Таким образом, можно сказать, что в идеологии всех без исключения современных SCADA систем прослеживается
.RU

Таким образом, можно сказать, что в идеологии всех без исключения современных SCADA систем прослеживается



^ Таким образом, можно сказать, что в идеологии всех без исключения современных SCADA систем прослеживается упорное стремление возвратиться от графики к обычным программным кодам, чем автоматически вызывается к жизни весь тот "геморрой", которым страдает программирование как парадигма. Поэтому, говорить о том, что все они являются системами графического программирования – не совсем корректно!

Ну не назвали же разработчики DELPHI, VC и прочих систем графическими! Они назвали их системами Визуального Программирования.

^ Поэтому, на мое глубокое убеждение, правильнее было бы и SCADA/SoftLogic системы также назвать системами визуального программирования.


Недостатком современных SCADA/SoftLogic систем можно также считать и то, что они "заточены" всего-лишь на облегчение труда программистов и не направлены на конечного пользователя. Поэтому даже при их использовании программист остается ключевой фигурой любого проекта, что ведет к последствиям, которые в начале статьи уже рассматривались.


^ Система графического программирования, в основу которой положен принцип схемной эмуляции, как раз и предоставляет уникальный шанс отказаться от исходных и исполняемых кодов, а значит и от этапов компиляции/интерпретации. Потому что программный модуль схемной эмуляции, положенный в основу всей системы, по своей сути является системой графического исполнения, позволяющий непосредственно "оживить" графический рисунок любого проекта пользователя.

Таким образом, этапы программирования и исполнения в представляемой системе полностью согласованы. "Общим знаменателем" такой согласованности выступает работа с графическим образом проекта, как на этапе проектирования, так и на этапе исполнения.

^ Потому именно такая система по полному праву может называться Системой Графического Программирования.


Использование идеи схемной эмуляции в основе системы графического программирования позволяет достичь сразу двух важных моментов:


первый – таким компонентам, как "графическому компилятору" (кит №2) и исполняемому интерпретатору (кит №3) – в новой идеологии места нет!

^ Что, в свою очередь, ведет к поразительному упрощению всей системы в функциональном плане, а значит и ценовом.

второй - позволяет достичь многих характеристик, принципиально недоступных для всех известных SCADA/SoftLogic систем: программирование на уровне Структурных Схем, поразительные возможности по масштабированию, простота реализации мультиплатформенных и потоковых вычислений и т.д. Все дальнейшее содержание статьи, по сути, и направлено на рассмотрение этих преимуществ.


Причин, по которым SCADA системы так и не стали массовым инструментарием сборки аппаратно-программных систем из готовых "кубиков" можно назвать несколько:


- Такие системы чрезвычайно дороги и рассчитаны не на уровень простого студента, инженера, частного предпринимателя или даже малого предприятия, а рассчитаны на "жирных" клиентов. Другими словами - на автоматизацию заводов и фабрик. Там, где клиент способен выложить от сотен тысяч – до миллионов долларов.

В 1998-2000 годах мне посчастливилось стать свидетелем строительства линии по производству макарон одним частным предприятием. Желание сэкономить на программистах и на разработке аппаратной части проекта у руководства было столь велико, что (начитавшись рекламных проспектов) решили строить систему из готовых "кубиков". В качестве ПО разработки была выбрана система графического программирования UltraLogic, а в качестве аппаратных "кубиков" – устройства типа ADAM.

Только вот, ознакомившись поближе - посчитали, прослезились. И построили всю систему на "самопальных" контроллерах на процессорах типа AVR. И дешево вышло, и сердито!


- Все известные SCADA – это довольно сложные системы в освоении и работе. И заверения разработчиков, что такие системы рассчитаны на технологов, есть не более чем рекламный трюк. Пока что профессиональные коллективы, состоящие из программистов и электронщиков, в состоянии эффективно эксплуатировать такой продукт.


- Возможность составлять проекты в графическом виде – это тоже, по-большому счету, – красивая рекламная упаковка на SCADA системы. Потому что, в силу примитивности используемых в них графических языков программирования (языка релейных диаграмм [LD] или функциональных блоковых диаграмм [FBD]), ни один серьезный проект таким образом составляться не будет. Для таких случаев нужен будет опытный программист, который будет программировать путем привычного написания программных операторов в среде текстового редактора.


- В силу (как уже было сказано выше) примитивности современных языков графического программирования, современные SCADA системы предназначены для реализации достаточно простых, с функциональной степени сложности, проектов. Задачи автоматизации – как раз и попадают в такой класс сложности. Да на большее, понимая это, разработчики SCADA систем и не претендуют! А как быть с широким кругом пользователей – физиков, биологов, лингвистов, специалистов в области Искусственного Интеллекта и др. – которые тоже хотели бы строить свои проекты на понятном каждому человеку уровне графического представления проектов, не пользуясь при этом услугами, как электронщиков, так и программистов? На этот счет SCADA молчит!

----------------------------------------------------------

Можно сказать, что перечисленные выше недостатки, свойственные SCADA системам – лежат на поверхности и потому должны стать понятными широкому кругу специалистов. Но вот их источник – скрыт глубоко в недрах нынешней идеологии построения всех без исключения Систем Графического Программирования.

А источник всех проблем кроется в том, что следуя реализации насущной для общества проблемы – предоставить пользователям возможность составлять проекты в графическом виде – сами разработчики SCADA систем сами-то и не поняли, а что дальше делать с этой графикой?

Ведь ни один микропроцессор в "голом виде" никакой графики не понимает. Им подавай последовательности кодовых инструкций, а "добывать" такие инструкции человечество научилось пока только одним способом – путем компиляции или интерпретации исходных программных текстов, составленных программистом.

Вот и не придумали пока разработчики SCADA систем ничего лучшего, как вставить в свои системы программный модуль, который можно назвать – модулем графической компиляции. "Просматривая" графический рисунок проекта, он генерирует по нему исходные программные тексты, те самые, которые в противном случае, программисту пришлось бы набирать ручками. А поскольку алгоритм работы такого редактора до абсурдности прост – просматривать рисунок в направлении "слева-направо" и "сверху-вниз", то должна стать понятной и причина примитивности используемых в настоящее время языков графического программирования. Сложный рисунок никакой компилятор просто не сможет "переварить".

Недостатки такого подхода очевидны. Ведь практически с появлением первых компьютеров в мире крепло осознание того, что наиболее полным способом программирования есть представление проектов на графическом уровне. Ведь именно на этапе перехода от графики к текстовому представлению программ, теряется множество параметров функциональности, первоначально присутствующих в проекте. Чем автоматически вызываются к жизни все те недостатки, которые присущи программированию как парадигме: трудность выявления неявных признаков параллельных потоков и их синхронизацию, трудности масштабирования (разбиения большой задачи на несколько вычислителей, когда мощности одного вычислителя недостаточно) и другие.


^ Универсальная платформа эмуляции


Итак, система графического программирования, построенная на принципах схемной эмуляции, состоит только из двух основных компонент: графического редактора рисования схем и системы графического исполнения, работа которой, собственно говоря, и основана на принципах схемной эмуляции.


Идея использования графического редактора здесь ровным счетом ничем не отличается от уже известных. Процесс проектирования какой-либо системы управления выглядит обычно: из библиотеки компонентов выбирается графический образ какой-либо компоненты и переносится на рабочую область рисунка графического редактора. Затем компоненты соединяются между собой необходимыми цепями (линиями связи). Вот и все "программирование"!


Графический компилятор (кит №2) в такой системе отсутствует, поскольку в генерации каких-либо кодов и в дальнейшей их компилировании необходимости нет. Вместо него в графическом редакторе используется программный модуль, который "просматривает" графический рисунок проекта и по нему формирует так называемый "Файл Описания Схемы" (ФОС). Затем ФОС необходимо загрузить во встраиваемую платформу. Поскольку каждая компонента, используемая разработчиком в проекте, кроме графического образа в среде графического редактора имеет еще и программный модуль в среде исполнения, – то все задействованные в проекте модули необходимо также загрузить во встраиваемую систему исполнения.

^ А вот в качестве системы исполнения (кит №3) используется программный модуль Схемной Эмуляции. На этапе коммерциализации проекта он с успехом может быть размещен непосредственно на платформе и закрыт битом секретности. Поэтому продаваться такая платформа будет как законченное аппаратно-программное изделие.


В самом начале своей работы модуль эмуляции "просматривает" ФОС и разворачивает в оперативной памяти встраиваемой платформы программную модель системы управления. Входные воздействия для такой модели снимаются с реальных датчиков АСУ ТП, а отклик с программной модели подается на реальные исполнительные устройства.

Модуль Эмуляции может быть запущен и непосредственно на ПК. Тогда, чтобы превратить обычную PC платформу в платформу эмуляции, в один из PCI-слотов необходимо будет вставить интерфейсную плату стыковки.


Всю библиотеку компонентов, используемую в среде графического редактора на этапе проектирования рисунка проекта, можно условно разбить на два класса. К первому относятся те компоненты, которые отображают реальное оборудование: различные датчики и исполнительные органы, например термодатчики и реле. Ко второму – не имеющие "железного" аналога. Это чисто функциональные элементы, такие как нормализаторы сигналов, частотные фильтры, сумматоры, компараторы, логика и т.д.

Поэтому, если на схеме проекта разработчик использовал графический образ, к примеру, датчика температуры, то тогда нужно не забыть подключить соответствующий ему реальный датчик к интерфейсу контроллера.

^ Хочу сразу подчеркнуть, что для того чтобы максимально оптимизировать работу модуля эмуляции – микропроцессорная платформа должна иметь специальную архитектуру.

Потому и назвать ее можно – эмулирующей.

Такая платформа будет еще и универсальной, потому что по своим ценовым и функциональным возможностям, а также возможностям масштабирования, она будет годиться для использования в самом широком спектре областей: от лабораторного студенческого стенда – до АСУ ТП масштаба предприятия.

^ Потоковый принцип, положенный в основу работы модуля эмуляции, позволяет просто и эффективно поддерживать идеологию распределенного управления – DCS-систем (дословно – распределенных систем управления)! Причем, без дополнительной аппаратной поддержки и разработки каких-либо дополнительных программных кодов для организации межплатформенного обмена, распараллеливания потоков, их синхронизации и т.д.


Это значит, что если для загрузки проекта пользователя в платформу эмуляции, мощности одной платформы окажется недостаточной, – проблема решается простым разбиением общего рисунка на некоторое число фрагментов. Под "недостаточностью мощности" следует понимать случай, когда ресурсов одной платформы окажется недостаточным, чтобы полностью вместить в себе файл описания схемы и все процедуры, сопутствующие компонентам всего рисунка пользовательского проекта. Тогда каждый фрагмент загружается в отдельную платформу. Этап разбиения может выполняться автоматически, без участия самого пользователя. А на этапе исполнения связывание и синхронизация потоков во всех платформах будет выполняться автоматически на уровне программной модели рисунка проекта. Для организации процесса межплатформенного обмена потребуется только соединить задействованное число платформ посредством общей информационной шины или сетевого концентратора.

В то время, когда архитектура обычных микропроцессорных платформ в каждом случае проектируется под конкретное приложение или сходную группу приложений, архитектура Платформы Эмуляции "заточена" исключительно под "комфортное" размещение в ней программного Модуля Эмуляции. Всю дальнейшую "заботу" по стыковке платформы с другими платформами эмуляции и окружением периферийных устройств цифро-аналогового ввода-вывода берет на себя Модуль Эмуляции.

Таким образом, сборка любой системы конечным пользователем ведется методом "складывания" из готовых "кубиков": необходимого числа Платформ Эмуляции и модулей ввода-вывода.


Интересным представляется вариант исполнения эмулирующей платформы на основе микросхемы программируемой логики (ПЛИС). Учитывая, что алгоритм эмуляции, положенный в основу работы программного Модуля Эмуляции, построен на потоковом принципе, то среда ПЛИС, как устройства параллельного действия, является наиболее оптимальной для его размещения. В среде фон Неймана (любого микропроцессора) такая многопоточность может только эмулироваться (имитироваться).

Микросхемы ПЛИС представляют собой некоторую матрицу логических ячеек, за счет программирования и коммутации которых можно создавать аппаратные реализации различных вычислительных структур. Другими словами – это "полуфабрикат" микросхемы, внутреннюю структуру которой определяет сам пользователь.

^ Особенностью архитектуры эмулирующей платформы на основе кристалла ПЛИС есть то, что в распоряжение пользователя предоставляется не "голый" кристалл, который еще каким-то образом необходимо запрограммировать. А такой, в котором FPGA область уже предварительно "отформатирована" структурой Модуля Эмуляции и в которую пользователю достаточно только загрузить файл описания схемы проекта пользователя.

Для пользователя переход на такую платформу ни коим образом не станет ущербным, поскольку разработка пользовательских проектов по-прежнему будет вестись в среде того же самого Графического Редактора, а верификация – в среде того же самого Графического Визуализатора.

Преимущество очевидно: нет необходимости осваивать, к примеру, такие пакеты программирования, как MAX+PLUS II или EXCALIBUR, а значит, не надо будет осваивать и соответствующие языки микропрограммирования - AHDL, VHDL или Verylog, методы верификации проекта и т.д.

Но это - даже не самое главное в вопросе выбора аппаратного метода реализации модуля эмуляции. Главный козырь в вопросе перехода на ПЛИС платформу – существенное повышение скорости исполнения проектов и существенное повышение надежности всей системы. Что касается скорости, то тут как бы все ясно. Что касается надежности – то достаточно вспомнить о высокой зависимости любого микропроцессора от температурных режимов работы, источников питания и случайных всплесков напряжения от окружающего оборудования. Оба названных преимущества являются чрезвычайно полезными в вопросе использования эмулирующей платформы в разного рода ответственных приложениях – например, бортовых компьютерах.


Идея масштабирования для DCS- систем применительно к вопросу проектирования эмулирующей платформы на основе ПЛИС особо подчеркивает красоту и высокую функциональность идеи схемной эмуляции. Ведь проектирование больших решающих полей на нескольких микросхемах программируемой логики традиционными способами является достаточно сложной задачей, требующей преодоления ряда проблем. Одна из которых – т.н. негативный эффект страниц, возникающий на стыках отдельных кристаллов программируемой логики. Но без ее разрешения не обойтись, когда приложение (задача) пользователя по своему объему превышает ресурсы одного кристалла.

Ситуация существенным образом меняется, если в основу функционирования ПЛИС – платформы положить авторский модуль схемной эмуляции, по своей сути который выполняет роль цементирующей среды для всех "ПЛИС – кирпичиков".


^ Положительный эффект здесь достигается тем, что объединение фрагментов схемы проекта пользователя, разнесенного по нескольким микросхемам программируемой логики, осуществляется не на физическом уровне (как в случае традиционного программирования), а на уровне программной модели всего проекта.


Представляется естественным первоначальную разработку платформы эмуляции выполнить на стандартных микросхемах ПЛИС. В дальнейшем, следуя активно развиваемой в настоящее время идеологии SoC (Sistem on Chip), станет целесообразной разработка специализированной микросхемы, архитектура которой будет полностью "заточена" под Систему Эмуляции. Это уже позволит говорить об эмулирующем кристалле, а не платформе. Скажу более того, что фирма, реализовавшая такой проект, совершит революционный прорыв в вопросе превращения микросхем программируемой логики в по-настоящему массовый продукт, поскольку овладеть работой с таким кристаллом под силу будет даже школьникам. Реализация идеи, с одной стороны, будет ценна для использования в том сегменте рынка, где сейчас используются системы на базе 8- и 16- разрядных микропроцессорных контроллеров. С другой – при организации мощных вычислительных матриц.

Принципы схемной эмуляции, положенные в основу работы Системы Эмуляции, позволит без проблем организовать этапы тестирования и верификации отлаживаемых проектов. Для этого достаточно будет подсоединить ПК к платформе на время отладки. А программа-визуализатор, установленная на таком ПК, позволит отображать уровни сигналов в любых ветвях схемы проекта.


^ Осталось только дело за фирмой, которая возьмется за коммерциализацию данного проекта.


Область применения Платформы Эмуляции уже сегодня видится мне для достаточно широкого круга приложений, к примеру:

- комплексы диагностики, сбора и обработки информации;

- системы автоматики и АСУ ТП масштаба предприятия;

- бортовые системы управления;

- системы диспетчеризации и принятия решений;

- организация мощных вычислительных матриц;

- универсальная среда проектирования нейрокомпьютеров;

- проектирование интеллектуальных систем нового поколения:

Экспертных Систем, систем понимания, машин Баз Знаний и других направлений

Искусственного Интеллекта (ИИ);


Как видно из приведенного списка, Универсальная Платформа Эмуляции рассчитана на применение в достаточно широком спектре приложений, но, по большому счету, она может быть применена везде, где необходимы какое-то управление, вычисление или моделирование процессов (вернее даже сказать – их эмуляция в режиме реального времени).


Ниже в статье будет уделено внимание рассмотрению той идеи, что проектирование по настоящему сложных систем станет возможным благодаря, во-первых - возможности разработки пользовательских проектов на уровне Систем и во-вторых – непосредственному и совместному участию в проектах специалистов разных специальностей без посредничества программистов, когда графический язык проектирования уровня структурных схем станет основой не только самих проектов, но и языком межпрофессионального общения.


^ Преимущества эмуляции


Итак, принципиальное различие между известными системами графического программирования (ниже, для краткости, – Систем Программирования) от системы, основанной на принципах схемной эмуляции (Системы Эмуляции), состоит в том, что в последней – отсутствует этап генерации исходных/исполняемых кодов с последующими этапами их компиляции или интерпретации.

Это явный признак, который "лежит на поверхности". Тем не менее, именно идея отказа от всякого рода кодов и работа Системы Исполнения непосредственно по рисунку проекта – служит источником большого числа положительных возможностей, которые принципиально недоступны Системам Программирования. А именно:


^ 1) Система Эмуляции позволяет проектировать на уровне Структурных Схем;


Не лишним будет еще раз напомнить, что работа любого графического компилятора в графических Системах Программирования состоит в просмотре рисунка проекта (притом, достаточно тривиальным способом, в порядке - "слева-направо" и "сверху-вниз") и генерации по нему программных кодов. А раз мы возвращаемся к программированию, то совершенно очевидно, что на каком бы графическом языке мы не рисовали схему - будь-то язык последовательных функциональных блоков (SFC), релейных диаграмм (LD) или функциональных блоковых диаграмм (FBD) - она непременно будет приведена к обычному рисунку алгоритма программы.

Иначе никакой компилятор или интерпретатор не сможет ее обработать, другими словами, - привести к последовательности программных операторов исходного, промежуточного или исполняемого кода. Поэтому назовем, для краткости, такой уровень графического представления проектов – Уровнем Алгоритмов.

Графическое программирование для Системы Эмуляции может быт выполнено на уровне языка Структурных Схем (СС). Такой язык обладает гораздо большими функциональными возможностями по отношению к Уровню Алгоритмов и по сложности он соответствует уровню разработки электронных систем при системотехническом проектировании. Назовем такой уровень представления проектов – Уровнем Систем.

Средой, в которой проекты такого уровня могут быть исполнены, может быть исключительно среда программы схемной эмуляции, но никак не среды компилирования или интерпретации.

К тому же, проектирование на уровне структурных схем позволит поднять степень представления рисунков проектов на более высокий уровень, действительно понятному самому широкому кругу специалистов. Потому что, будучи даже графическими, такие языки как SFC, LD или FBD - все равно остаются языками программирования (да еще и с ограниченными возможностями) и требуют участия в проекте программиста.

^ Ниже я попытаюсь показать, что язык СС – соответствует более высокому уровню представления проектов, чем Уровень Алгоритмов и что CASE - SoftLogic системам вообще не под силу компиляция и исполнение проектов, представленных на уровне СС.

Для этого, для начала, выделю всего три параметра определения сложности графической схемы. Это - наличие и вид обратных ветвей (цепей, связей) примененных в проекте, сложность временных соотношений сигналов в разных ветвях рисунка проекта по отношению друг к другу, а также сложность вида сигналов в каждой отдельной ветви.

■ обратные связи и их виды

Обратные связи (ОС) – есть важнейший атрибут любых проектов, составленных в виде принципиальных, функциональных или структурных схем. Существуют ли обратные связи в программировании? В общепринятом смысле – их там нет! То, что обычно можно увидеть на рисунках алгоритмов программ, приближенно напоминающих обратные связи, – это всего лишь изображения т.н. циклов. Примеры, характерных для программирования видов циклов, приведены на рис.1а, б.

Они наглядно демонстрируют, что ветви a, b и c – это т.н. "указатели" на адрес компоненты, с которой программу следует повторить, пока в компонентах k2, k5 и k6 (соответственно) будут соблюдаться определенные условия.

Указателями такие ветви называются потому, что всего лишь соответствуют команде на загрузку в регистр адреса процессора адреса команды, с которой последовательное выполнение некоторой цепочки программных операторов будет повторена.

Но всякие ли даже циклы способны "переварить" современные компиляторы? Под словом "переварить" следует однозначно понимать ситуацию, когда, встретившись с такой "штукой", каждый из них будет в состоянии ее распознать и грамотно вставить сгенерированный блок операторов в тело программы. Оказывается, что современные компиляторы в состоянии распознать и закодировать только простые и вложенные циклы, подобно изображенным на рисунке 1а и 1б.

А все от того, что основной принцип программирования для архитектуры фон Неймана гласит, что прерывания для процессора могут быть только вложенными. Потому как внутри самих процессоров они реализуется стековыми регистровыми структурами.



рис. 1а Простые циклы.



рис. 1б Простые вложенные циклы

Поэтому абсолютным нонсенсом, с точки зрения программирования будет выглядеть, к примеру, проект, содержащий т.н. перекрестные обратные связи, изображенные на рис. 2.



a)

б)

рис. 2 а, б Примеры перекрестных обратных связей.

Принцип схемной эмуляции, конечно же, не нарушает основополагающих принципов программирования, свойственных архитектуре фон Неймана, но он позволяет смоделировать среду, в которой такие "нарушения" имитируются.


Я употребил слово "имитировать" потому как любая программа, в том числе и схемной эмуляции, попав в среду современных процессоров, должна мириться с ее особенностями – регистровой структурой – идеологией, которая остается неизменной на протяжении всей истории ее существования.

Это касается случая, когда Модуль Эмуляции будет запущен на PC- или иной микропроцессорной платформе. К тому же, скорость эмуляции в этом случае будет соизмерима со скоростью исполнения обычных программ, что годится для случая управления относительно медленными технологическими процессами.

Понятно, что "родной" для него средой , в которой ему не надо будет чего-либо "нарушать" может быть среда микросхемы программируемой логики.


■ учет временных соотношений сигналов в цепях проекта

Как уже много раз подчеркивалось мною в этой статье, все проекты, представленные на каких-либо известных графических языках Систем Программирования непременно сводятся к простому списку программных операторов, которые могут быть исполнены процессором последовательно.

Поэтому, первейшей задачей любого графического компилятора в СП является определение порядка размещения программных модулей (Mn) в теле программы, согласно связям (ветвям) соединяющих графические образы соответствующих им компонент (Kn) на рисунке проекта.

К примеру, на рис. 3а представлена схема проекта на уровне языка FB. На рис. 3б представлен вариант ее программной реализации, представленной в виде последовательности сгенерированных компилятором программных модулей.




Рис. 3а Проект системы содержащий параллельные ветви



Рис. 3б Порядок выполнения программных модулей для рис. 3а.

Графические Компиляторы в Системах Программирования просматривают схему (рисунок) проекта по правилу: "слева – направо", "сверху – вниз". В результате - формируется статическая цепочка программных модулей исходных кодов. И ситуация здесь может доводиться до абсурда: когда вид сгенерированного программного кода может зависеть даже от места расположения определенной компоненты на экране дисплея!!! Этим недостатком графических компиляторов умело пользуются, к примеру, программисты, поднаторевшие в среде IsaGraf.

Как показано на рис. 3б, модуль М3 может быть расположен только в конце тела программы, поскольку оба входных его параметра (идентификаторы - α, β) должны быть определены к началу его исполнения.

О какой же динамичности процессов в таком случае может идти речь?

В свою очередь, в Системе Эмуляции вычисление значений в каждой ветви рисунка проекта осуществляется параллельно, соблюдая при этом всю динамику распространения процессов между ветвями. Если проектирование системы управления будет вестись на уровне Структурной Схемы (уровне систем), то в проект, представленный на рис. 3а может быть вложен совершенно другой смысл, к примеру, как на рис. 4. Здесь подразумевается, что при изменении сигнала на входе компоненты К1 с уровня логического нуля ("0") до уровня логической единицы ("1"), на выходе К3 формируется строб (импульс).



Рис. 4 Фрагмент проекта на уровне структурной схемы (уровень системы)

Приведенный на рис.4 фрагмент наглядно показывает, что сложный во времени вид сигнала на выходе компоненты К3 может формироваться в результате "гонки" сигналов, проходящих одновременно по параллельным ветвям 1 и 2 схемы, что есть совершенно нормальным явлением для уровня схем электронных систем. Но представляется абсолютным нонсенсом для схем алгоритмов, составленных в среде Систем Программирования.

Сложный вид сигналов в Системах можно получить не только путем организации гонок сигналов по разным цепям, но и применением обратных связей на одной компоненте, как это показано на Рис. 5



Рис. 5 Фрагмент структурной схемы представленной на уровне СС.


Формирования строба – пример, конечно, частный и примитивный. Но сама идея учета временных соотношений сигналов между различными ветвями схемы проекта может с успехом применяться, к примеру, в цепях селекции паттернов (цепочек импульсов) тех же самых нейронных сетей.


■ сложный вид и природа сигналов в каждой цепи

Программные переменные (идентификаторы), используемые в Системах Программирования, ни коим образом не привязаны к ветвям алгоритма. Располагают их в отдельных частях программы - области описания идентификаторов, а при исполнении этой самой программы каждому из них выделяется отдельная область оперативной памяти. Управляются (изменяются) идентификаторы изнутри программных модулей.

И даже тогда, когда идентификатор – не константа, а описывает какую-либо переменную (например, температуру в объекте управления) – природа его все равно остается достаточно статичной. Потому что за один цикл любой программы - "считывание сигналов с датчиков → обработка входных сигналов по определенному алгоритму → формирование управляющих сигналов на исполнительные органы" - он (идентификатор) может быть изменен программой только один раз и только из одного места.

Потому как современные языки программирования не позволяют иного, а нарушение этого правила может привести программу в непредсказуемое состояние, другими словами – к аварии.


^ В Системе Эмуляции любая программная переменная строго привязана к определенной ветви рисунка и за полный цикл эмуляции может гарантированно изменяться столько раз, сколько этого будет требовать логика работы спроектированной схемы.


В то же время, кардинальным отличием Системы Эмуляции от всех известных Систем Программирования является способность работать с такими атрибутом схем как сигнал.

В течении полного цикла эмуляции сигналы могут перемещаться по ветвям рисунка проекта ( как на рис. 4). Естественно, что поскольку каждый сигнал перемещается по своей цепи, то на определенных компонентах схемы могут быть выявлены сколь угодно сложные их смещение друг относительно друга. Все это – и служит источником формирования сигналов любой по форме сложности.

Более того, в Системе Эмуляции самим компонентам разрешается генерировать сигналы любой формы сложности, как, например, паттерны - для случая нейронной сети. Или последовательности импульсов - для случая генератора тактовых импульсов.

Особо подчеркну, что Системе Эмуляции под силу так называемое многозначное кодирование состояний сигналов в ветвях схемы. Это значит, что по ветвям графической схемы проекта могут передаваться не только сигналы дискретной логики или аналоговые сигналы, но также значение импеданса и т.д. Что является чрезвычайно полезным при проектировании, опять-таки, нейронных структур, а также – организации двунаправленных потоков данных.

^ Более того, в Системе Эмуляции допускается многовекторность сигнала в каждой цепи!

Под этим следует понимать, что по одной и той же цепи могут одновременно передаваться как уровни аналогового сигнала, так и дискретного. Реализация такого наложения (модуляции) может стать весьма полезной, к примеру, при проектировании таких систем – как тех же самых нейронных сетей.

Все это дает разработчику возможность разрабатывать в среде эмуляции не только простые алгоритмы управления, соответствующие уровню Систем Программирования, но и представлять проекты на системном уровне в виде Структурных Схем.


2) Простое распараллеливание и синхронизация процессов;


При традиционном программировании на программиста возлагается задача выявления всех параллельных участков в программе и организации процесса синхронизации всех ее ветвей посредством, к примеру, механизма семафоров. Практически с появлением первых языков параллельного программирования возникло и стремление как можно больше таких операций переложить на компилятор, уменьшив, таким образом, зависимость этапа программирования от субъективного фактора (читай – программиста).


Тем не менее, задача эта еще настолько далека от окончательного разрешения, что ей можно было бы еще уделить тома трудов и годы работы… если бы не рождение идеи использования схемного эмулятора как среды исполнения. Именно эта идея все потуги по развитию инструментария параллельного программирования превратила в бессмысленное занятие, потому что всех тех проблем, которые свойственны традиционным системам, в ней просто не существует.

В принципе, можно сказать, что отличительной чертой любого схемного симулятора от обычных программ есть: во-первых – работа непосредственно по графическому рисунку схемы и, во-вторых, - формирование всех параллельных потоков в программной модели устройства, с соблюдением условий распространения сигналов в ветвях рисунка проекта.

Авторская программа схемной эмуляции отличается от обычных симуляторов еще и тем, что делает все это в режиме реального времени и реальном окружении периферийной среды.


^ 3) Простое масштабирование;


Под масштабированием следует понимать возможность наращивания суммарной мощности системы эмуляции путем простого добавления в нее некоторого числа однотипных плат – Универсальных Платформ Эмуляции.

^ Идея масштабирования в Системе Эмуляции основана, всего лишь (!), на механизме разбиения рисунка проекта на фрагменты и размещения каждого такого фрагмента в отдельной платформе.

Хотелось бы указать на три варианта фрагментации:


вариант первый – "фрагментация вширь". Это случай, когда один большой проект условно делится на N частей, каждая из которых, к примеру, будет локально управлять своим объектом (рис.6).



Рис. 6 Фрагментация рисунка проекта "вширь"


В этом случае графический рисунок алгоритма управления разбивается на фрагменты и каждый фрагмент размещается на отдельной платформе. Каждая платформа управляет локально только тем станком, алгоритм управления которым соответствует фрагменту рисунка в нее загруженному. И все! Межплатформенный обмен синхронизирующими сигналами по сетевому интерфейсу организовывается Системой Эмуляции автоматически и основывается на естественном принципе многопоточности алгоритма эмуляции.

Еще раз подчеркну, что Система Эмуляции, находящаяся в среде фон Неймана

(микропроцессорной платформе), только имитирует всякую параллельность. Тем не менее, уже это позволяет реализовать распараллеливание процессов, не прибегая к традиционным методам организации межпроцессорного обмена и синхронизации процессов (использования разного рода "флагов", "семафоров" и т.п.).

Современным Системам Программирования такое не под силу. В случае распараллеливания общего процесса всю "графику" необходимо отложить в сторону и "вручную" (средствами языков программирования) разрабатывать программное обеспечение межпроцессорного обмена и синхронизации процессов.


вариант второй - "фрагментация вглубь". Это соответствует случаю, когда ресурсов

одной платформы недостаточно для размещения в ней всего алгоритма управления

одним объектом управления (станком). В этом случае общий рисунок проекта, опять же,

разбивается на фрагменты, каждый из которых загружается в отдельную платформу. Все

платформы, в этом случае, находятся на одном объекте управления и физически также

объединены с помощью сетевого интерфейса (рис. 7).



^ Рис. 7 Фрагментация рисунка проекта "вглубь"


вариант третий - смешанный, когда задействованы одновременно оба предыдущих варианта.


4) Система Эмуляции – это, по сути, "машина потоков";


Механизм масштабирования, приведенный выше, основывается на естественном принципе алгоритма эмуляции – многопоточности.

Многопоточность процессов поддерживается как на уровне самой платформы, так и вне ее. Примеры рассмотренные на рис. 6 и 7 касаются как раз второго случая, которое назовем – межплатформенной многопоточностью. Тогда принцип многопоточности в пределах самой эмулирующей платформы можно назвать – внутриплатформенной многопоточностью.

И если во втором случае разделение ресурса программной модели проекта пользователя происходит на межплатформенном уровне, то в первом – может быть использовано на межпроцессорном уровне самой платформы. Данное свойство Системы Эмуляции может с успехом быть использовано при создании мультипроцессорной системы.

Выше я уже говорил, что программные симуляторы не нарушают основополагающих принципов программирования, свойственных архитектуре фон Неймана, но они определяют среду, которая позволяет имитировать такие "нарушения".

Поэтому, для полного раскрытия свойств алгоритма эмуляции – многопоточности процессов, – необходимо поместить его в "родную среду". Под этим словосочетанием следует понимать, что речь идет про среду, в которой алгоритм эмуляции будет реализован на аппаратном уровне.

Сделать это можно либо использовав заказные микросхемы, что есть чрезвычайно дорогостоящий путь, либо использовав микросхемы так называемой программируемой логики.

Микросхемы ПЛИС со структурой FPGA подходят для этих целей наилучшим образом, потому как изначально являются устройствами параллельного действия и поэтому наилучшим образом соответствуют реализации концепции потоков.

Таким образом, центральным элементом такой платформы будет являться микросхема программируемой логики, в которую аппаратно прошит модуль схемной эмуляции. Разворачиваемая им в среде той же микросхемы программная модель проекта пользователя формирует множество потоков, которые, собственно и управляют порядком обработки компонент графической схемы проекта.

На множество процессоров, находящихся на такой платформе, будет возлагаться только выполнение элементарных арифметико-логических операций над операндами, подаваемых на их входы вместе с потоками программной модели.

Для роли наиболее подходящего звена, связующего потоки программной модели с процессорными элементами, подходит сетевой концентратор (switch), который по своей природе также является устройством параллельного действия.


Реализованная на таком уровне эмулирующая платформа будет лишена фоннеймановских атрибутов: раздельного хранения команд и данных, счетчика команд и многочисленных регистров процессора, а значит и последовательного выполнения команд.

Среда, в которой порядок выполнения задачи пользователя определяется не счетчиком команд, а движением потоков данных в программной модели задачи пользователя, придает архитектуре платформы эмуляции все атрибуты машины потоков.

Здесь нелишне было бы напомнить, что мировое развитие теории и практики машин потоков данных, так и не вышло дальше экспериментальных образцов. Причиной этому стало упорное стремление сохранить такую архитектуру, в которой программа пользователя представляла бы собой последовательную запись команд, пусть даже управляемую данными, а не счетчиком команд, как в среде фон Неймана.

В данной статье приводится описание машины потоков, построенной на принципах схемной эмуляции, и показывается, что такая архитектура свободна от недостатков, свойственных машинам потоков традиционной архитектуры.


5) Отсутствует эффект "узкого горлышка" для мультипроцессорных систем;

Под этим термином в вычислительной технике подразумевается эффект ограничения мощности мультипроцессорной системы, приводящий к замедлению ее работы, вызванный ограниченной пропускной способностью канала память – процессоры. Из-за этого эффекта решение мультипроцессорной обработки, в традиционных вычислительных системах, приводит лишь к частичному успеху. Согласно гипотезе Минского (Minsky), ускорение, достигаемое при использовании параллельной системы, пропорционально двоичному логарифму от числа процессоров. То есть, при использовании 1000 процессоров на одной платформе возможное ускорение оказывается равным всего 10 (!).

Мультипроцессорная система, построенная на принципах схемной эмуляции, свободна от этого недостатка, потому что, как об этом уже не раз говорилось, центральным местом архитектуры системы эмуляции является программная модель пользовательского проекта, основанная на принципах многопоточности. В среде аппаратной реализации авторского модуля эмуляции – микросхемы программируемой логики – такая много поточность трансформируется в потоки непересекающихся сигналов, каждый из которых посредством сетевого концентратора (являющегося по своей природе также прибором параллельного действия) "находит" свободный процессорный элемент.

Процессоры в архитектуре платформы эмуляции не управляют процессом обработки информации, а лишь реализуют операции над поступающими на их входы операндами.

При такой архитектуре возможна лишь обратная ситуация, когда количество активированных потоков, в какой-то момент времени, окажется больше числа свободных процессоров. В таком случае на уровне программной модели всего-лишь произойдет "притормаживание" некоторых связанных процессов до появления свободного процессорного элемента.


6) Существенно повышается надежность управляющих систем;


Напомню, в начале статьи говорилось, что результатом совместной работы заказчика с технологом является некий алгоритм, представленный в виде графического рисунка или словесного описания – что выступает основой документа, называемого техническим заданием. Программисту необходимо проделать неформальную операцию перевода этого документа в язык машинных кодов – программного продукта предоставляемого заказчику.

До чего доводит такое "неформальное" участие – также говорилось. Резюмирую это только одной фразой – наличием практически в любом ПО, выдаваемого заказчику, скрытых ошибок. Ошибок, которые не удалось выявить на этапе разработки и тестирования.

К чему приводит наличие скрытых ошибок тоже говорилось. К тому, что "местами" программа может работать не так, как изначально было задумано.

Надежность проектов, разработанных на уровне Системы Эмуляции, повышается в сравнении с проектами, разработанными в среде Систем Программирования благодаря следующему:

- проект разрабатываемой системы создается в рисунке непосредственно прикладным специалистом - технологом, химиком, физиком, биологом и т.д.;

Это позволяет, наконец-то, реализовать во всей красе давнюю мечту проектировщиков о единой спецификации проекта в цепочке всех специалистов, участвующих в реализации проекта.

Возможность составлять проекты исключительно в виде графических схем и позволит представителям различных профессиональных групп работать с единой сквозной документацией и однозначно понимать друг друга.

Проектирование систем на уровне рисунков функциональных, структурных и прочих схем - более информативно, наглядно, понятно всем и позволяет быстрее провести разработку.

Система Эмуляции рассчитана на конечных пользователей совершенно не владеющих какими-либо языками программирования и требует от них только способности выразить свои мысли в рисунке проекта на функциональном уровне.


- никакого исходного кода, в котором можно "закопаться", а значит и "скрытых" ошибок

программирования (!);


opredelenie-ponyatij.html
opredelenie-potrebnosti-v-podemno-transportnom-oborudovanii-oborudovanii-dlya-razgruzki-i-peremesheniya.html
opredelenie-rasstoyanij-do-zvezd-i-planet.html
opredelenie-sistemi.html
opredelenie-sostava-stiralnih-poroshkov.html
opredelenie-stoimosti-imushestva-poluchennogo-po-dogovoru-meni.html
  • education.bystrickaya.ru/32-deyatelnost-pedagogicheskogo-kollektiva-po-sozdaniyu-sistemi-vospitatelnoj-raboti.html
  • shpargalka.bystrickaya.ru/uchebno-metodicheskij-kompleks-po-discipline-klinika-intellektualnih-narushenij-dlya-specialnosti-050715-65-logopediya-s-dopolnitelnoj-specialnostyu-050714-65-oligofrenopedagogika.html
  • bukva.bystrickaya.ru/pifagrejskaya-problematika-v-romane-tmanna-doktor-faustus-i-yu-nikolaeva-kand-ist-nauk.html
  • pisat.bystrickaya.ru/tema-6-intellektualnaya-sobstvennost-v-mezhdunarodnom-chastnom-prave.html
  • ekzamen.bystrickaya.ru/soderzhanie-lekcij-i-zadaniya-dlya-srs-uchebno-metodicheskij-kompleks-po-discipline-teoriya-grafov-dlya-specialnosti.html
  • books.bystrickaya.ru/e4-raschet-vnutrennego-otnositelnogo-kpd-cilindrov-otsekov-turbini.html
  • college.bystrickaya.ru/2upravlenie-kontraktom-v-a-ostanin-podpis.html
  • grade.bystrickaya.ru/ob-usilenii-mer-pozharnoj-bezopasnosti-na-territorii-permskogo-kraya-v-vesenne-letnij-pozharoopasnij-period-2012-goda.html
  • school.bystrickaya.ru/ekonomiko-geograficheskoe-obosnovanie-razmeshenie-predpriyatij-cvetnoj-metallurgii.html
  • esse.bystrickaya.ru/raspisanie-lekcij-dlya-studentov-6-kursa-lechebnogo-i-sportivnogo-fakultetov-cikl-s-01-09-11-po-09-11-2011g.html
  • occupation.bystrickaya.ru/nyuansi-tehniki-voprosov-avtorizovannij-konspekt-seminarov-i-treningov-dlya-prodavcov-agentov-kommivoyazherov-menedzherov.html
  • lecture.bystrickaya.ru/82-vodoprovod-i-kanalizaciya-physical-training-and-sport-halls.html
  • kontrolnaya.bystrickaya.ru/razdel-1-predmet-i-zadachi-kursa-uchebno-metodicheskij-kompleks-po-discipline-upravlenie-predpriyatiem-specialnostnapravlenie.html
  • school.bystrickaya.ru/himiya-vokrug-nas.html
  • tests.bystrickaya.ru/konstruktivnie-i-tehnologicheskie-metodi-povisheniya-energeticheskih-harakteristik-i-dolgovechnosti-gerotornih-mehanizmov-vintovih-zabojnih-dvigatelej.html
  • uchebnik.bystrickaya.ru/viii-pamyat-na-lyudej-shkola-pamyati-garibyan-sa.html
  • paragraf.bystrickaya.ru/zadachi-godovogo-plana-gou-detskij-sad-s-etnokulturnim-russkim-stranica-4.html
  • znanie.bystrickaya.ru/b-a-kobrinskij-moskovskij-nii-pediatrii-i-detskoj-hirurgii-roszdrava.html
  • report.bystrickaya.ru/grafik-uchebnogo-processa-napravleniya-050100-pedagogicheskoe-obrazovanie-profil-matematika-informatika.html
  • occupation.bystrickaya.ru/monitoring-vedomstvennih-smi-na-period-s-17-po-28-maya-2010-goda.html
  • literature.bystrickaya.ru/dva-filosofskih-vvedeniya-v-dvadcat-pervij-vek-stranica-17.html
  • crib.bystrickaya.ru/ivevskij-rajon-nazvanie-raboti.html
  • school.bystrickaya.ru/glava-15-o-krasavicah-ostavshihsya-starimi-devami-i-prostushkah-pokoritelnicah-muzhskih-serdec.html
  • composition.bystrickaya.ru/podsekciya-2-1300-aud-6-pedagogicheskij-kolledzh-informacionno-spravochnaya-stranica-sekretariat-konferencii.html
  • desk.bystrickaya.ru/p-a-stolipin-gosudarstvo-i-obshestvo-konferenciya-sostoitsya-v-g-kirove-17-19-aprelya-2012-goda-osnovnie-napravleniya-raboti-konferencii.html
  • lektsiya.bystrickaya.ru/pravoohranitelnaya-deyatelnost-tamozhennih-organov.html
  • college.bystrickaya.ru/1-sostoyanie-i-sovershenstvovanie-formirovaniya-18-stranica-29.html
  • thesis.bystrickaya.ru/primechaniya-ad-mihajlova-primechaniya-a-d-mihajlova-66-copyright-volfram-fon-eshenbah.html
  • laboratornaya.bystrickaya.ru/rabochaya-programma-disciplini-informatika-s-metodikoj-prepodavaniya-dlya-specialnosti-0320-korrekcionnaya-pedagogika-v-nachalnom-obrazovanii-kansk.html
  • institut.bystrickaya.ru/svrusakov-dsstryapunina-sbornik-statej-konferencii-pechataetsya-pri-podderzhke-administracii-permskogo-kraya.html
  • tetrad.bystrickaya.ru/utverdit-plan-meropriyatij-napravlennih-na-obuchenie-uchashihsya-plavaniyu-pravilam-povedeniya-na-vode-i-okazaniyu-pervoj-pomoshi-postradavshim-na-2012-god.html
  • credit.bystrickaya.ru/otchayalsya-vizdorovet-tyazhelo-otvechaet-dazhe-na-prostie-voprosi-stranica-3.html
  • doklad.bystrickaya.ru/vipusknik-poluchit-vozmozhnost-nauchitsya-i-poyasnitelnaya-zapiska.html
  • thescience.bystrickaya.ru/informaciya-k-respublikanskomu-seminaru-voprosi-otveti.html
  • uchebnik.bystrickaya.ru/v-noyabre-1993-goda-v-meksikanskom-gorode-kankun-proizoshli-dna-sobitiya-kotorie-okazali-glubokoe-vozdejstvie-na-moyu-zhizn-i-stali-prichinoj-rozhdeniya-etogo-issledo-stranica-2.html
  • © bystrickaya.ru
    Мобильный рефератник - для мобильных людей.