Инструментальные средства по разработке программного обеспечения. Средства разработки программ. Сущность и понятие инструментального программного обеспечения

09.06.2020

Сущность и понятие инструментального программного обеспечения

Инструментальное программное обеспечение (ИПО) - программное обеспечение, предназначенное для использования в ходе проектирования, разработки и сопровождения программ.

Применяется инструментальное обеспечение в фазе разработки. Инструментальное программное обеспечение - это совокупность программ, используемых для помощи программистам в их работе, для помощи руководителям разработки программного обеспечения в их стремлении проконтролировать процесс разработки и получаемую продукцию. Наиболее известными представителями этой части программного обеспечения являются программы трансляторов с языков программирования, которые помогают программистам писать машинные команды. Инструментальными программами являются трансляторы с языков Фортран, Кобол, Джо-виал, Бейсик, АПЛ и Паскаль. Они облегчают процесс создания новых рабочих программ. Однако трансляторы с языков это только наиболее известная часть инструментальных программ; существует же их великое множество.

Использование вычислительных машин для помощи в создании новых программ далеко не очевидно для людей, не являющихся профессиональными программистами. Часто же бывает так, что профессионалы рассказывают об инструментальном (фаза разработки) и системном (фаза использования) программном обеспечении на едином дыхании, предполагая, что не посвященному в тайны их мастерства известно об этой роли инструментального программного обеспечения. Так же как и в фазе использования (для прикладных программ), системное обеспечение работает и в фазе разработки, но только совместно с инструментальным обеспечением. Инструментальное ПО или системы программирования - это системы для автоматизации разработки новых программ на языке программирования.

В самом общем случае для создания программы на выбранном языке программирования (языке системного программирования) нужно иметь следующие компоненты:

1. Текстовый редактор для создания файла с исходным текстом программы.

2. Компилятор или интерпретатор. Исходный текст с помощью программы-компилятора переводится в промежуточный объектный код. Исходный текст большой программы состоит из нескольких модулей (файлов с исходными текстами). Каждый модуль компилируется в отдельный файл с объектным кодом, которые затем надо объединить в одно целое.

3. Редактор связей или сборщик, который выполняет связывание объектных модулей и формирует на выходе работоспособное приложение - исполнимый код.

Исполнимый код - это законченная программа, которую можно запустить на любом компьютере, где установлена операционная система, для которой эта программа создавалась. Как правило, итоговый файл имеет расширение.ЕХЕ или.СОМ.

В последнее время получили распространение визуальный методы программирования (с помощью языков описания сценариев), ориентированные на создание Windows-приложений. Этот процесс автоматизирован в средах быстрого проектирования. При этом используются готовые визуальные компоненты, которые настраиваются с помощью специальных редакторов.

Наиболее популярные редакторы (системы программирования программ с использованием визуальных средств) визуального проектирования:

Borland Delphi - предназначен для решения практически любых задачи прикладного программирования.

Borland C++ Builder - это отличное средство для разработки DOS и Windows приложений.

Microsoft Visual Basic - это популярный инструмент для создания Windows-программ.

Microsoft Visual C++ - это средство позволяет разрабатывать любые приложения, выполняющиеся в среде ОС типа Microsoft Windows

Таким образом, сущность инструментального программного обеспечения заключается в создании любой исполняемой программы, путем преобразования формально логических выражений в исполняемый машинный код, а также его контроль и корректировка.

Задачи и функции инструментального программного обеспечения

Для инструментального программного обеспечения, как особой разновидности программного обеспечения, характерны общие и частные

функции, как и для всего программного обеспечении в целом. Общие функции рассмотрены нами выше, а специализированными функциями, присущими только данному типу программ, являются:

1. Создание текста разрабатываемой программы с использованием специально установленных кодовых слов (языка программирования), а также определенного набора символов и их расположения в созданном файле - синтаксис программы.

2. Перевод текста создаваемой программы в машинно-ориентированный код, доступный для распознавания ЭВМ. В случае значительного объема создаваемой программы, она разбивается на отдельные модули и каждый из модулей переводится отдельно.

3. Соединение отдельных модулей в единый исполняемый код, с соблюдением необходимой структуры, обеспечение координации взаимодействия отдельных частей между собой.

4. Тестирование и контроль созданной программы, выявление и устранение формальных, логических и синтаксических ошибок, проверка программ на наличие запрещенных кодов, а также оценка работоспособности и потенциала созданной программы.

Виды инструментального программного обеспечения

Исходя из задач, поставленных перед инструментальным программным обеспечением, можно выделить большое количество различных по назначению видов инструментального программного обеспечения:

Текстовые редакторы

Интегрированные среды разработки

Компиляторы

Интерпретаторы

Линковщики

Парсеры и генераторы парсеров (см. Javacc)

Ассемблеры

Отладчики

Профилировщики

Генераторы документации

Средства анализа покрытия кода

Средства непрерывной интеграции

Средства автоматизированного тестирования

Системы управления версиями и др.

Следует отметить, что оболочки для создания прикладных программ создаются также инструментальными программами и поэтому могут быть отнесены к прикладным программам. Рассмотрим кратко назначения некоторых инструментальных программ.

Текстовые редакторы.

Текстовый редактор - компьютерная программа, предназначенная для обработки текстовых файлов, такой как создание и внесение изменений.

Состав САПР

САПР - система, объединяющая технические средства, математическое и программное обеспечение, параметры и характеристики которых выбирают с максимальным учетом особенностей задач инженерного проектирования и конструирования. В САПР обеспечивается удобство использования программ за счет применения средств оперативной связи инженера с ЭВМ, специальных проблемно-ориентированных языков и наличия информационно-справочной базы.

Структурными составными составляющими САПР являются подсистемы, обладающие всеми свойствами систем и создаваемые как самостоятельные системы. Это выделенные по некоторым признакам части САПР, обеспечивающие выполнение некоторых законченных проектных задач с получением соответствующих проектных решений и проектных документов.

По назначению подсистемы САПР разделяют на два вида: проектирующие и обслуживающие.

К проектирующим относятся подсистемы, выполняющие проектные процедуры и операции, например:

· подсистема компоновки машины;

· подсистема проектирования сборочных единиц;

· подсистема проектирования деталей;

· подсистема проектирования схемы управления;

· подсистема технологического проектирования.

К обслуживающим относятся подсистемы, предназначенные для поддержания работоспособности проектирующих подсистем, например:

· подсистема графического отображения объектов проектирования;

· подсистема документирования;

· подсистема информационного поиска и др.

В зависимости от отношения к объекту проектирования различают два вида проектирующих подсистем:

· объектно-ориентированные (объектные);

· объектно-независимые (инвариантные).

К объектным подсистемам относят подсистемы, выполняющие одну или несколько проектных процедур или операций, непосредственно зависимых от конкретного объекта проектирования, например:

· подсистема проектирования технологических систем;

· подсистема моделирования динамики, проектируемой конструкции и др.

К инвариантным подсистемам относят подсистемы, выполняющие унифицированные проектные процедуры и операции, например:

· подсистема расчетов деталей машин;

· подсистема расчетов режимов резания;

· подсистема расчета технико-экономических показателей и др.

Процесс проектирования реализуется в подсистемах в виде определенной последовательности проектных процедур и операций. Проектная процедура соответствует части проектной подсистемы, в результате выполнения которой принимается некоторое проектное решение. Она состоит из элементарных проектных операции, имеет твердо установленный порядок их выполнения и направлена на достижение локальной цели в процессе проектирования. Под проектной операцией понимают условно Выделенную часть проектной процедуры или элементарное действие, совершаемое конструктором в процессе проектирования. Примерами проектных процедур могут служить процедуры разработки кинематической или компоновочной схемы станка, технологии обработки изделий и т. п., а примерами проектных операций - расчет припусков, решение какого-либо уравнения и т. п.

Структурное единство подсистем САПР обеспечивается строгой регламентацией связей между различными видами обеспечения, объединенных общей для данной подсистемы целевой функцией. Различают следующие виды обеспечения:

· методическое обеспечение - документы, в которых отражены состав, правила отбора и эксплуатации средств автоматизации проектирования;

· лингвистическое обеспечение - языки проектирования, терминология;

· математическое обеспечение - методы, математические модели, алгоритмы;

· программное обеспечение - документы с текстами программ, программы на машинных носителях и эксплуатационные документы;

· техническое обеспечение - устройства вычислительной и организационной техники, средства передачи данных, измерительные и другие устройства и их сочетания;

· информационное обеспечение - документы, содержащие описание стандартных проектных процедур, типовых проектных решений, типовых элементов, комплектующих изделий, материалов и другие данные;

· организационное обеспечение - положения и инструкции, приказы, штатное расписание и другие документы, регламентирующие организационную структуру подразделений и их взаимодействие с комплексом средств автоматизации проектирования.

· 64 CALS-технологии .

CALS-технологии служат средством, интегрирующим промышленные автоматизированные системы в единую многофункциональную систему. Целью интеграции автоматизированных систем проектирования и управления является повышение эффективности создания и использования сложной техники.

В современных условиях становления глобального информационного общества роль информации и информационных технологий в подготовке будущего специалиста значительно возрастает. В ближайшем будущем стратегический потенциал общества будут составлять не энергетические ресурсы, а информация и научные знания. Информация становится главным ресурсом научно-технического и социально-экономического развития общества, существенно влияет на ускоренное развитие науки, техники и различных отраслей производства, играет значительную роль в процессе модернизации образования. Ценностно-смысловая характеристика образования в вузе и профессиональная деятельность специалистов должна выражаться в формировании интеллектуальной профессиональной среды, наиболее полно реализующей задачи научно-исследовательской и проектной деятельности.

Широкая компьютеризация всех видов деятельности человечества: от традиционных интеллектуальных задач научного характера до автоматизации производственной, торговой, коммерческой, банковской и других видов деятельности служит для повышения эффективности производства. В условиях рыночной экономики конкурентную борьбу успешно выдерживают только предприятия, применяющие в своей деятельности современные информационные технологии.

Именно информационные технологии, наряду с прогрессивными технологиями материального производства, позволяют существенно повышать производительность труда и качество продукции и в то же время значительно сокращать сроки постановки на производство новых изделий, отвечающих запросам и ожиданиям потребителей. Все сказанное в первую очередь относится к сложной наукоемкой продукции, в том числе к продукции технического назначения.

Опыт, накопленный в процессе внедрения разнообразных автономных информационных систем, позволил осознать необходимость интеграции различных информационных технологий в единый комплекс, базирующийся на создании в рамках предприятия или группы предприятий (виртуального предприятия) интегрированной информационной среды, поддерживающей все этапы жизненного цикла выпускаемой продукции. Профессиональная среда наиболее полно раскрывает возможности для профессионального совершенствования, используя новые информационные технологии в науке и в сфере управления производственными процессами. Инновационные технологии в области индустрии переработки информации с внедрением CALS-(Continuous Acquisition and Life cycle Support) технологии – непрерывной информационной поддержки жизненного цикла проектируемого объекта, переводит автоматизацию управления производственными процессами на новый уровень.

Использование информационных технологий, основанных на идеологии CALS, является одним из факторов, способствующих более эффективному внедрению системы автоматизированного управления предприятием.

Суть концепции CALS состоит в применении принципов и технологий информационной поддержки на всех стадиях жизненного цикла продукции, основанного на использовании интегрированной информационной среды, обеспечивающей единообразные способы управления процессами и взаимодействия всех участников этого цикла: заказчиков продукции (включая государственные учреждения и ведомства), поставщиков (производителей) продукции, эксплуатационного и ремонтного персонала. Эти принципы и технологии реализуются в соответствии с требованиями международных стандартов, регламентирующих правила управления и взаимодействия преимущественно посредством электронного обмена данными .

При использовании CALS-технологии повышается качество изделий за счет более полного учета имеющейся информации при проектировании и принятии управленческих решений, а также сокращаются материальные и временные затраты на проектирование и изготовление продукции. В процессе внедрения данной технологии обоснованность решений, принимаемых в автоматизированной системе управления предприятием (АСУП), будет выше, если лицо, принимающее решение и соответствующие программы управления, имеет оперативный доступ не только к базе данных АСУП, но и к базам данных других автоматизированных систем и, следовательно, может оптимизировать планы работ, содержание заявок, распределение исполнителей, выделение финансов и т.п. При этом под оперативным доступом следует понимать не просто возможность считывания данных из базы данных, но и легкость их правильной интерпретации, т.е. согласованность по синтаксису и семантике с протоколами, принятыми в АСУП. Технологические подсистемы должны с высокой точностью воспринимать и правильно интерпретировать данные, поступающие от подсистем автоматизированного конструирования. Этого не так легко добиться, если основное предприятие и организации-смежники работают с разными автоматизированными системами . Кроме того, становится актуальной проблема защиты информации по всему периметру действия технологических подсистем.

Применение CALS-технологий позволяет существенно сократить объемы проектных работ, так как описания ранее выполненных удачных разработок компонентов и устройств, многих составных частей оборудования, машин и систем, проектировавшихся ранее, хранятся в базах данных сетевых серверов, доступных любому пользователю CALS-технологии. Доступность и защита опять же обеспечиваются согласованностью форматов, способов, руководств в разных частях общей интегрированной системы. Кроме того, появляются более широкие возможности для специализации предприятий, вплоть до создания виртуальных предприятий, что также способствует снижению затрат.

В процессе внедрения CALS-технологии существенно снижаются затраты на эксплуатацию, благодаря реализации функций интегрированной логистической поддержки. Существенно облегчается решение проблем ремонтопригодности, интеграции продукции в различного рода системы и среды, адаптации к меняющимся условиям эксплуатации и т.п. Эти преимущества интеграции данных достигаются применением современных CALS-технологий.

Промышленные автоматизированные системы могут работать автономно, и в настоящее время организация процесса управления производством происходит на этой основе. Однако эффективность автоматизации будет заметно выше, если данные, генерируемые в одной из систем, будут доступны в других системах, поскольку принимаемые в них решения станут более обоснованными .

Опыт внедрения CALS-технологии показывает, чтобы достичь должного уровня взаимодействия промышленных автоматизированных систем, требуется создание единого информационного пространства в рамках как отдельных предприятий, так и, что более важно, в рамках объединения предприятий. Единое информационное пространство обеспечивается благодаря унификации как формы, так и содержания информации о конкретных изделиях на различных этапах их жизненного цикла.

Унификация формы достигается использованием стандартных форматов и языков представления информации в межпрограммных обменах и при документировании.

Унификация содержания, понимаемая как однозначная правильная интерпретация данных о конкретном изделии на всех этапах его жизненного цикла, обеспечивается разработкой онтологий (метаописаний) приложений, закрепляемых в прикладных протоколах CALS.

САПР – что это?

Итак, что же собой представляют системы автоматизированного проектирования? Под САПР подразумеваются автоматизированные системы, которые призваны реализовывать ту или иную информационную технологию путем проектирования. На практике САПР представляют собой технические системы, которые позволяют таким образом автоматизировать, обеспечить функционирование процессов, которые составляют разработку проектов. Под САПР в зависимости от контекста может иметься в виду:

программное обеспечение, применяемое в качестве основного элемента соответствующей инфраструктуры;

Совокупность технических и кадровых систем (в том числе и тех, что предполагают использование САПР в виде программного обеспечения), применяемых на предприятии с целью автоматизации процесса разработки проектов;

Таким образом, можно выделить широкую и более узкую трактовку термина, о котором идет речь. Тяжело сказать, какая из этих трактовок чаще применяется в бизнесе. Все зависит от конкретной сферы использования систем автоматизированного проектирования, а также от тех задач, для решения которых предполагается применять данные системы. Так, например, в контексте отдельно взятого цеха на производстве, под САПР предполагается конкретная программа для автоматизированного проектирования. Если речь идет о стратегическом планировании развития организации, то такое понятие как САПР скорее всего будет соответствовать масштабной инфраструктуре, которая задействуется с целью повышения эффективности разработки различных проектов. Необходимо отметить, что сам термин САПР представляет собой аббревиатуру, которая может расшифровываться по-разному. В общем случае данная аббревиатура соответствует сочетанию слов «система автоматизированного проектирования». Также существуют и другие варианты расшифровки данной аббревиатуры. Например, довольно распространен вариант «система автоматизации проектных работ». По смыслу английским аналогом термина САПР является аббревиатура CAD, в некоторых случаях также используется CAX.Давайте более подробно рассмотрим следующий вопрос: в каких целях могут создаваться системы автоматизированного проектирования в машиностроении и других сферах?

САПР: цели создания

Основной целью разработки САПР является повышение эффективности труда специалистов предприятия, которые решают различные производственные задачи, в том числе и те, которые связаны с инженерным проектированием. В данном случае повышение эффективности может осуществляться за счет следующих факторов:

Снижения трудоемкости процесса проектирования;

Сокращения сроков реализации проектов;

Снижения себестоимости проектных работ, и издержек, связанных с эксплуатацией;

Обеспечение повышения качества инфраструктуры проектирования.

Снижение издержек на проведение испытаний и моделирование.

САПР – это инструмент, который позволяет добиться отмеченных преимуществ за счет следующих факторов:

Эффективная информационная поддержка специалистов, участвующих в разработке проектов;

Автоматизация документации;

Применение концепций параллельного проектирования;

Унификация различных решений;

Применение математического моделирования, как альтернативы дорогостоящим испытаниям;

Оптимизация методов проектирования;

Повышение качества процессов управления бизнесом.

Теперь давайте рассмотрим, в какой структуре может быть представлена система автоматического проектирования.

САПР: классификации

К наиболее распространенным критериям классификации САПР относится отраслевое назначение. Выделяют следующие типы:

Автоматизированное проектирование инфраструктуры машиностроения;
САПР для электронного оборудования;
САПР в сфере строительства.

Первый тип систем САПР может быть использован в широком спектре отраслей: авиастроении, автомобилестроении, судостроении, производстве товаров народного потребления. Также соответствующая инфраструктура может быть использована с целью разработки как отдельных деталей, так и различных механизмов при использовании всевозможных подходов в рамках моделирования и проектирования.

Системы САПР второго типа используются для проектирования готового электронного оборудования и его отдельных элементов, например, интегральных микросхем, процессоров, и других типов аппаратного обеспечения.

САПР третьего типа могут быть задействованы с целью проектирования различных сооружений, зданий, элементов инфраструктуры.

Еще одним критерием, по которому можно классифицировать системы автоматизированного проектирования, является целевое назначение. Здесь выделяют:

Средства проектирования, используемые с целью автоматизации двумерных или трехмерных геометрических моделей, для формирования конструкторской документации;

Системы, используемые с целью разработки различных чертежей;

Системы, разработанные для геометрического моделирования;

Системы, предназначенные для автоматизации расчетов в рамках инженерных проектов и динамического моделирования;

Средства автоматизации, применяемые с целью технологической оптимизации проектов;

Системы, предназначенные для компьютерного анализа различных параметров по проектам.

Данная классификация считается условной.

В автоматизированную систему технологического проектирования может входить широкий спектр функций из числа перечисленных выше. Конкретный перечень возможностей САПР прежде всего определяет разработчик данной системы. Давайте рассмотрим, какие задачи он может решать.

Инструментальные системы разработки программного обеспечения Инструментальное программное обеспечение

Технология программирования в целом и средства поддержки разработки ПО, в частности, развиваются настолько быстро, что даже простое перечисление основных инструментальных систем заняло бы в этой книге слишком много места. Вот почему ниже мы остановимся кратко лишь на нескольких проектах в области технологии программирования, которые интересны в контексте данного издания.

Любая развитая технологическая система должна поддерживать все основные этапы создания проектируемого программного комплекса. Для достижения этой цели в общей структуре типовой технологической системы поддержки разработки (рис. 6.3) обычно выделяют базу данных проекта; подсистему автоматизации проектирования и программирования; подсистемы отладки, документирования и сопровождения, а также подсистему управления ходом выполнения проекта.

Рис. 6.3. Общая структура типовой технологической системы поддержки разработки

Развитые библиотечные системы поддержки разработки используются в настоящее время во всем мире во всех сколько-нибудь серьезных программных проектах. Но в подавляющем большинстве случаев такие системы достигли уровня удобства работы с ними квалифицированных программистов. Нас же, прежде всего, интересуют системы и проекты, в которых имеются тенденции к эксплицитному представлению технологических знаний, даже если они и не базируются на идеях и методах ИИ.

Один из таких проектов - Gandalf - ориентирован на автоматизированную генерацию систем разработки программного обеспечения. Исследования, выполняемые в рамках проекта Gandalf, касаются трех аспектов поддержки проектирования ПО: управление проектом, контроль версий и инкрементное программирование, а также интеграция их в единую среду. Управление в Gandalf-среде базируется на предположении, что разрабатываемый проект должен трактоваться как множество абстрактных типов данных, над которыми могут выполняться лишь определенные операции. Средством, реализующим данную концепцию, явилась система SDC (Software Development Control), представляющая собой набор программ, первоначально реализованных на языке Shell в системе UNIX, а позднее переведенная на язык С.

Исследования в области контроля версий были начаты еще Л. Коопридером на базе проекта FAFOS , где изначально анализировались возможности создания семейства операционных систем. Была разработана нотация для описания взаимодействия между подсистемами, для описания различных версий подсистем (исходного и объектного кода, документации и т. п.) и для описания действующих на этапе разработки механизмов (компиляция, редактирование связей и т. п.). Затем был создан специальный язык Intercol как средство описания взаимосвязи и версий модулей в системе. И, наконец, в систему были встроены знания о том, как конструировать систему из частей, не заставляя заниматься этим пользователя. В развитие этих работ была создана система SUCE, в рамках которой отслеживались различия между реализациями (версиями, которые действительно дают код для ряда спецификаций) и композициями (версиями, определяющими новые подсистемы как группы существующих подсистем).

В системе LOIPE (Language-Oriented Incremental Programming Environment) инкрементная компиляция выполняется на уровне отдельной процедуры. Достоинством такого подхода является то, что при коррекции процедуры на уровне локальных объектов или типов перекомпилируется только она. Если же меняется спецификация, то перекомпилируются и все зависящие от нее процедуры. Пользовательский интерфейс с LOIPE-системой базируется на подсистеме синтаксически-ориентированного редактирования ALOE (A Language-Oriented Editor). Целью разработки этой подсистемы было исследование возможности создания и использования синтаксически-ориентированных редакторов в качестве базиса для сред программирования.

Анализ литературы последних лет по технологии программирования показывает, что новой ветвью в технологии промышленной разработки и реализации, сложных и значительных по объему систем программного обеспечения является CASE-технология (Computer Aided Software Engineering) .

Первоначально CASE-технология появилась в проектах создания промышленных систем обработки данных. Это обстоятельство наложило свой отпечаток и на инструментальные средства CASE-технологии, где самое серьезное внимание уделялось, по крайней мере, в ранних CASE-системах, поддержке проектирования информационных потоков. В настоящее время наблюдается отход от ориентации на системы обработки данных, и инструментальные средства CASE-технологии становятся все более универсальными.

Все средства поддержки CASE-технологии делятся на две большие группы: САSE-Toolkits и CASE-Workbenches. Хороших русских эквивалентов этим терминам нет. Однако первые часто называют «инструментальными сундучками» (пакетами разработчика, технологическими пакетами), а вторые - «станками для производства программ» (технологическими линиями).

По определению CASE-Toolkit - коллекция интегрированных программных средств, обеспечивающих автоматическое ассистирование в решении задач одного типа в процессе создания программ.

Такие пакеты используют общее «хранилище» для всей технической и управляющей информации по проекту (репозиторий), снабжены общим интерфейсом с пользователем и унифицированным интерфейсом между отдельными инструментами пакета. Как правило, CASE-Toolkit концентрируются вокруг поддержки разработки одной фазы производства программ или на одном типе прикладных задач.

Все вышесказанное справедливо и по отношению к CASE-WorkBench. Но здесь, кроме того, обеспечивается автоматизированная поддержка анализа решаемых задач по производству программного обеспечения, которая базируется на общих предположениях о процессе и технологии такой деятельности; поддерживается автоматическая передача результатов работ от одного этапа к другому, начиная со стадии проектирования и кончая отчуждением созданного программного продукта и его сопровождением.

Таким образом, CASE-WorkBench является естественным «замыканием» технологии разработки, реализации и сопровождения программного обеспечения.

В настоящее время «типовая» система поддержки CASE-технологии имеет функциональные возможности, представленные на рис. 6.4.

Рис. 6.4. Функциональные возможности типовой системы поддержки CASE-технологии

Как следует из этой Н-диаграммы, в CASE-среде должны поддерживаться все основные этапы разработки и сопровождения процессов создания программных систем. Однако уровень такой поддержки существенно различен. Так, например, если говорить об этапах анализа и проектирования, большинство инструментальных пакетов поддерживает экранные и отчетные формы, создание прототипов, обнаружение ошибок. Значительная часть этих средств предназначена для ПЭВМ. Многие поддерживают такие широко используемые методологии, как структурный анализ DeMarco или Gane/Sarson, структурное проектирование Yourdan/Jackson и некоторые другие. Существуют специализированные пакеты разработчиков для создания информационных систем, например Ana Tool (Advanced Logical Software) для Macintosh; CA-Universe/Prototype (Computer Associates International) для ПЭВМ. Имеются CASE-среды и для поддержки разработки систем реального времени.

В среде разработчиков ПО существуют две оценки данного подхода: часть из них считает, что CASE-технология кардинально меняет процессы разработки и эксплуатации ПО, другие отрицают это и оставляют за инструментальными средствами CASE лишь функцию автоматизации рутинных работ . Однако анализ литературы показывает, что CASE средства все-таки «сдвигают» технологии разработки ПО с управления выполнением проектов в сторону метода прототипизации. И этот сдвиг, на наш взгляд, чрезвычайно важная тенденция в современной технологии программирования.

Инструментальные средства разработки ПО– это совокупность аппаратно-программных средств, позволяющих осуществить написание и отладку программ для микропроцессорных систем с большой степенью достоверности их работоспособности в реальных системах.

К ним относятся:

Внутрисхемные эмулятры;

Программные симуляторы;

Отладочные мониторы;

Платы развития (оценочные платы);

Эмуляторы ПЗУ;

Интегрированные среды разработки.

Внутрисхемный эмулятор – наиболее мощное и универсальное отладочное средство. Это программно-аппаратное средство, способное замещать процессор в реальной системе и делающее процесс функционирования отлаживаемого контроллера прозрачным, т. е. легко контролируемым, произвольно управляемым и модифицируемым по воле разработчика.

Функционально внутрисхемные эмуляторы делятся на стыкуемые с внешней ЭВМ и функционирующие автономно.

Стыковка с отлаживаемой системой производится с помощью специального кабеля с эмуляционной головкой, которая вставляется вместо отлаживаемого микроконтроллера или параллельно ему. В последнем случае микроконтроллер должен иметь отладочный режим, при котором все его выводы переводятся в третье состояние.

Основные функциональные блоки эмулятора:

Отладчик;

Узел эмуляции микроконтроллера;

Эмуляционная память;

Подсистема точек останова.

Дополнительные блоки:

Процессор точек останова;

Трассировщик;

Профилировщик (анализатор эффективности программного кода);

Таймер реального времени;

Программно-аппаратные средства, обеспечивающие возможность чтения и модификации эмулируемого процессора;

Программно-аппаратные средства, обеспечивающие синхронное управление, необходимое для эмуляции в мультипроцессорных системах.

Отладчик осуществляет:

Управление процессом эмуляции (моделирования);

Вывод на монитор состояния и содержимого всех регистров и памяти и, при необходимости, их модификации (изменение их содержимого).

Отладчик позволяет одновременно следить за ходом выполнения программы и видеть соответствие между исходным текстом, образом программы в машинных кодах и состоянием всех ресурсов эмулируемого микроконтроллера.

Эмуляционная память может применяться вместо ПЗУ отлаживаемой системы, а также дает возможность отлаживать программу без реальной системы или ее макета. (Нет необходимости в перепрограммировании ПЗУ.) Эмулирование возможно целиком или поблочно.

Трассировщик – это логический анализатор, работающий синхронно с процессором и фиксирующий поток выполняемых инструкций и состояния выбранных внешних сигналов.

Процессор точек останова позволяет останавливать выполнение программы или выполнять иные действия, например, запускать или останавливать трассировщик при выполнении заданных пользователем условий (любой степени сложности) без вывода из масштаба «реального времени».

Профилировщик позволяет получить по результатам прогона отлаживаемой программы следующую информацию:

Количество обращений к различным участкам программы;

Время, затраченное на выполнение различных участков программы.

Анализ статистической информации, поставляемой профилировщиком, позволяет легко выявлять «мертвые» или перенапряженные участки программ и в результате оптимизировать структуру отлаживаемой программы.

Интегрированная среда разработки – это совокупность программных средств, поддерживающая все этапы разработки ПО – от написания исходного текста программы до ее компиляции и отладки – и обеспечивающая простое и быстрое взаимодействие с другими инструментальными средствами (программным отладчиком-симулятором и программатором).

Наличие встроенных редактора текста, менеджера проектов и системы управления существенно помогает разработчику, избавляя его от множества рутинных действий. Стирается грань между написанием, редактированием и отладкой программы.

Существуют эмуляторы, предназначенные для эмуляции микроконтроллеров семейств Intel MCS 8051, MCS-196, Microchip PIC.

Программный симулятор – программное средство, имитирующее работу микроконтроллера и его памяти. В его состав входят отладчик, модель центрального процессора и памяти. Более сложные симуляторы содержат также модели встроенных периферийных устройств (таймеров, АЦП и систем прерываний). Загрузив программу в симулятор, пользователь может запускать ее в пошаговом или непрерывном режимах, задавать условные или безусловные точки останова, контролировать и свободно модифицировать содержимое ячеек памяти и регистров микроконтроллера. С его помощью можно быстро проверить логику выполнения программы и правильность выполнения арифметических операций.

Наличие интерфейса внешней среды позволяет избавить разработчика от необходимости устанавливать и изменять вручную содержимое входных регистров, т. е. можно создавать и гибко использовать модель внешней среды микроконтроллера, функционирующую и взаимодействующую с отлаживаемой программой по заданному алгоритму.

Особенностью программных симуляторов является то обстоятельство, что исполнение программ, загруженных в симулятор, происходит в масштабе времени, отличном от реального. Однако более низкая цена, возможность ведения отладки даже в условиях отсутствия макета отлаживаемого устройства делают программные симуляторы весьма эффективным средством отладки.

Отладочный монитор – специальная программа, загружаемая в память отлаживаемой системы и вынуждающая процессор выполнять, кроме прикладной задачи, еще и отладочные функции:

Загрузку прикладных кодов в свободную от монитора память;

Установку точек останова;

Запуск и останов загруженной программы в реальном времени;

Проход программы пользователя по шагам;

Просмотр, редактирование содержимого памяти и управляющих регистров.

Программа монитора должна быть связана с внешним компьютером или монитором для визуализации процесса отладки.

Основное достоинство использования монитора – это малые затраты при сохранении возможности вести отладку в реальном времени на микроконтроллере, стоящем на плате. Недостатком является отвлечение ресурсов микроконтроллера на отладочные и связные процедуры (память, прерывания, последовательный канал).

Платы развития , или оценочные платы, являются своеобразными конструкторами для макетирования прикладных систем. Выпуск оценочных плат – это современный подход к продвижению микроконтроллеров на рынке. Обычно на печатной плате устанавливается вся необходимая аппаратура для демонстрации возможностей микроконтроллера, обеспечивается связь с компьютером и предоставляется поле для монтажа прикладных схем пользователя. Такие платы могут быть применены для установки в аппаратуру малой серии (5 – 20 шт.).

Для удобства отладки платы развития комплектуются простейшими средствами отладки на базе монитора отладки для микроконтроллеров с внешней шиной и без нее.

В первом случае отладочный монитор поставляется в виде микросхемы ПЗУ, которая устанавливается в разъем (кроватку) на плате. На плате также имеется ОЗУ для программ пользователя и канал связи с компьютером. Пример – плата фирмы “INTEL” для микроконтроллера 8051.

Для микроконтроллеров без внешней шины плата развития имеет встроенные схемы программирования внутреннего ПЗУ микроконтроллера, управляемые от внешнего компьютера. В прикладной программе должны быть предусмотрены вызовы отладочных функций и сам монитор. После загрузки и прогона программы для внесения изменений требуется стирание ПЗУ и перезапись нового варианта программы пользователя.

Готовая программа получается путем удаления монитора и всех вызовов мониторных функций. Примерами могут служить платы развития фирмы “MICROCHIP” для своих PIC-контроллеров, а также платы развития для отладки своих контроллеров 80С750 Philips и 89С2051 Atmel.

В целом, возможности данного подхода (плата развития + монитор) не столь универсальны, как возможности внутрисхемного эмулятора, да и отвлечение ресурсов контроллера на режим отладки следует учитывать. Тем не менее, законченный набор программно-аппаратных средств, позволяющих без потерь времени приступить к монтажу и отладке прикладной системы, во многих случаях является решающим фактором, с учетом меньшей стоимости, по сравнению с универсальным эмулятором.

Эмуляторы ПЗУ – это программно-аппаратные средства, позволяющие замещать ПЗУ на отлаживаемой плате и подставляющие вместо него ОЗУ, куда загружается программа с компьютера через один из стандартных каналов связи. В данном случае стараются избежать многократных циклов перепрограммирования ПЗУ. Метод пригоден для микроконтроллеров, которые в состоянии обращаться к внешней памяти программ. По сложности и стоимости метод сравним с использованием плат развития, но более универсален, так как может применяться с любыми типами микроконтроллеров.

В настоящее время имеются модели «интеллектуальных» эмуляторов ПЗУ, позволяющие заглядывать внутрь микроконтроллера, т. е. работающие почти как внутрисхемный эмулятор за счет быстрого переключения шины. Создается эффект, будто бы монитор отладки установлен на плате пользователя и при этом не занимает у микроконтроллера никаких аппаратных ресурсов, кроме небольшой зоны программных шагов, примерно 4К. Такое устройство разработала фирма «ФИТОН» для всех существующих и будущих микроконтроллеров с ядром МК 8051, но дополнительно насыщенных различными устройствами ввода/вывода. Оно поддерживает множество микроконтроллеров фирм “PHILIPS”, “SIEMENS”,”OKI”.

Интегрированные среды разработки (Integrated Development Environment, IDE) позволяет программисту:

Использовать встроенный файловый текстовый редактор, специально ориентированный на работу с исходными текстами программ;

К инструментальному программному обеспечению относятся средства разработки программного обеспечения. Это системы программирования, включающие программные средства, необходимые для автоматического построения машинного кода. Они являются инструментами для программистов- профессионалов и позволяют разрабатывать программы на различных языках программирования.

В состав средств разработки программного обеспечения входят следующие программы:

ассемблеры – компьютерные программы, осуществляющие преобразование программы в форме исходного текста на языке ассемблера в машинные команды в виде объектного кода;
трансляторы – программы, выполняющие трансляцию программы;
компиляторы – программы, переводящие текст программы на языке высокого уровня в эквивалентную программу на машинном языке;
интерпретаторы – программы, анализирующие команды или операторы программы и тут же выполняющие их;
компоновщики (редакторы связей) – программы, которые производят компоновку – принимают на вход один или несколько объектных модулей и собирают по ним исполнимый модуль;
препроцессоры исходных текстов – это компьютерные программы, принимающие данные на входе, и выдающие данные, предназначенные для входа другой программы, например такой, как компилятор;
отладчики (debugger) – программы, являющиеся модулем среды разработки или отдельным приложением, предназначенным для поиска ошибок в программе;
специализированные редакторы исходных текстов – программы, необходимые для создания и редактирования исходного кода программ. Специализированный редактор исходных текстов может быть отдельным приложением или встроенным в интегрированную среду разработки и др.

Языки, представляющие алгоритмы в виде последовательности читаемых (не двоично-кодированных) команд, называются алгоритмическими языками. Алгоритмические языки подразделяются на машинно-ориентированные, процедурно-ориентированные и проблемно-ориентированные.

Машинно-ориентированные языки относятся к языкам программирования низкого уровня – программирование на них наиболее трудоемко, но позволяет создавать оптимальные программы, максимально учитывающие функционально-структурные особенности конкретного компьютера. Программы на этих языках, при прочих равных условиях, будут более короткими и быстрыми. Кроме того, знание основ программирования на машинно-ориентированном языке позволяет специалисту подробнейшим образом разобраться с архитектурой компьютера. Большинство команд машинно-ориентированных языков при трансляции (переводе) на машинный (двоичный) язык генерируют одну машинную команду.

Процедурно-ориентированные и проблемно-ориентированные языки относятся к языкам высокого уровня, использующим макрокоманды. Макрокоманда при трансляции генерирует много машинных команд (для процедурноориентированного языка это соотношение в среднем "1 к десяткам машинных команд", а для проблемно-ориентированного – "1 к сотням машинных команд". Процедурноориентированные языки программирования являются самыми используемыми (Basic, Visual Basic, Pascal, Borland Delphi, С и др.). В этом случае программист должен описывать всю процедуру решения задачи, тогда как проблемно-ориентированные языки (их называют также непроцедурными) позволяют лишь формально идентифицировать проблему и указать состав, структуры представления и форматы входной и выходной информации для задачи.

При выполнении инструкций программ компьютеру необходимо преобразовать удобные для человеческого восприятия операторы, написанные на каком-либо языке программирования, в форму, попятную для компьютера. Инструментальное программное обеспечение имеет специальные программы, транслирующие (translate) текст программ, написанных на различных языках программирования, в машинные коды, которые затем выполняются компьютером. Этот вид программного обеспечения называется компилятором или интерпретатором. Текст программы, написанной на языке программирования высокого уровня, до того как быть преобразованным в машинные коды, называется исходным кодом (source code). Компилятор (compiler) преобразует исходный код в машинные коды, называемые объектным кодом (object code) – программой на выходном языке транслятора. Перед выполнением происходит процесс редактирования связей (linkage editing), заключающийся в том, что модули выходной программы объединяются с другими модулями объектного кода, содержащими, например, данные. Результирующий загрузочный модуль – это команды, непосредственно выполняемые компьютером. Некоторые языки программирования содержат не компилятор, а интерпретатор (interpreter), который преобразует каждое отдельное выражение исходного кода в машинные коды и сразу выполняет их. Интерпретатор удобен на этапе отладки программы, так как обеспечивает быструю обратную связь при обнаружении ошибки в исходном коде. Основы программирования на языке высокого уровня Visual Basic изложены в гл. 12 настоящего учебника.

К инструментальному ПО относят также некоторые системы управления базами данных (СУБД). СУБД – это специализированный комплекс программ, предназначенный для организации и ведения баз данных. Так как системы управления базами данных не являются обязательным компонентом вычислительной системы, их не относят к системному программному обеспечению. А так как отдельные СУБД осуществляют лишь служебную функцию при работе других видов программ (веб-серверы, серверы приложений), их не всегда можно отнести к прикладному программному обеспечению. По этим причинам их часто относят к инструментальному программному обеспечению.

Основные функции таких СУБД:

управление данными во внешней памяти (на дисках);
управление данными в оперативной памяти с использованием дискового кэша;
фиксация изменений в специальных журналах, резервное копирование и восстановление базы данных после сбоев;
поддержка языков БД (язык определения данных, язык манипулирования данными).

Теоретические основы СУБД описаны выше (параграф 3.2), а практическое применение описано в гл. 10.

Похожие статьи: