Fachsprachen

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Inhaltsverzeichnis

Ergebnisse der Klausur im SS08

Ergebnisse

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:

FS-Fachsprachenuebersicht.jpg

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

  1. günstige Eigenschaften (speziell III Generation)
    • geringer Kodierungsaufwand
    • hohe Zuverlässigkeit der Programme
    • stark verbsesserte Selbsdokumentation
    • erfüllbare Hardwareanforderungen
  2. 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)
  3. 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

FS12.svg

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

Das Erstellen von Grafikbildern erfordert Hochladerechte.

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.)

    Das Erstellen von Grafikbildern erfordert Hochladerechte.

    • 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
      • Das Erstellen von Grafikbildern erfordert Hochladerechte.

      • 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:

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

Wie entwerfe ich meine eigene FS

Eine Fachsprache wird Entworfen fast wie jede andere Sprache:

  1. Alphabet festlegen
  2. Syntax festlegen
  3. Semantik festlegen
  4. Pragmatik festlegen

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

Welche Entwurfsebenen gibt beim Sprachen Entwurf

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

Welche sinnvollen Ebenen wähle ich beim Probelmentwurf mit Fachsprachen

  • E0: Analyse und 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

Warum sollte ich meine FS-Programm Modular aufbauen

  • einfach standardisierbar
  • Module können gut in Graphischen Elementen Dargestellt werden
  • einfache Wiederverwendung möglich
  • trägt zur Selbstdokumentation bei

Welche Funktionen sollte mein FS-Modul beinhalten

  • Verarbeitungsfunktionen
  • Funktionen zur Schnittstellenorganisation
  • Bereitstellen von Eingabe Parametern
  • Ausgabeparametern (Ergebnisse)
  • Definiton von Programmeinsprungspunkten/Programmabsprunkgspunkte
  • Fehlerbehandlung

Warum teile ich Programme in Steuerstrukturen und Verarbeitungstrukturen

  • Steuerstrukturen sin einfach mit Petrinetzen darstellbar und lassen sich in einer Hochsprache deutlich besser realisieren oder man benötigt eine weitere Fs die spezielle Befehle zu Steuerung besitzt. Ausserdem werden die meisten Steuerfunktionen bereits vom BS übernommen.
  • Verarbeitungssturkturen sind die Spezialität von Fachsprachen in ihnen ist die Verarbeitung von Eingabe in Ausgabeparameter leicht zu realisieren.