Linguagem Específica de Domínio para Programação de Robôs

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1 Linguagem Específica de Domínio para Programação de Robôs François Jumes, Luiz Claudio Rossafa Honda Curso de Bacharelado em Sistemas de Informação Departamento de Informática e Estatística Universidade Federal de Santa Catarina UFSC, Brasil, {eek,honda}@inf.ufsc.br ABSTRACT. This meta-paper describes the bases of a Domain Specific Language for a hypothetic robotic kit. RESUMO. Este trabalho tem por objetivo explicar os conceitos básicos ligados ao desenvolvimento de Linguagens Específicas de Domínio através de um exemplo prático onde é criada a Linguagem RoboX para um kit fictício de montagem de robôs. Estas linguagens conhecidas como DSL (Domain Specific Language), além de tornarem as programações mais ágeis, simples e diminuírem a chance de erros, também trazem o usuário final para perto do desenvolvimento, permitindo que os dois, programador e usuário, conversem no mesmo idioma. São apresentados também outras linguagens com o objetivo de demonstrar que o conceito ligado à Linguagens Específicas de Domínio não é novo, mas que a concepção destas linguagens vem se tornando cada vez mais simples e acessíveis. PALAVRAS-CHAVE: DSL, Domain Specific Language, Visual Studio SDK, Linguagem Específica de Domínio, Robôs. 1 INTRODUÇÃO Um dos fatores mais importantes para o sucesso de um software é a facilidade de automação de tarefas pelo usuário final, ou seja, a flexibilidade para definir rotinas personalizadas para a execução de determinadas tarefas. Porém, na maioria dos casos, as mudanças acabam passando pela equipe de análise e desenvolvimento, o que torna o processo de alteração difícil e demorado. A idéia é permitir que o usuário possa intervir no processo de adequação do software às suas necessidades sem passar pela equipa original que o desenvolveu. Como a aplicação é desenvolvida para resolver um determinado problema, o usuário pode adaptar a aplicação apenas dentro daquele contexto, daí a designação de linguagem específica de um domínio. Apesar de ser uma área recente, alguns dos princípios das DSL já têm uma longa história e embora os princípios sejam promissores, algumas questões ainda devem ser consideradas na adoção das DSL, como: a dificuldade em encontrar o âmbito correto de uma DSL; o custo do desenho, implementação e manutenção da DSL; a dificuldade no balanceamento entre as construções específicas de domínio e as de programação genérica da linguagem. Este trabalho consistirá em desenvolver, utilizando a ferramenta Visual Studio DSL Tools, uma linguagem específica de domínio para programação de robôs, que seja de fácil utilização, independente do grau de complexidade com o qual o robô foi construído fisicamente. Além de demonstrar que a utilização de DSL pode melhorar o grau de flexibilidade, manutenção e evolução das aplicações.

2 Justamente por ser uma DSL está linguagem oferece uma interface intuitiva e fácil de aprender, abstraindo tudo o que não é relevante para o objetivo final: Como o robô deve agir. Sendo assim, o usuário desta linguagem não precisa se preocupar em criar classes, objetos, protocolos de comunicação, etc. tornando a programação muito mais rápida, prazerosa e menos suscetível a erros. 2 PROJETO O projeto de uma DSL exige uma maior compreensão sobre o domínio do problema. DSL só fazem sentido se elas contiverem uma abstração útil para uma classe completa de problemas que ocorrem no domínio correspondente. Assim, é necessário que os especialistas de domínio sejam envolvidos no projeto de uma DSL, de modo que a linguagem resultante seja um veículo útil para a especificação realista de soluções de problemas no domínio correspondente [Bragança, 2002]. Segundo [Teixeira, 2003], a forma de se definir a semântica de uma DSL determina para quais propósitos ela poderá ser utilizada durante o processo de desenvolvimento. 3 DSL PARA PROGRAMAÇÃO DE ROBÔS ROBOX Um dos efeitos de se usar uma DSL é fazer com que a implementação fique muito mais perto do domínio do problema do que do domínio de programação. Uma DSL é expressa em termos de idéias que fazem sentido no contexto ao qual ela se encontra. Nesta DSL, por exemplo, são encontrados termos como Sensor de Temperatura ou Motor ao invés de Classes, Variáveis ou Linha da Tabela. A DSL aqui criada tem por objetivo gerar código que será interpretado por um robô hipotético chamado RoboX que possui, além de peças para a montagem (engrenagens, parafusos, roldanas, rodas, placas de metal, peças de sustentação), três sensores (de temperatura, de luz e de som) e três motores. Este kit pode ser montado de várias formas e para várias finalidades. Com o uso desta DSL os proprietários do RoboX poderão programá-lo mesmo sem possuir qualquer conhecimento em programação; variáveis, tabelas, inicializações, notações, estrutura de dados, entre outros, não são sequer mencionados, fazendo com que o usuário da DSL se preocupe apenas com a lógica do programa, o que o robô deve fazer. Por exemplo: esperar a ausência de luz para então medir a temperatura, que deve ser informada no display para isto basta informar exatamente esta seqüência de passos utilizando componentes que fazem sentido neste problema a ser resolvido. 4 ANÁLISE Para a criação da linguagem foi feito um levantamento de quais seriam os componentes gerados. Num primeiro momento seria criado um componente para cada sensor e motor do robô, mas para facilitar a programação e tornar a linguagem mais dinâmica foram incluídos os componentes se então, loop e espera, associados a cada um dos sensores. A função e utilização de cada um dos componentes serão explicadas mais adiante. 2

3 5 CONCEPÇÃO Após a instalação do Visual Studio e do SDK 4.0 é criado um novo projeto do tipo Domain-Specific Language Designer onde são apresentadas as opções para a criação de uma DSL a partir de padrões pré-definidos: Class Diagrams similar ao diagrama de classes da UML, são caixas com linhas de textos representando atributos. Component Models Caixas com portas. Minimal Language layout mínimo, suficiente para mostrar um tipo de caixa e um tipo de linha de conexão; é a opção utilizada para esta DSL. Task Flow similar ao diagrama de atividades do UML, caixas situadas entre separadores. O próximo passo é definir a extensão dos arquivos e o ícone. O próprio Visual Studio se encarrega de verificar se a extensão é única ou se é utilizada por outro programa no computador. A partir de então o Visual Studio já pode gerar uma base sobre a qual será construída a linguagem. Dos arquivos gerados automaticamente destacam-se: DslDefinition.dsl Arquivo do qual é derivado todo o código gerado. É o centro da DSL. DslDefinition.dsl.diagram Cada exemplo da DSL é armazenado em um par de arquivos: um que contém a informação essencial sobre as instâncias da classe de domínio e relacionamentos, e o outro que contem o layout do diagrama. Se o arquivo do diagrama for perdido, o usuário precisa rearranjar o material na tela, mas nenhuma informação importante é perdida. A definição do DSL é como qualquer outro DSL neste respeito. Resources folder As imagens usadas na caixa de ferramentas para cursores e em algumas formas. As imagens podem estar em diversos formatos, incluindo o bitmap (bmp) e o JPEG. Os arquivos que irão aparecer aqui são determinados pelo índice de definição da DSL. Por exemplo, se for definido uma nova ferramenta na definição da DSL, deverá ter um ícone para representá-lo na caixa de ferramentas. Será fornecido um nome para o arquivo e o colocará no Resources folder. Properties \AssemblyInfo.cs Informação da versão que mostra o caminho do código compilado para sua DSL. As entradas são derivadas dos valores que foram fornecidos no questionário quando se criou a DSL. Dsl.csproj O arquivo do projeto não é mostrado explicitamente na pasta, mas seu índice é acessível clicando com o botão direito no projeto do Dsl e escolhendo propriedades. O nome assembly e o local padrão são derivados dos valores fornecidos no questionário de criação do DSL. Após Identificar e analisar o domínio do problema deve-se partir para a criação do Modelo do Domínio que é a parte central da definição de qualquer DSL. É onde são definidos as propriedades e os conceitos representados pela linguagem e a relação entre eles. Como se fosse à gramática da linguagem, definindo os elementos que a constitui e as regras para a junção destes elementos. Alem disto ainda fornece fundamentos para outros aspectos da linguagem como a definição de notações, caixa de 3

4 ferramentas, janela de propriedades, validações e serializações. 6 INTERFACE Apresentando interface semelhante a do próprio Visual Studio, a DSL RoboX possui à esquerda uma paleta com os componentes que serão arrastados para a parte central (área de trabalho) que formarão o código. No canto direito os arquivos, e abaixo as propriedades dos componentes selecionados. Figura 1 - Interface da DSL RoboX 7 COMPONENTES Foram criados diversos componentes com o objetivo de tornar a linguagem o mais intuitiva possível, sendo que cada componente é identificado por uma figura e possuí campos de configuração específicos. 7.1 Componente Fluxo Principal Utilizado para ligar um componente a outro, determinando assim o caminho que o programa deve percorrer. É representado por uma linha preta direcional, conforme a figura 9. Para poder utilizar o Fluxo Principal é preciso ter no mínimo dois componentes, um de onde partirá o fluxo e outro que será o destino, não podendo um componente ser origem para dois fluxos principais. 7.2 Componentes de Saída São os componentes que causam alguma reação do robô, esta reação pode ser a emissão de som, o acionamento de motores ou a renderização de alguma imagem no display. por retângulos azuis e são delimitados por uma linha preta contínua, variando apenas a figura central. Por exemplo, o componente Saída Som, faz com que um arquivo de som definido nas propriedades seja emitido pelos auto-falantes do robô a um volume determinado pelo programador. Os outros componentes são Saída Vídeo e Saída Motor, este último faz com que o motor seja acionado por um determinado numero de voltas à uma certa velocidade, conforme definido nas propriedades do componente. 7.3 Componentes de Loop Componentes que permitem a utilização de um fluxo alternativo chamado Reinício que direciona para o ponto em que se inicia o laço. Determina o trecho de código que será repetido até que a condição configurada no componente de loop seja satisfeita. por retângulos verdes com bordas tracejadas e 4

5 com uma figura central que varia de acordo com o componente. Possui como propriedades, além do nome, o sinal usado para a comparação (>,<,>=, <=, = ou <>) e um parâmetro para definir se o programa continuará no Fluxo Principal ou irá voltar para o local apontado pelo fluxo alternativo Reinício. Cada vez que o fluxo do programa chegar a este componente, será lido o valor de um dos sensores do robô e este valor será então comparado com o definido na propriedade do componente, se a condição for satisfeita, segue pelo Fluxo Principal, caso contrário retorna pelo fluxo alternativo Reinício. Além dos sensores disponíveis no robô, Temperatura, Luz e Som, foi criado o componente Loop Número de Vezes que faz com que determinado trecho de código seja repetido por um certo número de vezes conforme definido na propriedade. 7.4 Componentes SeEntão Com este componente é possível criar cláusulas de condição no programa, esse componente abre dois fluxos de programa, um fluxo alternativo chamado Senão que será utilizado caso a condição definida não seja satisfeita, se for satisfeita o programa segue normalmente pelo Fluxo Principal. por retângulos vermelhos com bordas pontilhadas e contém uma figura central que varia de acordo com o componente. O componente Senão, representado por uma linha vermelha pontilhada, tem comportamento similar ao Reinício dos componentes de loop, mas pode ter como origem apenas componentes do tipo SeEntão. Assim que o fluxo do programa atingir um dos componentes SeEntão será lido o valor atual do sensor e então será comparada de acordo com os critérios definidos nas propriedades do componente, caso a condição não seja satisfeita o programa segue para o ponto indicado pelo fluxo alternativo Senão. 7.5 Componentes Esperar São componentes que seguram o fluxo até que uma determinada condição seja satisfeita, esta condição pode estar relacionada aos sensores de som, temperatura e luz, ou pode ser um tempo fixo em milesegundos. por retângulos amarelos com uma figura central que varia de acordo com o componente. Retém o fluxo do programa até que o valor lido pelo sensor satisfaça as condições definidas nas propriedades do componente. Assim que a condição for satisfeita o programa continua sua execução pelo Fluxo Principal. 8 CONCLUSÃO Este trabalho apresenta uma linguagem específica para programação de robôs. Desde a modelagem e em todas as etapas seguintes o foco foi à criação de uma linguagem de fácil utilização e de programação intuitiva, para que qualquer usuário, do mais leigo em programação ao mais avançado, conseguisse fazer um programa. A melhor forma encontrada para criar uma linguagem com essas características foi fazer uma linguagem gráfica, que foi possível de 5

6 desenvolver com a ferramenta SDK do Visual Studio. A primeira dificuldade encontrada foi na modelagem da linguagem, na definição de suas funcionalidades. Pelo fato de não termos experiência no desenvolvimento de Linguagens Específicas de Domínio tivemos que remodelar nossa DSL algumas vezes para que atendesse nossos objetivos. Após a definição do modelo passamos para o desenvolvimento da linguagem, onde surgiu outra dificuldade, o uso da ferramenta utilizada. Entre os softwares disponíveis para essa finalidade, optamos pelo Visual Studio SDK por possuir mais material de apoio e exemplos documentados. Para um primeiro uso no desenvolvimento de uma DSL, o Visual Studio se mostrou de fácil utilização, com um assistente de criação que nos auxiliou na definição de todas as etapas. Com a linguagem criada e o ambiente de programação pronto, fizemos alguns programas testes e conseguimos atingir nosso objetivo, fazer programas sem escrever uma linha de código sequer, onde qualquer pessoa que nunca tenha programado compreenda a lógica e crie um programa. Para trabalhos futuros, ficaram a documentação da linguagem e o seu aperfeiçoamento. Como a adição de mais funcionalidades, como por exemplo, funções matemáticas. Inserção de constraints para que possa impedir erros de programação antes mesmo da compilação do programa. E geração de código compatível com um robô comercial, Lego MindStorms por exemplo. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [Bragança, 2002] Alexandre Manuel Tavares Bragança. Linguagens Específicas de Domínio no Desenvolvimento de Software de Gestão. 2:5-10, Julho [Teixeira, 2003] José Helvécio Teixeira Jr. Considerações Iniciais sobre o Projeto de Protocolos para Redes de Computadores baseado em Linguagens Específicas de Domínio. 2:7-11, Agosto

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