JP7450565B2

JP7450565B2 - コンパイル方法、開発支援装置および制御システム

Info

Publication number: JP7450565B2
Application number: JP2021014739A
Authority: JP
Inventors: 悠馬久保内
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2021-02-02
Filing date: 2021-02-02
Publication date: 2024-03-15
Anticipated expiration: 2041-02-02
Also published as: JP2022118310A

Description

本願は、コンパイル方法、開発支援装置および制御システムに関するものである。

計装制御システムにおいて、計装機器の制御装置は原則連続稼働する。そのため、制御装置に使用されているソフトウエアのソースコードの論理式等（ロジック）の修正（変更または更新）が必要な場合に限り、開発支援装置などの保守ツールを用いて、変更されたソースコードのコンパイルを行い、制御装置への転送処理が行われる。

このようなプログラムのコンパイル中は客先作業が停止するので、必要に応じて最小限の変更を高速に行うことが求められる。このため、作業の大部分は、局部的な修正で対応可能であるため、修正箇所を含む一部だけをコンパイルし、必要最低限の機械語オブジェクトを生成してプログラムを更新する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１６－１５１９７３号公報

特許文献１のコンパイル方法は、テキスト形式の中間言語を用い、コンパイラ成果物としての機械語を出力することで、入力言語または中間言語の修正のあった箇所のみをコンパイル対象とすることができる。しかし、場合分けの中身を入れ替えるような修正をした場合、ロジックの差分としては少量であるにもかかわらず、入力言語のテキストとしては大きな差分が生じることがある。計装制御ではこのような差分の修正は頻繁に行われるため、コンパイルを行うために計装制御を中止するための時間が増加し、客先作業に支障が生じるなどの問題があった。

本願は、上述のような問題を解決するためになされたもので、ソースコードの修正によるコンパイルの時間を短縮することができるコンパイル方法、開発支援装置および制御システムを提供することを目的とする。

本願に開示されるコンパイル方法は、
ソースコードの入力言語から、ノードとエッジからなる複数のグループに分類された有向グラフを中間言語として生成し、ソースコードを修正するとき、修正前のソースコードの有向グラフと修正後のソースコードの有向グラフを、ノードおよびエッジごとに比較し、修正されたノードおよびエッジのいずれかを含むグループをコンパイルするコンパイル方法。

本願に開示されるコンパイル方法によれば、有向グラフの内、修正されたノードおよびエッジのいずれかを含むグループをコンパイルするので、コンパイルの時間を短縮することができる。

実施の形態１に係る制御システムの構成図である。実施の形態１に係る開発支援装置のハードウエア構成図である。実施の形態１に係るコンパイラ機能部の処理を説明する図である。実施の形態１に係るソースコードと中間言語の例を説明する図である。実施の形態１に係る実施例１を説明する図である。実施の形態１に係る実施例２を説明する図である。実施の形態１に係る実施例３を説明する図である。実施の形態１に係る実施例４を説明する図である。実施の形態１に係る実施例５を説明する図である。実施の形態２に係る動作ロジックの転送を説明する図である。実施の形態３に係るソースコードのロジック等価性を説明する図である。実施の形態３に係るロジック等価性に基づいたソースコードの変換を説明する図である。実施の形態４に係るロジック等価性に基づいた静的解析を説明する図である。

以下、本願に係るコンパイル方法の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、同一内容および相当部については同一符号を配し、その詳しい説明は省略する。以降の実施形態も同様に、同一符号を付した構成について重複した説明は省略する。

実施の形態１．
<制御システムの構成>
図１は、本実施の形態に係る制御システムの構成図である。本システムは、開発支援装置１０、計装機器を制御する制御装置３０などを有する。開発支援装置１０は、制御装置３０用の制御プログラムのソースコード２１をユーザに作成させるインターフェース機能部１１を有する。制御装置３０は、例えばＰＬＣ（プログラマブルコントローラ）、ＤＣＳ（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍ：分散制御システム）などであってもよい。

また、ユーザが作成したソースコード２１を、制御装置３０上で動作する機械語２４に変換するコンパイラ機能部１３（フロントエンドコンパイラ１３ａ、バックエンドコンパイラ１３ｂ）を有する。これは、一旦、中間言語２２に変換した後に機械語２４に変換するものである。

フロントエンドコンパイラ１３ａが、ソースコード２１を解析して中間言語２２に変換する。続いて、バックエンドコンパイラ１３ｂが、この中間言語２２を制御装置３０で動作する機械語２４に変換する。

開発支援装置１０は、通信機能部１２を有する。通信機能部１２により、無線あるいは通信線などを介して制御装置３０の通信機能部３１と通信を行うことができる。例えば、コンパイル処理により生成された機械語２４等を、通信機能部１２によって制御装置３０にダウンロードする。ダウンロードされた機械語２４は、プログラム実行管理機能部３２に記憶されて処理され、制御装置３０は機械語２４に応じた動作を行う。さらに、ディスプレイなどの画面１５、キーボードおよびマウスなどの入力装置１６を備えている。

開発支援装置１０および制御装置３０は、例えば、パソコンなどの汎用のコンピュータ上で実現されるものであってもよく、図２にハードウエア構成を示す。プロセッサ１００と記憶装置２００から構成され、図示していないが、記憶装置はランダムアクセスメモリ等の揮発性記憶装置と、フラッシュメモリ等の不揮発性の補助記憶装置とを具備する。また、フラッシュメモリの代わりにハードディスクの補助記憶装置を具備してもよい。プロセッサ１００は、記憶装置２００から入力されたアプリケーションプログラムを実行することにより、コンパイルを行う。この場合、補助記憶装置から揮発性記憶装置を介してプロセッサ１００にプログラムが入力される。また、プロセッサ１００は、演算結果等のデータを記憶装置２００の揮発性記憶装置に出力してもよいし、揮発性記憶装置を介して補助記憶装置にデータを保存してもよい。

図３は実施の形態１における開発支援装置１０内のコンパイラ機能部１３での処理を説明する図である。例えば、図に示すように、ソースコード２１をコンパイルする場合（１回目）、フロントエンドコンパイラ１３ａに入力されたソースコード２１から中間言語である有向グラフの動作ロジックを生成する。有向グラフは、後述するように、ロジックで使用されるデータをデータフローと制御フローとで表す。データフローと制御フローは、それぞれノードとエッジから構成される。その後、バックエンドコンパイラ１３ｂで、有向グラフを入力として、機械語２４を生成する。

次に、ソースコード２１の修正があった場合、機械語を書き換える必要があるため、修正があったソースコード２１ａをコンパイルする（２回目）。入力された修正ソースコード２１ａから有向グラフの動作ロジックを生成した後、１回目に行ったコンパイルの有向グラフとコンパイル２回目の有向グラフとの差分をフロントエンドコンパイラ１３ａにより生成する。生成された有向グラフの差分から差分箇所のみの機械語２４ａを生成し、コンパイル１回目に生成された機械語２４を、バックエンドコンパイラ１３ｂにより変更する（機械語２４ｂ）。これによりコンパイルの時間は短縮される。

<実施例１>
図４に具体的なソースコードとソースコードから生成した中間言語の例を示す。ソースコードはＳＴ（ＳｔｒｕｃｔｕｒｅｄＴｅｘｔ）言語を例に説明するがこれに限るものではない。また、中間言語は簡易化した表現としている。図１に示されたインターフェース機能部１１から、図４の版１に示されたソースコードがコンパイラ機能部１３に入力され、１回目のコンパイルが行われる。コンパイラ機能部１３のフロントエンドコンパイラ１３ａにより、ソースコードから、ノードとエッジで構成される有向グラフの中間言語を生成する（図４の版１の中間言語を参照）。生成された中間言語２２の有向グラフは、図１の差分情報管理部１４に記憶される。

次に、図４中、版２で示された、修正ソースコードがインターフェース機能部１１を介してコンパイラ機能部１３に入力され、２回目のコンパイルが行われる。版２の修正ソースコードは、版１のソースコードと同様、フロントエンドコンパイラ１３ａにより、ノードとエッジで構成される有向グラフの中間言語を生成する。（図４の版２の中間言語を参照）。生成された中間言語の有向グラフは、版１の場合同様、差分情報管理部１４に記憶される。

差分情報管理部１４に記憶されている１回目のコンパイルによる版１の中間言語の有向グラフと、２回目のコンパイルが行われた版２の有向グラフの中間言語とをフロントエンドコンパイラ１３ａで比較し、差分を抽出する。差分の抽出は、それぞれの有向グラフを構成するノードとエッジの同一性を比較することにより行う。

比較した結果、図４中、版１から版２への有向グラフの変更点は、要素のノードＢと要素のノードＣを加算する「加算演算子」のノードを、「減算演算子」のノードに変更している。従って、有向グラフの中間言語上では、演算子を表す１つのノードのみが差分となる。

さらに、版２のソースコードを、版３のソースコードに修正する場合、上述と同様の手順により、版３の中間言語の有向グラフを生成する。生成された中間言語の有向グラフは、版１の場合同様、差分情報管理部１４に記憶される。版２の中間言語の有向グラフと、版３の有向グラフの中間言語を、それぞれのノードとエッジを比較し、差分を抽出する。

版２の有向グラフから版３の有向グラフへの変更点は、ＩＦ文の分岐先が異なるのみであるので、制御エッジの繋ぎ替えのみが差分となる。このように、中間言語である有向グラフで表した動作ロジックの差分は、コーディング変更量に対して比較的小さくなる傾向がある。有向グラフの差分比較は、有向グラフ間の編集距離（ノードおよびエッジの追加/編集/削除の回数）を求めることにより実現する。以降のバックエンドコンパイラ１３ｂのコンパイル処理では中間言語の各ノードを順に処理していくが、この結果を利用すれば、ソースコードの変更点については差異のあった有向グラフのノードまたはエッジのみを処理すれば良く、処理が高速化する。

図５（ａ）は、図４における、版３で示した有向グラフの中間言語である。版２から版３のソースコードの変更について、中間言語にテキスト形式を使用したコンパイル（比較例１）と有向グラフを使用したコンパイル（実施例１）のそれぞれの処理ステップ数の比較を図５（ｂ）に示す。中間言語のコンパイルは、図５（ａ）に示すように、ノードから次のノードへ接続されるエッジまたは末端までを１グループとした単位で処理される。従って、図６には、８つのグループが示されている。

各グループのコンパイルに掛かる処理時間を処理ステップ数で表す。処理ステップ数をそれぞれ平均１０ステップとすると、８つのグループの処理に合計８０ステップを要する。比較例１ではテキスト形式で差分比較をするので、図４の版３に示すように、差分として、「Ｄ：＝Ｂ－Ｃ；」および「Ｄ：＝Ａ；」を検出する。ここで、テキストの差分比較に掛かる時間は無視できるものとする。すると、これらの差分に相当するグループは、グループ３～８の６グループあるので、合計６０ステップ掛かる。

一方、実施例１の有向グラフの中間言語に対して差分比較を行う。前述したように、差分比較は、ノード、エッジなどすべての要素を対象として行う。１要素の比較に掛かる時間を平均１ステップとすると、図５（ｂ）の場合は１９要素あるので、１９ステップ掛かる。差分比較の結果、図５（ａ）中、実線で囲んだグループ２のみをコンパイルすればよいので、処理時間は１０ステップで済み、合計２９ステップとなる。従って比較例１に比べ、コンパイル時間が４８％に短縮されている。

<実施例２>
図６（ａ）は、代入文の例である。テキスト形式で差分比較をした比較例２では、差分として「Ｂ：＝Ｃ；」を検出する。テキストの差分比較に掛かる時間は無視できるものとする。これらの差分に相当するグループは、グループ１～３の３グループであるので、合計３０ステップ掛かる。

一方、有向グラフの中間言語に対して差分比較を行う実施例２において、図６（ｂ）に示すように、各ノードおよび各エッジ、合わせて５要素を差分比較するので、５ステップ掛かる。差分比較の結果、図６（ａ）中、実線で囲んだグループ１のみをコンパイルすればよいので、処理時間は１０ステップで済み、合計１５ステップとなる。従って、比較例２に比べ、コンパイル時間は５０％に短縮されている。

<実施例３>
図７（ａ）は、四則演算の例である。テキスト形式で差分比較をした比較例３では、差分として、「Ｄ：＝（Ａ－Ｂ）／Ｃ；」を検出する。テキストの差分比較に掛かる時間は無視できるものとする。これらの差分に相当するグループは、グループ１～７の７グループであるので、合計７０ステップ掛かる。

一方、有向グラフの中間言語に対して差分比較を行う実施例３において、図７（ｂ）に示すように、ノードとエッジを合わせて１３要素を差分比較するので、１３ステップ掛かる。差分比較の結果、図７（ａ）中、実線で囲んだグループ３およびグループ５をコンパイルすればよいので、処理時間は２０ステップで済み、合計３３ステップとなる。従って、比較例３に比べ、コンパイル時間は４７％に短縮される。

<実施例４>
図８（ａ）は、ＦＯＲ文の例である。テキスト形式で差分比較をした比較例４では、差分として、「Ａ：＝０；」「ＦＯＲＩ：＝（４ＴＯ８ＤＯ）」「Ａ：Ａ＋Ｉ－３；」「ＥＮＤ＿ＦＯＲ；」を検出する。テキストの差分比較に掛かる時間は無視できるものとする。これらの差分に相当するグループは、グループ４～１４の１１グループであるので、合計１１０ステップ掛かる。

一方、有向グラフの中間言語に対して差分比較を行う実施例４において、図８（ｂ）に示すように、ノードとエッジ合わせて２７要素を差分比較するので、２７ステップ掛かる。差分比較の結果、図８（ａ）中、実線で囲んだグループ５、６、１０、１３、およびグループ１４をコンパイルすればよいので、処理時間は５０ステップで済み、合計７７ステップとなる。従って、比較例４に比べ、コンパイル時間は７０％に短縮される。

<実施例５>
図９（ａ）は、ＷＨＩＬＥ文の例である。テキスト形式で差分比較をした比較例５では、差分として、「Ａ：＝５；」「ＷＨＩＬＥＡ＜１０ＤＯ）」「Ａ：Ａ＋Ｉ；」「ＥＮＤ＿ＷＨＩＬＥ」を検出する。テキストの差分比較に掛かる時間は無視できるものとする。これらの差分に相当するグループは、グループ４～１２の９グループであるので、合計９０ステップ掛かる。

一方、有向グラフの中間言語に対して差分比較を行う実施例５において、図９（ｂ）に示すように、ノードとエッジ合わせて２３要素を差分比較するので、２３ステップ掛かる。差分比較の結果、図９（ａ）中、実線で囲んだグループ５、６、およびグループ１０をコンパイルすればよいので、処理時間は３０ステップで済み、合計５３ステップとなる。従って、比較例５に比べ、コンパイル時間は５９％に短縮される。

以上説明したように、テキスト形式での差分比較に比べ本実施の形態による中間言語に有向グラフを使用した動作ロジックの差分比較によるコンパイルは、処理時間を半分程度に短縮できる。

実施の形態２．
実施の形態１で使用した有向グラフによる動作ロジックを、コンパイルだけではなく、図１に示す制御装置３０への転送処理にも適用する。この場合、制御装置３０内のプログラム実行管理機能部３２が動作ロジックを有向グラフの構造で認識出来ることを前提とする。

例えば、図１０において、実施の形態１同様、ユーザが作成したソースコード２１を、開発支援装置１０のフロントエンドコンパイラ１３ａで、中間言語の有向グラフによる動作ロジックにコンパイルする（１回目）。この動作ロジックを差分情報管理部１４に記憶するとともに、制御装置３０に転送する。次に、ソースコード２１の修正があった場合、制御装置３０の機械語を書き換える必要があるため、修正があったソースコード２１ａをコンパイルする（２回目）、１回目のコンパイルと同様に、入力されたソースコードから有向グラフの動作ロジックをコンパイルした後、差分情報管理部に記憶されている１回目の動作ロジックと比較し、差分をフロントエンドコンパイラ１３ａにより生成する。生成された動作ロジックの差分箇所のみを通信機能部１２、３１を介して制御装置３０に転送する。転送された修正部分の動作ロジックをプログラム実行管理機能部３２で併合し、併合されたプログラムにより、制御装置は動作する。差分比較については、実施の形態１で説明した実施例１～５と同様に行う。

このように、中間言語に有向グラフで構成した動作ロジックを使用し、ソースコードの修正部分を有向グラフの差分で制御装置に転送することにより、転送時間を短縮することが可能となる。

実施の形態３．
実施の形態１で適用した有向グラフによるロジック差分比較法を、ロジックの等価性確認に適用することもできる。例えば、旧機種の制御装置から新機種の制御装置へソースコードを移植する場合、移植に伴い、変更部分の機械語を書き換える必要があるが、ソースコードの入力言語の文法あるいはデータ構造には変化があるが、ロジックには変化が無い場合がある。このように、機種変更または言語変更の際のロジックの変化の有無の分析をコンパイルを行う際の１つのステップに組み入れてもよい。

例えば、図１１に示すように旧機種のソースコードである、「ＡＤＤ（ＩＮ：＝Ａ，ＩＮ２：＝Ｂ，ＯＵＴ＝>Ｃ）；」と新機種のソースコード「Ｃ＝Ａ＋Ｂ」は、実施の形態１で説明した方法で有向グラフを作成し、比較差分を行うと、変更されたノードおよびエッジの要素は無く、ロジックの等価性が確認できる。これにより、機種の変更によるコンパイルを行う必要がないことがわかる。

このように、機種または言語の変更による機械語の変更が必要ないことが、ロジック差分比較法により認められた場合、ロジックの等価性を担保したまま、他言語間、または新旧機種間のソースコードの変換機能に適用することができる。すなわち、コンパイラ機能部１３により、図１２に示すように、旧機種のソースコードを、有向グラフの中間言語が一致する種類の異なる新機種のソースコードに逆変換することもできる。

以上のように、有向グラフによるロジック差分比較法を用いることで、ロジックの等価性を確認するとともに、有向グラフが一致する別種のソースコードに変換することができる。

実施の形態４．
実施の形態３で適用したロジック等価性を応用して、あるロジックを変更したときに、他のロジックへどのように影響するかの確認を、プログラムを実際に実行しない、静的解析に適用する。図１３は、ＩＦ文の「ＹＥＳ」の場合の処理と「ＮＯ」の場合の処理を入れ替えた例である。有向グラフによる中間言語の差分は、ＩＦ文の接続先のみである。従って、影響を確認する場合にはＩＦ文の接続先が変わった点を起点とし、静的解析を開始すれば良いので、全体のロジックを確認する必要がなく、解析時間を短縮可能である。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１０：開発支援装置、１１：インターフェース機能部、１２：通信機能部、１３：コンパイラ機能部、１４：差分情報管理部、１５：画面、１６：入力装置、３０：制御装置、３１：通信機能部、３２：プログラム実行管理機能部、１００：プロセッサ、２００：記憶装置。

Claims

ソースコードから、ノードとエッジからなる複数のグループに分類された有向グラフを中間言語として生成し、前記ソースコードを修正するとき、修正前のソースコードの有向グラフと修正後のソースコードの有向グラフを、前記ノードおよび前記エッジごとに比較し、修正された前記ノードおよび前記エッジのいずれかを含む前記グループをコンパイルするコンパイル方法。
第１のソースコードから、ノードとエッジからなる複数のグループに分類された第１の有向グラフを生成し、第２のソースコードから、ノードとエッジからなる複数のグループに分類された第２の有向グラフを生成し、前記第１の有向グラフと前記第２の有向グラフとをノードおよびエッジごとに比較し、比較した全てのノードとエッジが一致した場合に、前記第１のソースコードと前記第２のソースコードに等価性があると判断するステップを有するコンパイル方法。
ソースコードを入力するためのインターフェース機能部、前記ソースコードを、ノードとエッジからなる複数のグループに分類された有向グラフを生成するコンパイラ機能部、前記有向グラフを記憶する差分情報管理部を備え、前記コンパイラ機能部は、修正されたソースコードが入力された場合、前記修正されたソースコードの修正有向グラフを生成するとともに、前記差分情報管理部に記憶された修正前の有向グラフと前記修正有向グラフとをノードおよびエッジごとに比較することにより、修正されたノードおよびエッジのいずれかを含むグループをコンパイルして機械語を生成することを特徴とする開発支援装置。
請求項３の開発支援装置と前記開発支援装置と通信で接続される制御装置とを備え、前記開発支援装置でコンパイルされたソースコードの修正部分の機械語を前記制御装置に送信することを特徴とする制御システム。
請求項３の開発支援装置と前記開発支援装置と通信で接続される制御装置とを備え、前記制御装置は、中間言語としての有向グラフの構造を認識可能なプログラム実行管理機能部を有し、前記開発支援装置から送信される修正されたノードおよびエッジのいずれかを含む有向グラフのグループの情報を前記プログラム実行管理機能部で処理することを特徴とする制御システム。