Национальные информационные ресурсы:
проблемы промышленной эксплуатации.
Г.Р.Громов. Москва, Наука, 1984

 

Технология персональной ориентации лабораторной микро-ЭВМ

Состояние проблемы. Выше мы отмечали, что к началу 80-х годов методы проблемной ориентации малых ЭВМ были уже хорошо разработаны, а режим диалогового проблемно-ориентированного комплекса стал преобладающим способом эффективного использования мини-ЭВМ в самых различных отраслях науки и народного хозяйства (системы АНИ, САПР, АСУ ТП и т. д.). Все эти средства решали одну из основных задач вычислительной техники 70-х годов: дать конечному пользователю прямой доступ к вычислительным ресурсам для обработки данных по ранее формализованным алгоритмам, освободить его от необходимости в посреднике-программисте на этапе эксплуатации готового программного продукта, обеспечить эффективный режим диалога человек-ЭВМ на всех этапах управления вычислительным процессом (диалоговая настройка параметров в ходе работы программы, выбор пути счета на этапах ветвления процедур обработки и т. д.) [50]. При этом сам процесс проблемной ориентации (т. е. формулировка алгоритмов и разработка программ для ЭВМ в данной проблемной области) оставался за профессиональным программистом.

Быстрый рост числа ЭВМ и областей их проблемной ориентации не мог долго сопровождаться соответствующим ростом числа программистов. Более того, наиболее плодотворные области приложения ЭВМ при таком подходе оказывались принципиально недоступными. Сложность реального мира надежно защищала эти области от попыток их формализации программистами. Как отмечал в середине 70-х годов один из руководителей изготавливающей микропроцессоры фирмы «Рокуэл Инт.», «для нас труднее понять, как работает автомобильная фирма, чем для них — как работают наши микропроцессоры» [47, с. 97].

Однако «для них» — в цитируемом примере для инженеров-автомобилестроителей, как правило, было достаточно своих профессиональных проблем и не хватало жизненного ресурса, чтобы заниматься тонкостями функционирования микропроцессоров. До тех пор, пока одна из сторон не могла, а другая не хотела понять тонкости работы другой, процесс компьютеризации хозяйственного механизма промышленно развитых стран развивался лишь по ранее протоптанным тропинкам формализованных знаний.

Специалисты НИВЦ АН СССР, например, практически столкнулись с этой проблемой в конце 70-х годов на первых этапах решения одной из экспериментальных задач биотехнологии — задачи «ферментер-ЭВМ» [51]. После того как был решен ряд программных и схемотехнических проблем функционирования и обеспечения надежности микробиологического эксперимента, выяснилось, что в задачах биотехнологии и стратегия эксперимента, и многие этапы интерпретации результатов строились в основном на неформальных знаниях биолога и его интуитивных методах.

Постановка задачи. Анализ, проведенный в Институте биохимии и физиологии микроорганизмов (ИБФМ) АН СССР, показал, что в исследовательских комплексах рассматриваемого уровня сложности такие неформальные пока алгоритмы существенно различаются не только от одной экспериментальной задачи к другой, но и в рамках одной задачи у разных микробиологов. Поэтому уже на самых ранних этапах разработки стало ясно, что единственно реальным способом формализации алгоритмов биотехнологии может быть лишь их автоформализация. Соответственно была поставлена задача разработки такой технологии персональной ориентации микро-ЭВМ, при которой наиболее сложную часть задачи формализации своих профессиональных знаний выполняет сам носитель этих знаний — микробиолог. Программист при этом берет на себя более близкие ему функции системного сопровождения разработки программ пользователем и создания базового программного обеспечения комплекса (система реального времени, драйверы внешних устройств и т. д.).

Чтобы реализовать такой подход, необходимо было создать персонально ориентированную вычислительную систему с целым рядом взаимно противоречивых факторов: простота изучения и эксплуатации для пользователя, гибкие и легко расширяемые функциональные возможности системы, высокая надежность и компактность для размещения непосредственно на рабочем месте исследователя. Такая система, выполненная на базе группы микро-ЭВМ типа «Электрони-ка-60», получила название комплекс «Альфа-60» и с середины 1981 г. находится в регулярной эксплуатации в секторе управляемого культивирования ИБФМ АН СССР [51,52]. В состав программного обеспечения комплекса «Альфа-60» входит пакет прикладных программ (ППП) «Микроб» общей емкостью около 30 Кбайт, который обеспечивает диалоговый анализ экспериментальных данных и управление экспериментальной установки. ППП «Микроб» был создан в этом институте пользователем-микробиологом. Как это делалось?

На начальном этапе разработки пользователю, незнакомому с основами программирования, была предложена персональная вычислительная система, содержащая встроенную в лабораторную установку микро-ЭВМ «Электроника-60» с системой Бейсик. Известно, что язык Бейсик пользователь практически из любой профессиональной области, как правило, осваивает весьма быстро и в большинстве случаев с явным интересом, так как система Бейсик разрушает буквально па глазах глубоко укоренившийся миф о недоступности ЭВМ непосвященным.

Языковой мост: естествоиспытатель-программист. После того как пользователь освоил язык и написал несколько элементарных, но полезных ему программ на языке Бейсик, наступает следующая фаза освоения алгоритмического языка, когда пользователь начинает замечать его существенные функциональные ограничения. Дискомфорт в работе пользователя, вызываемый функциональными ограничениями конкретной версии языка программирования, и является основным конструктивным, движущим началом предлагаемой технологии. Дело в том, что этот дискомфорт выражает уже пользователь системы Бейсик, а значит, выражает его не в тех обычно недоступных программисту терминах из конкретной предметной области, которыми естествоиспытатель безнадежно пытался ранее объяснить свою задачу, а в иных, существенно более понятных программисту. Например, уже через 2 месяца после начала работы за пультом персональной лабораторной вычислительной системы пользователь так формулировал техническое задание на очередное расширение возможностей языка Бейсик: «Необходимо в течение опыта заносить в буферную память ЭВМ значения показаний датчиков, а также иметь возможность присваивать элементам массивов в системе Бейсик значения, извлекаемые из соответствующих ячеек этой памяти».

Такого типа содержательные заготовки к ТЗ заказчик выдавал в течение разработки в среднем 1—2 раза в месяц. Каждый из таких отдельных «заказов» на расширение функциональных возможностей резидентного Бейсика «Электроники-60» удовлетворялся соответствующей внешней функцией (ЕХР), которую программист, сопровождавший разработку, писал и отлаживал на языке Ассемблера на инструментальной мини-ЭВМ типа СМ-4 (эта работа выполнялась эпизодически и занимала у программиста, как правило, лишь небольшую часть его рабочего времени). Затем расширенная библиотека таких внешних функций, оттранслированная и собранная в виде одного загрузочного модуля, возвращалась на целевую микро-ЭВМ к «заказчику», сопрягалась средствами аппарата внешних функций микро-ЭВМ «Электроника-60» с резидентной системой Бейсик и пользователь продолжал развивать свой пакет прикладных программ непосредственно на рабочем месте, в реальной обстановке микробиологического эксперимента.

Как видим, в рамках предлагаемой технологии язык Бейсик выполняет три основные функции: 1) легко осваиваемого пользователем (в данном случае естествоиспытате­лем) языка формализации алгоритмов обработки экспериментальной информации; 2) все более популярного в 80-е годы языка для обмена алгоритмами обработки экспериментальных данных между естествоиспытателями; 3) языка общения естествоиспытателя с программистом.

Последняя из упомянутых функций и является концептуальной основой предлагаемой технологии. Когда потребности естествоиспытателя, формализующего на языке программирования свои знания об эксперименте, в очередной раз выходят за пределы функциональных возможностей уже освоенной им версии языка Бейсик, он сообщает программисту, что не может сделать в рамках текущей версии языка. Для программиста эта информация оказывается содержательной основой к разработке технического задания на очередную внешнюю функцию, процедурно расширяющую язык в требуемом пользователю направлении. По мере развития процесса, все более точной персональной ориентации базового программного обеспечения комплекса на конкретную задачу естествоиспытателя частота необходимых производственных контактов пользователь—программист быстро снижается. Их взаимодействие, как показывает опыт разработки комплекса «Альфа-60», становится эпизодическим уже после реализации первых 10—15 расширяющих язык внешних процедур (общим объемом около 1—2 тыс. операторов на языке Ассемблера). После этого начинается стационарный этап практически автономной от программиста работы естествоиспытателя за пультом персонального вычислительного комплекса по созданию прикладных программ в данной предметной области.

Два уровня диалога. В основу технологии создания базового программного  обеспечения комплекса «Альфа-60» положена упомянутая концепция двух уровней диалога персонально ориентируемых лабораторных систем автоматизации, 1 создаваемых па базе встраиваемых   в   экспериментальные 1 установки микро-ЭВМ.  Первый  инструментальный уровень  интерактивности необходим так называемому пилот пользователю   лабораторной   микро-ЭВМ — высококвалифицированному  естествоиспытателю,  который должен первым  начать процесс формализации знаний в данной предметной области и попытаться с помощью системной поддержки программиста довести продукты такой формализации до уровня,  доступного массовому пользователю ППП. Второй эксплуатационный   уровень   интерактивности   необходим   для   массового экспериментатора, который будет работать на тиражируемых проблемно-ориентированных комплексах с диалоговым ППП, созданным пилот- пользователем.

Соответственно оказываются необходимыми и две различные аппаратно-программные модификации встроенной микро-ЭВМ лабораторного комплекса, которые отличаются как ресурсами (конфигурацией внешних устройств, объемом ОЗУ и т. д.), так и технологией их программирования: развернутый комплекс с полной оперативной памятью и расширенным набором периферийного оборудования, необхо­димого для организации эффективного процесса формализации знаний пилот пользователя, и существенно более портативный тиражируемый вариант, содержащий созданный пилот-пользователем пакет программ, записанный к ПЗУ микро-ЭВМ. От первого варианта требуется в первую очередь функциональная гибкость, которую и обеспечивают процедурно расширяемые возможности диалогового языка высокого уровня. Для второго тиражируемого варианта комплекса наиболее важны надежность, эксплуатационная экономичность, а также простота диалогового управления комплексом, которую обеспечивает проблемно-ориентированный входной язык ППП, реализующий, например, принципы функционирования систем диалогового анализа экспериментальных данных (типа ДИАНЭД) [50].

Основные этапы разработки. Укрупнение технологический цикл формализации профессиональных знаний пилот пользователя может быть разбит на три основных этапа.

Па первом этапе силами инженера-электронщика и программиста выполняется процесс развертывания необходимой аппаратуры для встраивания микро-ЭВМ) в экспериментальную установку, а также разработка системных программ для проблемной ориентации базового программного обеспечения. Одновременно начинается процесс освоения естествоиспытателем принципиально нового для него инструментария — диалогового языка Бейсик за пультом микро-ЭВМ.

Как правило, проблемная ориентация комплекса, выполняемая на этом этапе, включает: встраивание микро-ЭВМ в экспериментальную установку (стыковку аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей, исполнительных устройств и т. д.), а также разработку и отладку монитора реального времени, драйверов нестандартных внешних устройств и других системных программ, которые программист создает в этот период на инструментальной мини-ЭВМ обычно на основе тех не всегда формальных технических заданий, которые он получает от инженера-электронщика, ответственного за включение микро-ЭВМ в эксперимент. Естествоиспытатель в этот период последовательно осваивает (сначала на специально подобранных учебно-игровых задачах, затем на задачах расчетного характера и, наконец, на некоторых избранных задачах обработки экспериментальных данных) основные функциональные возможности резидентного ядра языка Бейсик и получает при этом на конкретных примерах первые практические впечатления о ресурсах ЭВМ и способах управления ими.

Второй этап начинается, когда пользователь приобрел некоторые навыки управления ресурсами ЭВМ, начал конструировать на языке Бейсик первые содержательные алгоритмы обработки информации из области своей профессиональной деятельности и получил возможность работать непосредственно с микро-ЭВМ, встроенной в его экспериментальную установку. На этом этапе пользователь оказывается уже в состоянии сформулировать в терминах языка программирования те конкретные ограничения языка Бейсик, которые не позволяют ему реализовать один из очередных формализуемых им алгоритмов преобразования экспериментальной информации. С этого момента и начинается процесс непосредственного взаимодействия естествоиспытателя и программиста по созданию ППП в данной предметной области.

На третьем стационарном этапе автономной от программиста работы пользователя на персонально ориентированной лабораторной микро-ЭВМ идет активный отбор и накопление формализуемых алгоритмов из арсенала ранее интуитивных методов исследователя, программирование и отладка этих алгоритмов, диалоговая организация отлаженных программ в ППП.

  - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

1. Аппаратура должна устойчиво работать в непосредственной близости от источников перегретого пара, в атмосфере летучих компонентов культуральных жидкостей, а также в условиях воздействий интенсивных электромагнитных помех от мощных реле, электродвигателей и других приборов, обеспечивающих микробиологический эксперимент [51].


Онлайн-версия CD-ROM приложения к книге Г.Р.Громова
"От гиперкниги к гипермозгу: информационные технологии
эпохи Интернета. Эссе, диалоги, очерки
."