Основы проектирования приборов и систем. Лекции

Лекция 3

1.1.1 Персонал автоматизированных систем. Персонал автоматизированных систем подразделяется на:

Оперативно-технологический персонал персонал, непосредственно осуществляющий автоматизируемую деятельность, участвующий в функционировании автоматизированной системы или использующий результаты ее функционирования;

Эксплуатационный персонал персонал, обеспечивающий функционирование автоматизированной системы.

1)Оперативно-технологический персонал автоматизированной системы включает технологовоператоров автоматизированного технологического комплекса, осуществляющих управление технологическим объектом. Оперативно-технологический персонал может работать как в самом контуре управления, используя рекомендации, формируемые автоматизированной системой, так и вне контура управления, где задает системе режимы работы, контролирует работу системы и, при необходимости, например, при отказе оборудования, аварийной ситуации, неавтоматизированном пуске или останове автоматизированной системы, принимает на себя управление технологическим объектом.

2)Эксплуатационный персонал автоматизированной системы составляют специалисты информационных технологий разного уровня квалификации. К эксплуатационному персоналу относится:

Обслуживающий персонал технические специалисты, обеспечивающие бесперебойное функционирование технических средств и программного обеспечения автоматизированной системы;

Ремонтный персонал персонал, осуществляющий ремонт компонентов автоматизированной системы (в состав автоматизированной системы не входит).

1.1.2Техническое обеспечение.

Совокупность всех технических средств, используемых при функционировании автоматизированной системы, называемая также комплексом технических средств (КТС), который включает:

Средства получения информации о состоянии объекта контроля и управления и средства ввода информации в систему;

Средства преобразования и передачи информации в системе; Средства локального регулирования и управления; Средства вычислительной техники;

Средства представления информации оперативно-технологическому персоналу системы; Исполнительные устройства и механизмы; Средства передачи информации в смежные и вышестоящие системы;

Отдельные средства оргтехники, не увязанные в систему, но обеспечивающие работу оперативнотехнологического персонала системы;

Сервисные приборы и устройства, необходимые для наладки и проверки работоспособности КТС; Запасные части, инструмент и принадлежности (ЗИП).

Количественные и качественные параметры технических средств должны быть достаточными для реализации всех функций и предъявленных требований, приведенных в ТЗ на создание системы.

1.1.3Программное обеспечение.

Совокупность программ на носителях данных и программных документов, предназначенная для отладки, функционирования и проверки работоспособности системы:

Общее ПО АС часть ПО АС, представляющая собой совокупность программных средств, разработанных вне связи с созданием данной автоматизированной системы (операционные системы, библиотеки стандартных программ, инструментальное ПО, системы управления базами данных);

Специальное ПО АС часть ПО АС, представляющая собой совокупность программ, разработанных при создании данной автоматизированной системы, реализующих функции автоматизированной системы и обеспечивающих функционирование КТС.

1.1.4Математическое обеспечение.

Совокупность математических методов, моделей и алгоритмов, примененных в системе.

1.1.5Лингвистическое обеспечение.

Совокупность средств и правил для формализации естественного языка, используемых при общении пользователей и эксплуатационного персонала автоматизированной системы с комплексом средств автоматизации при функционировании системы.

1.1.6Организационное обеспечение.

Совокупность документов, устанавливающих организационную структуру, права и обязанности пользователей и эксплуатационного персонала автоматизированной системы в условиях функционирования, проверки и обеспечения работоспособности системы.

Организационное обеспечение автоматизированной системы включает описание функциональной, технической и организационной структур системы, инструкции и регламенты для оперативнотехнологического персонала по работе системы. Оно включает совокупность правил и предписаний, обеспечивающих требуемое взаимодействие оперативно-технологического персонала между собой и комплексом средств автоматизации.

1.1.7Информационное обеспечение.

Совокупность форм документов, классификаторов, нормативной базы и реализованных решений по объемам, размещению и формам существования информации, применяемой в автоматизированной системе при ее функционировании.

Информационное обеспечение автоматизированной системы включает систему кодирования технологической информации, справочную и оперативную информацию, содержит описание всей совокупности сигналов и кодов, используемых для связи технических средств. Применяемые коды должны включать минимальное число знаков, иметь логическую структуру. Формы выходных документов и не должны вызывать трудностей у персонала при их использовании.

1.1.8Методическое обеспечение.

Совокупность документов, описывающих технологию функционирования автоматизированной системы, методы выбора и применения пользователями технологических приемов для получения конкретных результатов при функционировании системы.

1.1.9Правовое обеспечение.

Совокупность правовых норм, регламентирующих правовые отношения при функционировании автоматизированной системы и юридический статус результатов ее функционирования.

1.1.10Эргономическое обеспечение.

Совокупность реализованных решений в автоматизированной системе по согласованию психологических, психофизиологических, антропометрических, физиологических характеристик и возможностей пользователей автоматизированной системы с техническими характеристиками комплекса средств автоматизации автоматизированной системы и параметрами рабочей среды на рабочих местах персонала системы.

1.1.11Режимное обеспечение.

Лекция 4

1.1 Программное обеспечение автоматизированных систем. Инструмент разработки программного обеспечения (3 часа)

1.1.1 Программное обеспечение и его структура. Назначение и классификация программного обеспечения

1.1.1.1 Основная терминология.

Рассмотрим следующие наиболее употребимые термины и определения:

1)Прикладные программы программы, ориентированные на решение конкретных задач в различных областях применения автоматизированных систем;

2)Пакет прикладных программ комплекс программ с документацией, необходимой для его установки и эксплуатации, предназначенный для решения определенной задачи или класса задач;

3)Драйвер управляющая программа внешнего устройства;

4)Дисковая операционная система (ДОС) - комплекс программ, осуществляющих управление вычислительным процессом и реализующий наиболее общие алгоритмы обработки информации вычислительной машины, хранимых на магнитных дисках;

5)Супервизор комплекс системных программ, осуществляющих централизованную обработку прерываний устройств ввода-вывода, схем контроля процесса, а также управление выполнением прикладных программ, загрузку сегментов, приостанов выполнения, обработку запросов на ввод-вывод состояния и т.п.;

6)Фоновая задача работа, выполняемая в промежутки между прерываниями задач основных

разделов;

7)Транслятор (компилятор, интерпретатор) - программа, преобразующая программу, записанную на алгоритмическом языке в набор команд ЭВМ;

8)Отладчик программа, предназначенная для отладки прикладных программ в интерактивном

режиме;

9)Системные библиотеки набор стандартных математических программ, программ обслуживания ввода-вывода, сортировки и слияния массивов, подпрограмм трансляторов и др.;

10)Запись совокупность слов, являющаяся для программы пользователя единицей обработки;

11)Файл совокупность записей, логически связанных между собой по обработке. Файл может состоять из одной записи. Каждый дисковый файл имеет имя и может занимать один или несколько несмежных участков диска.

1.1.1.2 Классификация программного обеспечения.

Слои программного обеспечения вычислительной системы представлены на рисунке 9.

Рисунок 9 - Слои программного обеспечения вычислительной системы

1.1.1.3 Операционные системы автоматизированных систем.

Операционная система (ОС) программа, которая обеспечивает возможность рационального использования оборудования вычислительной системы удобным для пользователя образом.

Функции операционных систем:

Планирование заданий и процессов использования центрального процессора; Обеспечение программ средствами коммуникации и синхронизации; Управление памятью; Управление файловой подсистемой; Управление вводом-выводом; Обеспечение безопасности.

Классификация операционных систем: 1) По режиму обработки задач:

однозадачные (MS-DOS);

многозадачные (Unix, OS/2, Windows, OS-9): пакетные системы, системы разделения времени, системы реального времени,

2) По числу одновременно работающих пользователей:

однопользовательские (MS-DOS, Windows 3.x);

многопользовательские (Windows NT, Unix, OS-9),

3)По наличию средств поддержки многопроцессорной обработки:

однопроцессорные (MS-DOS, Windows 3.x);

мультипроцессорные системы (Linux, Solaris, Windows NT): симметричные и асимметричные,

4)По способам построения ядра:

монолитные (Windows, Linux);

микроядерные (QNX).

Рассмотрим операционные системы по их классификационным признакам:

1) Однозадачные операционные системы - реализуют пакетный режим выполнения программы. Супервизор системы обеспечивает обработку запросов на операции ввода-вывода, задержку выполнения программ до завершения операции ввода-вывода, выдачу текущего времени, отсчет заданного в программе интервала времени, приостановку выполнения программы.

Приведенная классификация - условная. Так, в операционной системе MS-DOS можно организовать запуск дочерней задачи и наличие в памяти двух и более задач одновременно. Однако эта операционная система традиционно считается однозадачной, главным образом из-за отсутствия защитных механизмов и коммуникационных возможностей.

2) Многозадачные операционные системы, решая проблемы распределения ресурсов, реализуют мультипрограммный режим в однопроцессорной вычислительной системе. Мультипрограммирование позволяет более эффективно использовать ресурсы вычислительного комплекса и достичь высокой реактивности системы на внешние события. Управляющая программа этой операционной системы выполняет все супервизорные функции однозадачной системы и обеспечивает синхронизацию задач, организацию контрольных точек, закрепление устройств ввода-вывода за задачей.

Обрабатывающие программы в многозадачной операционной системе компонуются в несколько задач. Процессор в данный момент времени выполняет команды, принадлежащие программе одной из задач. Остальные задачи находятся в состоянии готовности или в состоянии ожидания наступления какоголибо события (например, завершение операции ввода-вывода, истечение заданного интервала времени, изменение состояния какого-либо из модулей ввода инициативных сигналов и др.).

Задачи, одновременно претендующие на использование процессора, упорядочиваются по приоритетам. Приоритет - целое положительное число, определяющее важность задачи (чем меньше число, тем выше приоритет задачи). В случае конфликтов управление передается задаче с наивысшим приоритетом. Остальные задачи находятся в состоянии готовности и получают управление, если задачи с более высоким приоритетом окажутся в состоянии ожидания.

Таким образом, в многозадачной операционной системе периоды ожидания одной задачи используются для выполнения задач с более высоким приоритетом. Кроме того, появляется качественно новая возможность - переключение процессора с одной обрабатывающей программы на другую при возникновении более приоритетного запроса на обработку. Последнее означает, что программный комплекс, созданный на основе многозадачной операционной системы, может оперативно реагировать и приспосабливаться к изменениям внешней среды, что является характерным для системы, работающей в реальном масштабе времени.

В зависимости от критерия эффективности операционные системы делятся на следующие:

системы пакетной обработки (OS/2), системы разделения времени (UNIX), системы реального времени (QNX).

Системы пакетной обработки служат для решения задач в основном вычислительного характера, не требующих быстрого получения результатов. Главной целью и критерием эффективности таких систем является максимальная пропускная способность, то есть решение максимального числа задач в единицу времени.

Схема функционирования систем пакетной обработки данных:

в начале работы формируется пакет заданий, каждое задание содержит требование к системным

ресурсам;

из этого пакета заданий формируется мультипрограммная смесь, то есть множество одновременно выполняемых задач. Для одновременного выполнения выбираются задачи, предъявляющие отличающиеся требования к ресурсам, так, чтобы обеспечивалась сбалансированная загрузка всех устройств вычислительной машины.

Таким образом, выбор нового задания из пакета заданий зависит от внутренней ситуации, складывающейся в системе, то есть выбирается "выгодное" задание. В таких операционных системах невозможно гарантировать выполнение того или иного задания в течение определенного периода времени.

В системах пакетной обработки переключение процессора с выполнения одной задачи на выполнение другой происходит только в случае, если активная задача сама отказывается от процессора, например, из-за необходимости выполнить операцию ввода-вывода. Поэтому одна задача может надолго занять процессор, что делает невозможным выполнение интерактивных задач.

Основной недостаток систем пакетной обработки - изоляция пользователя-программиста от процесса выполнения его задач.

Системы разделения времени призваны исправить недостаток систем пакетной обработки данных. Каждому пользователю системы разделения времени предоставляется терминал, с которого он может вести диалог со своей программой. Каждой задаче выделяется только квант процессорного времени, следовательно, ни одна задача не занимает процессор надолго, и время ответа оказывается приемлемым. Если квант выбран достаточно небольшим, то у всех пользователей, одновременно работающих на одной и той же машине, складывается впечатление, что каждый из них единолично использует машину.

Таким образом, многозадачный режим, который воплощает процесс разделения времени, называется вытесняющим. Когда каждой программе выделяется квант процессорного времени, по истечении которого управление передается другой программе, а предыдущая программа вытесняется. В вытесняющем режиме

Под системным программным обеспечением понимают программы, способствующие функционированию и разработке прикладных программ.

Системные программы подразделяются на следующие группы:

утилиты - программы, которые решают отдельные задачи управления и сопровождения компьютерной системы (сжатие, дефрагментация и т.п.);

библиотеки процедур и функций различного назначения (библиотека математических функций, библиотека функций ввода-вывода и т.д.);

программы предоставления пользователю дополнительных услуг - специальный вариант

пользовательского интерфейса (калькулятор и др.);

системные обрабатывающие программы - текстовые и графические редакторы, компиляторы, компоновщики, отладчики.

1.1.1.5 Прикладное программирование.

Прикладное программирование в АСУ ТП во многом определяется архитектурой и свойствами элементов вычислительной системы. Качество программ зависит от знаний прикладного программиста, представления информации в памяти машины, способов адресации, системы команд и системы прерываний, организации ввода-вывода. Вычислительная система также представляется пользователю в оболочке операционной системы.

1.1.1.6 Командные языки для разработки программ.

Прикладные программы разрабатываются на следующих командных языках:

мнемонические коды низкого уровня (Ассемблер, Макроязык, Мнемокод);

языки высокого уровня (Basic, CamBasic, QBasic, MS Visual Basic, Паскаль, Borland Turbo Delphi, Borland С++, Borland C++Builder);

проблемно-ориентированные языки (Sequential Function Charts язык последовательных функциональных схем, Function Block Diagrams язык функциональных блоков, Ladder Diagrams язык релейных диаграмм, Structured Text язык структурированного текста, Instruction List язык инструкций).

Программы, составленные на языках низкого уровня, машинно-ориентированы, состоят из отдельных команд, требуют специальных знаний, навыка и высокой квалификации программиста, оптимальны по скорости выполнения задачи и занимаемой памяти.

Программы, составленные на языках высокого уровня, описывают блок схемы алгоритмов, не ориентированы на конфигурацию вычислительной системы, не требуют специальных знаний, навыка и высокой квалификации программиста, уступают в оптимальности по скорости выполнения задачи и занимаемой памяти.

В отличие от традиционных языков программирования проблемно-ориентированные языки ориентированы не на описание алгоритмов обработки информации, а на описание структуры и функций АСУ ТП. Алгоритмизация задач и компоновка системы ПО возлагаются на интерпретатор проблемноориентированного языка.

1.1.1.7 Сравнительные характеристики программных средств.

Различают следующие характеристики программных средств, используемых в АСУ ТП:

безопасность; надежность; корректность.

Программа корректна, если она удовлетворяет предъявляемым к ней требованиям (верификация). Надежность программы означает вероятность того, что АСУ ТП выполнит возложенные не нее функции. Безопасность связана с вероятностью появления ошибок в результате обработки информации, причем использование этих ошибочных результатов в АСУ ТП может привести к аварийным ситуациям. Таким образом, корректная программа может быть ненадежна и даже опасна, если предъявляемые к ней требования изложены в техническом задании неполно (валидация). Примером такой ситуации может служить сбой периферийного устройства, который не был учтен в спецификации.