинно-зависимых языков представлен Ассемблером (макроассемблером). Он относится к языкам низкого уровня и применяется для написания программ, явно использующих специфику конкретной аппаратуры. К машинно-ориентированным языкам относится язык СИ (разработан в 1972 г.). В нем объединяются достоинства низкоуровневых возможностей ассемблеров и мощных выразительных средств языков программирования высокого уровня. Язык СИ является одним из претендентов на роль основного языка программирования в САПР и ориентирован на разработку системных программ. Он, в частности, послужил главным инструментом для создания операционных систем для ЭВМ UNIX и MS DOS. Язык Фортран является первым универсальным языком высокого уровня (с 1954 г.). Наиболее эффективен при численных расчетах, прост по структуре и удобен при выполнении программ. Несмотря на свои недостатки, этот язык получил большое распространение при разработке прикладных программ для решения научных задач. Самая популярная в настоящее время версия этого языка - Фортран-77. Идеи Фортрана получили развитие в языке PL/I (создан в 1964 г.). В нем сделана попытка преодолеть некоторые недостатки, свойственные языкам для больших ЭВМ, и использованы идеи структурного программирования. В настоящее время имеются различные версии этого языка: PL/M, PL/Z, PL/65 и др. Как язык программирования PL/M, в частности, значительно уступает конкурирующим с ним языкам Паскаль и Модула-2. Язык Паскаль является одним из наиболее популярных языков программирования и применяется для разработки системных и прикладных программ, в частности, для персональных ЭВМ. Язык Паскаль создан вначале исключительно для учебных целей и изящно реализовал большинство идей структурного программирования. Достоинства языка оказались столь значительными, что он приобрел огромную популярность для самых различных приложений. В частности, компилятор Turbo Pascal, снабженный интерактивным редактором, позволяет создавать достаточно сложное программное обеспечение - системы управления базами данных, графические пакеты и т. д. Развитием Паскаля являются языки Модула-2 (в Европе) и Ада (в США). Язык Модула-2 обладает лучшими средствами для обработки больших программных комплексов и позволяет более эффективно использовать особенности аппаратуры. Таким образом, этот язык призван заполнить ниши между Паскалем и СИ. По оценке специалистов, язык Модула-2 через несколько лет станет наиболее популярным среди всех языков программирования. Язык Ада можно назвать наиболее универсальным среди созданных языков. Однако трансляторы с этого языка пока не получили достаточного распространения. Язык Алгол - общепризнанный язык для публикации алгоритмов решения научных задач, построен на четких и полных определениях. Для Алгола характерны строгие, но негибкие структуры данных и программ. Алгол труден для реализации на большинстве ЭВМ, поэтому используются неполные варианты языка или его расширения. Язык Кобол, разработанный для решения экономических задач, будучи широко распространен на больших и средних ЭВМ прошлых лет, на персональных ЭВМ почти не применяется. На ЭВМ имеются интегрированные системы, базы данных и другие типы прикладных систем, используемые в задачах экономического и управленческого характера. Самыми распространенными на ЭВМ являются различные версии языка Бейсик, простота которого делает его превосходным средством для начинающих программистов. В языке встроены удобные функции для работы с экраном дисплея, клавиатурой, внешними накопителями, принтером, каналами связи. Это позволяет относиться к Бейсику как к продолжению аппаратуры ПЭВМ. Системы Бейсика работают в режиме интерпретации, что способствует сокращению характерного цикла в работе программиста: составление программы - пробное исполнение - исправление ошибок - повторное исполнение. Бейсик наряду с Паскалем принят во многих учебных заведениях как базовый язык для изучения программирования. Язык АПЛ применяется для обработки структурных данных (векторов, матриц) и использует иероглифическую запись программных текстов. Из-за большого числа иероглифов (около 100) его иногда называют китайским Бейсиком. К классу проблемно-ориентированных языков можно отнести Лого, CPSS, Форт и Смолток. Язык Лого - диалоговый процедурный язык, реализованный на принципе интерпретации и работающий со списками, текстами, графическими средствами и т. д. Язык очень перспективен для обучения, создания электронных игрушек и т. д. Развитием проблемно-ориентированных языков является объектно-ориентированный подход (языки Смолток, Форт, Модула и Ада). Отличительными особенностями таких языков можно назвать модульность построения процедур, абстракцию данных, динамическую связку программ (позволяет отказаться от перекомпилирования всей программы при внесении изменений в отдельные модули) и использование механизма наследования иерархического типа. К недостаткам таких языков относятся некоторая замедленность выполнения программ из-за их динамической связи и сложность трансляторов. Язык Смолток предназначен для решения нечисловых задач при построении систем искусственного интеллекта. В языке Форт применены структурное программирование и очень компактный машинный код. Для разработки систем искусственного интеллекта также используются функциональные языки Лисп, Пролог и СНОБОЛ. Эти языки ориентированы на обработку символьной информации, требуют больших массивов данных и стали применяться в ПЭВМ в связи с появлением дешевой полупроводниковой памяти, позволяющей довести объем ОЗУ до нескольких мегабайт. Языки этого класса относятся к так называемым языкам представления знаний. Язык Лисп применяется для программирования интеллектуальных задач - общение на естественном языке, доказательство теорем, принятие решений и т. п. Язык Пролог приобрел в последние годы большую популярность в связи с японским проектом создания вычислительных систем пятого поколения. Он предназначен для создания широкого класса систем искусственного интеллекта, в том числе и персональных экспертных систем. При использовании САПР приходится не только решать задачи вычислительного характера и обработки данных, но и автоматизировать описание объектов, процессы ввода, вывода и редактирования данных, ввода графических изображений, схем, чертежей и т. п. Для этой цели служат языки проектирования. Классификация языков проектирования приведена на рис. 4. Языки проектирования делят на: входные, выходные, сопровождения, промежуточные и внутренние. Входные языки служат для задания исходной информации об объектах и целях проектирования. Во входных языках можно выделить две части: непроцедурную, служащую для описания структур объектов, и процедурную, предназначенную для описания заданий на выполнение проектных операций.

Рис. 4. Классификация языков проектирования

Языки сопровождения служат для непосредственного общения пользователя с ЭВМ и применяются для корректировки и редактирования данных при выполнении проектных процедур. В диалоговых режимах работы с ЭВМ средства языков входного, выходного и сопровождения тесно связаны и объединяются под названием диалогового языка. Современные диалоговые языки широко используют средства машинной графики (графический диалог). Диалог с ЭВМ может быть пассивным, когда инициатор диалога - система и от пользователя требуются только простые ответы, и активным при двусторонней инициативе диалога. Наиболее распространенная форма пассивного диалога - это система встроенных, в том числе иерархических, директивных меню. Недиалоговые системы языков сопровождения ориентированы на пакетный режим работы ЭВМ. Промежуточные языки используются для описания информации в системах поэтапной трансляции исходных программ. Введение таких языков облегчает адаптацию программных комплексов САПР к новым входным языкам, т.е. делает комплекс открытым по отношению к новым составляющим лингвистического обеспечения. Внутренние языки устанавливают единую форму представления данных (текстовой и графической информации) в памяти ЭВМ по подсистемам САПР. Принимаются определенные соглашения об интерфейсах отдельных программ, что делает САПР открытой по отношению к новым элементам программного обеспечения. В качестве примера современного языка проектирования можно указать язык VHDL (VHSIC - hardware description language) - язык описания аппаратуры на базе сверхвысокоскоростных интегральных схем. Этот язык принят в качестве стандарта как инструментальное средство автоматизации проектирования СБИС, ориентированное на методологию нисходящего проектирования. Он является достаточно универсальным, чтобы охватить все аспекты проектирования изделий в области цифровой электроники.

Исходя из вышесказанного, можно составить схему лингвистического обеспечения САПР.

Лингвистическое обеспечение диалоговых САПР основывается на естественных языках (наиболее распространен английский), общепринятых символьных и графических образах.

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ОБЪЕКТОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

План

1 Иерархическая структура проектных спецификаций и иерархиче­ские уровни проектирования;

2 Требования к математическим моделям и их классификация;

3 Функциональные и структурные модели;