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Junruoyu-Zheng / Ligral

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Junruoyu-Zheng authored 2021-01-21 16:25 . doc: lex analyser intro

语法设计

在用户文档你可能已经了解过 Ligral 的语法,但你可能不明白我为什么要这么设计,因为 Ligral 有许多非常新鲜的、独特的语法。这篇文章就来讲讲我设计 Ligral 的思路,以便让你们更快地融入开发者这一角色。

语法设计是 Ligral 的源动力,因为 Ligral 的诞生就是为了解决在搭建仿真模型时使用 Simulink 的槽点。

实现一个基于文本语言的仿真程序有很多种实现方式,比如可以用 C++ 编写。事实上只要你实现了$f(x,u,t)$这个函数,调用求解器求解,就是一个仿真程序了。但是为什么大家都用 Simulink 来生成代码,而不是自己手动写呢?答案就是为了方便、直观。C++、Python 等语言不是为了仿真而设计的,这些语言功能固然强大,但是代价就是使用起来也较为繁琐,需要自己处理很多细节。一个假想的 python 程序如下所示:

def f(x, u, t):
    return 1

solver = Solver()
solver.config(...)
solver.solve(f, lambda x: x)
x, y, t = solver.results

# 处理 x 和 y,比如绘图

如果你将 Simulink 工程保存为.mdl文件,你可以用文本编辑器打开。实际上我们可以称这个文本文件里的代码为一种“MDL”语言,它和你在 Simulink 界面上看到的图形是完全等效的。MDL 语言和 Ligral 语言类似,是一种描述性的语言,也具有很多 C++ 这类命令式的语言所不具备的优点,比如无需考虑实现的细节。它的语法大致如下:

Model {
    StartTime         "0.0"
    StopTime          "100"
    ...
    System {
        Block {
            BlockType         Constant
            Name              "Constant1"
            Value              "1"
            ...
        }
        Block {
            BlockType         Integrator
            Name              "Integrator1"
        }
        Line {
            SrcBlock              "Constant1"
            SrcPort               1
            DstBlock              "Integrator1"
            DstPort               1
            ...
        }
    }
}

可以看到这是一种非常典型的声明语法,它首先描述了一些设置项,然后声明了所使用的模块,最后再定义了模块之间的连接。与之相似的,Ligral 开放给第三方的接口格式.lig.json也采用了类似的语法:

{
    "settings": [
        {
            "item": "step_size",
            "value": 0.1
        },
        {
            "item": "stop_time",
            "value": 10
        }
    ],
    "models": [
        {
            "id": "Constant1",
            "type": "Constant",
            "parameters": [
                {
                    "name": "value",
                    "value": 1
                }
            ],
            "out-ports": [
                {
                    "name": "value",
                    "destination": [
                        {
                            "id": "Integrator1",
                            "in-port": "input"
                        }
                    ]
                }
            ]
        },
        {
            "id": "Integrator1",
            "type": "Integrator",
            "parameters": [],
            "out-ports": []
        }
    ]
}

可是这样的文本仿真语言,比起图形语言真的有任何优势吗?从直观角度而言,它们差得远了;从编写的容易程度而言,Simulink 中你只要拖放两个模块,然后将它们连起来,这些文本语言却要写这么多,甚至还不如命令式的语言,真是令人望而生畏!说服 Simulink 用户去使用这样的语言是不现实的。但如果你使用 Ligral,只需要下面一行语句:

1 -> Integrator;

把枯燥的、重复的工作交给解释器,用户只要把握住最核心的框图,就能写出一个仿真程序。

因此,Ligral 语法设计从一开始就聚焦在如何方便用户。

调用时声明

常见的命令式语言中,声明语句和调用语句是分开的。如果需要在多处调用一个节点,必须声明一个标识符,伪码如下:

constant1 = Constant(1)
constant1.connect(node1)
constant1.connect(node2)

而在 Ligral 中,声明和调用允许同时进行。为了实现这一点,Ligral 放弃了常见的=号赋值这一做法,而采用了用一对[ ]来命名。

Constant[constant1]{value:1} -> node1;
constant1 -> node2;

全连接语法

在图形语言中,从端口连线到端口是很自然的一件事。但是在文本语言中,如果每次连接都显式指定端口,就会很繁琐。在 MDL 语言和.lig.json的语法中都是显式指定端口的,因为这样程序解析起来比较容易,但就苦了用户们(当然这两个语言本来也不是直接面向用户的)。Ligral 提供了全连接语法,只要上下游模块之间输出和输入端口一一对应,就可以之间连接而无需指定端口,这在单输入输出节点(最常见的情形)之间连接尤为方便。比如上面的代码constant1 -> node2就没有指定端口,Ligral 自动将对应的端口一一连接。

自动装箱

在图形语言中引入一个常数,就拖入一个常数模块,但在文本语言中写Constant{value:1}就显得过于厚重。为此,Ligral 提供了一个自动装箱的语法,在连接语句中识别到数字的就会自动将数字装箱成一个常数模块,从而简化语句为1 -> node1

操作符

在图形语言中,双目运算是通过运算模块实现的,如果“直译”成 Ligral 语言就是:

(1, 1) -> Calculator{type: '+'};

注意这里使用了自动装箱,但语句还是略显繁琐。Ligral 提供了一系列操作符,并在识别到操作符时自动构建Calculator模块,将语句简化为1+1

空节点

图形语言的优势在于能表达错综复杂的关系,笔即二维图形的表达能力远超过一维(文字就是一种一维的表达)。但成也萧何,败也萧何,正因表达能力太强,才导致工程文件难以维护,因为人的思维其实是线性的。

在 Ligral 中,为了解决表达能力的问题,并且在保持语法简洁性,引入了空节点这一概念。空节点实际上是一个模块,直接转发输入到输出。这允许用户在一个线性的连接任意位置打上标记,并在另一个语句(甚至同一个语句)中引用。例如表示一个环:

 ╭───╮           ┌─────┐          ╭───╮
 │ u ├───►(x)───►│ 1/s ├────┬────►│ x │
 ╰───╯     ▲-    └─────┘    │     ╰───╯
           │    ┌───┐       │
           └────┤ k │◄──────┘
                └───┘   

利用空节点来标记很轻松就能用 Ligral 表达:

u-k*x -> Integrator -> x;

空节点在 Ligral 中非常常见,因此我们简化了空节点的声明语法。完整的声明应该是Node[x],但在解释器里,凡是出现没有声明过的标识符一律处理成空节点。但这么做有一个问题,在于当用户不小心拼错标识符名称,或者本该声明标识符但是没有声明,该标识符会被识别成一个新的空节点,从而报出意料之外的错误(通常是节点未连接)。这个问题是需要解决的,但目前没有很好的处理办法。

矩阵构建语法

在 Simulink 中,从标量构建矩阵是由Mux模块实现的;反之,从矩阵解构到标量是通过DeMux模块。Ligral 与之对应的模块是Stack系列和Split系列(Ligral 对行和列两个方向作了区分)。目前最后一步采用Split而非VSplit的原因是标量和矩阵尚未统一,VSplit分解后的数据仍是矩阵而非标量。

(1, 2) -> HStack -> row1;
(3, 4) -> HStack -> row2;
(row1, row2) -> VStack -> mat;

mat -> HSplit -> (col1, col2);
col1 -> Split -> (item11, item21);
col2 -> Split -> (item12, item22);

但在文本语言中,矩阵的操作还能再简化一些。

[1, 2; 3, 4] -> mat -> [item11, item12; item21, item22];

这样更符合文本语言使用者的使用习惯。

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