Часть 3. Программное обеспечение для разработки лектронных приборов и устройств (ПОРЭУ). Прикладное программное обеспечение ПОРЭУ. Системное программное обеспечение

Требования к системному программному обеспечению

Системные программы должны удовлетворять следующим требованиям:

- прозрачность работы;

- гарантированная надежность выполнения в соответствии со спецификациями;

Функциональные требования называются спецификациями

- максимальная скорость выполнения;

- минимальные затраты на хранение машинных кодов;

- поддержка стандартных средств связи с прикладными программами.

Эффективность системных программ зависит от времени их создания и надежности исполняемого кода.Требование эффективности системных программ вызывает необходимость использования специальных языков

- машинно-ориентированных типа языка Assembler и

- высокого уровня типа C или C++.

К типам данных этих языков отнесены указатели на данные различных типов или адреса данных и программных объектов.

Программное обеспечение ПОРЭУ представляет собой совокупность всех программ и эксплуатационной документации к ним, необходимых для автоматизированного проектирования. Физически в состав ПО входят [7, 30, 16]:

  • документы с текстами программ;
  • программы, записанные на машинных носителях информации;
  • эксплуатационные документы.

ПОРЭУ включает в себя программы и документацию для всех типов ЭВМ, используемых в данной САПР.

Составляющие программного обеспечения для разработки ЭП, а также требования к его разработке и документированию установлены государственными стандартами.

ПОРЭУ подразделяется на общесистемное и специализированное.

Общесистемное ПО содержит набор программных средств, которые предназначены для повышения эффективности использования вычислительных комплексов и производительности труда персонала, обслуживающего эти комплексы. К функциям общесистемного ПО относятся:

  1. управление процессом вычислений;
  2. ввод, вывод и частично обработка информации;
  3. диалоговая взаимосвязь с пользователем в процессе проектирования;
  4. решение общематематических задач;
  5. хранение, поиск, сортировка, модификация данных, необходимых при проектировании, защита их целостности и защита от несанкционированного доступа;
  6. контроль и диагностика работы вычислительного комплекса.

Три первые и последняя из указанных функций реализуются в современных вычислительных комплексах на базе операционных систем (ОС), т.е. комплекса программ, управляющих ходом выполнения рабочих программ и использованием всех ресурсов вычислительного комплекса (ВК).

Для решения общематематических задач в состав общесистемного ПО включают соответствующие библиотеки стандартных программ. Для хранения и использования различных данных создаются специальные системы управления базами данных (СУБД).

Специализированное ПО включает в себя прикладные программы и пакеты прикладных программ (ППП), основной функцией которых является получение проектных решений.

Конкретный состав общесистемного ПО зависит от состава технических средств вычислительного комплекса и устанавливаемых режимов обработки информации на этом комплексе.

Операционные системы включают в себя программы двух групп (рис. 9.1):

  • обрабатывающие программы, составляющие подсистему подготовки программ пользователя (внешнее программное обеспечение);
  • управляющие программы, образующие группу исполнения программ пользователя (внутреннее программное обеспечение).

СУПЕРВИЗОР (supervisor). 1. Управляющая резидентная программа в составе операционной системы, координирующая распределение и использование ресурсов вычислительной системы. В операционной системе может быть несколько С. Например, С. ввода-вывода контролирует состояние средств ввода-вывода, инициирует и прекращает процессы ввода-вывода. С. основной памяти осуществляет учет и динамическое распределение области оперативной памяти, в которую загружаются программы пользователей и некоторые системные программы. С. страниц организует страничный обмен виртуальной памяти. Наконец, С. прерываний анализирует прерывания и выбирает необходимый вид обработки прерываний. См. распределение ресурсов, обработка прерываний, прерывание по обращению к супервизору. 2. То же, что операционная система


Рис. 9.1. Структура общесистемного ПОРЭУ

К обрабатывающим программам относятся трансляторы с алгоритмических языков, библиотеки стандартных программ и системные обслуживающие программы.

Группа управляющих программ включает в себя программы управления задачами, заданиями и данными.

Программа управления задачами ( супервизор, диспетчер, монитор, резидентная программа) находится в оперативной памяти и выполняет все необходимые диспетчерские функции — переключение с выполнения одной программы на другую, распределения ресурсов времени и оперативной памяти между программами. Супервизор реализует мультипрограммный режим работы ЭВМ или режим разделения времени.

Программы управления заданиями выполняют интерпретацию директив языка управления заданиями: ввод, трансляция, загрузка в память ЭВМ, решение, вывод информации.

Программы управления данными обеспечивают поиск, хранение, загрузку в оперативную память и обработку файлов.

Прикладное программное обеспечение представляют пакеты прикладных программ (ППП) для выполнения различных проектных процедур. Они разрабатываются на основе единого внутреннего представления графической и текстовой информации, единого входного языка, строятся по модульному принципу и ориентированы на использование непрограммистом-проектировщиком.

Различают несколько типов ППП в зависимости от состава пакета. Пакеты прикладных программ простой структуры характеризуются наличием только обрабатывающей части — набора функциональных программ (модулей), каждая из которых предназначена для выполнения только одной проектной процедуры. Объединение нужных модулей осуществляется средствами операционной системы ЭВМ.

Пакеты прикладных программ сложной структуры и программные системы появились в результате развития прикладного программного обеспечения. В первых из них имеется собственная управляющая часть — монитор, во вторых, кроме того, — языковой процессор с проблемно-ориентированным входным языком. Программные системы вместе с соответствующим лингвистическим и информационным обеспечением называют программно-методическими комплексами РЭУ.

Управляющая часть программного обеспечения имеет иерархическую организацию, и в общем случае в ней можно выделить различные уровни: уровень операционных систем вычислительной сети, операционных систем отдельных ЭВМ, мониторных систем САПР и мониторов отдельных ППП.

Основные функции управляющей части: связь с пользователем в режиме диалога, планирование вычислительного процесса, распределение вычислительных ресурсов, динамическое распределение памяти и другие.

Специализированное ПОРЭУ создается с учетом организации и возможностей общесистемного программного обеспечения. В целом состав и структура ПО определяются составом и структурой ПОРЭУ и ее подсистем.

С развитием и совершенствованием вычислительной техники (ВТ) все большее значение приобретает такой компонент общесистемного программного обеспечения, как операционная система. Возможности, предоставляемые современными вычислительными комплексами, в большей степени определяются их операционными системами (ОС), чем техническими устройствами.

Операционные системы организуют одновременное решение различных задач на ВТ, динамическое распределение каналов передачи данных и внешних устройств между задачами, планирование потоков задач и последовательности их решения с учетом установленных приоритетов, динамическое распределение памяти вычислительного комплекса, обеспечивают работу в различных режимах (с фиксированным и переменным числом задач в интерактивном режиме).

Операционные системы постоянно совершенствуются, развиваются, создаются новые ОС для новых поколений или семейств ВТ.

Системное программное обеспечение включает программы, осуществляющие управление, контроль и планирование вычислительного процесса, распределение ресурсов, ввод/вывод данных и другие операции в подсистемах ПОРЭУ. Его подразделяют на две части. Первая часть — общесистемное ПО, которое представлено операционными системами. Они используются в ПОРЭУ. Другая часть — базовое программное обеспечение, включающее программы обслуживания подсистем ПОРЭУ (мониторные системы, СУБД, графические и текстовые редакторы).

К программному обеспечению предъявляются следующие требования:

  • экономичность (эффективность по быстродействию и затратам памяти);
  • удобство использования, применение простых проблемно-ориентированных языков;
  • наличие средств диагностики ошибок пользователя;
  • надежность и правильность получения результатов проектирования;
  • универсальность по отношению к тем или иным ограничениям решаемых задач;
  • открытость (адаптируемость) относительно внесения изменений в процессе эксплуатации программ;
  • сопровождаемость, характеризующая работоспособность программ при внесении изменений в них;
  • мобильность при перестройке программ с ЭВМ одного типа на ЭВМ другого типа.

Программное обеспечение целесообразно разрабатывать на основе принципов модульности и иерархичности. Операционная система является основным компонентом системного ПОРЭУ.

Принципы модульности и иерархичности позволяют организовать коллективную параллельную разработку различных частей программного обеспечения, создавать открытые программные системы, облегчают их комплексную отладку и информационное согласование.

Выделяют системный уровень разработки прикладного программного обеспечения, уровень прикладных программ и уровень подпрограмм (модулей).

Связи между отдельными программными модулями могут быть реализованы по управлению, информации, размещению и воздействию.

Связи модулей по управлению могут быть двух типов: последовательные связи между модулями без возврата в предыдущий модуль и иерархические связи с подчиненностью модулей различных уровней.

Связи модулей по информации проявляются в передаче числовых массивов в несколько модулей пакета. Этот аспект взаимодействия модулей затрагивает проблемы построения информационного обеспечения.

Связи модулей по размещению указывают группы модулей, одновременно размещаемых в оперативной памяти на различных этапах проектирования.

Связи модулей по воздействию отражают такие воздействия одних программ на другие, которые приводят к изменению самих программ, например, воздействие языковых процессов на рабочие программы. Внутри рабочих программ связи модулей по воздействию стараются исключить.

Значительное число этих пакетов ориентировано на автоматизацию проектирования печатных плат, цифровых и аналоговых интегральных схем, операционных усилителей, низкочастотных радиотехнических устройств.

Однако на данное время существует недостаточно пакетов программ проектирования радиочастотных, в том числе мощных устройств, радиоэлектронных средств СВЧ, пакетов, посвященных комплексному построению и интеграции радиочастотных средств, включающих в себя как усилители, так и пассивные радиочастотные устройства, вплоть до антенн и СВЧ-устройств.

Развитие ПОРЭУ требует все более значительных затрат высококвалифицированного труда. Стоимость многих промышленных ПОРЭУ составляет тысячи долларов. Поэтому актуальной становится разработка ПОРЭУ второго порядка. Пока таких систем еще не существует, но прогресс в этом направлении наблюдается. В отличие от традиционных ПОРЭУ, в таких системах результат имеет нематериальный (информационный) характер. Различие результатов вызвано различными языками описания предметных областей: в одном случае — чертежи, схемы, устройства, а в другом — программа проектирования. Однако и в том, и в другом случае возможен единый системный методологический подход к проектированию: становится актуальным создание и развитие банка инженерных знаний, необходимых для проектирования.