Informatica Industriale - DU - 3

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1 Informatica Industriale - DU - 3 Tecniche descrittive Modelli e Formalismi Perché descrivere Cosa descrivere Come descrivere Formalismi Necessità di disporre di strumenti per descrivere oggetti e comportamenti. Tre situazioni specifiche: Specifica Descrizione delle caratteristiche che si desidera ottenere Progetto Descrizione delle entità astratte che dovranno essere realizzate in modo da soddisfare le specifiche Realizzazione Descrizione delle entità concrete 1

2 Nell ambito delle applicazioni di calcolatori per l automazione industriale le descrizioni riguardano Dispositivi, macchine e fenomeni appartenenti al mondo esterno Aspetti circuitali (hardware) e di programma (software) dei calcolatori Nota: Alcune tecniche di descrizione rappresentano concorrentemente sia aspetti hardware che software. La ripartizione avviene in momenti successivi alla descrizione (hw/sw codesign) Scopi delle Descrizioni Per comunicare Motivo principale Per supportare il pensiero, evidenziare e chiarire Aiutare a districarsi in problemi complessi Per realizzare Descrivere quanto deve essere realizzato Per documentare e ricordare Per insegnare 2

3 Livelli di descrizione. La scomposizione della descrizione in più livelli consente di gestire la complessità. Per livelli di astrazione Dall aggregato al dettaglio approccio Top-Down tipico delle fasi di progetto Per livelli di completezza Da importante a tutto Viste costituite di soli elementi importanti (viste spopolate) Per livelli di rigorosità Da generico a precisato Corrisponde al classico metodo di sintesi per raffinamenti successivi. Es: ad un livello si può parlare di...acquisizione periodica... mentre ad un livello successivo di...periodo con caratteristica 10msec < P < 25msec... Per livelli di risoluzione Da grossolano a preciso Rimandare la precisazione di valori numerici Es: ad un livello si può parlare di...alcune migliaia di caratteri al secondo... mentre ad un livello successivo di Kbit/sec... 3

4 Entità da descrivere. Fenomeni (comportamento) comportamento temporale di stati, eventi e correlazioni tra questi. Equazioni integro-differenziali Rappresentazione contemporanea degli aspetti funzionali e temporali. Equazioni logico/aritmetico e tempo. Oggetti (dispositivi) dispositivi atomici, visti ai morsetti, di cui ritiene sufficiente la caratterizzazione fornita. Interazioni (collegamenti) Collegamenti, in seno lato, e interfacce con protocolli Semplice collegamento oppure Interfaccia con Protocollo per trasformazioni e funzioni particolari. Sottosistemi Gruppi di oggetti tra loro connessi che presentano un buon grado di autonomia (aggregati ad elevata coesione) Presentano interazioni con altri oggetti considerati esterni. Sistemi Aggregati (oggetti e/o sottosistemi) ad elevata autonomia. Non presentano significative interazioni con l esterno. 4

5 Motivazioni delle descrizioni. Requisiti Specifiche La descrizione delle specifiche (aspetto astratto) costituisce un criterio di accettabilità di un sistema concreto rispetto agli obiettivi. Le specifiche devono essere descritte in modo: chiaro, completo, rigoroso, consistente e realizzabili Due livelli di specifica: globale e sottosistema Globale: precisa i comportamenti voluti per il sistema. Controllore: precisa la funzionalità del sottosistema affinché l interazione con il controllato soddisfi le specifiche globali Nota: spesso le specifiche dei sottosistemi sono dedotte dalle specifiche globali. Linguaggi orientati al problema Soluzioni - Progetto e Implementazione La descrizione della soluzione fa riferimento al problema specificato. Soluzioni astratte in fase di progetto Soluzioni concrete in fase di implementazione Soluzioni documentate a lavoro concluso I Linguaggi utili per descrivere la soluzione dovranno: 1) trattare delle risorse e 2) far corrispondere le funzionalità a tali risorse. Le risorse sono sia di tipo hardware sia di tipo software. Linguaggi orientati al problema e alle risorse e possibilmente eseguibili 5

6 Aspetti da descrivere Strutture Descrizione statica che evidenziano la connessione tra le parti. relazioni, connettività, topologia, materiali Proprietà Descrizione delle caratteristiche generali. funzionalità, temporizzazioni, tolleranze, usabilità, robustezza, costo... Comportamenti Descrizione algoritmica o funzionale degli aspetti dinamici descrizioni algoritmiche: successioni di operazioni descrizioni funzionali: espressioni logiche e matematiche nel dominio del tempo o della frequenza modi (es. prova, manuale...), fasi (es. taratura, avviamento...), passi (sequenze di operazioni atomiche) Paradigmi di descrizione Imperativo Si descrive come ottenere il comportamento voluto mediante una successione di comandi. Sequenzialità (scomposta la complessità temporale) Funzionale Si descrive l operazione per ottenere un certo risultato senza specificare la sequenza temporale e lasciando implicite le operazioni. Es: sen(x)/(a*b) non si specifica l ordine ne come è calcolato sen(x) Dichiarativo Si descrive la struttura del sistema mediante un insieme di elementi, relazioni tra elementi e loro proprietà. Parallelismo (scomposta la complessità strutturale) Oggetti 6

7 Tecniche di descrizione Grafiche 2D e 3D Schemi, Andamenti, Diagrammi, Immagini Parallelismo, Multidimensione, Analogia, Sintesi, Robustezza Formule 1.5D Matematiche e Logiche - Programmi Proprietà Ideali e Rigorose Testuali 1D Linguaggi Naturali Generali, Ricchi, Flessibili, Gestibili ma poco Rigorosi Tabellari 2D Traducibili mediante strutture di dati (Array di Record) Formalità delle descrizioni Formali Simboli e linguaggi a semantica rigorosa Consentono dimostrazioni di teoremi su proprietà Semiformali (strutturate) Termini e costrutti a semantica convenzionale Consentono Corrette Interpretazioni Informali Linguaggi naturali e disegni vari Consentono generalità sfumature e sintesi 7

8 DFD Data Flow Diagrams Grafi composti da nodi e archi orientati. Nodi Trasformazioni Depositi Archi Passaggi di informazioni (e relazioni di precedenza) Nodi di Trasformazione Nodi di deposito Archi Agente Esterno Funzione o Processo Facile espressione del parallelismo Si prestano a descrivere sistemi composti di diversi dispositivi interconnessi. Naturale scomposizione gerarchica Si prestano a realizzare procedimenti di specifica per raffinamenti successivi Il fusso di controllo è sovrapposto I DFD privilegiano l aspetto trasformazionale del sistema trascurando l aspetto sequenziale e reattivo. Sono l opposto delle macchine a stati 8

9 Automi Sono descritti da 3 insiemi e 2 funzioni Insieme degli stati (tra cui lo stato iniziale), insieme dei simboli di ingresso, insieme dei simboli d uscita, funzione stato futuro e funzione d uscita (a eventi o a valori). Se gli ingressi non sono mutuamente esclusivi si hanno più stati prossimi tra cui scegliere con un criterio (FIFO, priorità, non determinismo, ecc.). Privilegiano l aspetto sequenziale e reattivo del sistema trascurando l aspetto trasformazionale. Sono l opposto dei DFD. Esempio: interazione con l operatore (software). ogni transizione è associata ad una procedura chiamata quando si esegue la transizione (azione). ogni stato è associato a: azione che predispone le operazioni (inizio). Es. apre una finestra sul video con una maschera. attività ciclica che esegue le trasformazioni dello stato (corpo). Es. acquisisce da tastiera i caratteri per un parametro della maschera. azione che conclude le operazioni (termine). Es. assegna il valore acquisito alla variabile pertinente e chiude la finestra su video. 9

10 Limiti: Non consente di esprimere il parallelismo Rappresentazione ad un unico livello di astrazione che porta ad avere un numero molto elevato di stati nel caso di sistemi complessi Assenza del concetto di tempo (e durate temporali) Statecharts Formalismo grafico per la specifica di sistemi complessi. Caratteristiche principali: Rappresentazione esplicita della concorrenza Rappresentazione gerarchica tra stati Orientato ai sistemi reattivi guidati da eventi (event driven). Concetto di history. Rende compatta la descrizione di comportamenti che dipendono dalla storia. 10

11 Esempio azione di ingresso in A β: azione interna in uscita da A T: azione esterna in uscita da A parallelismo A Entry S Exit β, T Throughout X B Entry V F α γ/ W C D β E Entry U attività durante la permanenza in A evento azione sulla transizione Reti di Petri Consentono di descrivere l evoluzione di sistemi concorrenti. Numerose varianti Es: con capacità di descrivere aspetti temporali (Timed Petri Nets). Grafi orientati composti da nodi ed archi Nodi: Posti (Place) e Transizioni (Transition) Archi: collegano nodi di tipo diverso. Stato della rete : identificato da una particolare distribuzione di Token (contrassegni, gettoni) sui Posti. lo stato delle reti di Petri è di tipo distribuito, contrariamente al caso degli automi a stati. 11

12 Attività su una rete di Petri. Token: rappresentano delle risorse concrete (periferiche, aree di memoria, messaggi, ecc.) o astratte (eventi verificatisi). Posti: rappresentano attività in esecuzione (se marcati) o latenti (se non marcati), oppure semplici contenitori di informazioni pieni o vuoti (se marcati o no). Transizioni: operano i trasferimenti di risorse con le opportune sincronizzazioni. Privilegia il ruolo dei Posti. AI posti sono associati i processi (software) che effettuano le elaborazioni utili impiegando un tempo non nullo, mentre le Transizioni rappresentano azioni di coordinamento che possono essere pensate come svolte (idealmente in modo istantaneo) da un Sistema Operativo. Questa interpretazione ricorda un po un automa di Moore. Azioni su una rete di Petri. Posti e Token: Rappresentano semplici indicatori di eseguibilità che il sistema operativo utilizza per la corretta esecuzione delle azioni. Transizioni: Identificano le elaborazioni utili (azioni). Con questa interpretazione è in genere richiesto che si possa attribuire alle transizioni un tempo di scatto non nullo, mentre è irrilevante la durata delle marcature. Questa interpretazione può essere messa in parallelo con un automa di Mealy. 12

13 Estensioni temporali delle reti di Petri Attività associate ai Posti. Ad ogni posto è associato un tempo di esecuzione. Le Transizioni sono abilitate solo se in tutti i loro posti di ingresso è trascorso il tempo minimo di marcatura. Azioni associate alle Transizioni. Ad ogni Transizione è associato un tempo di esecuzione, e lo scatto si svolge in tre fasi: consumo dei Token dai Posti in ingresso, durata dello scatto per il tempo prefissato, produzione dei Token nei Posti in uscita. Eventi (istantanei) associati alle Transizioni. Ad ogni Transizione è associata una finestra temporale (Tmin, Tmax) che determina l intervallo di tempo dopo la sua abilitazione in cui la Transizione può e deve scattare. GRAFCET (Graphes Commandes Etapes Transitions) GRAFCET e' un linguaggio grafico orientato al flusso di controllo, Evidenzia l'evoluzione temporale sia sequenziale sia parallela. GRAFCET si propone come strumento di descrizione sia di specifiche sia di progetti. Sono definiti due livelli: 1. livello funzionale astratto, adatto per strutturare il progetto generale; 2. livello tecnologico che riporta i dettagli implementativi con riferimenti precisi a sensori, attuatori, tecnologie, ecc. 13

14 GRAFCET si ispira alle reti di Petri grafi con archi orientati. Elementi di GRAFCET. Passi (o fasi o tappe) a cui sono associate delle azioni. Transizioni a cui sono associate delle condizioni di transizione (o ricettività). Collegamenti orientati fra Passi e Transizioni. Passi: 3 Tappa normale 3 Tappa iniziale 3 Spostare a DX Se F.C. Allora accendere luce Azione incondizionale Azione condizionale GRAFCET - costrutti 3 azioni 3 azioni Transizione Transizione 2 <condizione> 4 Transizione Transizione In alternativa In alternativa 2 <C1> 4 3 <C2> 5 Attivazione Attivazione In parallelo In parallelo 3 azioni 2 <C1> Terminazione Terminazione In parallelo In parallelo <C1> azioni 14

15 GRAFCET - esempio