Software-Entwurf in PEARL-orientierter Form: Realzeit-Anwendungen aus der Prozeßautomatisierung

177 Pages·1993·5.47 MB·German

by  Priv.-Doz. Dr.-Ing. Georg Thiele (auth.)

Georg Thiele
Software-Entwurf in
PEARL-orientierter Form
Software-Entwurf in
PEARL-orientierter Form
Realzeit-Anwendungen aus der
Prozeßautomatisierung
Von Priv.-Doz. Dr.-Ing. Georg Thiele
Universität Bremen
EI3
B. G. Teubner Stuttgart 1993
Priv.-Doz. Dr.-Ing. Georg Thiele
Geboren 1940 in Berlin. Studium der Elektrotechnik/Regelungstechnik an der Techni
schen Universität Berlin, 1972 Diplom. Von 1966 bis 1968 wiss. Mitarbeiter am Institut
für Regelungstechnik der Technischen Universität Berlin. Von 1969 bis 1974 wiss. As
sistent am Institut für Elektrische Steuerung und Regelung an der Ruhr-Universität Bo
chum. 1972 Promotion in Regelungstechnik. Ab 1974 Leiter der Prozeßrechnergruppe /
der Funktionseinheit EDV-Regelungstechnik / des Prozeßrechnerlabors am Institut für
Automatisierungstechnik des Fachbereichs 1 (Physik/Elektrotechnik) der Universität
Bremen. 1986 Habilitation für das Fachgebiet "Automatisierungssysteme" im Fachbe
reich 1 der Universität Bremen.
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Thiele. Georg:
Software-Entwurf in PEARL-orientierter Form:
Realzeit-Anwendungen aus der Prozeßautomatisierung/
von Georg Thiele. - Stuttgart : Teubner, 1993.
ISBN 978-3-519-02292-3 ISBN 978-3-322-94715-4 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-94715-4
Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlieh geschützt. Jede Verwer
tung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung
des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt besonders für Vervielfältigungen, Über
setzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektroni
schen Systemen.
© B. G. Teubner Stuttgart 1993
Vorwort
Dieses Buch ist im wesentlichen aus einer zweisemestrigen Vorlesung mit den
Abschnitten "Strukturierter Entwurf von Algorithmen der Prozeß-Automatisierung"
(Einfiihrung in den Software-Entwurf) und "Prozeß-Automatisierungssprachen"
(Software-Entwurfrur Realzeit-Systeme) mit Übungen entstanden. Sie wird von mir
seit etwa sieben Jahren an der Universität Bremen rur Studenten der Elektrotechnik
im 7. und 8. Semester mit dem Ziel angeboten, Realzeit-Software über ihren
Implementierungs-Aspekt hinaus als integralen Bestandteil der Darstellung von
Automatisierungsproblemen bzw. deren Lösungen zu vermitteln. Zu diesem Zweck
hat sich der Software-Entwurf mit seinem zwischen der Anforderungs-Spezifikation
und der Implementierung liegenden Abstraktionsgrad als geeignetes Instrument
erwiesen, wobei neben den graphischen Darstellungsmitteln der Prozeß
automatisierungs-Sprache PEARL eine herausragende Rolle zukommt. PEARL ist in
besonderem Maße auf die ProzeßautomatisiefUng zugeschnitten und stellt eine dem
ingenieurmäßigen Denken leicht zugängliche und genormte Begriffswelt zur
Verrugung.
Es kann nun nicht das Ziel eines solchen Buches sein, das als Bindeglied zwischen
Theorie und Implementation verstanden werden will, Vollständigkeit anzustreben.
Vielmehr müssen die wesentlichen Aspekte der Realzeit-Software als Bestandteil
von Automatisierungssystemen an Hand von Anwendungs-Beispielen verdeutlicht
werden, was hier im Sinne eines "Denkens in PEARL" geschieht. Dabei wurde
bewußt davon ausgegangen, daß z.B. zur Vervollständigung der Kenntnisse über die
PEARL-Sprachkonstrukte der PEARL 90 - Sprachreport bzw. andere Bücher über
PEARL herangezogen werden müssen, wie sie im Literaturverzeichnis angegeben
sind. Andererseits kommt dies auch dem zur Verrugung stehenden Raum rur die
graphischen Darstellungen zugute, deren relativ großer Anteil mit zum Konzept und
Ziel dieses Buches gehört.
Da es darum geht, Realzeit-Software dem Anwender auch und gerade als ein
Instrument "wie mathematische Gleichungen" zugänglich zu machen, sind Software
Entwicklungssysteme wie z.B. EPOS nicht Thema dieses Buches. Sie sind bei der
Anwendung in Projekten zwar unbedingt erforderlich, können aber den Zugang zum
Software-Verständnis wegen der aus realisierungsbedingten Grtinden unver
meidlichen Einschränkungen und Modifikationen zunächst eher erschweren.
Vielmehr ist erst in einem folgenden Schritt nach Wegen zu suchen, um das gewählte
Entwurfs-Paradigma auf die Möglichkeiten entsprechender Software-Entwicklungs
systeme systematisch abzubilden.
6 Vorwort
Die Fertigstellung des druckfertigen Manuskriptes dieses Buches wäre kaum möglich
gewesen ohne Förderung durch das Institut fiir Automatisierungstechnik der
Universität Bremen, insbesondere durch Herrn Prof. Dr.-Ing. Dobrivoje Popovic, der
das Vorhaben großzügig unterstützte. Von den Kollegen des Instituts, die mich mit
großem Engagement unterstützten, habe ich vor allem Herrn Dipl.-Ing. Lothar
Renner zu danken, der insbesondere die umfangreichen Bilder mit dem hierzu
erforderlichen fachlichen Wissen in rechnergerechte Darstellungen mittels
"WINDOWS DRAW" umsetzte und die gesamte Nachbereitung des Textes
einschließlich der Formeln in "WORD fiir WINDOWS" übernahm. Das Manuskript
wurde von den Herren Dipl.-Ing. Erwin Wendland und Dipl.-Ing. Hans Jörg
Beestermäller gelesen, die mit vielen wertvollen Hinweisen u.a. zur Verbesserung
der Lesbarkeit des Textes beitrugen. Ein entscheidender Beitrag zur Entstehung
eines bearbeitbaren Manuskriptes war die auf großer Erfahrung basierende
didaktisch wohltuende Kompakteinfiihrung in "WORD 5.0" durch Herrn Dipl.-Ing.
Jörg Trost, wodurch mir das Schreiben der korrigierten Rohfassung des Textes in
relativ kurzer Zeit ermöglicht wurde.
Nicht zuletzt mächte ich mich bei Herrn Prof. Dr. Leberecht Frevert von der
Fachhochschule Bielefeld fiir seine Unterstützung bei der Planung, sowie bei den
Herren Dr. Peter Spuhler und Dieter Schauerte vom Teubner-Verlag fiir die
angenehme Zusammenarbeit bei der Konzipierung bzw. bei der Herstellung dieses
Buches bedanken.
Bremen, im April 1993 Georg Thiele
Inhalt
Teil 1 - PEARI..-orientierter Software-Entwurf ............................................... 11
1 Einleitung ....................................................................................................... 13
1.1 Ausgangssituation .. , ...................................................................... " .... 13
1.2 Zielsetzung ......................................................................................... 13
1.3 Inhaltliche Strukturierung .................................................................... 18
2 Einordnung des Software-Entwurfs in das Phasenmodell des Software-
Lebenszyldus .................................................................................................. 20
3 PEARL-orientierter Entwurf im Großen: Modul-Ebene ................................. 22
3.1 Modul-Begriffin moderner Ausprägung .............................................. 22
3.2 Graphische Entwurfshilfsmittel ............................................................ 23
3.2.1 Modul-Strukturbaum ............................................................. 23
3.2.2 Modul-Struktogramme und -Schnittstellen ............................ 25
3.2.3 System-Modul. ...................................................................... 26
3.2.4 Realzeit-Organisations-Moduln ............................................. 27
3.3 Entwurfs-Strategien ............................................................................ 27
3.3.1 Kriterien rur die Bildung von Moduln .................................... 29
3.3.2 Entwurf der Modul-Architektur.. ........................................... 30
3.3 .3 Zuordnung der zu exportierenden Funktionen ........................ 3 3
3.3.4 Vorläufige Modul-Struktogramme ........................................ 34
3.3.5 Übergang zum Entwurf im Kleinen ........................................ 35
4 PEARL-orientierter Entwurf im Kleinen: Funktions-Ebene ............................ 37
4 .1 Verallgemeinerter Funktions-Begriff ................................................... 37
4.2 Graphische Entwurfs-Hilfsmittel ......................................................... 37
4.2.1 Korrespondierender Funktions-Strukturbaum ........................ 37
4.2.2 Task-Kopplungsgraph ........................................................... 39
4.2.3 Struktogramme in PEARL-orientierter Ausprägung ............. .41
4.3 Datenkapselung und Task-Synchronisation ......................................... 42
4.4 Entwurfs-Strategien ............................................................................ 44
4.4.1 Top-Down-Strategie ............................................................. 44
4.4.2 Bottom-Up-Strategie ............................................................ 46
4.4.3 Gemischte Strategie .............................................................. 47
8 Inhalt
Teil 2 - Anwendungsbeispiele und VeraUgemeinerungen des
PEARlrorientierten Software-Entwurfs ..................................................... 51
5 Entwurf eines Identifikations-Softwarepakets ................................................. 53
5.1 Anforderungs-Analyse und -Spezifikation ........................................... 53
5.1.1 Das Paradigma Wahres ModelllIdentifikations-Modell ........... 54
5.1.2 Oftline-Schätzalgorithmen ..................................................... 57
5.1.3 Online-Schätzalgorithmen ..................................................... 58
5.2 Entwurfim Großen ............................................................................. 58
5.2.1 Top-Down-Entwurf des Modul-Strukturbaums ..................... 58
5.2.2 Zuordnung der zu exportierenden Funktionen ........................ 60
5.2.3 Entwurf der vorläufigen Modul-Struktogramme .................... 62
5.3 Entwurf im Kleinen ............................................................................. 62
5.3.1 Teilfunktionsstrukturbaum fur "DLS" .................................... 62
5.3.2 Teilfunktionsstrukturbaum fur "RLS Offline" ........................ 65
5.3.3 Teilfunktionsstrukturbaum fur "RLS_Online" ........................ 69
5.4 Fragestellungen zur Verifikation und Validation .................................. 71
5.4.1 Überblick .............................................................................. 71
5.4.2 Identifizierbarkeit .................................................................. 71
5.4.3 Verifikation und Identifizierbarkeit ........................................ 72
5.4.4 Validation und Identifizierbarkeit. .......................................... 72
5.5 Re-Entwurf zur Erweiterung des Identifikationspakets um eine
Strukturermittlungs-Komponente ........................................................ 74
5.5.1 Anforderungs-Analyse und -Spezifikation .............................. 74
5.5.2 Konzeptioneller Entwurf ....................................................... 75
5.5.3 Re-Entwurf im Großen .......................................................... 76
5.5.4 Re-Entwurf im Kleinen .......................................................... 77
6 Regelbasierte Automatisierung einer natürlichen Hallenbelüftung .................... 79
6.1 Anforderungs-Analyse ........................... '" .......................................... 79
6.2 Grundlegende Elemente der P ARLOG-Syntax .................................... 80
6.3 P ARLOG-orientierte Anforderungs-Spezifikation ............................... 82
6.4 Entwurfim Großen ............................................................................. 86
6.5 Entwurf im Kleinen ............................................................................. 90
6.5.1 Korrespondierender Funktionsstrukturbaum .......................... 90
6.5.2 Systematische Umsetzung der PARLOG-orientierten
Anforderungs-Spezifikation in einen PEARL-orientierten
Entwurf. ................................................................................ 92
Inhalt 9
7 Objekt-orientierte Ausprägung des Entwurfs eines Funktionsblock-
Bibliotheksmoduls einer konfigurierbaren Feldstation ...................................... 96
7.1 Anforderungs-Spezifikation ................................................................ 96
7.2 Modul-Architektur einer Feldstation ................................................... 98
7.3 Aspekte des Entwurfs im Kleinen ...................................................... 100
7.4 Konzeptionelle PEARL-Erweiterung um Objektklassen .................... 103
7.5 Funktionsblöcke als Objekte .............................................................. 105
7.6 Bildung von komplexen Funktionsblöcken aus elementaren
Funktionsblöcken .............................................................................. 107
7.7 Objekte mit Tasks ............................................................................. 109
8 Entwurf der Software von verteilten Automatisierungs-Systemen in
Mehrrechner-PEARL-orientierter Form ........................................................ 112
8.1 Anforderungs-Spezifikation .............................................................. 112
8.2 PEARL-Erweiterungen fiir verteilte Systeme .................................... 112
8.3 Entwurfim ganz Großen ................................................................... 115
8.4 Entwurfim Großen ........................................................................... 120
8.5 Entwurf im Kleinen ........................................................................... 121
Teil 3 --Zusammenfassung gmndlegender Stmkturiemngsaspekte des
PEARlrorientierten Software-Entwurfs ................................................... 125
9 Struktogramm-Erweiterungen fiir den Entwurfvon Realzeit-Software .......... 127
9.1 Allgemeines ...................................................................................... 127
9.2 Prozedur-Deklaration und Prozedur-Aufruf ...................................... 127
9.3 Funktionsprozedur-Deklaration ......................................................... 128
9.4 Prozedur-Schnittstellen-Konventionen .............................................. 129
9.4.1 Parameter-Symbolik ............................................................ 129
9.4.2 Parameter-Reihenfolge ........................................................ 130
9.4.3 Anzahl der Parameter .......................................................... 130
9.5 Task-Deklaration .............................................................................. 131
9.6 Interrupt-und Trap-Prozedur-Deklaration ........................................ 131
9.7 Modul-Deklaration ........................................................................... 133
9.8 Prozeß-EinlAusgabe ......................................................................... 133
10 Das PEARL-Taskmodell ............................................................................... 135
10.1 Übersicht .......................................................................................... 135
10.2 Warum Multi-Tasking? ..................................................................... 135
10.3 Task-Steuerung und Task-Steuerungs-Anweisungen ......................... 138
10.4 Task-Synchronisations-Anweisungen ................................................ 140
10.5 Task-Zustände und Taskzustands-Übergänge .................................... 141
10 Inhalt
10.5.1 Die Abstraktions-Ebenen der Task-Zustände ....................... 141
10.5.2 Task-Zustandsübergänge bei Ausfiihrung von Task-
Steuerungs-Anweisungen .................................................... 145
10.5.3 Task-Zustandsübergänge bei Ausfiihrung von Semaphor-
Anweisungen ....................................................................... 146
10.6 Aspekte der PEARL-orientierten Interpretation der Tasksteuerung
in Ada, Occam und Turbo-PascallRTKernel... ................................... 148
11 Eine konzeptionelle Modellvorstellung der Realzeit-Organisation .................. 154
11.1 Überblick ............................................................................. ~ ............ 154
11.2 Realzeit-Organisations-Moduln ......................................................... 154
11.3 Realzeit-Organisations-Funktionen .................................................... 157
12 Zur systematischen Umsetzung des PEARL-orientierten Entwurfs in andere
Implementationssprachen .............................................................................. 163
12.1 Umsetzung der Modul-Architektur .................................................... 163
12.2 Aspekte des Multi-Taskings .............................................................. 165
Literatur. ............................................................................................................. 168
Index .................................................................................................................. 177
Teilt
PEARL-orientierter Software-Entwurf