Ergebnisse der Klausur im SS08

Einordnung

Begriff: Fachsprache (FS) - kein Äquivalent in englischer Literatur
ähnliche Begriffe: Spezifikationssprachen, Special Languages (triffts am ehsten), 4.GL
es existieren Vielzahl von FS

grobes Schema:

Eigenschaften von FS:

eindeutig
widerspruchsfrei
vollständige Problemlösung

Generationsentwicklung von Programmiersprachen \ Stellungen von Fachsprachen

Folie

I. Generation

Niveau ist binärer Maschinencode
Abstraktionsniveau = Flip Flop
Maschinenkenntnisse erforderlich
Sprache spiegelt Prozessorarchitektur wieder

II. Generation

Strukturierungsmerkmale in Assemblersprache
symbolische Namen für Operanden, Befehle
erste Ansätze zur Modularisierung der Programme (Makroassembler, Binder, Lader)
Abstraktionsniveau = Register, Menge von Flip Flops
Maschinenkenntnisse erforderlich
Sprache spiegelt Prozessorarchitektur wieder

III. Generation

maschinenunabhängig
höheres Abstraktionsniveau als Register

FORTRAN - Formula Translation

keine while-Schleife

COBOL (1954) - Common Business Oriented Language

sehr häufig eingesetzt
immer höhere Abstraktion
algebraische Schreibweise
A = B(I) + C

ALGOL 60 - Algorithmic Language

europäische wissenschaftlich-technische Anwendung
richtungsweisende Eigenschaften:
- Bindung von Datenobjekten (Einführung Variable, Felder) an Datentypen
- rekursive Unterprogrammtechnik
- Vereinfachung strukturierte Programmierung (Zählschleifen, while-Klausel)
- Unterstützung Selbstdoku der strukturierten Programmierung
keine größere Bedeutung
aber positive Eigenschaften in PASCAL

Spezialsprachen

anwendungsorientierte Programmiersprachen = FS

für zeitkontinuierliche Simulation:
- CSMP - Contineous System Modelling Program
- CSML - Contineous System Modelling Language

für zeitdiskrete Simulation
- GPSS - General Purpose Simulation System

C-Unix

verbindet Eigenschaften von Assemblersprachen mit Eigenschaften von Hochsprachen (HS)

Java

IV. Generation

notiere "was" !
notiere nicht "wie" !
interaktives Arbeiten

PROLOG - logische Programmierung

Theorembeweise über Datenbasis

Programmiersprachen

60. Jahre - prozedurale Abstraktion
70. Jahre - strukturierte Programmierung
80. Jahre - Modularisierung
90. Jahre - objektorientierte Programmierung, HTML / XML

Aussage

→ tendenziell Sprachen I... IV geeignet für Fachsprachen-Entwurf im Sinne EZ-PDV-Systeme

günstige Eigenschaften (speziell III Generation)
- geringer Kodierungsaufwand
- hohe Zuverlässigkeit der Programme
- stark verbsesserte Selbsdokumentation
- erfüllbare Hardwareanforderungen
Mangel der Sprachen der III- Generation für PDV- Programmierung
- eingeschränkte bzw. keine EZ-Fähigkeit
- Compiler erzeugen meist ineffizienten Code
- Unzureichende Verarbeitung spezieller Operationen (Analogsignale/Binärsignale)
Versuch der Lösung der EZ-Probleme
- Spracherweiterung für prozeßgekoppelte Datenverarbeitung
- Spracherweiterung im Sinne Parallelprogrammierung
- Implementierung von EZ-Verarbeitungen

Fazit:

Erfordernis von Fachsprachen in EZ-Systemen
angepaßte Fachsprachen nach Anwendungsfall

Rolle von Fachsprachen bei PDV-Systementwurf

Tendenz

Embedet Systeme
- CAN-Bus
- EBS (1..20 Kb, Konfigurierbar)
- C-Compiler
- CPU
  - 32-bit
  - 64-256 kb Speicher
  - AD/DA Kanäle
  - CTC, Bin E/A
  - Kommunikationskontroler

Anforderung an Fachsprachen der PDV aus Anwendersicht

Realisierung EZ-Fähigkeit
erhöhte Ausdrucksmächtigkeit
Berücksichtigung der Entwurfs und Anwenderspezifikation
Effizienz von Laufzeit und Speicher
Komfortabel (analog Hochsprache)
Funktionsoffen (Modularität, Erweiterbarkeit)
einfache Erlernbarkeit, Anwendung
Selbstdokumentation
Verfügbarkeit/Preis

PDV System als Gegenstand der Fachsprachen Anwendung

Aussage – PDV System – Struktur
Aussage – Entwurf
Anforderung + Eigenschaften von Fachsprachen
exemplarische Fachsprachen
Beachtung von Eigenschaften und Forderungen Allgemein → Ableiten einer verallgemeinerten Fachsprache

Allgemeine Aspekte der Begriffe, Automatisierung

Nach Neumann:
- on-line Kopplung Automatisierungseinrichtungen → Prozess
- Echtzeit-Informationsgewinnung und Verarbeitung
- Forderung der Einhaltung und Prioritätsvorgaben
Niveau der Automatisierungseinrichtung orientiert sich am Prozess
Systemgedanke
im Systemgedanken deutliche Niveaustufen möglich/sinvoll

Abgrenzung auf Problemklassen

Alle Ebenen sind/bleiben berechtigt
weiter auf 2.) konzentrieren
Koppelbarkeit zu hierarchischen Systemen soll gegeben sein
BILD: Kommunikation in PDV Systemen

Systemkommunikation

Gewinnung und Darstellung von Informationen über Systemsignalen und Zustände der Automatisierungsanlage (AA) für Bediener und
gezielte Beeinflussung dieser im Dialog
Prozesskomunikation
- Signalwege und Darstellung der Größen des technischen Prozesses für Bediener
- Prozessbeeinflussung in Echtzeit und Dialogbetrieb
Erforderlich weil:
- Realisierungsart, -tiefe von den Ebenen und den Anforderungen an die Kommunikation abhängig ist

Allgemeine Betrachtung zur Entwurfsmethodik

Entwurf ist Festlegung der Struckturierung und Funktion des Systems
Entwicklung ist die Kombination von Analyse und Synthese
funktionelle Entwicklung → Abbildung von Eingangsfolgen auf Ausgangsfolgen
strukturelle Entwicklung → Menge der Systeme realisierbarer Strukturelemente und deren Verkopplungen
Funktion + Struktur = Architektur

<graphviz> digraph R {

node [shape=box];

Fachsprachen -> "Struckturentwurf (Methodik Hardwareentwurf)" Fachsprachen -> Funktionsentwurf } </graphviz>

Funktionsentwurf

Konstruktionsprozess (detail Entwurf)
Fertigungsentwurf (Kodeierung + Test)

Modellierung

Modelle bezüglich des Fachgebietes
- Grundlage für die Ableitung einer speziellen FS

Strukturmodell
SM = (M, RM)
M... Menge der Modelle (Fertigungseinheit mit spezieller Funktion z.B. ADU)
RM ... Relation der Module (Aufrufer, Verbindungen, Benutzerelation)

Funktionsmodell
FM(A,D,U,DER,SFR,MR,DR)

A ... Menge der Elemente vom Type Action
D ... Menge der Elemente vom Type Daten
U ... Menge der Elemente vom Type Umwelt
DER ... Datenrelationen
SFR ... Steuerflußrelationen
MR ... Mittelrelationen
Problem:
- kürzester Weg beim Entwurf erwünscht (bei häufigem Entwurf)
- effektiv für Struktur + Funktion mit angepaßten FS

Entwurf

Nach /Feng./

Graphische Beschreibungsmittel in ähnlicher Weise definiert
- Alphabet, Pragmatik, Semantik wie bei Programmiersprachen
- Syntax in Erweiterung zur Sprachendefinition Regeln für mögliche Anordnungen und nicht nur Produktion von Zeichen
- → Sprache + Graphen BM für Ebenenentwurf
Entwurfsmethodik zu Sprachen ist erst
- feste Regeln für den Entwurfsweg
- für jeden Schritt ein geeignetes (problembezogenes) BM
- Testmittel
Zurverfügungstellen

Inhalt der Entwurfsmethodik

charakterisiert:
- Auswahl der notwendigen Entwurfsebenen
- Def/Auswahö der BM für die Ebenen
- Breitstellung von Regeln zur Symatischen Bildung der Spezifikationsmegen
- Angaben von Analysemethoden zur Prüfung der Richtigkeit der Entwurfsschritte
Ebeneneinteilung → Problem: virtuelle Maschine → vertikal

PDV-Systeme

virtuelle Maschine für
- Monitor (Anzeige Bediener)
- Steuerprogrammsystem (BS)
- Anwenderprogramm (Anwender alg. Problemnotation)

Festlegung der Entwurfsebene

vertikale Systemzerlegung

(4) Geräte-Ebene
(3) Funktionsblock-Ebene
(2) Elementarprozess-Ebene
(1) Maschinen-Ebene (Prozess)
(0) Logikebene

Anforderung mittlerer PDV

Anatomie (→ Anforderung an Prozesskomunikation)
begrenzte Funktionsiffenheit (→ Anforderung an Systemkommunikation)
Koppelbarkeit

→ Entwurf eines Systems bedeutet die Funktionsfestlegung über Systemstruktur für due Komponenten

Verarbeitungsfunktioin
Kommunikationsfunktion
Synchronisationsfunktion
Funktionen der Schaltungstechnik für betrachtete Klassen der PDV-Systeme

→ Schaltungstechnik:

Vorraussetzungsmäßig vorkonfektionierte Systeme !

Grundhardware

für ein Maximum/optimum vorbereitete Funktionsumfang
Definierte Schnittstelllen zum erweitern/konfektionieren
Entwurf auf Geräteebene
E/A-Bus
- Signaldefinition
- Software für E/A-Transfer (z.B. lesen von analogen Werten von Knoten ADU)

Einsatz von Srpachen in den spezifischen Ebenen

Sprachniveaus in den Entwurfsebenen (0) ... (4) sinvoll zuordenbar
Beispiel für FS: CONTROLIC C, MPSS, PROGMAR
Hochsprachen: Pearl, C, Form, ADA
für Geräte-Ebene (4)
- → Entwurf auf FS-Niveau möglich/sinvoll
- Kennzeichen von Fachsprachen

Entwurf einer Fachsprache für die abgeleitete Problemklasse

Fachsprache gekennzeichnet durch:
- Darstellung in für Fachmann eideutige interpretierbarer Form (Anweisung = problembezeichnende Grundfunktion)
- einfache Rückdarstellbarkeit durch genormte Darstellung
- Effizienz Speicher und Laufzeit
- erhöhte Programmsicherheit/nach einmaliger Herstellung nur Wiederverwendung
- einfache Übersetzungsstrukturen gegenüber Hochsprachen
- hoher Standardisierungsgrad der Anwendungdprogramme möglich
- Sprachelemete für Echtzeitverabreitung
- einfach Überarbeitbarkeit und Service
- Wunsch
  - Verarbeitung (Funktion) orientierte Notation
  - Steuerung, EZ-Ablauf implizit erfolgt

Spezifik beim Problementwurf mit FS

→ sinnvolle Ebenen für Probelmentwurf

E0: Analyse un Notation des Problems am EWS bzw frei
E1: Zwischenübersetzung in (nicht graphische) Zielsprache
E2: Problemnotation auf EWS (Entwurfssystem)
E3: Test bzw. Simulation auf EWS
E4: Auslagern auf Zielsystem
E5: Echtzeitsystem + Test am Zielsystem
E6: Struktur-, Parameteranpassung am Zielsystem
E7: Rückdokumentation und Erstellung Systemunterlagen
E8: Emulation des Problems mit EWS
- Voraussetzung:
  - Schnittstellen wie bei Zielsystem
  - EZ-Verhalten wie bei Zielsystem
  - Koppelbarkeit

Realisierung einer Beispiel Fachsprache

Abarbeitung von FS:

nach Kompilation
Interpretation
Modulgedanke / Programmodul/ Komponente/Objekt Interpretation ist effizienter Weg zur Realisierung

Modulgedanke

Standard
Darstellbarkeit
Überführbarkeit
Selbsdokumentation

Organisation der Programm-Bausteine

→ Standard für Programm-Austausch
[BILD Programm]
S1: Nutzung des Programm-Bausteins im Anwenderprogramm nur über diese Schnittstelle möglich
S2: Schnittstelle Modul zu UP-Bibliothek (Elementarprozess)
Modul:
- Verarbeitungsfunktion
- Schnittstelle Organisieren
- Bereitstellen E-Parameter
- Verarbeiten A-Parameter
- def. Programmabsprung
- Fehlerbehandlung im PR Baustein

Übergabe der Prameter

Organisation von Schnittstellen
- Übergabe von Parametern
- Übergabe von Parameter-Adresse (Zeiger)

Realisierungsstuktur für die Beispielfachsprache

Interpreter FS
Akkumulatorprinzip
lineare Assembler Notation
Prameter: Symbol (Pi)
Variablen: Symbol (Xj)
→ Endlich
[Programm + PAP]

Entwurf Systemkomponente Verarbeitungsfunktion

Steuerfunktion (BS, ESBS)
Monitor (Anzeige, Pedienung, Programme, Dialogeinheit)
Verarbeitungsfunktion Problemnotation

Auswahl der Beschreibungssprache

Viele Sprachniveaus
Assembler
Hochsprache
Fachsprache

[BILD Sprachen]

Analyse von Fachsprachen zum Entwurf der Verarbeitungsfunktion

Betrachtung bezüglich Domäne
- Verfahrenstechnischer Prozess
- Gebäudezentralisierung/Gebäudeautomatisierung
- Kraftstofftechnik

Auswahl der FS zur P-Notation über Merkmale

Einsatz von Grafik
- bei Synthese
- bei Überführung des Problems auf EWS
- für Simulation
- für Anlagenzustände
autonome/funktionsoffene koppelbare PDV-EZ-Systeme

== Anforderung an Steuerstruktur von FS für P-Notation

a.) <graphviz>

digraph R {

node [shape=box];

S -> V } </graphviz>

- Trennung von Steuerfunktion und Verabeitungsfunktion
- S = BS-Funktion
  - Zeitinterrupt Ts-Sprünge, Synchronisation
- V = Verarbeitungsfunktion (PID-Regler)
b.)
- [BILD Verarbeitungsfunktionen]
c.)
- [BILD Dynamische Steuerstruktur]
Beschreibung
- V- Datenflußorientiert (FS)
- S- Netz (PN)

Strukturanforderung an FS aus Prozeßbedingungen

Definition von drei Prozeßklassen sinnvoll:
- a.) geplante Prozesse
  - laufen ab als Ergebnis einer Einplanung
  - <graphviz>

digraph R {

node [shape=box];

"aus Planungsfunktion" -> "Einplanung" "aus Planungsfunktion" -> "Ausplanung" }</graphviz>

- - z.B. Führungswertvorgabe
    - zeitplanung/zyklisch/Zeitpunktorientiert/n-malig
- b.) abfolgegesteuerte Prozesse
  - Prozess läuft nach Beendigung des vorherigen
- c.) parallele Prozesse
  - absolut parallel
  - synchronisiert parallel

Anforderung aus Spezifikation der Verarbeitungsfunktion

Zeitvariantes System
- Ts- als Parameter
Zeitinvariantes System
- Ts- kein Parameter
Definition der Abtastrate nach Prozesszustand
Prioritäten Problem
weitgehend offene Architektur
- A:= (S Fi and F,s)
→ mögliche Fachsprachen Modelle zur Erfüllung der Forderung
Auswahl: allgemeine Steuerstruktur S und V

Steuerstruktur verarbeitender FS

Effizienter Ansatz zur Beschreibung der Steuerstruktur von FS-Anwendungen ist Realisierung der Anwendung als Zustandsmaschine (ZM)
endlicher (zyklischer) Automat
Die Steuerstruktur (S' bzw S") ist als Kommunikationsnetz (KN) notierbar
Definition von EZM und KN
ZM= (P,T,F,ms) ist Zustandsmaschine
p^k Element P^k ist Kommunikationsnetz

[viele unwichtige Formeln und son Kram]

Einordnung:
- Aktivitäten → Platz (A1,A2)
- KN Kapazitäten >1 realisierbar
- Starten/Synchronisieren möglich
Steuerstruktur realisiert grundlegende Anforderung an FS
- verteilte Algorithmen
- Unterscheidung von Eingabe und Ausgabe Tastzeiten
- Kommuniaktions-, Synchronisationsfunktion
- [BILD mögliche Notation]
- sinnvoll angepasste Steuersturktur (abweichend von Allgemein)
- Verarbeitung
- Planungsfunktion
- Ein/Ausgabedaten

programmtechnische Realisierung

für aufwandsminimale Realisierung ist sinnvoll:
Aktivitäten (FS-Makro) als auch Transitionen der EZM durch interpretativ abarbeitbare FS-Befehle (Elementare FS-Befehle) zu realisieren
Elementar FS Befehle
1. Algorithmen
2. Trasitionsbearbeitung
3. Zeigeroperationen
- def angepasster FS-Steruerstrukturen möglich durch Kombination der 3 Elementar FS-Befehle
[Bild: Beispiel Template]
Zeigerprozedur
- ermöglicht:
  - Zusammenfassen von Knoten (FS-Anweisungen) zur Prioritätsebenen (Verarbeitungsketten)
  - Kettenverzweigungen möglich

Spezielle Steuerstrukturen und FS-Anweisungen

Oberhalb des Grundmodells
für aufwandsminimale Realisierung
resultiert aus Prozessanfordrung an FS
Ableitung aus Grundmodell durch:
- angepaßte Realisierung der Transition (t1..t3)
- angepaßte Realisierung der Aktivitäten (A1 .. A2)
- spezielle Anwendung Zeigerprozedur
erforderliche Modelle für
- Verarbeitung
- Planung
- E/A Funktion
→ Bilder

Defintion einer Gerätefachsprache

Graphische Beschreibung

V- Datenflußorientiert
S- Netzstruktur
→ Beginn: Definition der Vollständigen Syntax
→ Bilder

FS FAQ

Was ist ein Fachsprache (FS)

Eine Fachsprache ist ein Programmiersprache die speziell an spezifische Probleme angepasst wurde. Mit ihr ist ein Experte in der Lage schnell Algorithmen zur Lösung der Probleme zu entwickeln.

Welche Notationen von FS gibt es

Fachsprache können in graphischer als auch in normaler Textueller form notiert werden.

Was kennzeichnet eine Fachsprache gegenüber einer Hochsprache

Fachsprachen sind grenzen sich von Hochsprache darin ab das sie:

eine Darstellung nutzen die dem Experten geläufig ist so das er keine Einarbeitungszeit benötigt
dem Programmiere viel Aufwand abnimmt durch Wiederverwenbarkeit von Modulen und Problemspezifischen Befehlen
durch genormte Darstellung kann aus dem Programmcode gut der Entwurf zurückgewonnen werden
sehr gute Selbstdokumentation

Wie entwerfe ich meine eigene FS

Eine Fachsprache wird Entworfen fast wie jede andere Sprache:

Alphabet festlegen
Syntax festlegen
Semantik festlegen
Pragmatik festlegen

dabei muss man darauf achten das man eine einfach Sprache entwirft die dem Problem angepasst ist.

Welche Entwurfsebenen gibt beim Sprachen Entwurf