Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Учебно-методическое пособие по дисциплине Программное обеспечение систем управления. Автоматизация технологических процессов и производства
.pdf
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ
Ордена Трудового Красного Знамени федеральное государственное
бюджетное образовательное учреждение высшего образования
Московский технический университет связи и информатики
Кафедра информационной безопасности и автоматизации
Жидаков В.П.
Учебно-методическое пособие
по дисциплине
ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ.
АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВА
для студентов-заочников 3 курса
(направление 15.03.04)
Москва 2016
Учебно-методическое пособие
по дисциплине
ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ.
АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВА
Составитель В.П.Жидаков, профессор
План УМД на 2016/17 уч.г.
Издание стереотипное. Утверждено на заседании кафедры.
Рецензент А.А.Андрюков, к.т.н., доцент
2
Методические указания по курсу
Общие замечания
Цели освоения дисциплины - формирование навыков по созданию и
применению программного обеспечения систем автоматизации, управления
и контроля за технологическими процессами и производством,
обеспечивающих выпуск высококачественной, безопасной, конкурентно
способной продукции и освобождающих человека полностью или частично
от непосредственного участия в процессах получения, трансформации,
передачи, использования, защиты информации и управления производством.
Освоение курса базируется на дисциплинах «Современные проблемы
автоматизации и управления», «Компьютерные сети», «Аппаратное
обеспечение систем автоматизации, управления и контроля за технологическими процессами и производством».
В результате освоения дисциплины бакалавр должен знать: задачи и
алгоритмы централизованной обработки информации в автоматизированной
системе управления (АСУ ТП) отрасли, оптимального управления
технологическими процессами с помощью ЭВМ; принципы организации и
состав программного обеспечения АСУ ТП, методику его проектирования;
принципы организации функциональных и интерфейсных связей
вычислительных систем с объектами автоматизации; методики создания
единого информационного пространства.
1. ПРОГРАММНЫЙ ПРОДУКТ. КЛАССИФИКАЦИЯ ПО
Вопросы, подлежащие изучению
Определение программного продукта. Эффективное программное
обеспечение. Методы разработки ППП и СПО. Спецификации программного
продукта. Оценки трудоёмкости создания современного программного
продукта. Классификация видов ПО.
Пояснения к вопросам
Основное отличие программы от программного продукта состоит в
том, что выполняется дополнительное проектирование стандартного ввода и
вывода, интерфейсов , внешней и внутренней спецификаций, тестов и др.
Понятия внешней и внутренней спецификации включают документацию на
программный продукт, выполненную в соответствии с ГОСТ ЕСПД. При
планировании разработки программного обеспечения обычно считается, что
1/3 времени или трудоёмкости всей разработки тратится на планирование
разработки и создание внешних и внутренних спецификаций; 1/6 времени
используется для написания программ, являющихся составляющими
программами программного комплекса; ¼ часть времени – тестирование
3
отдельных программ и предварительное системное тестирование; 1/4 часть
времени - системное тестирование при наличии всех составляющих.
Продолжительность реализации программного обеспечения зависит
от ограничений, накладываемых последовательностью работ на различных
этапах жизненного цикла и сложностью алгоритмического проекта.
Исследования показали, что объём работы по созданию программы растёт,
как степенная функция размера. И одна из общепринятых методик даёт
оценку:
Объём работы = (константа)*(количество команд)**1,5 .
Проектирование программы должно осуществляться по критериям
оптимальности порой противоречивых параметров. Такими параметрами
являются время выполнения и объём занимаемой программой оперативной
памяти. Квалификация программистов и качество написания программ во
многом взаимосвязаны. Зависимость сложности разработки и трудоёмкости
программирования от количества составляющих программного комплекса
существенно не линейна и влияет в геометрической прогрессии на
производительность труда программистов при усложнении программ.
Сложность разработки и трудоёмкость программирования могут
существенно возрастать при большом количестве составляющих в
программном комплексе. Это вызвано необходимостью выполнения
дополнительных работ по увязке программных решений. Кроме того, само
число разработчиков, действия которых нужно согласовывать, оказывают
влияние на стоимость проекта, поскольку значительная часть издержек
вызвана необходимостью общения и устранения отрицательных последствий
разобщённости, которая выявляется на этапе системной отладки.
Одной из форм организации программистской бригады является
организация её под руководством главного программиста. Главный
программист определяет технические требования, функциональную
структуру и эксплуатационные характеристики программы, создаёт
алгоритмический проект, пишет вариант кода, отлаживает код и составляет
документацию. Внутри программистской бригады разделяются функции
между членами бригады, например такие: администрирование,
редактирование, ведение документации, делопроизводство, сопровождение
инструментальных средств, отладка, поиск эффективных форм
использования алгоритмических языков. В случае разбиения сложного
проекта на части решение задачи разработки программного продукта
выполняет несколько бригад.
Увязка программистских решений - основная задача организации
крупного программного проекта. Трудоёмкость решения задач системного
программирования и размер программы существенно влияют на стоимость
программного продукта. Инструментальные средства разработчиков
программных проектов включают трансляторы, редакторы связей, компо-
4
новщики и др. Целевые компьютеры, языки высокого уровня и интерактивное программирование обеспечивают проектирование без ошибок.
Существуют различные признаки классификации ПО. Такая классификация может быть связана с назначением ПО, удовлетворением различных
технических требований к ПО, предметными областями, в которых применяется ПО и т.д. Но на самом верхнем уровне в иерархии любой классификации - это системное ПО и прикладное ПО. Причём прикладное ПО
делится на прикладное ПО общего назначения и специализированное ПО.
2. СИСТЕМНОЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
Вопросы, подлежащие изучению
Управление информационными ресурсами. Автоматизированная
информационная система, используемая для обработки информации и
принятия управленческих решений. Определение СПО. Базис системного
программного обеспечения.
Пояснения к вопросам
2.1. Информационные системы и технологии управления
Главная особенность современного этапа развития общества заключается в
его информатизации, цель которой – внедрение средств вычислительной
техники и телекоммуникационной техники во все сферы человеческой
деятельности. Согласно Федеральному закону «Об информации,
информатизации и защите информации» - это организационный социальноэкономический и научно-технический процесс создания оптимальных
условий для удовлетворения информационных потребностей и реализации
прав граждан, органов государственной власти, органов местного
самоуправления, организаций, общественных объединений, на основе
формирования и использования информационных ресурсов.
Основой информатизации является информационный ресурс, а также
средства его обработки и доставки потребителю. Законодательно
информационные ресурсы - это отдельные документы и массивы документов, документы и массивы в информационных ситстемах (в библиотеках,
архивах, фондах, банках данных и т.д.). Иными словами, информационные
ресурсы общества - это информация различного характера, реализованная в
виде документов, баз данных (баз знаний) и др. носителей информации.
При использовании информационных ресурсов в бизнесс-процессах
предприятия к ним предъявляются определённые требования, среди которых:
своевременность, достоверность, достаточность, адресность, многократность
использования, высокая скорость сбора, обработки и передачи;
оперативность (актуальность) и др.
5
Управление информационными ресурсами, которое включает
формализацию данных, их сбор, накопление, обработку и другие операции, в
настоящее время выделяется в отдельную функцию менеджмента, в основе
которой лежат как внешние, так и внутренние информационные ресурсы. С
точки зрения применения компьютерных систем, внешние ресурсы – это
программы и данные, которые не находятся в компьютерах и ждут своей
очереди для перехода во внутреннюю среду с целью обработки.
Внутренняя информационная среда может быть пассивной или активной.
Пассивная среда - это программы и данные, находящиеся внутри
компьютера, но не обрабатываются и не выполняются в текущий момент
времени. Активная среда - это программы и данные, которые
непосредственно используются для выполнения и получения результатов.
Внутренние информационные ресурсы формируются внутренней
информационной средой, которая существует в структурных подразделениях
предприятия, работающими там специалистами. Внутренняя
информационная среда предприятия охватывает все внутренние бизнесспроцессы, позволяет принимать управленческие решения, управлять
функционированием предприятия, минимизировать возникающие проблемы,
создавать новые изделия и услуги.
Современное развитие общества приводит к возрастанию объёма и
усложнению задач, решаемых в области организации производства,
процессов планирования и анализа, финансовой работы, связей с
поставщиками и потребителями продукции, оперативное управление
которыми невозможно без использования автоматизированной информационной системы.
Автоматизированная информационная система предназначена для
обработки информации и принятия управленческих решений путём
использования информации, математических методов и моделей,
технических, программных и других технологических средств посредством
специалистов, обладающих способностями общения с компьютерной
техникой. Информационная система управления должна решать текущие
задачи стратегического и технического планирования, бухгалтерского учёта
и оперативного управления фирмой.
Информационные технологии направлены на целесообразное
использование информационных ресурсов и снабжение ими всех элементов
организационной структуры. Предприятия (организации) делятся на три
группы: малые, средние и крупные. На малых предприятиях различных сфер
деятельности информационные технологии, как правило, связаны с
решением задач бухгалтерского учёта, накоплением информации по
отдельным видам бизнес-процессов, созданием информационных баз данных
по направлениям деятельности фирмы и организацией телекоммуникационной среды для связи пользователей между собой и с другими
предприятиями и организациями.
6
Персонал малых предприятий работает при взаимодействии с локально
распределёнными компьютерными сетями. Индивидуальные приложения
(прикладные прорграммы) и функциональная информация специалистов
малого предприятия локализуется на уровне автоматизированных рабочих
мест (рабочих станций).
В средних предприятиях большое значение для управленческого звена
играют функционирование электронного документооборота и привязка его к
конкретным бизнесс-процессам. Здесь более расширен круг решаемых функциональных задач, связанных с деятельностью фирмы, а именно – организация автоматизированных хранилищ и архивов информации. В средних
предприятиях используются более развитые компьютерные сети, имеется
несколько серверов в различных функциональных подразделениях
предприятия. Так локальная компьютерная сеть средних предприятий
представляет собой двухуровневую структуру. Один из уровней – коммуникационный, обеспечивающий обмен информацией между подразделениями.
Второй уровень - это локальные компьютерные сети разных конфигураций
соответствующих подразделений. Эти локальные сети подключаются к
серверу предприятия с целью обмена между подразделениями и доступа к
информационным ресурсам предприятия.
На крупном предприятии применяется, как правило, компьютерная сеть в
виде трёхуровневой иерархической структуры, организованной в
соответствии с территориальным распределением подразделенний
предприятия: центральный сервер системы, который устанавливается в
центральном офисе; локальные серверы - в подразделениях и филиалах;
рабочие станции клиентов, организованные в виде локальных компьютерных
сетей структурных подразделений, филиала или отделения. Такая сеть
охватывает все бизнес-операции крупного предприятия.
Программное обеспечение включает совокупность программных
комплексов, реализующих функции информационных и вычислительных
систем. В состав комплексов (пакетов программ, программ-систем) входят
общесистемные и прикладные программы, а также документация в виде
внешних и внутренних спецификаций.
2.2. Системное программирование (СПО)
Системное программное обеспечение (СПО) представляет собой набор
программ, реализующих полностью или частично некоторые функции
вычислительной системы и увязанных между собой управляющей
программой. Управляющая программа обеспечивает ту или иную
последовательность выполнения функций в зависимости от поступающих на
её вход инструкций, записанных на соответствующем командном языке.
Появление системного программного обеспечения связано с развитием фонНеймановской архитектуры компьютеров и, в частности, с развитием
7
аппаратного управления ходом вычислительного процесса. По мере развития
компьютерной техники возникали те или иные системные программы.
Сначала возникла задача приближения языка компьютера к
естественным языкам. Возникли алгоритмические языки типа ассемблера и
языки высокого уровня, а также соответствующие программные средства
перевода программ с одного языка на другой. Следующей задачей была
задача более полного использования ресурсов АЛУ, памяти и др. устройств
компьютера, которая тоже была реализована некоторым комплексом
управляющих программ. Третья задача – улучшение возможностей ввода вывода данных с помощью всевозможных интерфейсов, драйверов и т.д.
Далее появились новые функции компьютеров, например, по работе с
графическими данными, которые тоже частично реализованы с помощью
программного обеспечения.
Эволюция системного программного обеспечения привела к
возникновению некой «оболочки» – операционной системы, которая
позволила рядовому пользователю общаться с устройствами компьютера с
помощью некоторого набора программ–посредников, предоставляющих ему
большое количество самых разнообразных услуг.
Системное программное обеспечение, будучи комплексом программ
общего назначения, ощущается пользователем при его взаимодействии с
компьютером как часть аппаратного оборудования. Практически
пользователь работает не просто с компьютером, а со своеобразной
вычислительной средой, включающей как устройства компьютера, так и
динамическую библиотеку вызываемых программ.
СПО воздействует на основные ресурсы компьютера, а именно: ресурсы
аппаратной части, информационные ресурсы. Ресурсы аппаратной части
относятся к самому компьютеру и включают: центральное обрабатывающее
устройство или процессор, основную память, устройства ввода/вывода, время
работы каналов ввода/вывода и ёмкость запоминающего устройства прямого
доступа. Каждому типу устройств присущ показатель
стоимость/производительность, который определяет его экономическое
влияние на эффективность всей системы. Соответствующая управляющая
программа должна позаботиться о полной загрузке компонентов, имеющих
высокий показатель стоимость/производительность. Именно поэтому в
составе программ библиотеки СПО имеются программы планирования
работы центрального обрабатывающего устройства и распределения памяти.
Информационные ресурсы включают программы и данные.
Эффективная управляющая программа способствует использованию этих
ресурсов, например следующим образом: информация может так храниться в
пользовательской памяти, что она непосредственно доступна пользователю;
информация может требуемым образом совместно использоваться
различными пользователями.
8
Производительность вычислительной системы является лидирующим
параметром, которым оценивается влияние тех или иных составляющих
программного обеспечения при обосновании экономической целесообразности его применения. Производительностью компьютерной системы
называют показатель эффективности её работы. Её рассматривают как
функцию трёх факторов: пропускной способности, времени ответа,
коэффициента готовности.
Пропускная способность связана с объёмом работы, выполняемой
системой в определённый период времени. Она характеризуется как
быстродействием аппаратуры, так и качеством программного обеспечения.
Время ответа определяется промежутком времени между моментом,
когда пользователь передаёт задание на обработку, и моментом, когда он
получает результаты обработки.
Коэффициент готовности отображает степень готовности системы
обработать запросы на выполнение вычислений.
2.3. Языковые процессоры
Формальные языки и грамматики как форма представления
информационного процесса и, в частности, как основа автоматизации
программмирования предполагают использование ряда понятий. Среди них:
терминальные и нетерминальные символы языка; определение продукции на
основе правил подстановок. Формальные грамматики и описание синтаксиса
языка в соответствии с международными стандартами представляются с
применением формы Бэкуса – Наура в качестве метаязыка. Формальные
языки и грамматики позволяют использовать синтаксические диаграммы,
регулярные выражения и другие формальные и графические приёмы в
написании правильных и читаемых программ. Структурное проектирование
программ, языки описания вычислительных процессов как средства
написания проектов программ лежат в основе CASE-технологий при
разработке крупных программных проектов.
Строки и языки строятся с использованием слов. Слова
(последовательность букв) образуют язык. Перечисление слов составляет
специальный словарь. В информационных технологиях и, в частности, в
программировании языки с подходящей внутренней структурой элементов
определяются искусственным образом. Фактически, формальный язык – есть
множество, элементы которого определены исключительно с помощью
операций и отношений на множествах.
Рассмотрим в виде примера следующие два определения множеств:
D = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9}
I = D(D x D) (D x D x D) …
Здесь I – язык, позволяющий описать все целые десятичные числа. Этот язык
включает два определения, охватывающие грамматику языка.
9
Введём некоторые дополнительные термины.
Определённые имена множеств (например, D и I) есть фразы или
нетерминальные символы.
Символы языка (в нашем примере 0, 1, 2, … , 9) носят название терми-
нальных символов. Совокупность всех терминальных символов составляет
алфавит.
Особая фраза (в нашем примере I), которая определяет множество,
включающее все элементы языка, называется типовой фразой.
Языковое произведение определяется как множество
А хх В = {x | aB, b B, x = a || b}.
То есть результирующее множество строк формируется сцеплением
каждого элемента первого множества с каждым элементом второго
множества.
Формальные грамматики определяются с помощью специальной системы
обозначений, называемой формой Бэкуса – Наура (сокращённо БНФ),
которая включает такие правила.
Результатом операции языкового произведения является расположение
фраз рядом друг с другом.
Рядом находящиеся фразы должны выделяться угловыми скобками <, >;
например, <A>, <apple>, < x 3>.
Элементы алфавита (то есть множество терминальных символов)
являются буквами.
Символ определения фразы, используемый в продукции, обозначается ::=,
который читается «есть по определению». Например,
<2-разрядные целые>::=<цифра><цифра>.
Символ заменяется вертикальной чертой | .
Если фраза, определённая с помощью формальной грамматики, состоит
из двух частей, то результирующая фраза получается объединением
составляющих, но не пересечением, как принято в математике. Например,
две одинаковые фразы <целое>::=<цифра> объединяются в фразу
<целое>::=<цифра><цифра>.
Повторяющиеся языковые операции вводятся с помощью префиксов *, +,
которые обозначают соответственно объединение нуля или более, одного или
более повторений фраз соответственно. Например, десятичное целое можно
определить как
<целое>::=+(<цифра>),
а определение последовательности, имеющей нуль или более точек,
имеет вид
* ( . )
Верхний индекс, используемый вместе с символами *, +, обозначает
максимальное число повторений. Так, выражение
имя ::= +
5
(<буква>)*1(<цифра>)
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]