Формализованный подход к разработке прикладных программ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Формализованный подход к разработке прикладных программ

Если целевая функция контроллера сформулирована, т.е. задача на разработку поставлена, то для получения текста исходной программы необходимо выполнить ряд последовательных действий:

1) подробное описание задачи;

2) анализ задачи;

3) инженерную интерпретацию задачи, желательно с привлечением того или иного аппарата формализации (граф автомата, сети Петри, матрицы состояний и связности и т.п.);

4) разработку общей блок-схемы алгоритма (БСА) работы контроллера;

5) разработку детализированных БСА отдельных процедур, выделенных на основе модульного принципа составления программ;

6) детальную проработку интерфейса контроллера и внесение исправлений в общую и детализированные БСА;

7) распределение рабочих регистров и памяти МК;

8) формирование текста исходной программы.

В результате работы по трем первым пунктам данного перечня получают так называемую функциональную спецификацию прикладной про граммы МК, в которой основное внимание уделяется детализации способов формирования входной и выходной информации.

На языке схем алгоритмов разработчик описывает метод, выбранный для решения поставленной задачи. Довольно часто бывает, что одна и та же задача может быть решена различными методами. Способ решения задачи, выбранный на этапе ее инженерной интерпретации, на основе которого формируется БСА, определяет не только качество разрабатываемой прикладной программы, но и качественные показатели конечного изделия.

Разработка БСА очень похожа на разработку аппаратурных средств систем автоматики и обработки данных. В основу разработки БСА положена та же самая процедура модульного проектирования, которая традиционно используется разработчиками аппаратурных средств Отличие состоит в том, что при разработке аппаратурных средств в качестве "строительного" материала используются логические схемы триггеры, регистры и другие интегральные элементы, а при создании программного обеспечения разработчик оперирует командами, подпрограммами, таблицами и другими программными объектами из арсенала средств обработки данных.

Так как алгоритм есть точно определенная процедура, предписывающая контроллеру однозначно определенные действия по преобразовании "сырых" исходных данных в обработанные выходные данные, то разработка БСА требует предельной точности и однозначности используемо” атрибутики: символических имен переменных, констант (уставок), подпрограмм (модулей), символических адресов таблиц, портов ввода/вывода и т.п. Основное внимание при разработке БСА следует уделить тому разделу функциональной спецификации прикладной программы, в котором приводится описание аппаратуры сопряжения МК с объектом управления. (Это описание для успешной разработки программного обеспечения должно быть детализировано вплоть до электрических и временных характеристик каждого входного и выходного сигнала или устройства).

Секрет успеха разработки прикладной программы МК заключается в использовании метода декомпозиции, при котором вся задача последовательно разделяется на меньшие функциональные модули, каждый из которых можно анализировать, разрабатывать и отлаживать отдельно от других. При выполнении прикладной программы в МК управление без всяких двусмысленностей передается от одного функционального модуля к другому. Схема связности этих функциональных модулей, каждый из которых реализует некоторую процедуру, образует общую (или системную) БСА прикладной программы. Это разделение задачи на модули и субмодули выполняется последовательно до такого уровня, когда разработка БСА модуля становится простым и понятным делом. Метод последовательной декомпозиции обладает достаточной гибкостью, что позволяет привести степень детализации БСА в соответствие со сложностью процедуры. Не следует стесняться при выполнении декомпозиции дойти до модулей, которые почти тривиальны. Ведь именно эту цель (получение очень простого и "прозрачного" алгоритма модуля) преследует разработчик, когда он стремится заставить МК надежно выполнять требуемую работу по управлению объектом. Язык графических образов БСА можно использовать на любом уровне детализации описания модулей вплоть до того, что каждому оператору БСА будет соответствовать единственная команда МК.

Структурное программирование есть процесс построения прикладной программы из строгого набора программных модулей, каждый из которых реализует определенную процедуру обработки данных. Программные модули должны иметь только одну точку входа и одну точку выхода. Только в этом случае отдельные модули можно разрабатывать отлаживать независимо, а затем объединять в законченную прикладную программу с минимальными проблемами их взаимосвязей. Источником подавляющего большинства ошибок программирования является использование модулей, имеющих один вход и несколько выходов. При необходимости организации множественных ветвлений в программе декомпозицию задачи выполняют таким образом, чтобы каждый функциональный модуль имел только один вход и один выход. Для этого условные операторы (имеющие два выхода) или включают внутрь модуля, объединяя их с операторами обработки, или выносят в систему межмодульных связей, формируя тем самым БСА более высокого ранга.

В международном стандарте на программный продукт HIPO (Hierarchy-Input-Process-Output) ("хай-по") декларируется аналогичный подход к разработке прикладных программ.

Разработка БСА функционального модуля программы имеет ярко выраженный итеративный характер, т.е. требует многократных проб, прежде чем возникает уверенность, что алгоритм реализации процедуры правильный и завершенный. Вне зависимости от функционального назначения процедуры при разработке ее БСА необходимо придерживаться следующей очередности работы:

1. Определить, что должен делать модуль (это уже было сделано при разработке системной БСА, но теперь разработчик имеет дело с фрагментом прикладной программы, а не с целой программой, и, следовательно, может потребоваться доопределение и уточнение целевого назначения процедуры).

2. Определить способы получения модулем исходных данных (от датчиков через порты ввода, или из таблиц в памяти, или через рабочие регистры). Для реализации ввода исходных данных в модуль в его БСА надо включить соответствующие операторы. 3. Определить необходимость какой-либо предварительной обработки введенных исходных данных (маскирование, сдвиг, масштабирование, перекодировка). Если до использования "сырых" данных требуется их предобработка, то в состав БСА включаются соответствующие операторы.

4. Определить способ преобразования входных данных в требуемые выходные. Используя операторы процедур и условные операторы принятия решения, отобразить на языке БСА выбранный метод содержательной обработки исходных данных.

5. Определить способы выдачи из модуля обработанных данных (передать в память, или в вызывавшую программу, или в порты вывода информации). Необходимые действия отобразить в БСА.

6. Определить необходимость какой-либо постобработки выводимых данных (изменение формата, перекодирование, масштабирование, маскирование). Ввести в БСА операторы подготовки данных для вывода из модуля.

7. Вернуться к п. 1 настоящего перечня работ и проанализировать полученный результат. Выполнить итеративную корректировку БСА с целью сделать ее простой, логичной, стройной и обладающей четким графическим образом.

8. Проверить работоспособность алгоритма на бумаге путем подстановки в него действительных данных. Убедиться в его сходимости и результативности.

9. Рассмотреть предельные случаи и попытаться определить граничные значения информационных объектов, с которыми оперирует алгоритм, за пределами которых он теряет свойства конечности, сходимости или результативности. (Особое внимание при этом следует уделить анализу возможных ситуаций переполнения разрядной сетки МК, изменения знака результата операции, деления на переменную, которая может принять нулевое значение).

10. Провести мысленный эксперимент по определению работоспособности алгоритма в реальном масштабе времени, когда стохастические события, происходящие в объекте управления, могут оказать влияние на работу алгоритма. При этом самому тщательному анализу следует подвергнуть реакцию алгоритма на возможные прерывания с целью определения критических операторов, которые необходимо защитить от прерываний. Кроме того, в ходе этого мысленного эксперимента следует проанализировать логику алгоритма с целью определения таких последовательностей операторов, при выполнении которых МК может "не заметить" кратковременных событий в объекте управления. При обнаружении таких ситуаций в логику БСА следует внести коррективы.

Практика разработки программного обеспечения для МК показала, что последовательное использование описанной поэтапной процедуры проектирования алгоритмов, составляющей основу метода структурного программирования, позволяет уверенно получать работоспособные прикладные программы. Дисциплинированное следование этой поэтапной процедуре проектирования прикладных программ обеспечивает успех проекта! В противном случае "Вы рискуете заболеть страшным программным заболеванием, которое называется "вползающие особенности". Эта инфекция возникает, когда неадекватная спецификация задачи позволяет вползать в программу организмам, называемым "изящные особенности". Те изменения, которые легко учесть на этапе планирования, могут потребовать огромных усилий на этапе реализации программы. Болезнь эта к моменту обнаружения становится уже серьезной и привела к фатальному концу много программных проектов ". Чаще всего носителями этой болезни являются профессиональные программисты, которые способны заразить ею программирующих профессионалов. Если Вы стали жертвой "вползающих особенностей", то должны или начать заново разрабатывать функциональную спецификацию программного обеспечения, или быть готовыми к исключительно высоким трудозатратам на этапе отладки прикладной программы.

Преобразование разработанной БСА в исходный текст программы - дело несложное. Но прежде чем приступить к написанию программы, необходимо специфицировать память и выбрать язык программирования.

Спецификация памяти (и рабочих регистров) заключается в определении адреса первой команды прикладной программы, действительных начальных адресов стека, таблиц данных, буферных зон передачи параметров между процедурами, подпрограмм обслуживания прерываний и т.д. При этом следует помнить, что в МК память программ и память данных физически и логически разделены.

Диапазон языков написания исходного текста прикладной программы простирается от машинного кода до почти естественного языка. В машинном коде или на языке ассемблера программировать труднее и дольше, чем на алгоритмическом языке высокого уровня, но зато получается более короткий код программы, требуется меньшая емкость памяти программы и выполняется такая программа быстрее. Объектные коды, полученные путем трансляции исходных программ, написанных на алгоритмическом языке высокого уровня, занимают в памяти МК-системы много больше места и требуют большего времени на исполнение. Выбор языковых средств составления исходных программ в каждом конкретном применении зависит от характеристик прикладной задачи, опыта программиста и допустимых затрат на разработку.

По нашему мнению, огромное большинство прикладных задач управления объектами вследствие того, что они должны решаться в реальном времени, предъявляет столь высокие требования по быстродействию, что для их решения основным языковым средством написания прикладных программ еще долгие годы будет оставаться язык ассемблера. Это положение о преимущественном использовании языка ассемблера подкрепляется и тем обстоятельством, что однокристальные МК имеют ограниченный объем РПП и, следовательно, критичны к длине прикладных программ.

Понятие алгоритма. Свойства алгоритма. Виды алгоритмов. Способы описания алгоритмов

Алгоритмом называется точное и понятное предписаниe исполнителю совершить последовательность действий, направленных на решение поставленной задачи. Слово «алгоритм» происходит от имени математика Аль Хорезми, который сформулировал правила выполнения арифметических действий. Первоначально под алгоритмом понимали только правила выполнения четырех арифметических действий над числами. В дальнейшем это понятие стали использовать вообще для обозначения последовательности действий, приводящих к решению любой поставленной задачи. Говоря об алгоритме вычислительного процесса, необходимо понимать, что объектами, к которым применялся алгоритм, являются данные. Алгоритм решения вычислительной задачи представляет собой совокупность правил преобразования исходных данных в результатные.

Основными свойствами алгоритма являются:

1. детерминированность (определенность). Предполагает получение однозначного результата вычислительного процecca при заданных исходных данных. Благодаря этому свойству процесс выполнения алгоритма носит механический характер;

2. результативность. Указывает на наличие таких исходных данных, для которых реализуемый по заданному алгоритму вычислительный процесс должен через конечное число шагов остановиться и выдать искомый результат;

3. массовость. Это свойство предполагает, что алгоритм должен быть пригоден для решения всех задач данного типа;

4. дискретность. Означает расчлененность определяемого алгоритмом вычислительного процесса на отдельные этапы, возможность выполнения которых исполнителем (компьютером) не вызывает сомнений.

Алгоритм должен быть формализован по некоторым правилам посредством конкретных изобразительных средств. К ним относятся следующие способы записи алгоритмов: словесный, формульно-словесный, графический, язык операторных схем, алгоритмический язык.

Наибольшее распространение благодаря своей наглядности получил графический (блок-схемный) способ записи алгоритмов.

Блок-схемой называется графическое изображение логической структуры алгоритма, в котором каждый этап процесса обработки информации представляется в виде геометрических символов (блоков), имеющих определенную конфигурацию в зависимости от характера выполняемых операций. Перечень символов, их наименование, отображаемые ими функции, форма и размеры определяются ГОСТами.

При всем многообразии алгоритмов решения задач в них можно выделить три основных вида вычислительных процессов:

• линейный;

• ветвящийся;

• циклический.

Линейным - называется такой вычислительный процесс, при котором все этапы решения задачи выполняются в естественном порядке следования записи этих этапов. алгоритм блок схема программа

Ветвящимся - называется такой вычислительный процесс, в котором выбор направления обработки информации зависит от исходных или промежуточных данных (от результатов проверки выполнения какого-либо логического условия).

Циклом называется многократно повторяемый участок вычислений. Вычислительный процесс, содержащий один или несколько циклов, называется - циклическим. По количеству выполнения циклы делятся на циклы с определенным (заранее заданным) числом повторений и циклы с неопределенным числом повторений. Количество повторений последних зависит от соблюдения некоторого условия, задающего необходимость выполнения цикла. При этом условие может проверяться в начале цикла -- тогда речь идет о цикле с предусловием, или в конце -- тогда это цикл с постусловием.

Технологии программирования