3.2.2 Декомпозиция функциональных блоков IDEF0
Применяется для разбиения сложного процесса на составляющие его функции. При этом уровень детализации процесса определяется раработчиком модели.
Декомпозиция позволяет постепенно и структурировано представить модель системы в виде иерархической структуры определенных диаграмм, что делает ее менее перегруженной.
В процесс декомпозиции функциональный блок подвергается детализации на другой диаграмме, получившаяся диаграмма содержит функциональные блоки, отображающие главные подфункции блока контекстной диаграммы и называется «Дочерней» по отношению к нему. Каждая из подфункции «Дочерней» диаграммы может быть детализирована. Декомпозиция функциональных блоков IDEF0 представлена на листе 5 приложения пояснительной записки.
- Методология функционального моделирования UML
UML язык графического описания для объектного моделирования в области разработки программного обеспечения. UML является языком широкого профиля, это открытый стандарт, использующий графические обозначения для создания абстрактной модели системы, называемой UML-моделью. UML был создан для определения, визуализации, проектирования и документирования в основном программных систем. UML не является языком программирования, но в средствах выполнения UML-моделей как интерпретируемого кода возможна кодогенерация.
В UML используются следующие структурные диаграммы:
- диаграмма классов;
- диаграмма компонентов;
- домпозитной/составной структуры;
- диаграмма кооперации (UML2.0);
- диаграмма развёртывания;
- диаграмма объектов;
- диаграмма пакетов;
- диаграмма профилей (UML2.2);
- диаграмма деятельности;
- диаграмма состояний;
- диаграмма прецедентов;
- диаграммы взаимодействия;
- диаграмма коммуникации (UML2.0) / Диаграмма кооперации (UML1.x);
- диаграмма обзора взаимодействия (UML2.0);
- диаграмма последовательности;
- диаграмма синхронизации (UML2.0).
Диаграмма компонентов (Component diagram) — статическая структурная диаграмма, показывает разбиение программной системы на структурные компоненты и связи (зависимости) между компонентами. В качестве физических компонент мт выступать файлы, библиотеки, модули, исполняемые файлы, пакеты.
UML-диаграмма компонентов представлена на листе 4 в приложение Б пояснительной записки.
4 Разработка основных компонентов программы
4.1 Общие положения
Проектирование - это процесс создания, описания еще не существующего объекта, необходимого и достаточного для его изготовления в заданных условиях.
Автоматизированное проектирование - это такое проектирование, которое выполняется при тесном взаимодействии проектировщика и ЭВМ.
Система автоматизированного проектирования - организациооная техническая система, входящая в состав проектной организации и выполняющая проектирование с помощью комплекса средств автоматизации проектирования.
В состав системы автоматизированного проектирования входят девять обеспечений:
- программное;
- лингвистическое;
- техническое;
- математическое;
- организационное;
- методическое;
- правовое;
- экономическое;
- информационное.
4.2 Информационное обеспечение
Информационное обеспечение представляет собой совокупность документов, описывающих стандартные проектные процедуры, типовые проектные решения, типовые элементы и комплектующие изделия, материалы и другие данные, а также файлы и блоки данных на машинных носителях с записью указанных документов.
Процесс проектирования может быть представлен организованной последовательностью преобразования информации.
Исходная информация включает большое количество данных: стандарты, нормали, каталоги комплектующих изделий и материалов, методики проектирования, сведения, содержащиеся в ТЗ, результаты предпроектных исследований.
С целью систематизации и облегчения анализа исходная информация группируется по классам, например:
- информация справочного характера (стандарты, каталоги, справочники, книги, отчеты);
- данные прототипов объектов проектирования;
- методики проектирования;
- специфичные условия и требования к конкретному объекту проектирования.
Первые три класса являются неизменными на сравнительно длительном отрезке времени, значительно превышающем длительность процесса проектирования. Информация четвертого класса меняется от объекта к объекту.
Выходная информация охватывает все данные проекта, полученные на промежуточных и конечных этапах проектирования. Она определяет конструкторско-технологическую и монтажную реализацию объекта проектирования; параметры, процессы и режимы его функционирования и тому подобное. С другой стороны, выходная информация должна содержать критериальные оценки проекта, необходимые для введения коррекций в принятые решения.
Информационный фонд – совокупность данных, используемых всеми компонентами САПР.
Назначение информационного обеспечения САПР – реализация информационных потребностей всех составных компонентов САПР.
Основная функция информационного обеспечения САПР – ведение информационного фонда, то есть обеспечение создания, поддержки и организации доступа к данным. Таким образом, информационное обеспечение САПР есть совокупность информационного фонда и средств его ведения.
Информация, используемая при проектировании, может быть разделена на статическую и динамическую.
Статическая информация характеризуется сравнительно редкими изменениями. К этой информации следует отнести данные технического задания на проектирование и справочные данные, имеющие большой объем. Формирование, загрузка и корректировка справочных данных осуществляется исключительно администратором базы данных, то есть системным программистом, формирующим базу данных. Объем данных технического задания на проектируемый объект значительно меньше объема справочных данных, но круг лиц, имеющих право вносить изменения в техническое задание, должен быть еще более ограничен, чем круг лиц, имеющих право корректировать справочные данные.
Динамическая информация состоит из данных, накапливаемых для выполнения определенных операции проектирования (промежуточные данные), и данных, представляющих собой результат проектирования при выполнении данных операций. Промежуточные данные постоянно меняются при функционировании САПР. Вносить изменения в варианты проектных решений имеет право только конструктор-исполнитель и его руководитель.
Информация, используемая при проектировании, по виду ее представления может быть подразделена на:
- документальную;
- иконографическую;
- фактографическую.
Документальная информация — это метаинформация. Она представляет собой поисковый образ документа, находящегося в базе данных. При необходимости может быть выдана совокупность документов, удовлетворяющих поисковому образу. В САПР информация такого вида широко используется для нахождения сведений об аналогах объекта проектирования, о патентах и авторских свидетельствах, методике проектирования и расчетов, результатах испытания и тому подобное.
Информация, которая содержится в изображениях документов (чертежи, фотографии и т. д.), в идентичной форме представления называется иконографической. Для ее хранения используют специальные носители (микрофиши, рулонные микрофильмы, магнитные ленты видеозаписей и т. д.).
В современных САПР этот вид информации служит для хранения больших объемов графической информации, поиск которой может осуществляться с помощью сопровождающей ее документальной информации.
Основу базы данных САПР составляет фактографическая информация. Она представляет собой числовые и буквенные справочные данные о материалах, ценах, комплектующих изделиях, о спроектированных в САПР объектах и тому подобное.
Сюда же относятся данные, необходимые для выполнения расчетов: коэффициенты, таблицы, аппроксимированные графические зависимости и т. д.
Состав информационного фонда САПР:
- программные модули хранятся в виде символических и объектных текстов их потребителями являются мониторы различных подсистем САПР;
- исходные и результирующие данные необходимы при выполнении программных модулей в процессе преобразования;
- нормативно-справочная проектная документация, как правило представляет собой хорошо структурированный фактографический материал;
- содержание экранов дисплеев, представляет собой связанную совокупность данных, задающих форму кадра и, следовательно, позволяющих отобразить на экран дисплея информацию с целью организации диалового взаимодействия в ходе проектирования. Обычно эти данные имеют фиксированный размер, и занимаю промежуточное место между программными модулями и исходными данными; используются диалоговыми системами САПР;
- текущая проектная документация отражает состояние и ход выполнения проекта.
Различают следующие способы ведения информационного фонда САПР:
- использование файловой системы;
- построение библиотек;
- использование банков данных;
- создание информационных программных адаптеров.
Первый и второй способы широко распространены в организации информационного фонда вычислительных систем, поскольку поддерживаются средствами операционных систем. Однако для обеспечения быстрого доступа к справочным данным, хранения меняющихся данных, организации взаимодействия между разноязыковыми модулями эти способы малопригодны.
Третий способ – использование банка данных позволяет:
- централизовать информационный фонд САПР;
- произвести структурирование данных в форме удобной для проектировщика;
- обеспечить поиск информационно- справочной и проектной документации;
- упростить организацию межмодульного интерфейса путем унификации промежуточных данных.
Четвёртый способ - предполагает использование специальных систем и программных технологий для организации межмодульного интерфейса и построения крупных программных комплексов из готовых модулей.
4.3 Математическое обеспечение
Математическое обеспечение САПР – это алгоритмы, по которым разрабатывается программное обеспечение САПР. Среди разнообразных элементов математического обеспечения имеются инвариантные элементы-принципы построения функциональных моделей, методы численного решения алгебраических и дифференциальных уравнений, постановки экстремальных задач, поиски экстремума. Разработка математического обеспечения является самым сложным этапом создания САПР, от которого в наибольшей степени зависят производительность и эффективность функционирования САПР в целом.
Специальное математическое обеспечение отражает специфику объекта проектирования, физические и информационные особенности его функционирования и тесно привязано к конкретным задачам проектирования. Эта часть математического обеспечения охватывает математические модели, методы и алгоритмы их получения, алгоритмы одновариантного анализа, а также большую часть используемых алгоритмов синтеза.
Инвариантное математическое обеспечение включает методы и алгоритмы, слабо связанные с особенностями математических моделей и используемые при решении различных задач проектирования. Это – методы и алгоритмы многовариантного анализа и параметрической оптимизации.
При создании математического обеспечения САПР должны учитываться следующие показатели: универсальность, алгоритмическая надежность, точность, затраты машинного времени, объем используемой памяти.
Основу этого компонента САПР составляют алгоритмы, по которым разрабатывается программное обеспечение САПР и, следовательно, осуществляется процесс автоматизирования проектирования САПР. Математическое обеспечение (МО) при автоматизированном проектировании в явном виде не используется, а применяется производный от него компонент - программное обеспечение.
Вместе с тем разработка МО является самым сложным этапом создания САПР, от которого при использовании условно одинаковых технических средств в наибольшей степени зависят производительность и эффективность функционирования САПР в целом.
МО любых САПР по назначению и способам реализации делится на две части. Первую составляют математические методы и построенные на их основе математические модели, описывающие объекты проектирования или их части или вычисляющие необходимые свойства и параметры объектов.
Вторую часть составляет формализованное описание технологии автоматизированного проектирования.
В составе любой САПР эти части МО должны органично взаимодействовать.
Способы и средства реализации первой части МО наиболее специфичны в различных САПР и зависят от особенностей процесса проектирования.
Развитие и совершенствование методов в данной части - процесс постоянный. Создание САПР стимулирует эти работы, и прежде всего - в части разработки оптимизационных методов проектирования.
Сложнее обстоит дело с разработкой второй части МО. Формализация процессов автоматизированного проектирования в комплексе оказалась более сложной задачей, чем алгоритмизация и программирование отдельных проектных задач. При решении задач данной части должна быть формализована вся логика технологии проектирования, в том числе логика взаимодействия проектировщиков друг с другом с использованием средств автоматизации. Указанные проблемы решались и решаются в настоящее время эмпирическим путем, главным образом методом проб и ошибок.
Следовательно, МО САПР должно описывать во взаимосвязи объект, процесс и средства автоматизации проектирования. Для совершенствования МО выделяют два направления работ:
Развитие методов получения оптимальных проектных решений, в том числе ориентированных на автоматизированное проектирование.
Совершенствование и типизацию самих процессов автоматизированного проектирования.
Анализ существующих методов решения оптимизационных задач автоматизированного проектирования показал следующее:
- к числу важнейших вопросов методологии современного проектирования относится выбор критериев эффективности вариантов проектных решений, что, как правило, требует решения многокритериальных задач оптимизации;
- теоретически наиболее эффективными при поиске оптимальных проектных решений являются методы нелинейного математического программирования;
- в связи с практической сложностью и высокой трудоемкостью поиска оптимальных проектных решений с помощью точных математических методов существует поиск эффективных проектных решений на основе создания специальных "банков знаний" (фондов описаний объектов, технических решений, а также типовых эвристических методов).
4.4 Лингвистическое обеспечение
Это совокупность языков, используемых в процессе разработки и эксплуатации САПР для обмена информацией между человеком и ЭВМ. Термином "язык" в широком смысле называют любое средство общения, любую систему символов или знаков для обмена информацией.
Лингвистическое обеспечение САПР состоит из языков программирования, проектирования и управления.
Языки программирования служат для разработки и редактирования системного и прикладного программного обеспечения САПР. Они базируются на алгоритмических языках - наборе символов и правил образования конструкций из этих символов для задания алгоритмов решения задач.
Языки проектирования – это проблемно-ориентированные языки, служащие для обмена информацией об объектах и процессе проектирования между пользователем и ЭВМ.
Языки управления служат для формирования команд управления технологическим оборудованием, устройствами документирования, периферийными устройствами ЭВМ.
Существуют различные уровни языков программирования: высокие, более удобные для пользователя, и низкие, близкие к машинным языкам.
Программа, записанная на некотором языке программирования высокого уровня, называется исходной. Прежде чем исходная программа будет исполнена, она должна быть преобразована в машинную форму, соответствующую ЭВМ данного типа. Подобные преобразования осуществляются специальными программами, называемыми языковыми процессорами.
Совокупность языка программирования и соответствующего ему языкового процессора называют системой программирования.
Язык Паскаль является одним из наиболее популярных языков программирования и применяется для разработки системных и прикладных программ, в частности, для персональных ЭВМ. Язык Паскаль создан вначале исключительно для учебных целей и изящно реализовал большинство идей структурного программирования. Достоинства языка оказались столь значительными, что он приобрел огромную популярность для самых различных приложений.
В частности, компилятор Turbo Pascal, снабженный интерактивным редактором, позволяет создавать достаточно сложное программное обеспечение — системы управления базами данных, графические пакеты и т. д.
При использовании САПР приходится не только решать задачи вычислительного характера и обработки данных, но и автоматизировать описание объектов, процессы ввода, вывода и редактирования данных, ввода графических изображений, схем, чертежей и т. п. Для этой цели служат языки проектирования.
Классификация языков проектирования приведена на рисунке 11.
Языки проектирования делят на: входные, выходные, сопровождения, промежуточные и внутренние.
Входные языки служат для задания исходной информации об объектах и целях проектирования. Во входных языках можно выделить две части: непроцедурную, служащую для описания структур объектов, и процедурную, предназначенную для описания заданий на выполнение проектных операций.
Рисунок 11 - Классификация языков проектирования
Языки сопровождения служат для непосредственного общения пользователя с ЭВМ и применяются для корректировки и редактирования данных при выполнении проектных процедур. В диалоговых режимах работы с ЭВМ средства языков входного, выходного и сопровождения тесно связаны и объединяются под названием диалогового языка. Современные диалоговые языки широко используют средства машинной графики (графический диалог). Диалог с ЭВМ может быть пассивным, когда инициатор диалога - система и от пользователя требуются только простые ответы, и активным при двусторонней инициативе диалога. Наиболее распространенная форма пассивного диалога - это система встроенных, в том числе иерархических, директивных меню.
Недиалоговые системы языков сопровождения ориентированы на пакетный режим работы ЭВМ.
Промежуточные языки используются для описания информации в системах поэтапной трансляции исходных программ. Введение таких языков облегчает адаптацию программных комплексов САПР к новым входным языкам, т.е. делает комплекс открытым по отношению к новым составляющим лингвистического обеспечения.
Внутренние языки устанавливают единую форму представления данных (текстовой и графической информации) в памяти ЭВМ по подсистемам САПР. Принимаются определенные соглашения об интерфейсах отдельных программ, что делает САПР открытой по отношению к новым элементам программного обеспечения.
В качестве примера современного языка проектирования можно указать язык VHDL (VHSIC - hardware description language) - язык описания аппаратуры на базе сверхвысокоскоростных интегральных схем. Этот язык принят в качестве стандарта как инструментальное средство автоматизации проектирования, ориентированное на методологию нисходящего проектирования. Он является достаточно универсальным, чтобы охватить все аспекты проектирования изделий в области цифровой электроники.
Во всех программах для Windows построение интерфейса пользователя, цикл выборки и обработки сообщений реализуется примерно одинаково. Пакеты быстрой разработки программ позволяют автоматизировать написание типичных фрагментов программ. Одним из таких пакетов является Borland C++. В этом пакете в качестве базового языка программирования выбран Объектный Паскаль.