Этапы системного проектирования

Проблема внедрения технологии разработок ППП ставит комплекс вопросов, который разбивается на две основные группы системные и прикладные вопросы. В первой группе выделяется задача разработки специализированного системного инструментария для реализации проблемно-ориентированных системных надстроек или дополнений к штатному программному обеспечению ЭВМ. Развитие пакетов зачастую связано с использованием специализированных языков или расширением существующих, что требует наличия соответствующих трансляторов. Другие задачи первой группы связаны с совершенствованием и специализацией сервисных компонентов штатного программного обеспечения: средств организации библиотек, баз данных, средств отладки программных модулей, интерактивной машинной графики и т.д.

Ко второй группе прежде всего относятся задачи долгосрочного планирования всей разработки как единого проекта, включающего данную предметную область и интегрирующего результаты многих разработчиков. Построение математической модели требует модульного анализа всей проблемы (определения математических модулей и их взаимосвязей в схемах решения отдельных характерных задач). После детализации математической постановки формируются информационная модель в модульное наполнение ППП - определение программных модулей по функциональному назначению, описание структур входных, выходных и промежуточных данных, информационных потоков. Делаются оценки необходимых вычислительных ресурсов и принимаются решения по использованию компонентов штатного программного обеспечения ЭВМ (трансляторов, редакторов, библиотек, диалоговых средств и т.д.). На основе этого при необходимости проектируются системные надстройки:

входные языки и соответствующие трансляторы, специализированные библиотеки модулей и средства их отладки, БД и т.п. Таким образом, при создании ППП для вычислительного эксперимента выделяются обычные этапы системного проектирования с использованием декомпозиции задач [3,4].

Этап 1. Идентификация процессов, подлежащих автоматизации, - формулировка проблемы. Эта начальная фаза описания предметной области дает общее представление об объекте автоматизации, что позволяет определить доступность детальных характеристик объекта на ранних стадиях проектирования либо сделать вывод о том, что они должны быть получены и уточнены после разработки первой версии системы.

Этап 2. Декомпозиция процессов, включающая функциональное разделение каждого автоматизируемого процесса на структурированный набор элементарных процессов (потоков данных), которые в совокупности определяют структуру декомпозиции всего процесса в целом. Глубина функционального разделения зависит от специфики задач, подвергающихся декомпозиции, и знаний исследователей - специалистов в данной предметной области.

Этап 3. Взаимодействие процессов - установление взаимодействия между элементами декомпозиции. Здесь могут применяться разные аналитические методы. При решении задач декомпозиции и взаимодействия процессов необходимо учитывать требования к характеристикам система. Анализ этих требований проводится после четкого выделения факторов, влияющих на показатели качества функционирования системы. Отсюда - следующий этап проектирования.

Этап 4. Разработка требований к характеристикам - создание спецификаций системы, отражающих временные характеристики, внешние и режимные ограничения и требования. В системных спецификациях отражаются всевозможные требования, порождаемые соответствующими атрибутами проектирования. Определяются размеры задач и временные соотношения между ними, алгоритмы управления системой в терминах движения информации и ее обработки. Результаты анализа характеристик влияют на выбор стратегии передачи данных в системе, потребность в вычислительных ресурсах (ЭВМ, периферийные и интерфейсные устройства).

Этап 5. Анализ архитектуры системы и режимов ее работы. На основе результатов предыдущих четырех этапов проектирования определяется архитектура системы, включающая выбор схемы соединения элементов системы, число уровней обработки информации и управления (типы и число ЭВМ). При этом решаются следующие задачи: выполняется разделение системы; уточняются размеры задач, их временные характеристики, способы синхронизации и управления задачами;

определяются стратегия передачи информации, методы управления передачей и структура системы передачи; определяются разделяемые и выделенные (неразделяемые) вычислительные ресурсы системы; устанавливается возможность использования готовых компонентов, определяется набор этих компонентов, выбирается схема взаимодействия ЭВМ, класс ЭВМ.

Этап 6. Выбор альтернативного варианта. Подготавливаются два иди более пробных варианта системы. Производится анализ точности, надежности, стоимости и других характеристик вариантов. На основе этого анализа выбирается базовый вариант.

Первые три этапа относятся к так называемому виртуальному уровню системного проектирования. Виртуальный уровень описывает абстрактный набор структур данных, вычислительных процессов и каналов взаимодействия, которые составляют функциональную систему. Описание на виртуальном уровне определяет внутреннюю структуру процессов, но не учитывает ограничений ресурсов или топологию процессов. Этапы 4-6 составляют физический уровень проектирования, имеющий дело с конкретными программно-аппаратными составляющими автоматизированной системы. Основное содержание этого уровня - отражение виртуальной структуры системы на конкретную структуру программно-аппаратных средств.

Таким образом, на этапах виртуального уровня производится в основном привязка к решаемым задачам, а на уровне физического проектирования - привязка к реализации. Конечно, вследствие итерационного характера проектирования между уровнями существует взаимное влияние, но основное содержание этапов остается прежним.

Задачи и этапы вычислительного эксперимента полностью вписываются в задачи и этапы системного проектирования. Это и естественно, так как в том и другом случае мы имеем дело с проектированием автоматизированной информационно-вычислительной системы, причем для построения системы управления и физическим [4], и вычислительным экспериментами задачи организации управления в смысле выделения этапов и их содержания аналогичны: строится система управления над функциональным базисом, причем для вычислительного эксперимента функциональный базис составляют программные модули, реализующие базовые вычислительные алгоритмы, а для физического эксперимента программные модуля функционального базиса реализуют еще и алгоритмы управления автоматизированными экспериментальными установками и элементами таких установок, причем в отличие от вычислительного эксперимента это управление, как правило, производится в реальном времени.

Учитывая еще, что вычислительный и физический эксперименты суть основные стадии единого процесса научных исследований (см.рис.1.3), можно утверждать, что автоматизация этих экспериментов должна проводиться с единых позиций, на единых принципах, в рамках единого подхода, способного объединить вычислительный и физический эксперименты в единый технологический процесс научного исследования, направленного на получение новых знаний в виде моделей изучаемых объектов (явлений).