Grundlagen der Programmentwurfstechnik Fundamentals of Software Engineering 1

Transkript

1 Vorlesung 7 Fundamentals of Software Engineering 1 Inhaltsverzeichnis 1. Einführung 2. Allgemeine Modellbildung. Strukturierte Analyse 4. Strukturierter Entwurf (SE) 5. Benutzersschnittstellen 6. Softwaretest 2 1

2 Inhaltsverzeichnis 4. Strukturierter Entwurf (SE) 4.1 Aufbau der Modellierungsphasen nach Ward & Mellor 4.2 Das Essentielle Modell 4. Prozesse und Prozessverwaltung 4..1 Der technische Prozess 4..2 Der Prozessrechner 4.. Prozesse 4..4 Werkzeuge zur Prozessverwaltung 4..5 Zeitscheibenverfahren 4..6 Prioritätssteuerung 4..7 Echtzeitverarbeitung 4.4 Modellierung der Implementierung 4. Prozesse und Prozessverwaltung 4..1 Der technische Prozess Definition nach DIN: Ein Prozess ist Umformung und/oder Transport von Materie, Energie und/oder Information. Zustandsgrößen technischer Prozesse können mit technischen Mitteln gemessen, gesteuert und/oder geregelt werden. Beispiele: Verfahrensprozesse Chem./phys. Umwandlung Rohstoffe-> Werkstoffe/Energie Fertigungsprozesse Mechanische h Formänderung(Werkzeugmaschinen) Verteilungsprozesse Räumlich/zeitlich (Lager/Vermittlung) Meß- und Prüfprozesse Untersuchung mech./phys./chem. Eigenschaften (Prüfstand, Analysen) 4 2

3 4..2 Der Prozessrechner - Mikrorechnersystem zur Prozesssteuerung - 5 Aufgabe Rechnerkonfiguration lang- und mittelfristige Planung auf kommerziellen Rechner Dateneingabe Datenausgabe Strategierechner (kommerziell) Zentrale Datenbank der Firma kurzfristige Planung und Steuerung des Datenverkehrs mit Betriebsrechner Dateneingabe Datenausgabe Dispositionsrechner (Betriebsrechner) weitere Rechner Fertigungsdaten des Einzelnen Produktionsunternehmens Operativrechner weitere Rechner kurzfristige Steuerung mit Prozess- und Mikrorechner. Zuteilung der Aufgaben und Erfassen von Fertigungsdaten Prozess rechner Prof. Dr. Ing. Axel Manuelle Hunger Eingabe Bildschirm Drucker Eingabestation Prozess / Mikrorechner Leit-und Eingabestation Maschine Sommersemester Automatische Eingabe 2016 Offener Regelkreis (Betriebsdatenverarbeitung) Prozess / Mikrorechner Bildschirm 4..2 Der Prozessrechner - Prinzip einer hierarchischen Rechnerkonfiguration- Meßwertgeber Maschinensteuerung Direkte Dr. Ing. Steuerung Stefan Werner 6 geschlossener Regelkreis

4 4.. Prozesse Einschub: von Neumann Architektur Der Prozessrechner - Begriffliche Abgrenzung- Prozessor: Hardware-Einrichtung zur Verarbeitung von Daten Programm: Lauffähig auf Harddisk oder im Hauptspeicher Prozeß: Definition im Sinne der Datenverarbeitung: Programm in Ausführung (virtueller Prozessor: umfaßt: Programme, Daten, Programmzähler, Stack(-pointer), Status, Register,... Task: Anwendersicht eines Prozesses. Im Hinblick auf Prozessrechner meinen Prozess und Task dasselbe Prozess und Task synonym verwendbar. User: klare Unterscheidung zwischen "Task" und "User":" Jedem User (Benutzer) wird mindestens eine Task (Aufgabe bzw. deren Lösung) zugeordnet. Ein User kann ohne weiteres mehrere Tasks anfordern mehrere Tasks können ohne Zuordnung zu einem User existieren, da sie lediglich mit einem technischen Prozeß zusammenarbeiten. 8 4

5 4. Prozesse und Prozessverwaltung 4.. Prozesse Ein Prozess wird im Betriebssystem durch einen Prozessleitblock (engl.: Process Control Block=PCB) repräsentiert, in dem alle Informationen zu einem laufenden Prozess verwaltet werden 9 4. Prozesse und Prozessverwaltung 4.. Prozesse zur eindeutigen Identifikation laufend, blockiert, etc. => vgl. nächste Beschreibung des aktuellen Zustands der Bearbeitung (Programmzähler) und der Registerinhalte i des Prozessors (Register) (internal state). Daten zur Regelung der Bearbeitungsfolge(Prioritäten) zur Verwaltung des belegten Hauptspeichers zur Abrechnung von benutzten Betriebsmitteln über die Zuordnung von Ein- / Ausgabegeräten zu geöffnete Dateien u. Netzwerkverbindungen die die Zugriffsrechte des Prozesses beschreiben Verkettung von Prozessleitblöcken 10 5

6 4.. Prozesse - Zustände und Verwaltung von Prozessen 1 Erzeugung eines neues Prozesses: durch das laufende Programm oder das Betriebssystem 2 Einbindung in das Prozesssystem: durch das laufende Programm oder das Betriebssystem 1 existent 2 bereit 5 laufend blockiert 4 Verwaltung durch: Dispatcher/Verteiler bzgl Priorität Scheduler/Planer bzgl. Ausführungszeit 4 Prozess wartet auf Eingabe 5 Eingabe erledigt/ Bereit zur Fortsetzung Prozesse - Zustände und Verwaltung von Prozessen Erzeugung Prozesssystem 1 2 III bereit blockiert Entfernung Zuteilung Unterbrechung existent Entfernung I Unterbrechung 4 Zuteilung laufend 5 II I: Vorbereitung des Mehrprozessbetriebs II: Mehrprozessbetriebs unter Benutzerkontrolle III: Zusätzlicher Effekt bei Quasi-Parallelität ohne Benutzerkontrolle 12 6

7 4..4 Prozesse und Prozessverwaltung -Hauptfunktionen eines Multitasking Betriebssystems- Benutzer Software Hardware BS task BS 1 2 Prozessor Peripherie log in accounting BS: Betriebssystem 1: Scheduler 2. Interruptsteuerung Werkzeuge zur Prozessverwaltung -Prozessverwaltung durch Scheduler und Dispatcher- Prozesse (SW) Prozessoren (HW) 1 Scheduler 1 2 Zuordnung der anstehenden Prozesse zu den verfügbaren Prozessoren unter Berücksichtigung (vorrangig) funktionaler Abhängigkeiten der Prozesse und/oder eine fiktive, übergeordnete Zeitbedingungen. Dispatcher 2 m Zuordnung von Prozessoren zu bestimmten Prozessen basierend auf Interrupts (u.u. mit Prioritäten) oder aufgrund von Echtzeitbedingungen n üblicherweise als Betriebssystemfunktion verfügbar 14 7

8 4..4 Prozesse und Prozessverwaltung Ablaufsteuerung bei time-sharing Zeitscheibenverfahren Zuteilung zu des Prozessors zu den verschiedenen Prozessen (Tasks) erfolgt durch den Scheduler im time sharing Betrieb die Prozesse sind gleichrangig oder besitzen unterschiedliche Prioritäten Optimierungsziel: Volllast = 100% möglichst alle E/A-Geräte und die CPU ständig beschäftigen Das Zeitradmodell Mehrere Prozesse, z.b.: P1...P8 davon z.b. P1-P Betriebssystemprozesse, P4-P8 Benutzerprozesse Betriebssystemprozesse - P1: Terminal I/O - P2: Account - P: Print 16 8

9 4..5 Zeitscheibenverfahren T 8 T T 1 T 2 Die Zeit für einen vollen Umlauf des Zeitrades beträgt T und wird als Zykluszeit des Zeitrades bezeichnet Die Zykluszeit T wird in kleinen Portionen T i auf die einzelnen Prozesse aufgeteilt. T 7 T Beim Wechsel von einem Prozess T 6 T 5 T 4 P i zum Prozess P j erfolgt ein Kontextwechsel: - Umladen der Prozess- spezifischen Register, Umschalten von einem virtuellen Prozessor zum nächsten - Kontextwechselzeit T KW Zeitscheibenverfahren t 0 Ablauf zum Zeitpunkt t 0 beginnt die Bearbeitung der ersten Task: - hier z.b. Terminal I/0 (P1) Beachte: Die Wahl von t 0 bietet verschiedene Möglichkeiten t 0 kann mit der reinen Rechenzeit des ersten Prozesses zusammenfallen =>nach KW t 0 kann mit dem Ursprung zusammenfallen => ½ KW vor P1 t 0 kann beliebig gesetzt werden 18 9

10 4..5 Zeitscheibenverfahren t 0 +T t 0 t 1 Ablauf Zeitpunkt t 1 : Scheduler entzieht der Task den Prozessor führt einen Kontextwechsel aus und fährt in der Folge mit der Bearbeitung der Task 2 (P2) fort. Anschließend: Ausführen aller anstehenden Tasks bis t 0 +T dann beginnt neuer Umlauf des Zeitrades Zeitscheibenverfahren Kritischer Abschnitt Kritische Abschnitte entstehen bei Parallelität wenn zwei Prozesse um ein Betriebsmittel konkurrieren, auf die gleiche Datenstruktur zugreifen sich synchronisieren. Bleiben kritische Abschnitte unbeachtet bzw. ungeschützt kommt es zu so genannten Race Conditions hängt das Ergebnis einer Operation vom aktuellen Prozessfortschritt und damit letztlich vom Zufall ab. P5 darf nicht unterbrochen werden 20 10

11 4..6 Prioritätssteuerung Beispiel: System mit drei Prozessen HGP: Hintergrundprozess / Priorität 1 IRSi: Interrupt-Subroutine i IRS1/ Priorität 2/ Dauer 8 IRS2/ Priorität 4/ Dauer 6 Ii: Interrupt i 4 Priorität IRS2 Dauer = 6 2 IRS1 IRS1 1 HGP Dauer = 4 Dauer = 4 HGP I1 I2 Zeit Prozesse und Prozessverwaltung 4..7 Echtzeitverarbeitung Definitionen Echtzeitverarbeitung (real-time processing): Korrektheit eines Echtzeitsystems ist nicht nur von den logischen Ergebnissen der Berechnung abhängig, sondern auch von dem Zeitpunkt an dem die Ergebnisse produziert wurden. Echtzeitsysteme sind Systeme, die korrekte Reaktionen innerhalb eines definierten Zeitlimits produzieren müssen. Wenn die Reaktionen diese Zeitlimits überschreiten, dann resultieren daraus Leistungseinbußen und/oder Fehlfunktionen

12 4. Prozesse und Prozessverwaltung 4..7 Echtzeitverarbeitung Reaktionszeiten in Echteitsystemen unterliegen definierten, festen Zeitschranken. Beispiele: Robotersteuerung Für die genaue Ablenkung von Elektronenstrahlen beim Elektronenstrahlschweißen, müssen Magnetfelder mit Frequenzen bis zu 1 MHz geregelt werden. Die Reaktionszeit dabei: 1 µs - 10 µs. Kommunikation in Verkehrsmitteln Die Airbag-Steuerung im Auto muss dauernd und innerhalb kürzester Zeit die Messwerte der Sensoren verarbeiten und entscheiden, ob und wie stark der Airbag ausgelöst wird. Reaktionszeit dabei ca.1 ms. Raketen-/ Weltraumtechnik: Patriot-Raketen, die zum Abschuss anderer Raketen eingesetzt werden müssen bei Begegnungsgeschwindigkeiten von mehreren 1000 m/s und einzuhaltenden Trefferradien von weniger als einem Meter, Zeitschranken im Nanosekundenbereich einhalten 2 4. Prozesse und Prozessverwaltung 4..7 Echtzeitverarbeitung die Signale werden in jeweils eigenen Prozessen Pi aufgenommen und verarbeitet die verfügbare Rechenzeit der einzelnen Prozesse beträgt T Pi Echtzeitbedingung bei Verwendung von drei Prozessoren: T P1 τ = (t 1 -t 0 ) usw. T P2 τ = (t 1 -t 0 ) usw. T P τ = (t 1 -t 0 ) usw. P P2 P1 P P2 P1 t 0 t 1 t

13 4. Prozesse und Prozessverwaltung 4..7 Echtzeitverarbeitung die Signale werden in jeweils eigenen Prozessen Pi aufgenommen und verarbeitet die verfügbare Rechenzeit der einzelnen Prozesse beträgt T Pi Echtzeitbedingung bei Verwendung von einem Prozessor: T P1 + T P2 + T P τ = (t 1 -t 0 ) usw. P1 P2 P P1 P2 P t 0 t 1 t Prozesse und Prozessverwaltung Beispiel/Übung 11 Ein aus zwei Verwaltungstasks (V1, V2) bestehendes Mailbox- System arbeitet im Zeitscheibenverfahren. Die Zykluszeit des Zeitrades beträgt 200ms. Je Verwaltungstask wird eine Rechenzeit von 5ms/Zyklus benötigt. Die verbleibende Zeit des Zeitrades wird gleichmäßig zwischen den auf das Mailbox-System zugreifenden Prozessen vergeben und wird nach jedem Zeitradzyklus neu berechnet (quasi statisch). Für die Kontextwechsels zwischen den Tasks werden zusätzlich 2ms benötigt. 26 1

14 4.5.5 Aufbau eines Multitasking Betriebssystems Beispiel/Übung 12 Das Mailbox-System aus Beispiel 11 ist in der Lage 50 Byte/ms zu senden oder zu empfangen. Es bedient im folgendem drei Prozesse (A1, A2, A). A1 sendet eine Botschaft von 500 Byte A2 empfängt eine Botschaft von 500 Byte A empfängt eine Botschaft V1 V2 von 5000 Byte A 12.1 Geben Sie an, zu welchen Zeit- punkten die einzelnen Tasks beendet werden, wenn die Tasks A2 wie im neben stehendem Bild auf dem Zeitrad angeordnet sind. Wählen Sie einen geeigneten Startpunkt A