книги / Оценка затрат на разработку программных средств

КП и рентабельность его разработки. Для оценки эффективности настройки КП на условия применения в качестве исходной можно использовать альтернативу полной разработки каждой пользова­ тельской версии или альтернативу конструирования пользователь­ ских версий из компонент опытного образца и вновь разрабатывае­ мых компонент (сборочное программирование, см. § 2.2). Выбор наиболее эффективного метода подготовки версий КП для пользо­ вателя зависит от конкретного назначения КП, его структуры и разнообразия характеристик условий применения.

Следует отметить, что производство серийных экземпляров КП не всегда полностью определяет составляющую С!:>. Для встраи­ ваемых ЭВМ, использующих программы третьего класса, затраты на внедрение каждого экземпляра КП и освоение его эксплуата­ ции— С|:,3 могут быть ничтожными. Однако в некоторых случаях обучение специалистов и внедрение каждого экземпляра сложных

тивных средств обучения эксплуатационного персонала. Создание этих средств увеличивает затраты на разработку и может быть рентабельным при особенно сложном освоении эксплуатации КП и

Каждое из слагаемых зависит от затрат на разработку программ,

программ вследствие стремления разработчиков наилучшим обра­ зом решить все функциональные задачи КП при минимальных ре­ сурсах ЭВМ. Быстрый прогресс вычислительной техники приводит к снижению стоимости компонент аппаратуры ЭВМ. Однако слож­ ность решаемых программами задач и областей применения ЭВМ также быстро растет, в результате чего сохраняется неизменной ситуация, при которой ресурсы ЭВМ не полностью удовлетворяют потребности разработчиков КП. Применение более мощных ЭВМ

увеличивает затраты на систему в целом. Во многих случаях при­ менение мощных ЭВМ невозможно вследствие ограничений на га­ бариты, вес, энергопотребление и т. п. В результате технические характеристики реализующей ЭВМ, а следовательно, капитальные затраты на ее применение в системе, влияют на затраты при раз­ работке программ.

Затраты на реализующую ЭВМ прежде всего зависят от эле­ ментной базы и прогресса технологии в области создания компо­ нент вычислительной техники. Ряд оценок [15, 42, 71] показывает быстрое (на 3—4 порядка) снижение стоимости памяти и удельных

101

затрат на исполнение операций в современных машинах за послед­ ние 20 лет. Предположим, что анализ проводится в некоторый мо­ мент времени, и возможности последующего развития вычисли­ тельной техники не учитываются. Тогда для КП, работающих в ре­ альном масштабе времени, при малом использовании периферий­ ных устройств затраты на реализующую ЭВМ определяют в основ­ ном следующие факторы:

объем оперативной (Па) и командной (Пк) памяти ЭВМ — /2:ц

{По, Пц)\

быстродействие вычислительной системы f232 (Б);

уровень технологии и автоматизации проектирования программ V , влияющий на степень использования ресурсов реализующей

ЭВМ/2э3(£/).

Как известно, память (особенно оперативная) является одной из самых дорогих компонент вычислительных машин. В ЭВМ, при­ меняемых в системах управления и обработки информации, соот­ ношение между оперативной и командной памятью более или ме­ нее постоянно. Это определяется, в частности, постоянством соот­ ношения числа операторов и операндов в большинстве крупных КП третьего класса [53]. Вследствие этого при оценке затрат на реали­ зующую ЭВМ можно исходить из объема КП. Для размещения сложных программ рассматриваемого класса объемом 104— 107 ко­ манд стоимость ЭВМ практически прямо пропорциональна суммар­ ному объему памяти {П„ + Пк) или объему памяти, необходимому для размещения КП. Поэтому можно принять (Я0, П к)= а 2эПк.

Вторым фактором, определяющим стоимость вычислительных систем, является их быстродействие или производительность. В не­ которых пределах затраты на реализующие ЭВМ практически ли­ нейно зависят от логарифма величины быстродействия [42, 71]. При использовании элементной базы на пределе ее возможностей стоимость ЭВМ начинает более резко возрастать в зависимости от требующегося быстродействия. В этой области характеристик для получения необходимого быстродействия применяются многопро­ цессорные и специализированные вычислительные системы, что позволяет в некоторых пределах сохранить практически линейную

тысячах операций в секунду. Тогда быстродействию 105 и 10е опе­ раций в секунду соответствует f232= 2 и 3.

Универсализации языков программирования сопутствует расшире­ ние программ при трансляции с ЯВУ по сравнению с объемом про­ грамм в объектном коде, который можно было бы получить при

102

применении машинно-ориентированных языков (ассемблеров) вы­ сококвалифицированными программистами. Так, например, про­ граммирование на языке ПЛ-1 и применение рядовых транслято­ ров приводит к увеличению в среднем в 3—5 раз [6] объема необ­ ходимой памяти для размещения программ и длительности вычис­ лений по сравнению с программированием тех же задач на языке ассемблера (см. § 1.3). Сложные оптимизирующие трансляторы несколько улучшают положение, однако тенденция значительного увеличения необходимого объема памяти и производительности ЭВМ при повышении уровня языков программирования, а следова­ тельно, и уровня технологии проектирования КП сохраняется. Тем самым затраты на реализующую ЭВМ непосредственно зависят от технологии и от затрат при разработке программ.

При достаточно больших затратах возможно создание трансля­ торов с ЯВУ с относительно небольшим (20—30%) [23, 61] расши­ рением программ по сравнению с программами на азтокоде. Функ­ цию /2эг(У) трудно описать простой аналитической зависимостью

и на основе экспертных оценок можно принять аппроксимацию ?2э з (^ ^ 2 ) — 1, f2a6(U = 3) = 3 , /203(У = 4 —5) = 1,5. Расширение про­

грамм и увеличение затрат на их реализацию в конкретных ЭВМ можно рассматривать как плату за унификацию текстов программ, повышение их мобильности и снижение затрат на непосредствен­ ную разработку программ. В результате образуется цепь глубоких связей: уровень языка программирования влияет на уровень техно­

логии и затраты на ее создание, которые входят некоторой частью в суммарные затраты на разработку программ, а также влияет на характеристики и затраты на реализующую ЭВМ. При этом повы­ шению уровня языка программирования и технологии и снижению затрат на непосредственную разработку КП в некоторой области сопутствует повышение затрат на реализующую ЭВМ (см. § 4.2). Необходимо подчеркнуть, что последняя составляющая затрат свя­ зана с каждым экземпляром КП, в то время как затраты на разра­ ботку можно рассматривать как однократные.

В результате суммарные затраты на реализующую ЭВМ с опре­ деленным КП можно описать следующим приближенным выраже­

Коэффициент а2э учитывает текущее состояние технологии изго­ товления аппаратуры ЭВМ. Его можно оценить по техническим ха­ рактеристикам и стоимости реальных вычислительных машин, вы­ пускаемых промышленностью в анализируемом интервале време­ ни. Для ЭВМ, реализующих КП второго класса, а2э может допол­ нительно увеличиться за счет периферийного оборудования, и вы­ ражение (2.15) менее адекватно реальным затратам на реализую­

103

щую ЭВМ. Оценив тенденции изменения стоимости ЭВМ, можно прогнозировать возможные значения агэ на ближайшие годы.

З а т р а т ы на э к с п л у а т а ц и ю р е а л и з у ю щ е й Э В М - С3э для комплекса программ в реальном времени практически по­ стоянны в единицу времени и можно принять, что

Коэффициент а3з соответствует удельной стоимости машинного времени. Он зависит в некоторой степени от быстродействия ЭВМ

(Б) и объема памяти (Я0 + //к). однако эти зависимости мало изу­ чены и их трудно аппроксимировать какими-либо простыми функ­ циями, вследствие чего диапазон изменения <х3э весьма широкий. Минимальные величины соответствуют встраиваемым ЭВМ, функ­ ционирующим длительное время /э с неизменными программами ( — 0,1— I руб./ч). Наибольшие затраты могут быть при эксплуата­ ции больших универсальных ЭВМ для реализации программ второ­

го класса ( ~ 1 0 руб./ч).

З а т р а т ы на э к с п л у а т а ц и ю э к з е м п л я р а КП на

зуемой для хранения программ. Наименьшие затраты при эксплуа­ тации программ требуются при использовании постоянных или полупостоянных запоминающих устройств. При применении в ЭВМ для хранения программ магнитных дисков или лент удельные зат­ раты могут быть больше на один-два порядка по сравнению с пре­ дыдущим случаем. Однако в обоих случаях за время жизненного цикла КП они обычно составляют малую долю от затрат на реали­ зующую ЭВМ. Обычно ачэ-Сазэ, вследствие чего С4э может не учи­ тываться. Оценку значения азэ и а4э целесообразно устанавливать по опыту эксплуатации реальных программ на соответствующих ЭВМ.

П о т е р и э ф ф е к т и в н о с т и ф у н к ц и о н и р о в а н и я К П в с л е д с т в и е з а д е р ж е к и п о т е р ь с о о б щ е н и й , п о д ­ л е ж а щ и х о б р а б о т к е , — С5э обусловлены ограниченностью ресурсов реализующей ЭВМ [21]. В первую очередь эти потери яв-

. ляются следствием ограниченной производительности ЭВМ (Б) и величины ее загрузки р, а также ограничений объема буферной оперативной памяти для приема и выдачи сообщений П 0. На поте­

ри С5э влияют характеристики потоков сообщений, методы органи­ зации вычислительного процесса, распределение буферной памяти, характеристики длительностей обработки сообщений и другие факторы, определяющие задержку и вероятность потерь сообще-

104

иий в ЭВМ, которые ниже обобщенно представляются параметром управления вычислениями s и предполагаются пропорциональны­ ми времени эксплуатации КП — 1Э При разработке КП возможно

в некоторой степени изменять методы организации вычислительно­ го процесса, объем буферной памяти и загрузку реализующей ЭВМ. Вследствие этого изменятся потери сообщений при эксплуа­ тации КП в реальном масштабе времени. Зависимость С$э от пере­

численных параметров трудно описать простыми аналитическими выражениями, поэтому эта составляющая представлена только в общем виде:

средственно на разработке КП, так и на его эксплуатации. Влия­ ние этого ограничения в процессе разработки приводит к необхо­ димости тщательного учета и экономного использования ресурсов реализующей ЭВМ, что увеличивает коэффициент См. Степень эф­ фективности использования ресурсов ЭВМ, достигнутая при раз­ работке, влияет при последующей эксплуатации КП на потери С5э. Более тщательное проектирование КП в условиях ограниченных ресурсов ЭВМ позволяет снижать потери Сзэ, однако увеличивает затраты за счет КИТ — смПри этом потери С$э характерны для

при создании опытного образца. Анализ совокупных затрат и по­ терь во всем жизненном цикле КП приводит к необходимости высо­

г р а м м — Сбэ характеризуют устойчивость программ к различного рода внешним возмущениям. Возмущения приводят к отказовым ситуациям, которые при длительности восстановления /в больше допустимой /д регистрируются как отказ, снижающий надежность [22]. Интенсивность отказовых ситуаций зависит от уровня отлаженности программ или вероятности Р0 невыявленной программ­ ной ошибки, которая определяется уровнем технологии U и дли­

тельностью разработки /р. Кроме того, на поток отказовых ситуа­ ций влияет интенсивность сбоев и частичных отказов в аппаратуре ЭВМ, которую будем характеризовать вероятностью в единицу времени л<„ а также интенсивность искажения исходной информа­ ции, поступающей от внешних абонентов (вероятность в единицу времени рп). Полностью избежать этих потерь невозможно, так

105

как для этого потребовалась бы абсолютно надежная ЭВМ с неог­ раниченными ресурсами памяти и производительности, исполняю­

щая безошибочные программы. В результате потери, обусловлен­ ные ненадежным функционированием, обобщенно можно предста­ вить функционалом

Эта составляющая потерь в процессе эксплуатации непосредст­ венно зависит от коэффициента увеличения затрат на обеспечение надежности с!3 (см. § 2.2) при разработке программ. Значения с|3

при повышении надежности КП возрастают вследствие более дли­ тельной и тщательной отладки, а также из-за увеличения затрат на средства оперативного контроля и обеспечение рестарта при отказовых ситуациях программ. В результате уменьшаются потери в процессе эксплуатации программ С6э, обусловленные отказами при функционировании КП. Таким образом, С|3 и Сбэ имеют силь­ ную отрицательную корреляцию (см. § 4.1). Так же как при огра­

ничении ресурсов ЭВМ, потери вследствие сбоев и отказов КП име­ ются в каждом экземпляре ЭВМ и в совокупности тем больше, чем больше эксплуатируется систем с данным КП. В результате для широко тиражируемых КП целесообразно значительное увеличе­ ние затрат на повышение их надежности при разработке. Косвен­ но на затраты при создании программ влияет также надежность реализующей ЭВМ. При недостаточной надежности ЭВМ повыша­ ются затраты на программы вследствие необходимости обеспечи­ вать надежность системы за счет информационной и программной избыточности.

Таким образом, общие затраты и потери эффективности при эксплуатации каждого экземпляра КП можно представить выра­ жением

C, = C1, + aa /7KlgB-/,M(y) + <a-Jaw+ a to+ /„ ( 5 t Р.

Каждая из составляющих затрат на эксплуатацию КП и опре­ деляющие их параметры в той или иной степени влияют на затра­ ты в процессе разработки программ. Составляющие затрат разра­ ботки и затрат эксплуатации имеют, как правило, отрицательную корреляцию, что приводит к ряду оптимизационных задач (см. гл. 4). Наибольшее влияние на разработку КП реального времени третьего класса обычно оказывают капитальные затраты С2э на реализующую ЭВМ. Для других классов КП может доминировать влияние затрат на эксплуатацию КГ1 или на эксплуатацию реали­ зующей ЭВМ. Простого рецепта выделения основных затрат и по­ терь нет, и всегда требуются численный анализ и оптимизация всех составляющих при конкретных значениях параметров.

106

Составляющие затрат на сопровождение программ, влияющие на процесс их разработки (табл. 2.5) Сопровождение сложных

КП состоит в их развитии и модернизации, в обнаружении и устра­ нении ошибок, а также в тиражировании и конфигурационном кон­ троле распространяемых версий [12, 68, 87]. Сопровождение — очень сложный многофакторный процесс, экономика которого изу­ чена слабо. Технико-экономический анализ процесса сопровожде­ ния является крупной самостоятельной задачей и не рассматри­ вается в книге. В данном разделе процесс сопровождения и сопут­ ствующие затраты рассматриваются только с позиции воздействия на затраты при разработке. Накопленный опыт и отдельные иссле­ дования доказали, что перспективы длительного сопровождения и массового использования КП могут заметно влиять на затраты при его разработке. При сопровождении программ факторами, опре­ деляющими затраты на разработку КП, являются: длительность цикла жизни комплекса программ; мобильность программ; уро­ вень автоматизации технологии разработки программ; тираж про­ грамм.

При этом важно учитывать соотношение затрат на разработку и на сопровождение в течение цикла жизни всего тиража КП. Уни­

кальный КП, основная часть жизненного цикла которого приходит­ ся на разработку, может создаваться почти без учета последую­ щих затрат на сопровождение. Однако долгоживущие, многократ-

Т аб ли ц а 2.5

СОСТАВЛЯЮЩИЕ ЗАТРАТ НА СОПРОВОЖДЕНИЕ КОМПЛЕКСА ПРОГРАММ,

107

но модернизируемые и широко тиражируемые КП требуют доволь­ но больших затрат на сопровождение. Эти затраты в течение цик­ ла жизни могут значительно (даже в 5— 10 раз) превышать затра­ ты на разработку того же КП. Сокращение затрат на сопровожде­ ние возможно за счет некоторого увеличения затрат на разработку КП, так что в течение жизненного цикла в сумме затраты могут быть уменьшены при рациональном проектировании иногда весьма заметно. Поэтому целесообразно рассмотреть основные составляю­ щие затрат в процессе сопровождения N экземпляров сложного

КП. Эти затраты можно считать аддитивными и включающими со­ ставляющие:

затраты на обнаружение и устранение ошибок в каждой версии

КП - С,с; затраты на доработку и совершенствование программ, форми-

иование и испытание новых модернизированных версий КП —

Сгс; затраты на тиражирование каждой новой версии и ее внедрение

в эксплуатируемых и новых системах — С3с.

Доля каждой составляющей в общих затратах на сопровожде­ ние может значительно изменяться в зависимости от особенностей жизненного цикла конкретного КП. Для долгоживущих (/с~ 10—20 лет), тиражируемых (Л^ — 10—100) КП доминирующими являются затраты на модернизацию и доработку версий программ (С2с~ ~60% ) [12, 84]. Составляющие Си и С3с более или менее равнове­ сомы и требуют около 20% общих затрат на сопровождение. Суще­ ственным отличием затрат на сопровождение от затрат на эксплуа­ тацию программ является отсутствие прямой их пропорционально­ сти тиражу КП. Затраты на модернизацию зависят от тиража только косвенно вследствие расширения условий применения кон­ кретного КП и увеличения запросов пользователей на развитие программ. Так же косвенно влияет тираж на поток запросов на устранение выявленных ошибок. Только составляющая затрат С3с практически пропорциональна тиражу КП. При очень больших ти­ ражах и частой замене версий КП эта составляющая затрат мо­ жет быть доминирующей при сопровождении программ.

З а т р а т ы на о б н а р у ж е н и е и у с т р а н е н и е о ш и ­ б о к — С1с в программе определяются двумя факторами: затрата­ ми на обнаружение каждой ошибки и затратами на устранение выявленных ошибок при формировании очередной версии. Чем меньше ошибок п0 в программе, тем труднее они обнаруживаются,

т. е. тем выше затраты на выявление каждой ошибки. Отсюда мож­ но предположить, что в первом приближении затраты С)с обратно пропорциональны п0 (Clc~ l /n 0). Затраты на устранение ошибок и

корректировку программ пропорциональны числу выявленных меж­ ду версиями ошибок п. Число выявляемых и устраняемых оши­ бок п зависит от объема программ Пк приблизительно пропорцио­

108

нально lg Пк. Кроме того, полные затраты Cic пропорциональны длительности сопровождения tc^ U , когда происходит выявление

ошибок. В результате затраты C]c~ a ic lg Як/с/л0 и почти не зави­ сят от тиража КП.

При сопровождении непрерывно требуются затраты для кон­ троля состояния версий программ и обеспечения их сохранности. Дополнения и усовершенствования программ при формировании каждой новой версии приводят к появлению новых ошибок, вслед­ ствие чего величина п0 изменяется около некоторого среднего зна­

чения. Эту величину невозможно определить прямыми измерения­ ми, поэтому включим значение п0 в состав коэффициента ajc=

=aic /Ло и оценим значение а1с косвенно. По опыту работ широко тиражируемый комплекс программ объемом ~ 105 команд может требовать непрерывных усилий коллектива в составе 3—10 человек для устранения ошибок, корректировок версий и документации [24]. Отсюда можно оценить «ю, например, как величину затрат на корректировку ошибок в КП объемом 105 команд в течение года для среднего коллектива из пяти специалистов. Если за опорные значения взять затраты на обнаружение и устранение ошибок в КП объемом в 105 команд, то те же затраты для КП объемом 106 и 107 команд (по опыту работы.) возрастают приблизительно в 2 и в 3 раза соответственно. Тогда

как годовые затраты на 5 специалистов с учетом накладных расхо­

плуатируется та же технологическая система, которая использова­ лась при первичной разработке КП. Поэтому в качестве опорной можно использовать величину полных затрат на разработку Ср и все значения КИТ под влиянием конкретных факторов при разра­ ботке программ. При этом следует учитывать наличие готовой тех­ нологической базы для сопровождения, заложенной при первичной разработке, что снижает или исключает влияние некоторых факто­ ров в составе Ср. Модернизация производится поэтапно. Для каж­ дой новой эталонной i-й версии изменяется (разрабатывается) только некоторая рг< 1 часть от всего объема КП. Обычно эта часть при вводе очередной i-й версии составляет не более 10—20% всего комплекса [47]. Для сложных КП версии обновляются при­ близительно один раз в год [23]. В таких случаях можно принять расчет затрат на версию эквивалентным расчету на год. Слож­

109

ность связей в КП приводит к тому, что удельные затраты на изме­ няемые программы при модернизации каждой версии могут быть в 2—3 раза больше, чем затраты на создание программ такого же объема при первичном проектировании, что можно учесть безраз­ мерным коэффициентом 3>сс2с^ 1 . Величина а2с зависит от того, насколько при первичной разработке предусматривались перспек­ тивы сопровождения КП. Некоторые дополнительные затраты при разработке, обеспечивающие мобильность программ — Сп, позво­

ляют сокращать относительные затраты С2с при сопровождении. Возникает оптимизационная задача минимизации совокупных за­ трат в жизненном цикле конкретного КП путем его структурирова­ ния и введения дополнительных средств для повышения переноси­ мости его компонент.

Таким образом, на модернизацию и развитие © — версий в жиз­ ненном цикле КП затраты составляют

рассматриваться как затраты на последовательную разработку очередных версий. Для выполнения этих работ иногда использует­ ся коллектив специалистов, осуществивших первичную разработку. Такая организация наиболее характерна для уникальных КП в основном второго класса. В этих случаях первичную разработку и модернизацию КП трудно разделить. Для широко тиражируемых КП на сопровождение часто выделяется коллектив, не проводив­ ший первичную разработку. Вследствие этого этапы разработки и сопровождения и сопутствующие им затраты можно разделить бо­ лее определенно.

пии КП, его установку в реализующей ЭВМ и освоение для нор­ мальной эксплуатации. Эти затраты практически соответствуют затратам на производство программ при первичном вводе С\э и в

основном зависят от типа памяти для хранения программ в ЭВМ. Для некоторых типов постоянной или полупостоянной памяти зат­ раты зависят от изменяемой доли р< программ, поэтому С3с~

—/зс (Л„, Р0Конкретные значения Ьс(П 1и рг) необходимо оцени­

вать по данным реальных разработок и они могут изменяться в широких пределах. В отличие от двух предыдущих составляющих, которые слабо зависят от тиража КП, затраты на тиражирование версий при сопровождении практически пропорциональны произве­ дению числа версий © и их тиража N. Вследствие этого даже отно­ сительно малые затраты на каждый экземпляр при внедрении H O ­

MO