Система графического программирования-исполнения, построенная на принципах схемной эмуляции

ИННОВАЦИОННЫЙ ПРОЕКТ — «ПУЛЬС» :

(описание идеи) Система графического программирования — исполнения, построенная на принципах схемной эмуляции Универсальная платформа эмуляции алгоритмов и систем Программа схемной эмуляции «Пульс» в основе архитектуры потокового суперкомпьютера Сравнительный анализ с известными архитектурами Ковалев Сергей, г. Киев [email protected]

Содержание статьи

Аннотация Предисловие Недостатки современных методов проектирования аппаратно-программных систем Программа схемной эмуляции «Пульс»

Графическое программирование: миф о SCADA системах Универсальная платформа эмуляции Преимущества эмуляции Схемная эмуляция и автоматное программирование Архитектура потоковой суперЭВМ, построенной на принципах схемной эмуляции. Сравнительный анализ с известными архитектурами Послесловие Немного истории

" … если вы хотите добиться настоящего успеха в бизнесе, вы должны иметь такую идею, которой нет у других" .

Г.Форд

Аннотация

Представляемая к рассмотрению аппаратно-программная система «Пульс» позиционируется мною как альтернатива существующей в настоящее время широкой номенклатуре микропроцессорных платформ, а также средствам и методам их программирования.

Так исторически сложилось, что до настоящего времени реализовать любой алгоритм представлялось возможным только двумя способами: аппаратным или программным. Авторская идея схемной эмуляции алгоритмов и систем впервые открывает новый путь реализации алгоритмов — их эмуляцией в авторской среде схемной эмуляции.

В основе проекта лежит авторский программный модуль схемной эмуляции, позволяющий создать принципиально новую среду исполнения — систему эмуляции графических образов проектов пользователей, как альтернативную среду традиционным системам исполнения, построенных на принципах компиляции или интерпретации исходных программных текстов.

С одной стороны, целью проекта есть стремление приблизить средства разработки различных аппаратно-программных систем к широкому кругу конечных пользователей, дав им в руки инструментарий, позволяющий реализовывать задуманные ими системы из готовых аппаратно-программных «кубиков» и освободив их, тем самым, от посредничества электронщиков и программистов. Инструментарий, позволяющий просто эмулировать проекты, представленные в графическом виде, на PCплатформах или на т.н. Универсальной Платформе Эмуляции алгоритмов и систем: от простейших систем автоматики — до АСУ ТП масштаба предприятия, от систем сбора и обработки информации — до диагностических комплексов и систем моделирования различных процессов и т. д.

С другой стороны, представляемая Система Эмуляции позволяет использовать язык графического программирования так называемого уровня структурных схем, соответствующий уровню системотехнического проектирования электронных систем. Такой язык обладает гораздо большей функциональной мощностью представления проектов, чем известные языки программирования, как текстовые, так и графические. Проектирование различных задач на языке такого уровня позволит создавать проекты, реализовать которые в рамках парадигмы современных языков программирования крайне затруднено, а то и вообще невозможно. Что, безусловно, придаст новый импульс к развитию таких направлений искусственного интеллекта, как: Системы Понимания, Базы Знаний, Экспертные Системы и т. д. Представляемая к рассмотрению система эмуляции позволяет также с легкостью строить кластерные системы, состоящие практически из любого числа PCплатформ.

Тем не менее, идеальной средой, в которой все важнейшие свойства авторского модуля схемной эмуляции могут быть раскрыты, является не среда современных микропроцессоров, а аппаратная среда параллельного действия т.н. вентильных массивов микросхем программируемой логики (ПЛИС). Именно соединение принципа многопоточности авторского алгоритма с принципами параллельного действия микросхем ПЛИС является источников создания принципиально новой мультипроцессорной вычислительной архитектуры — потокового суперкомпьютера.

Предисловие

В статье раскрывается идея использования авторской программы схемной эмуляции в основе Системы Графического Программирования и организации среды исполнения алгоритмов и систем, представленных в графическом виде. Представляемую систему следует рассматривать как альтернативу широко известным на сегодня SCADA и SoftLogic — системам. А поскольку по своему функциональному назначению такие системы предназначены для программирования встраиваемых платформ автоматики, то дальнейшее изложение возможностей своей системы я начну проводить именно под углом зрения АСУ ТП. Но здесь я особо хочу подчеркнуть, что если область применения современных SCADA ограничивается исключительно тематикой автоматизации, то для предлагаемой к рассмотрению Системы Эмуляции — это только начало!

В представляемой системе программирование аппаратно-программных устройств любой сложности замещается этапом составления проектов пользователей на уровне их графического представления, путем рисования необходимых схем (алгоритмы, графы и т. д.) в среде графического редактора. Однако на этом все сходство с известными системами заканчивается. Потому что основополагающим принципом работы всех без исключения SCADA основано на дальнейшем этапе банальной перекомпиляции графического образа проекта в последовательность программных кодов. Да по-другому, в принципе, и быть не могло — ведь использование любого микропроцессора (как системы исполнения) предполагает наличие программного обеспечения. В свою очередь, создание программ подразумевает использование каких-либо языков программирования, а также сопутствующих им средств разработки, включающие в себя компиляторы или интерпретаторы.

До некоторого времени это было нормально, пока мировая техническая мысль все более настойчиво не стала сталкиваться с пониманием того факта, что архитектура современных ЭВМ, основанная на принципах фон Неймана, все слабее стыкуется с парадигмой современных языков программирования, известного как семантический разрыв.

Идея использовать принцип схемной эмуляции в основе системы исполнения открывает принципиально новый путь к созданию аппаратно-программных управляющих, вычислительных и интеллектуальных систем. Для такой системы исполнения представление проектов пользователей на уровне графических схем представляется естественной формой и не требует каких-либо перекодировок.

Главным ее преимуществом является то, что отказ от использования программных текстов и переход непосредственно к эмуляции (имитации) работы графического рисунка проекта несет в себе целый ряд преимуществ, которые не доступны традиционным системам программирования. Одно из них — возможность составлять проекты на гораздо более высоком уровне графического представления, чем это допускают существующие SCADA — на т.н. уровне Структурных Схем, что соответствует уровню системотехнического проектирования сложных электронных систем. В свою очередь, это влечет за собой поразительные возможности при проектировании — от простой, но эффективной реализации принципа масштабирования промышленных систем автоматики — до проектирования такого уровня сложности систем, как Экспертные Системы, Системы Понимания, Базы Знаний и т. д.

В статье последовательно проводится идея, что проектирование упомянутых систем, по сути являющихся «черным золотом» XXI века, до конца не может быть реализовано в рамках парадигмы существующих языков программирования. Только проектирование на уровне Структурных Схем, способно привнести по настоящему действенный импульс в развитие упомянутых направлений информатики, которые, по существу, давно находятся в состоянии застоя.

Представляемая к рассмотрению Система Эмуляции в самом полном объеме позволяет реализовать давнюю мечту проектировщиков о единой (сквозной) спецификации проектов для всех стадий разработки: общепринятый цикл любого технологического процесса — «заказчик > технолог > электронщик > программист > электронщик > технолог > заказчик» — она полностью отменяет. Такая система впервые предоставляет возможность самому пользователю, как специалисту в своей области знаний (физику, математику, биологу, лингвисту и т. д.), непосредственно сосредоточиться над реализацией своего проекта, не прибегая при этом к услугам, как электронщиков, так и программистов.

Другим, принципиально важным свойством представляемой системы эмуляции, есть то, что в основу ее работы положен механизм параллельного действия. Конечно же, в среде PC платформ или встраиваемых микропроцессоров, принцип многопоточности может только имитироваться. Для наиболее же полного раскрытия свойств алгоритма требуется и среда параллельного действия. К счастью, в настоящее время такая среда уже существует — это т.н. матрицы вентильных массивов FPGA (Field-Programmable Gate Arrays) микросхем программируемой логики (ПЛИС).

Именно соединение этих двух компонент — авторского алгоритма схемной эмуляции (реализованного на принципах многопоточности), и матрицы вентильных массивов (как устройства параллельного действия), открывает широчайшие возможности для проектирования таких систем, как потоковых суперЭВМ.

К слову сказать, идея потоковых машин — «стара как мир». Ежегодно относительно этого, в целом по миру, печатается огромное число статей и монографий, благополучно защищаются диссертации, тратятся миллионы долларов на изготовление прототипов. Но то, что архитектура фон Неймана по-прежнему «правит миром» — говорит о глубоком системном кризисе, поразившем эту область знаний.

Другим, активно развиваемым направлением, сегодня можно считать проектирование суперЭВМ на основе т.н. реконфигурируемых вычислительных систем (РВС), которые по сути также можно назвать потоковыми. Но, не смотря на все интеллектуальные усилия в этом направлении за последние десятилетия, дальше разработки экспериментальных образцов дело также пока не дошло.

Данная статья преследует целью показать, что использование идеи Схемной Эмуляции в основе потоковой суперЭВМ способно кардинально изменить ситуацию. Потому что всех тех проблем, которые присущи традиционным архитектурам — здесь просто нет!

Разработка архитектуры потоковой суперЭВМ, основанной на принципах схемной эмуляции, — это еще один пример, служащий подтверждению универсальности идеи схемной эмуляции, другими словами — широкому спектру областей, в которых она может с успехом быть применена.

Время показало, что копирование западных технологий — путь бесперспективный, только оставляющий нам право пожизненно находится в роли догоняющих. В свою очередь, внедрять новые технологии под видом так любезно предоставляемых нам готовых инвестиционных проектов — значит «посадить» себя на «технологическую иглу» на длительный исторический период. Поэтому со всей уверенностью можно сказать, что только развитие и использование отечественного потенциала изобретений и ноу-хау есть путь единственно верный.

Целью данной статьи является популяризация авторской идеи использования принципов схемной эмуляции в основе системы графического программирования-исполнения. Идея является абсолютно оригинальной и не имеет аналогов в мире. И как я попытаюсь показать — обладает уникальным потенциалом к развитию во многих областях знаний.

Реализация (коммерциализация) проекта «Пульс» придаст мощный импульс к развитию таких направлений как системы автоматики, АСУ ТП, интеллектуальные системы и суперЭВМ. Что, в свою очередь, послужит надежной базой для качественного развития большого числа различных отраслей знаний. Это позволит нам со всей справедливостью занять лидирующие позиции в мире в деле построения постиндустриальной державы, совершить качественный рывок в этом направлении. И это в то время, когда мы пока далеки еще даже от уровня развитого индустриального государства, сохраняя пока имидж сырьевой базы для мировой экономической системы. Именно развитие собственных высокоинтеллектуальных и высокопроизводительных вычислительных систем способны стать локомотивом развития всей отечественной экономики. Другого пути просто нет.

Недостатки современных методов проектирования аппаратно-программных систем

Поскольку я собираюсь говорить далее о недостатках, присущих существующим методам и средствам проектирования аппаратно-программных систем, то придется говорить как о проблемах аппаратного обеспечения, так и проблемах, привносимых непосредственно программированием.

Главная аппаратная проблема — это трудноперечислимое количество микропроцессорных кристаллов и платформ, построенных на их основе. С появлением первых микропроцессоров возникло было мнение, что наконец-то разработчики систем получили в свое распоряжение универсальное устройство, которое, в случае изменения алгоритма задачи, достаточно будет просто перепрограммировать. Однако, функциональные ограничения, накладываемые на кристалл со стороны его регистровой структуры, внутренней памяти и каналов ввода — вывода, показали, что говорить об абсолютной универсальности пока еще рано. Поэтому перед любым специалистом, приступающим к разработке микропроцессорной системы, с первых шагов встает вопрос выбора кристалла и средств его программирования. Важным фактором при выборе выступает сама задача. Чем объемнее и сложнее реализуемый ею алгоритм — тем мощнее должен быть микропроцессор. Затем наступают этапы изготовления платформы, ее отладки и дальнейшего доведения в составе системы, включающего в себя как устранение ошибок, допущенных электронщиком на этапах проектирования и изготовления, так и ошибок программирования.

К тому же, современные средства отладки выполняют функции замещения только для процессора и памяти, и не являются конструкторами для всей системы. Задача проектирования и отладки подсистемы ввода-вывода целиком ложится на разработчика. Да и проектирование самого процессорного ядра с точки зрения схемотехники и топологии нетривиальна даже для опытного разработчика.

Справедливости ради нельзя не согласиться, что в настоящее время немалое число как отечественных, так и зарубежных фирм предлагают готовые системы в виде разного рода отладочных плат и плат развития, которые нужно только запрограммировать. Но говорить об универсальности и тут не приходится, потому как всякая из них «заточена» на конкретную область применения, а также на удовлетворение определенных узких интересов фирм производящих такие платформы.

Определенный вопрос вызывает факт наличия компонентов, в особенности, что касается ремонта уже эксплуатируемого оборудования, для которого ключевые компоненты могут уже не производиться. Проблема компонентов, как и вопрос замены морально устаревшего оборудования, зачастую приводит к банальной необходимости начинать с нуля разработку новой системы.

В целом, общество несет большие накладные расходы, занимаясь производством громадного количества систем, которые через несколько лет эксплуатации попросту выбрасываются на свалку.

Что касается проблем программирования, то про это, как говориться, исписаны тома. В специальной литературе и всемирной Сети этому явлению дано определение как кризис программирования. Сегодня принято выделять несколько проблем, которые, собственно, и превращают программирование в кризис:

Первая — это лавинообразный рост программного кода в программных продуктах, связанный с ростом функциональной сложности прикладных программ. Все больше усилий требуется от разработчика на написание и отладку кода, оставляя меньше сил и времени на проработку самой задачи, поиск ошибок и оптимизацию. Сам же процесс исправления ошибок все более напоминает латание дыр.

Вторая — это все более растущее число логических ошибок в программах. Это объясняется тем, что любая программа способна правильно реагировать только на ту комбинацию событий, которые предусмотрел программист. Вне зависимости от методов разработки у любой программы есть состояния, в каждый момент времени определяемое значениями всех ее переменных. Тогда изменение значения одной из управляющих переменных будет означать изменение состояния программы, а число состояний программы будет определяться максимально возможным количеством комбинаций значений управляющих переменных, возникающим при ее работе.

Если предположить, что в программе используются только двоичные управляющие переменные (флаги), то в этом случае количество состояний будет стремиться к 2n. Поэтому нет никакой гарантии, что в процессе работы программы не возникнет неожиданное сочетание входных воздействий, когда программа перейдет в непредусмотренное состояние.

Такие состояния Фредерик Брукс назвал «невизуализированными». «Сложность служит причиной перечисления, а тем более понимания всех возможных состояний программы, а отсюда возникает ее ненадежность … «[Брукс Ф. Мифический человеко-месяц или как создаются программные системы. СПб.: Символ, 2000. 304 с.]

На заре компьютерной техники программы решали сравнительно несложные задачи, поэтому и были сравнительно невелики. Естественно, и в таких объемах появлялись ошибки, но для их поиска не надо было перелопачивать мегатонны кода.

Согласно данным отчета Национального института по стандартам и технологии, объем экономических потерь из-за ошибочного ПО только в США достигает нескольких миллиардов долларов в год, что составляет около 1% национального валового внутреннего продукта. (Research Triangle Institute, NIST Planning Report 02−3, May 2002).

Третья — это отсутствие явных методов формализации. Результатом совместной работы заказчика и технолога является некий алгоритм, представленный в виде графического рисунка или описания — что выступает основой документа, называемого техническим заданием.

Затем программисту необходимо проделать неформальную операцию перевода этого документа в язык машинных кодов — программного продукта предоставляемого заказчику. Вот тут-то и начинаются все беды. В большинстве случаев переход от алгоритмизации к программированию представляет определенную проблему. Программисту приходится додумывать, как представить ее вычислителю на понятном ему языке — языке программных кодов. По существу получается, что программа отображает то, как программист смог понять исходный алгоритм. В конечном счете, появляются два алгоритма: один на бумаге, для отчетности и документирования проектных решений, второй — в листинге программы.

Зачастую получается так, что граф алгоритма, разработанного программистом, не совпадет с графом исходного алгоритма. Другими словами, графы оказываются не изоморфными. К чему это может привести? — к тому, что «местами» программа, разработанная программистом, может работать не так, как изначально было задумано. В чем это выражается? Известна история про то, как при испытаниях некоей навигационной системы периодически происходил ее сброс. После долгих разбирательств выяснилось, что при переходе уровня моря (уровня Мирового океана) происходила ошибка «деление на ноль». В другом случае перестала работать географическая система, когда ее решили использовать на другой территории. Как выяснилось, ошибка была связана с переходом через широту 90o.

Э. Дейкстра по этому поводу писал: «Я знал, что программы могут очаровывать глубиной своего логического изящества, но мне постоянно приходилось убеждаться, что большинство из них появляются в виде, рассчитанном на механическое выполнение, и что они совершенно не пригодны для человеческого восприятия …» [Дейкстра Э., Дисцмплина программирования. М: Мир, 1979.]

В дополнение к сказанному можно сказать, что программирование, несмотря на свою массовость, по-прежнему остается искусством. На практике это, попросту говоря, означает, что каждый программист программирует так, как умеет. Вот почему степень затрат времени и средств, выделяемых на проект, до сих пор находятся в прямой зависимости от способностей и амбиций программиста. К тому же, Он оказывается единственным держателем важнейшей логической информации и человеком, способным разобраться в своем творении и от которого, в конечном счете, зависит судьба всего проекта. Нечего уже и говорить про случай, когда человек может просто уволиться в разгар проекта.

Четвертая — уровень современных, все более сложных задач, все настойчивее ставит перед разработчиками аппаратно-программных систем применения все более сложных механизмов их реализации. Прежде всего, тут можно упомянуть про задачи параллельной обработки информации и параллельных сосредоточенных и распределенных вычислений.

И здесь вся трудоемкость процесса выявления в алгоритме задачи мест, которые могут быть разделены на отдельные потоки, их синхронизацию и т. д. — целиком и полностью ложится на плечи программиста. Но мало того, что задача эта способствует добавлению в программу большого объема кодов, напрямую не связанных с выполнением главной задачи, но также существенным образом увеличивает издержки на тестирование и, в конечном счете, снижает надежность программного продукта.

А что же предлагает взамен названных проблем представляемая в данной статье идея эмуляции алгоритмов и систем? Резюмирую пока вкратце наблюдаемые преимущества, оставив более полное их раскрытие по ходу статьи.

Ну, во-первых, как альтернатива всему многообразию микропроцессорных платформ идея эмуляции предлагает универсальную (единую и полнофункциональную) платформу, называемую далее — Универсальной Платформой Эмуляции алгоритмов и систем. Универсальность ее проявляется в том, что в случае, когда мощности одной платформы окажется недостаточной для размещения в ней всего рисунка проекта пользователя, проблема решается простым добавлением в систему некоторого (необходимого) числа точно таких же платформ. Тогда весь исходный рисунок необходимо разбить на N частей, каждая из которых затем загружается в отдельную платформу.

При этом, объединение всех фрагментов в функциональном плане, происходит на уровне обобщенной программной модели проекта, которая формируется благодаря совместной работе программных модулей схемной эмуляции, аппаратно прошитых в каждую платформу. А выявление и синхронизация всех параллельных процессов в модели происходит автоматически. То есть, система не нуждается в написании каких-либо программных кодов по организации межплатформенного обмена (служебной информации и данных задачи). Соединение же всех N платформ на физическом уровне организуется по сетевому интерфейсу.

И во-вторых, составление любых проектов пользователь выполняет исключительно в графическом виде, путем рисования в среде графического редактора схем алгоритмов, графов, структурных схем и т. д. Пользователь полностью освобожден от пользования какими-либо языками программирования, а значит, и от каких-либо инструментальных средств проектирования и отладки программ.

Программа схемной эмуляции " Пульс"

Итак, в основе предлагаемой к рассмотрению идеи лежит авторская программа Схемной Эмуляции. Что следует понимать под этим словосочетанием? Ведь любой электронщик возразит, что нет в природе программ такого класса. В качестве примера он упомянет так называемые программы-симуляторы, такие как Micro-CAP от «Spectrum SoftWare», PSpice от «MicroSim Corp.» и т. д. и т. п., то, что в советскую эпоху у нас принято было называть программами моделирования электронных устройств.

Исторически симуляторы появились в ответ на законное желание разработчиков электронных устройств иметь возможность проверять работу спроектированной схемы до того, как она будет реализована с помощью паяльника.

В таких программах уровни входных сигналов, выбираемые из так называемого массива входных воздействий, шаг за шагом «подаются» на вход программной модели. Разумеется, что само слово «массив» — это атрибут программистских «штучек» и не имеет ни малейшего отношения к реальным сигналам. Проектирование можно считать выполненным правильно в случае, если получены правильные временные соотношения для уровней сигналов во всех цепях устройства.

Результатом моделирования становится некий массив уровней сигналов в цепях схемы, который можно затем вывести на принтер или дисплей в виде графиков. Только вот, такие графики отображают динамику изменений сигналов в цепях модели, а не реальной системы.

А что же тогда есть эмуляция? Эмуляция — это моделирование, выполняемое в режиме реального времени и в реальной среде окружения периферийных устройств.

Для того чтобы программа схемотехнического моделирования превратилась в программу схемной эмуляции необходимо выполнение некоторых условий.

Первое — добиться того, чтобы программа моделирования работала не с программными массивами, а с реальными сигналами. В этом случае на вход программной модели должны подаваться не комбинации входных событий, выбираемые из программного массива, а уровни сигналов, снимаемых с реальной системы. В тоже время, отклики, снимаемые с программной модели, опять-таки, должны подаваться на реальные исполняющие устройства.

Второе — добиться того, чтобы программа моделирования работала в режиме реального времени, а не какой-либо условной временной шкале. Потому что эмуляция — это имитация поведения какого-либо реального устройства, как будто его схема уже реализована с помощью паяльника.

Под «режимом реального времени» следует понимать случай, когда скорость имитации становится соизмеримой со скоростью изменения процессов в реальном объекте управления. Другими словами, когда отклик, снимаемый с программной модели, будет поспевать за процессами, протекающими в реальной среде окружения.

Третье — сделать так, чтобы программа моделирования не требовала ресурсов PC. Соблюдение этого условия позволит размещать ее не только на PC платформах, но и во встраиваемых контроллерах. Выполнение этого условия позволит существенно сократить показатели стоимости на внедряемые системы.

Программу схемотехнического моделирования, удовлетворяющую выполнению вышеперечисленных условий, уже по праву можно назвать — Программой Схемной Эмуляции. В основу предлагаемой мною системы положен авторский алгоритм схемной эмуляции, реализованный в авторском программном продукте — схемном эмуляторе «Пульс» (автоpское свидетельство ПА No 214 от 12.08.96, Госудаpственное Агентство Укpаины по Автоpским и Смежным Пpавам).

В тоже время, разработанный и программно реализованный мною алгоритм, успешно выполняет еще одно условие — в основу его работы положен принцип параллельных потоков.

Конечно же, в среде PC платформ или встраиваемых микропроцессоров, принцип многопоточности может только имитироваться. Для наиболее же полного раскрытия свойств алгоритма требуется и среда параллельного действия. К счастью, в настоящее время реализация такой среды известна — это т.н. матрицы вентильных массивов FPGA (Field-Programmable Gate Arrays) микросхем программируемой логики (ПЛИС).

Именно соединение этих двух компонент — авторского модуля схемной эмуляции (реализованного на принципах многопоточности), и матрицы вентильных массивов (как устройства параллельного действия), открывает широчайшие возможности для проектирования таких систем, как потоковой супер-ЭВМ (машины потоков).

Осталось только ответить на последний вопрос: а какая вообще может быть связь между программой схемной эмуляции и эмуляцией алгоритмов или систем?

А все дело только в том, что понимать под словом «схема». Ведь это действительно может быть принципиальная схема некоторого электронного устройства, аппаратно реализующего некоторый алгоритм, но это может быть и непосредственно структурная схема управления некоторой системы: к примеру, АСУ ТП, системы управления летательным аппаратом, биологической или физической модели разрабатываемой конечным пользователем и т. д. В конце концов, это может быть рисунок релейных диаграмм (LD), функциональных блоковых диаграмм (FBD) или схема алгоритма.

По сути, уровень составления проекта пользователя (рисования схемы) определяется видом использованных в нем библиотечных компонент.

Эмуляция принципиальных схем — это, конечно, частный случай. Хотя ничто не запрещает пользователю реализовывать алгоритм управления путем использования электронной схемы, просто данный пример наглядно демонстрирует всю мощь метода.

Однако самым важным преимуществом системы эмуляции состоит в том, что она дает пользователю возможность проектировать на уровне Структурных Схем. Именно такой уровень представления проектов, с одной стороны, способен стать настоящим графическим языком межпрофессионального общения и с другой — позволит проектировать системы такой сложности, которые невозможно создать в средах существующих систем графического программирования и программирования вообще!

В завершении, не могу не коснуться вопроса терминологической путаницы, сложившейся в последнее время вокруг фразы «схемная эмуляция» и захлестнувшей нынче как специальную литературу, так и весь интернет. Под нею ныне сплошь и рядом почему-то стали подразумевать средства отладки микропроцессорных систем. По этому поводу так и хочется сказать — Господа хорошие, авторы статей — не путайте себя и не вводите в заблуждение доверчивых читателей! Потому что-то, про что Вы пишите, называется, все-таки, средствами «внутрисхемной эмуляции». А это, как говорится, — уже совсем другая история.

Графическое программирование и миф о SCADA системах

Справедливости ради нельзя не сказать, что в настоящее время уже существует множество инструментальных средств, в которых программирование некоторых систем также выполняется путем рисования схем. Это так называемые SCADA системы, предназначенные для программирования встраиваемых платформ систем автоматики.

Собственно говоря, наличие графического редактора рисования схем в какой-либо инструментальной среде разработки ныне и служит приметой — относится ли она к системе графического программированию или нет.

Поэтому, чтобы полнее увидеть преимущества системы графического программирования, построенной на принципах схемной эмуляции, в сравнении с огромным числом уже известных на сегодня систем, необходимо разобраться — а в чем же состоит идеология работы последних.

А для этого надо четко уяснить, что любая известная т.н. Система Графического Программирования строится на трех китах: графическом редакторе рисования схем, графическом компиляторе и системе исполнения.

Что касается редакторов рисования, то тут проблем вроде как бы и нет: даже спроектировать такую «штуку» под силу практически любому программирующему студенту.

А вот графические компиляторы — вещи гораздо более серьезные.

В «обязанности» этой компоненты входит просмотр графического рисунка проекта и генерация по нему исходного кода программы, который иначе программисту пришлось бы набирать «ручками». Затем исходный код компилируется в некоторый промежуточный код. Вся эта работа выполняется программистом на рабочей станции (ПК).

После этого файл промежуточного кода уже можно загружать во встраиваемый контроллер. Туда же загружается и специальный интерпретатор промежуточного кода — система исполнения.

Для чего нужен промежуточный код? Да лишь для того, чтобы максимально упростить интерпретатор (систему исполнения). Делается это с целью достичь возможности «всунуть» его в какую-либо микропроцессорную платформу, а также ускорить исполнение программы пользователя.

После сказанного должно стать понятным, что принципиальной разницы между SCADA системами и обычными системами визуального программирования, такими как DELPHI, VC или Visual Basic в принципе нет. Потому как в обоих случаях исходные тексты программ генерируются по визуальным компонентам, что были использованы в проекте.

Классическим примером сказанному может служить всенародно известная программа IsaGRAF (от ICS Triplex ISAGRAF Inc.). Здесь при компиляции файла графического проекта генерируется промежуточный, так называемый TIC-код, который затем загружается во встраиваемый контроллер. Туда же подгружается т.н. TIC-интерпретатор, который и выполняет функцию системы исполнения.

В не менее народной программе LabVIEW (от National Instruments) генерируемые исходные тексты кодируются в так называемый промежуточный G-код, который затем интерпретируется (исполняется) непосредственно на PC из среды LabVIEW.

Параллельно выше рассмотренной идеологии существует несколько отличная, заключающаяся в том, что еще на этапе работы графического компилятора генерируется не промежуточный код, а сразу исполняемый, который и загружается в промышленный компьютер.

Такая идеология, как правило, также предлагается известными системами графического программирования.

В LabVIEW для этого имеется приложение Application Builder for LabVIEW, которое позволяет сгенерировать оптимизированный код, сравнимый с программным кодом C-компилятора. Такой исполняемый код принято называть — RUN-TIME модулем.

Система IsaGRAF также позволяет проводить генерацию обычного C-исходного кода, откомпилировав который обычным C-компилятором мы получаем «классический» RUN-TIME модуль.

Идея RUN-TIME модулей нашла применение и в других системах класса HMI и SCADA, например в LookOut for Windows, (той же фирмы). А также широко известной UltraLogic (UltraLogic), где исполняемый файл располагается в PC-совместимых контроллерах типа ADAM.

И так далее, и тому подобное…

Какую бы другую систему мы далее не рассматривали — мы увидим все то же самое.

Не являются исключением и программирование на языке лестничных диаграмм (LD) для всех известных линеек ПЛК — MODICON, Siemens, Allen-Bradley и др.

А все по одной простой причине: ни интерпретацию, ни компиляцию в программировании пока еще никто не отменял.

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).