Программные продукты и системы

Первоначально система КуМир состояла из системы программирования на школьном алгоритмическом языке, интегрированной с собственным отладчиком и несколькими исполнителями (робот и чертежник), покрывающими общий курс алгоритмизации для старшей школы и вузов. В настоящее время за системой программирования КуМир сохранено исторически возникшее название, так же назван и весь комплекс программ.

Система КуМир [1, 2] в современном ее состоянии (с подсистемой ПиктоМир) состоит из расширяемого набора исполнителей (или роботов), набора систем программирования и вспомогательных утилит и программ.

Расширяемый набор исполнителей (роботов) представляет собой отдельные самостоятельные программы и (или) электронно-механи­ческие устройства, имеющие собственное пультовое управление (интерфейс), а также возможность локального или сетевого управления из выполняющей системы.

Набор систем программирования.

·      Система программирования КуМир на школьном алгоритмическом языке, состоящая из редактора-компилятора алгоритмического языка с многооконным интерфейсом, интегрированная с выполняющей системой. Система не является полноценным интерпретатором или компилятором школьного алгоритмического языка. Традиционно программа на школьном алгоритмическом языке компилируется в некий промежуточный код (подобный подход был использован в языке Java), который затем интерпретируется и исполняется с автоматической генерацией точек останова по событиям и шагам (при пошаговом выполнении). В системе программирования КуМир также отсутствует отладчик в его классическом понимании. Это имеет свои причины, так как сильно упрощает процесс освоения и написания системы программирования КуМир, а также отладку программ. Все изменения используемых в школьной программе величин автоматически визуализируются на полях программы. Визуализируются и результаты логических операций. Кроме того, к системе можно подключать любого исполнителя (робота) из набора и программно управлять им.

·      Система бестекстового, пиктографического программирования ПиктоМир. В ней учащийся собирает программу из команд исполнителя (робота). Управляющие конструкции языка представлены определенной параметрической организацией алгоритмов. Созданная учащимися программа при выполнении передает команды робота и получает его состояние.

·      Система программирования на производ- ственном языке программирования С++, Phyton и т.п.

Вспомогательные утилиты и программы – это всевозможные редакторы миров исполнителей (роботов), конвертеры и препроцессоры из пиктографического языка в школьный алгоритмический язык, из школьного алгоритмического языка в С++ и Phyton.

Целями создания современной версии системы КуМир были реализация и поддержка комплекса разрабатываемых программ на всех современных платформах вычислительной техники, имеющей широкое распространение и использование. При этом уделялось внимание минимизации производственных расходов – сокращению числа разработчиков, времени разработки, упрощению поддержки разрабатываемых программных продуктов. Однако традиционный метод разработки переносимого программного кода малоэффективен из-за широты спектра целевых вычислительных платформ и разнообразия человеко-машинных интерфейсов, используемых на этих платформах.

Каждая из платформ (ПЭВМ, лэптопы, планшетные компьютеры, мобильные устройства и телефоны) обычно требует поддержания собственной независимой разработки.

Специфика различных целевых платформ налагает отдельные ограничения на интерфейс разрабатываемого ПО. Часто эти ограничения связаны не только и не столько с размером экрана на целевом устройстве или его производительностью, но и с наличием устоявшегося, привычного интерфейса пользователя на этих компьютерах. Так, например, для планшетных устройств нормой является одновременное поддержание в разработке книжной и альбомной ориентации рабочего экрана. Разработка интерфейса ПО для подобных устройств требует проектирования двух независимых интерфейсов для разной ориентации экрана, что в специфике лимитированного экрана для мобильных устройств делает разработку особенно сложной.

Решить поставленную задачу написания и поддержки мультиплатформенной реализации позволил следующий комплекс методов:

–    максимально возможное использование единого программного кода как дисциплина объектно-ориентированного программирования (ОПП);

–    использование переносимых библиотек классов ООП;

–    дисциплина и технология параллельной разработки программных систем;

–    виртуализация.

Рассмотрим каждый из методов.

При повторном использовании кода важен выбор языка (языков) программирования в разработке ПО. Поскольку для ПЭВМ в качестве языка реализации ПО использовался стандарт C++, то, следуя методике максимального использования единого программного кода, также был выбран язык C++. Однако на платформе Apple iOS, к которой относятся популярные iPhone, iPad и т.п., обычно используют Objective-C [3]. Версия программной системы ПиктоМир, которая и явилась толчком к столь масштабному перепроектированию, также написана на Objective C. Популярность платформы Apple не позволяет исключить ее из списка целевых платформ. В результате часть кода так и сохранена на Objective C.

Максимальную совместимость удалось сохранить путем включения отдельных классов, написанных на одном языке (платформенно-независи­мый код), в другие части проекта. При возникновении проблем совместимости по коду программа портировалась по частям. Причем принятие решения о переписывании кода с одного языка на другой откладывалось до последнего момента. При таком подходе удалось сократить общий объем перезаписи кода, так как этой процедуре подлежал только отлаженный код со сформированным функционалом.

Технология повторного использования кода накладывает определенные ограничения не только на стиль написания программы, но и на ее содержание. Разработчик должен постоянно контролировать свой код на его мобильность. Наиболее эффективно это сделать с помощью переносимых библиотек классов.

Использование переносимых библиотек классов ООП. Для увеличения мобильности разрабатываемого ПО в качестве библиотеки классов была выбрана Qt [4], имеющая широкую область распространения. Библиотека Qt разрабатывалась для Microsoft Windows Phone, и даже рассматривалась возможность поддержки Apple iOS.

В качестве базовой библиотеки классов для платформ iOS выбрана библиотека Cocos2D [5], обладающая следующей функциональностью.

В библиотеке классов реализованы такие понятия, как сцены и уровни. Существует возможность переключаться между сценами с использованием различных эффектов: плавный переход, сдвиг, поворот и т.д. Одна сцена может содержать множество уровней с разным порядком, прозрачностью и атрибутами. Разработчик добавляет в проект сцену, к сцене привязывается уровень, а на уровень добавляются объекты – спрайты. Библиотека дает богатые возможности по управлению спрайтами. Менеджеры спрайтов позволяют оперировать атласами спрайтов, в результате эффективно используется память. Кроме этого, есть классы для работы со спрайтовыми шрифтами, применение которых существенно ускоряет отрисовку текста. С помощью набора спрайтов, содержащего раскадровку движения, можно реализовать анимацию объекта. Важным элементом библиотеки классов являются действия. Их можно применять почти к любому визуальному объекту. Сущест- вуют большой набор стандартных анимаций и возможность создавать свою анимацию. Движок поддерживает системы частиц. Можно создавать различные эффекты, такие как дождь, снег, фейерверк и т.п. Частицы могут различаться размерами, вращаться, к ним может применяться гравитация, можно настраивать их время вывода на экран и т.д. Значительно упростить разработку системы позволяет встроенная реализация меню и кнопок. Для текста в меню можно использовать спрайтовые шрифты.

Сократить время переноса с одной платформы интерфейсной составляющей исполнителей (роботов) на другую позволяет Cocos2D.

В используемой методике обучения КуМир и ПиктоМир традиционно имеют фиксированное расположение рабочих окон на экране. Это удобно для целевых устройств с большими экранами и неприемлемо для мобильных устройств из-за аппаратных ограничений на размер экрана. Если экран целевой системы менее 1000´750 точек, вывод осуществляется методом наложения одного окна на другое с различной степенью прозрачности. Активное окно визуально находится поверх всех окон, но не закрывает их содержимое.

Чтобы не поддерживать различные програм- мные реализации интерфейса (в том числе и на разных языках программирования – С++ и Objec­tive C), многооконный вывод использует собственный набор классов, базирующийся на библиотеках Cocos2D и Qt.

Так как Qt и Cocos2D позволяют использовать Objective C и С++ соответственно, независимые части систем программирования КуМир и ПиктоМир, а также ряд исполнителей реализованы на С++ и Objective C.

Кроме того, в разработке широко используется библиотека классов Cocos2d-X, написанная в основном на С++ и поддерживающая платформы, приведенные в таблице.

Примечание: «+» – поддержана, «–» – в разработке.

Использование последней библиотеки существенно сокращает издержки на re-write кода при программировании в проекте.

Параллельная разработка программных систем. При создании единого программного кода для всей системы в процессе разработки приходится вести некоторое количество независимых проектов системы КуМир на разных платформах. Это объясняется не только сложностью системы как таковой, но и постоянными новациями в системном ПО и аппаратуре.

В настоящем проекте базой для разработки являются настольный вариант MS Windows и мобильный iOS. Подобный выбор не случаен: и аппаратно, и программно эти платформы мало совместимы.

Большинство вопросов совместимости вынесено на уровень проектирования архитектуры.

Система КуМир может работать как в сети, так и на одном рабочем месте, поэтому в ней нет явного разделения «Клиент–сервер», серверная часть интегрирована с клиентом. Поскольку серверные функции минимальны и реализуют регистрацию и синхронизацию, то есть сервер является некоторым центром событий, в системе КуМир функции регистрации миров, роботов, терминалов (учащихся), а также связывание миров, роботов, игроков возложены на Hub.

Удобно считать, что Hub хранит экземпляр мира + один и более экземпляров различных роботов. Каждый экземпляр робота относится к своему классу и привязан к некоторому экземпляру мира. В одном мире может быть много различных роботов. Кроме роботов, доступных для программного управления с других терминалов, в мире может быть неограниченное число собственных роботов (см. рис.). Так, например, любой движущийся объект можно программировать как робот в мире. Робот не знает, кто им управляет: человек с пульта, программа или система.

Hub занимается вопросами синхронизации и обновления данных у терминалов, используя механизм синхронизации hash-таблиц. Напротив, терминал видит и визуализирует изменение состояния экземпляров роботов и экземпляра мира. Фактически структура мира может быть сколь угодно сложной. Так, если программируется цифровой мир, то он может быть представлен конечным или бесконечным графом. Для непрерывных поверхностей и других аналоговых миров мир может быт представлен набором вычислимых функций и т.п. При этом вся визуализация мира целиком лежит на терминале, что и обеспечивает платформонезависимость.

На терминал также возложены функции интерфейса с системами программирования (Tools): ПиктоМир, КуМир, системы программирования на С++ и пр. В этом наборе Tools есть не только различные среды программирования, но и пульты управления роботами, которые нужны для ручного управления роботами. Вообще говоря, пульты различны для различных классов роботов и аффилированы со своим классом робота.

Виртуализация. Чтобы обеспечить базовый механизм взаимодействия и предусмотреть простое развитие системы с созданием новых миров, роботов, систем программирования (Tools) и т.д., создан набор базовых классов.

Так, например, есть базовый класс пульт, в котором описаны дизайн пульта, расположение кнопок, скины (внешний вид) и т.п. Проектируемый пульт робота является наследником этого базового класса в соответствии с принципами ООП.

То же относится и к классу роботов, где все классы роботов являются наследниками базового класса.

Конечно, построение и взаимодействие классов в системе КуМир значительно сложнее, чем описано выше. Так, робот (как исполнитель) не существует вне своей группы миров. При этом получается еще одна иерархия:

Робот ® {Мир1, Мир2, …, Мирn}, то есть группа миров, а конкретный экземпляр робота в каждый момент времени привязан к экземпляру мира из группы классов миров.

Литература

1.     Леонов А.Г., Кушниренко А.Г. Методика преподавания основ алгоритмизации на базе системы «КуМир». М.: «Первое сентября», 2009.

2.     Кушниренко А.Г., Рогожкина И.Б., Леонов А.Г. // Большой московский семинар по методике раннего обуч. информатике (ИТО-РОИ-2012): сб. докл. ПиктоМир: пропедевтика алгоритмического языка (опыт обучения программированию старших дошкольников). М.: Конгресс конференций ИТО-РОИ, 2012.

3.     Wei-Meng Lee. Beginning iPhone SDK Programming with Objective-C, Wiley / Wrox, 2010.

4.     Blancette J., Summerfield M. C++ GUI Programming with Qt 4 (2nd Edition) (Prentice Hall Open Source Software Development Series), NJ, Kindle Edition, 2008.

5.     Strougo R., Wenderlich R. Learning Cocos2D: A Hands-On Guide to Building iOS Games with Cocos2D, Box2D, and Chipmunk, Addison-Wesley Professional, 2011.