Научная статья на тему 'Особенности использования структурного подхода при разработке надежного программного обеспечения систем контроля БРЭС'

Особенности использования структурного подхода при разработке надежного программного обеспечения систем контроля БРЭС Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

CC BY
214
69
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по компьютерным и информационным наукам , автор научной работы — Петров Б. М., Мороз Д. Ю.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Особенности использования структурного подхода при разработке надежного программного обеспечения систем контроля БРЭС»

Петров Б.М., Мороз Д.Ю.

ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СТРУКТУРНОГО ПОДХОДА ПРИ РАЗРАБОТКЕ НАДЕЖНОГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

СИСТЕМ КОНТРОЛЯ БРЭС

На настоящий момент при разработке программного обеспечения (ПО) в системе контроля (СК) бортовых радиоэлектронных систем (БРЭС) отсутствует единообразие в методах подхода к проектированию и реализации ПО СК, что влечет за собой излишнее усложнение процесса разработки и, как следствие, появление множества трудно локализуемых ошибок в коде программ.

Существующие технологии разработки ПО СК используют различные, зачастую несовместимые друг с другом, программные платформы от разных производителей ПО. Результатом этого подхода является невозможность повторного использования уже существующего кода и необходимость неоднократного возобновления процесса разработки под каждый заказ практически с нуля.

В разрабатываемом ПО не полностью используются или не используются вовсе современные технологии и подходы к разработке, появившиеся в последнее время в среде профессиональных разработчиков ПО, снижающие трудоемкость разработки готовых программных решений и улучшение структуры программы и «прозрачность» ее для разработчика. Кроме того, в составе современных средств разработки присутствует большое количество тщательно протестированных библиотек готовых универсальных программных блоков, что избавляет разработчика от необходимости самому заниматься обеспечением рутинных интерфейсов ПО и позволяет ему сразу приступить к решению целевой проблемы, не отвлекаясь на второстепенные вопросы.

Большое количество используемых программных платформ не позволяет сосредоточиться на одном направлении разработок и заставляет неэффективно использовать ресурсы, выделенные на разработку. В современном производстве зачастую возникает необходимость разрабатывать и внедрять технологические средства достаточно универсального характера с возможностью их перенастройки на выпуск новых типов изделий (с использованием коэффициента адаптивности) при активном использовании в их составе встроенных вычислительных машин.

В настоящее время стоит вопрос о разработке технологических средств, перенастраиваемых с минимальными затратами, на базе широкого применения управляющих встроенных вычислительных систем и интеллектуальных контроллеров. В то же время практика свидетельствует о том, что затраты на разработку ПО составляют основную часть общих затрат на разработку всей системы. В связи с этим промышленный подход к созданию ПО играет решающую роль во всем процессе создания современных систем контроля.

Одной из основных сложностей при производстве ПО является проблема создания надежного и высокоэффективного ПО. Одним из перспективных путей их решения является реализация детально регламентированного технологического процесса. При этом необходимый уровень регламентации может быть достигнут в результате структурного подхода к обеспечению заданных характеристик надежности создаваемых программ на различных стадиях жизненного цикла ПО.

Суть структурного подхода-сокращение ошибок в программах путем их своевременной локализации, уменьшение трудоемкости их выявления и исправления за счет четкой и упорядоченной структуры и связей комплекса программ (КП), структурная организация процессов проектирования и разработки всех компонентов комплекса. Известно, что одним из основных методов снижения сложности объектов является структурный подход к их проектированию.

Структурный подход-это методология анализа и уточнения знаний применительно к объекту путем последовательной, иерархической детализации его составляющих. Он опирается на декомпозицию объектов по тем или иным признакам, на упорядочение входящих компонентов, организацию их рациональных связей, применение модульно-иерархической структуры объекта. Конкретная реализация и содержание структурного подхода определяются принадлежностью проектируемого объекта к той или иной области и спецификой этой области. В зависимости от степени сложности проектируемого объекта меняется уровень отработки методов реализации структурного подхода. Так, при создании БРЭС структурный подход опирается на широко развитые автоматизированные методы конструирования различных компонентов, организацию четких и определенных связей между частями аппаратуры, обеспечение автономности и максимальной независимости каждого компонента.

До сих пор надежность связывалась с методами отладки и тестирования, степенью и качеством отлаженности программ, что вполне отвечает смысловому содержанию понятия надежности. В то же время существует тесная связь между надежностью и сложностью КП; очевидно, что снижение сложности должно способствовать повышению надежности. Поскольку один из основных путей снижения сложности — это структурный подход к проектированию, возникает задача установить зависимость между надежностью и снижением сложности при структурном проектировании.

В связи с указанным, а также с необходимостью повышения производительности, сокращения сроков и снижения трудоемкости разработки ПО, проблема техники и методологии проектирования программ стала предметом серьезных исследований. Для получения требуемой общей структуры в большой программной системе необходимо выделять определенные структурные компоненты, а для понимания способов структурирования программ и данных обязателен процесс абстрагирования проблемы.

Одной из основных является проблема выработки приемлемых требований к программному обеспечению. Среди нескольких направлений решения этой проблемы выделяется использование спецификаций требований на программные системы и их отдельные компоненты.

Целесообразно рассмотрение методики анализа показателей надежности БРЭС с учетом влияния систем контроля, на ранних этапах проектирования, использование которых позволяет совершенствовать процесс разработки, за счет: повышения точности расчетов при обеспечении

отказоустойчивости; сокращения сроков проведения разработки; снижения стоимости проводимых мероприятий, направленных на выполнение показателей надежности БРЭС.

В настоящее время отсутствуют методы расчета показателей надежности ТС и ПО БРЭС с учетом влияния основных характеристик систем контроля, т.е. коэффициентов: полноты контроля, глубины

контроля, достоверности контроля, оперативности (своевременности), однозначности контроля (адаптивности), автомодельности дефектообразования в процессах дислокации и дисклинации.

Трудности анализа современных БРЭС возникают из-за повышения сложности, так система, состоящая из нескольких тысяч элементов, имеет степень интеграции сотни миллиардов транзисторов. Использование новых технологий цифровой и аналоговой обработки сигнала и средств микроэлектроники приводит к значительному усложнению БРЭС, имеющих десятки-сотни (п) высокоэффективных элементов: микропроцессоров (МП), транспьютеров (ТП), нейрокомпьютеров (НК), которые содержат более 100 млн активных элементов (Нсд. МП = 1,0 х 108) в одном корпусе, и имеют средний ресурс более 100 тысяч

часов ^р.мп = 1х105часов), что соответствует сложности элемент МП-часам и 1х1013 или сложности

БРЭС-часам и 1х1014 -г- 1х1015 эл.хчас.

При интенсивности отказов активного элемента Аак.эл и 1х10-8 1/ч. и при прямо-пропорциональной зависимости интенсивности отказов БРЭС от степени интеграции входящих элементов, интенсивности отказов БРЭС будет составлять Абрэс и п х Ысл. мп х Аак.эл = 10 х 1х108 х 1х10-8 = 10 1/ч., а наработка на отказ БРЭС будет составлять всего То = 1 / Абрэс = 0,1 часа, тогда как требуемая То должна быть не менее 10 - 100 тысяч часов (То.брэс = 1х104 - 1х105часов).

Чтобы обеспечить высокие уровни средних наработок БРЭС в течение длительных средних сроков службы и ресурсов необходимо рассматривать не только надежность: безотказность,

ремонтопригодность, долговечность, сохраняемость ТС и правильность ПО, но и живучесть: отказоустойчивость (сбоеустойчивость) ТС, устойчивость ПС, контролепригодность ТС и ПС.

Современные системы (в отличие от систем с традиционными структурами) имеют: большое

количество простых, низкоскоростных ПРОЦЕССОРОВ; интегрированную в процессоры, распределенную ПАМЯТЬ с адресацией по содержанию (в обычных системах код адреса памяти не связан с содержанием, что приводит часто к ошибкам); параллельные, распределенные, самообучающиеся ВЫЧИСЛЕНИЯ; высокоэффективную (по полноте, глубине, оперативности, достоверности, однозначности локализации неисправностей) встроенную систему КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ; большую структурную, информационную, функциональную, программную и алгоритмическую ИЗБЫТОЧНОСТЬ, все это позволяет нейтрализовать сбои, ошибки, постепенные, внезапные и перемежающиеся отказы и тиристорные эффекты в ТС и ПС и обеспечить высокую ЖИВУЧЕСТЬ систем.

Надежность и живучесть БРЭС Надежность элементной базы (МП, команд, данных) интолерантный подход Живучесть структуры толерантный подход

свойство показатель свойство показатель

Технические средства БРЭС безотказност ь Тотс- средняя наработка на отказ в технических средствах отказоустой чивость Р( t ) - вероятность, что не произойдет срыва выполнения задания, из-за отказов в ТС

Программные средства БРЭС правильность Топс- средняя наработка на ошибку в программных средствах устойчивост ь Р( t ) - вероятность, что не произойдет срыва решения задачи и из-за появления ошибки в ПС

Использование принципов обеспечения живучести больших биологических систем позволяет перейти от интеграции схем к интеграции систем и удовлетворить все возрастающее требования заказчиков к быстродействию, точности и количеству решаемых задач при разработке современных аппаратно-

программных комплексов управления и обработки информации, основой которых являются микропроцессорные системы (МПС), транспьютерные системы (ТПС), нейрокомпьютерные системы (НКС) и брейнпьютерные системы (БПС). Показатели надежности и живучести ТС и ПО приведены в таблице.

На следующим этапе проводится контроль структуры процесса функционирования БРЭС, который описывается полумарковским процессом (ПМП), с учетом влияния полного набора отказов, характерных для БРЭС; с целью укрупнения сложного фазового пространства состояний и замены полумарковского процесса вложенным марковским процессом (ВМП), позволяющим провести расчет живучести БРЭС с учетом сбоев, перемежающихся и внезапных отказов.

Такая последовательность применения методов декомпозиции и укрупнения для контроля, между

которыми существует взаимно - однозначное соответствие, вызвана несколькими причинами, основные

из них следующие:

- необходимость построения наглядной физической модели контроля, позволяющей проводить анализ отказоустойчивости, с учетом избыточности;

- потребность в уменьшении объема контроля при расчете безотказности систем с большим количеством элементов и связями между ними;

- необходимость контроля связей между укрупненными каналами для разработки методов нейтрализации различных видов отказов и обеспечения отказоустойчивости МПС.

Для проведения расчетов живучести перспективных БРЭС с учетом структуры надо разработать методику расчета вероятности безотказной работы БРЭС, использующих алгоритмы прямых и быстрых дискретных ортогональных преобразований с учетом контроля, состоящий из трех этапов.

На первом этапе проводить декомпозицию устройства на алгоритмическом уровне с использованием метода факторизации векторно-матричного пространства представлений параметров передаточной функции устройства.

На втором этапе рассматривается контроль аппаратурных реализаций, соответствующих выбранным физическим моделям, на основе интерпретации структуры вычислительного процесса в виде набора каналов по модели «т из п», с учетом структуры и использованием аппарата характеристических функций.

На третьем этапе проводится контроль структуры процесса функционирования БРЭС, который описывается полумарковским процессом, с целью укрупнения сложного фазового пространства состояний и замены полумарковского процесса вложенным марковским процессом, позволяющим провести расчет живучести МПС с учетом сбоев, перемежающихся и внезапных отказов.

Опыт показывает, что целесообразно при построении зависимостей для различных коэффициентов влияния системы контроля использовать: метод наименьших квадратов для определения коэффициентов полноты контроля, глубины контроля, и достоверности контроля; метод кубических сплайн функций дефекта один для построения коэффициентов оперативности (своевременности), однозначности контроля; метод вейвлет - анализ для построения коэффициентов адаптивности и автомодельности.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.