Логическое управление. 
Технология автоматного программирования

В 1996 г. Российский фонд фундаментальных исследований (РФФИ) в рамках издательского проекта № 96−01−14 066 поддержал издание работы [4], в которой предлагаемая технология была изложена применительно к системам логического управления, в которых события отсутствуют, выходные воздействия являются двоичными переменными, а операционная система работает в режиме сканирования. Системы этого класса реализуются обычно на программируемых логических контроллерах, которые имеют относительно небольшой объем памяти, а их программирование выполняется на таких специфических языках, как, например, язык функциональных блоков [5]. В работе [4] предложены методы формального написания программ для таких языков при задании спецификации для разрабатываемого проекта системой взаимосвязанных графов переходов. Показаны преимущества использования языка графов переходов по сравнению с языком «Графсет» .

Программирование с явным выделением состояний

В дальнейшем автоматный подход был распространен на событийные системы, которые называются также «реактивными» [6]. В них указанные выше ограничения сняты. Как следует из названия этих систем, в них среди входных воздействий используются события, в качестве выходных воздействий применяются произвольные процедуры, а в качестве операционных систем — любые операционные системы реального времени.

Для программирования событийных систем с применением автоматов был использован процедурный подход, и поэтому такое программирование было названо «программирование с явным выделением состояний» [7].

При этом выходные воздействия «привязаны» к дугам, петлям или вершинам графов переходов (применяются смешанные автоматы — автоматы Мура-Мили). Это позволяет в компактном виде представлять последовательности действий, которые являются реакциями на соответствующие входные воздействия.

Особенность предлагаемого подхода к программированию этого класса систем состоит в том, что в них повышается централизация логики за счет устранения ее в обработчиках событий и формирования системы взаимосвязанных автоматов, которые вызываются из обработчиков [8]. Автоматы между собой могут взаимодействовать по вложенности, вызываемости и за счет обмена номерами состояний.

Последний вид взаимодействия рассматривался также в работе [9], в которой утверждается, что «указанное взаимодействие может оказаться мощным средством при проверке программ» .

Система взаимосвязанных автоматов образует системонезависимую часть программы, а системозависимая часть формируется из функций входных и выходных воздействий, обработчиков событий и т. д.

Другая важнейшая особенность описываемого подхода состоит в том, что при его применении автоматы используются триедино: при спецификации; при программировании (сохраняются в программном коде); при протоколировании, выполняемом, как указано выше, в терминах автоматов. Последнее позволяет контролировать правильность функционирования системы автоматов. Протоколирование выполняется автоматически по построенной программе и может использоваться для задач большой размерности при сложной логике программы.

При этом каждый построенный протокол может рассматриваться в качестве соответствующего сценария. Отметим, что для «больших» задач невозможно применение диаграмм последовательностей и диаграмм кооперации, входящих в состав языка UML [10], так как при использовании этого языка указанные диаграммы предлагается строить вручную на этапе проектирования, в то время, как в автоматном программировании протоколы строятся автоматически при выполнении программы.

Протоколы позволяют наблюдать за ходом выполнения программы и демонстрируют тот факт, что автоматы являются не «картинками», а реально действующими сущностями.

Автоматный подход предлагается применять не только при создании системы управления, но и при моделировании объектов управления.

Этот подход был апробирован при разработке системы управления судовыми дизель-генераторами [11]. Система была специфицирована более, чем тридцатью взаимодействующими автоматами. Для описания модели дизеля также использовались автоматы. При проектировании на каждый автомат выпускалось четыре документа: словесное описание («декларация о намерениях»), схема связей (поясняющая на русском языке символы, входящие в интерфейс автомата), граф переходов (с символьными обозначениями событий, входных переменных и выходных воздействий), текст программного модуля, который формально и изоморфно реализует граф переходов (также без использования смысловых идентификаторов и комментариев). Эти документы заменяют самодокументирующиеся программы, содержащие смысловые идентификаторы и комментарии, так как эти средства при сложной логике программы не обеспечивают должного понимания программ и их пригодности для дальнейшей модификации [12]. Эту проблему при сложной логике не решают и самодокументирующиеся графы переходов [10].

Выполненный проект подтвердил целесообразность использования протоколов для проверки корректности взаимодействия столь большого количества автоматов и каждого из них в отдельности.

Реализация указанного проекта была осуществлена на вычислительной системе с архитектурой ix86. В дальнейшем этот подход был развит Н. И. Туккелем применительно к созданию систем на микроконтроллерах. При этом все проектирование можно выполнять на персональном компьютере, используя автоматное программирование, и переносить полученное программное обеспечение на микроконтроллер только на последней стадии разработки.