Техническое обеспечение сапр. Структура технического обеспечения сапр Подземное лазерное сканирование

Техническое обеспечение САПР представляет собой совокупность взаимосвязанных технических средств (ТС), предназначенных для выполнения автоматизированного проектирования. Структурное единство компонентов технического обеспечения, обеспечивающих функционирование подсистем САПР, составляет комплекс технических средств (КТС) САПР. Компонентами технического обеспечения являются устройства и системы (сочетания устройств), создаваемые на базе средств вычислительной, организационной, измерительной техники и передачи данных.

Комплекс технических средств САПР должен создаваться на базе серийно выпускаемых ТС с применением стандартных программно-аппаратных интерфейсов. При надлежащем техническом и экономическом обосновании могут применяться и специализированные ТС.

Требования к техническому обеспечению САПР можно разделить на четыре категории: системные, функциональные, технические и организационно-эксплуатационные. Системные требования обуславливают спектр свойств, параметров и характеристик КТС САПР как технической системы. Функциональные требования обуславливают свойства КТС с точки зрения выполнения функций САПР. Здесь рассмотрены наиболее общие требования к техническому обеспечению. Технические требования определяют параметры и характеристики КТС и отдельных ТС при функционировании САПР. К организационно-эксплуатационным относятся требования по технической эстетике, эргономике, безопасности (охрана труда), организации эксплуатации и обслуживания ТС.

Системные требования

К КТС САПР предъявляют следующие системные требования: эффективность, универсальность, совместимость, гибкость и открытость, надежность, точность (достоверность), защищенность, возможность одновременной работы достаточно широкого круга пользователей, приемлемая стоимость.

Эффективность. КТС в совокупности с информационным и программным обеспечением САПР должен обеспечивать эффективное выполнение персоналом САПР всей совокупности функций автоматизированного проектирования с целью получения достаточно качественных (по возможности оптимальных) решений и проектной документации в приемлемые сроки.

Универсальность. ТС САПР должны быть достаточно универсальны, чтобы обеспечить максимально возможную реализацию совокупности инноваций и изменений по проектируемому объекту (серии объектов) в течение всего цикла проектирования без перестройки КТС.

Совместимость. Средства, входящие в КТС САПР, должны обладать технической, информационной, программной и эксплуатационной совместимостью. Путем достижения совместимости средств обеспечивается нормальное функционирование, развитие и тиражирование всего комплекса.

Гибкость и открытость. Структура КТС САПР должна быть гибкой, т.е. допускать перестройку в достаточно широких пределах, и открытой, т.е. допускать замену устаревших средств, их модернизацию и расширение состава. Обеспечение гибкости и открытости позволяет осуществлять модернизацию и развитие САПР (что особенно важно при интенсивных инновациях, вносимых объектами проектирования), а также тиражирование САПР.

Надежность. КТС САПР должен обладать надежностью, достаточной для нормального функционирования в течение всего цикла проектирования. К показателям надежности ТС САПР относят среднюю наработку на отказ, среднее время восстановления, средний срок службы, средний срок сохраняемости, коэффициент технического использования. Эти показатели для серийно выпускаемых технических средств заранее известны. И если они не позволяют обеспечить требуемую надежность КТС в целом, необходимо применять системные методы повышения надежности (резервирование, дублирование), эффективные методы восстановления работоспособного состояния, а также средства обеспечения сохранности информации при отказах ТС.

Точность (достоверность). При функционировании КТС САПР должен обеспечить требуемый уровень точности (достоверности) принимаемых решений и данных (информации в целом). Точность (достоверность) зависит от достоверности входной информации (точности исходных данных и достоверности ввода), точности ТС (разрядности, методов преобразования, округления и т.п.), сбоев в оборудовании, отказов ТС и защищенности от внешних воздействий. Для повышения точности (достоверности) информации применяют различные организационные, технические и программные методы и средства контроля, обнаружения ошибок, обеспечения сохранности и восстановления информации.

Защищенность. Комплексы средств САПР должны быть защищены от внешних воздействий (помех, сбоев в системе питания, некомпетентного и несанкционированного вмешательства) так, чтобы не нарушалось нормальное их функционирование.

Возможность одновременной работы достаточно широкого круга пользователей. КТС должен позволять реализовать САПР, являющуюся системой коллективного пользования для достаточно большого коллектива специалистов (разработчики САПР, проектировщики, обслуживающий персонал, административно-управленческий персонал организации-пользователя). Причем терминалы пользователей и вычислительные ресурсы могут быть разнесены территориально на большие расстояния.

Приемлемая стоимость. Стоимость КТС должна быть такая, чтобы созданная на его базе САПР обеспечила наибольший или приемлемый (в зависимости от целей создания) экономический эффект.

Техническое обеспечение САПР включает в себя различные технические средства (hardware), используемые для выполнения автоматизированного проектирования, а именно ЭВМ, периферийные устройства, сетевое оборудование, а также оборудование некоторых вспомогательных систем (например, измерительных), поддерживающих проектирование.

Используемые в САПР технические средства должны обеспечивать:

1. выполнение всех необходимых проектных процедур, для которых имеется соответствующее ПО;

2. взаимодействие между проектировщиками и ЭВМ, поддержку интерактивного режима работы;

3. взаимодействие между членами коллектива, выполняющими работу над общим проектом.

Первое из этих требований выполняется при наличии в САПР вычислительных машин и систем с достаточными производительностью и емкостью памяти.

Второе требование относится к пользовательскому интерфейсу и выполняется за счет включения в САПР удобных средств ввода-вывода данных и прежде всего устройств обмена графической информацией.

Третье требование обусловливает объединение аппаратных средств САПР в вычислительную сеть .

Рис. 2.1. Структура технического обеспечения САПР

В результате общая структура ТО САПР представляет собой сеть узлов, связанных между собой средой передачи данных (рис. 2.1). Узлами (станциями данных) являются рабочие места проектировщиков, часто называемые автоматизированными рабочими местами (АРМ) или рабочими станциями (WS - Workstation), ими могут быть также большие ЭВМ (мейнфреймы), отдельные периферийные и измерительные устройства. Именно в АРМ должны быть средства для интерфейса проектировщика с ЭВМ. Что касается вычислительной мощности, то она может быть распределена между различными узлами вычислительной сети.

Среда передачи данных представлена каналами передачи данных, состоящими из линий связи и коммутационного оборудования.

В каждом узле можно выделить оконечное оборудование данных (ООД), выполняющее определенную работу по проектированию и аппаратуру окончания канала данных (АКД), предназначенную для связи ООД со средой передачи данных. Например, в качестве ООД можно рассматривать персональный компьютер, а в качестве АКД - вставляемую в компьютер сетевую плату.

Канал передачи данных - средство двустороннего обмена данными, включающее в себя АКД и линию связи. Линией связи называют часть физической среды, используемую для распространения сигналов в определенном направлении, примерами линий связи могут служить коаксиальный кабель, витая пара проводов, волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС). Близким является понятие канала (канала связи) , под которым понимают средство односторонней передачи данных. Примером канала связи может быть полоса частот, выделенная одному передатчику при радиосвязи. В некоторой линии можно образовать несколько каналов связи, по каждому из которых передается своя информация. При этом говорят, что линия разделяется между несколькими каналами.

Типы сетей. Существуют два метода разделения линии передачи данных: временное мультиплексирование (иначе разделение по времени или TDM - Time Division Method), при котором каждому каналу выделяется некоторый квант времени, и частотное разделение (FDM - Frequency Division Method), при котором каналу выделяется некоторая полоса частот.

В САПР небольших проектных организаций, насчитывающих не более единиц-десятков компьютеров, которые размещены на малых расстояниях один от другого (например, в одной или нескольких соседних комнатах) объединяющая компьютеры сеть является локальной. Локальная вычислительная сеть (ЛВС или LAN - Local Area Network) имеет линию связи, к которой подключаются все узлы сети. При этом топология соединений узлов (рис. 2.2) может быть шинная (bus), кольцевая (ring), звездная (star). Протяженность линии и число подключаемых узлов в ЛВС ограничены.

Рис. 2.2. Варианты топологии локальных вычислительных сетей:

а) шинная; б) кольцевая; в) звездная

В более крупных по масштабам проектных организациях в сеть включены десятки-сотни и более компьютеров, относящихся к разным проектным и управленческим подразделениям и размещенных в помещениях одного или нескольких зданий. Такую сеть называют корпоративной . В ее структуре можно выделить ряд ЛВС, называемых подсетями , и средства связи ЛВС между собой. В эти средства входят коммутационные серверы (блоки взаимодействия подсетей). Если коммутационные серверы объединены отделенными от ЛВС подразделений каналами передачи данных, то они образуют новую подсеть, называемую опорной (или транспортной), а вся сеть оказывается иерархической структуры.

Если здания проектной организации удалены друг от друга на значительные расстояния (вплоть до их расположения в разных городах), то корпоративная сеть по своим масштабам становится территориальной сетью (WAN - Wide Area Network). В территориальной сети различают магистральные каналы - каналы передачи данных (магистральную сеть), имеющие значительную протяженность, и каналы передачи данных, связывающие ЛВС (или совокупность ЛВС отдельного здания или кампуса) с магистральной сетью и называемые абонентской линией или соединением «последней мили» .

Обычно создание выделенной магистральной сети, т.е. сети, обслуживающей единственную организацию, обходится для нее слишком дорого. Поэтому чаще прибегают к услугам провайдера, т.е. организации, предоставляющей телекоммуникационные услуги многим пользователям. В этом случае внутри корпоративной сети связь на значительных расстояниях осуществляется через магистральную сеть общего пользования . В качестве такой сети можно использовать, например, городскую или междугородную телефонную сеть или территориальные сети передачи данных. Наиболее распространенной формой доступа к этим сетям в настоящее время является обращение к глобальной вычислительной сети Internet.

Для многих корпоративных сетей возможность выхода в Internet является желательной не только для обеспечения взаимосвязи удаленных сотрудников собственной организации, но и для получения других информационных услуг. Развитие виртуальных предприятий, работающих на основе CALS-технологий, с необходимостью подразумевает информационные обмены через территориальные сети, как правило, через Internet.

Структура ТО САПР для крупной организации представлена на рис. 2.3. Здесь показана типичная структура крупных корпоративных сетей САПР, называемая архитектурой клиент-сервер . В сетях клиент-сервер выделяется один или несколько узлов, называемых серверами , которые выполняют в сети управляющие или общие для многих пользователей проектные функции, а остальные узлы (рабочие места) являются терминальными, их называют клиентами в них работают пользователи. В общем случае сервером называют совокупность программных средств, ориентированных на выполнение определенных функций, но если эти средства сосредоточены на конкретном узле вычислительной сети, то тогда понятие сервер относится именно к узлу сети.

Рис. 2.3. Структура корпоративной сети САПР

Сети клиент-сервер различают по характеру распределения функций между серверами, другими словами, их классифицируют по типам серверов. Различают файл-серверы для хранения файлов, разделяемых многими пользователями, серверы баз данных автоматизированной системы, серверы приложений для решения конкретных прикладных задач, коммутационные серверы (называемые также блоками взаимодействия сетей или серверами доступа) для взаимосвязи сетей и подсетей, специализированные серверы для выполнения определенных телекоммуникационных услуг, например, серверы электронной почты.

В случае специализации серверов по определенным приложениям сеть называют сетью распределенных вычислений . Если сервер приложений обслуживает пользователей одной ЛВС, то естественно назвать такой сервер локальным. Но поскольку в САПР имеются приложения и базы данных, разделяемые пользователями разных подразделений и, следовательно, клиентами разных ЛВС, то соответствующие серверы относят к группе корпоративных, подключаемых обычно к опорной сети (см. рис. 2.3.).

Наряду с архитектурой клиент-сервер применяют одноранговыесети, в которых любой узел в зависимости от решаемой задачи может выполнять как функции сервера, так и функции клиента. Организация взаимодействия в таких сетях при числе узлов более нескольких десятков становится чрезмерно сложной, поэтому одноранговые сети применяют только в небольших по масштабам САПР.

В соответствии со способами коммутации различают сети с коммутацией каналов и коммутацией пакетов . В первом случае при обмене данными между узлами A и B в сети создается физическое соединение между A и B , которое во время сеанса связи используется только этими абонентами. Примером сети с коммутацией каналов может служить телефонная сеть. Здесь передача информации происходит быстро, но каналы связи используются неэффективно, так как при обмене данными возможны длительные паузы и канал “простаивает” При коммутации пакетов физического соединения, которое в каждый момент сеанса связи соединяло бы абонентов А и В , не создается. Сообщения разделяются на порции, называемые пакетами , которые передаются в разветвленной сети от А к В или обратно через промежуточные узлы с возможной буферизацией (временным запоминанием) в них. Таким образом, любая линия может разделяться многими сообщениями, попеременно пропуская при этом пакеты разных сообщений с максимальным заполнением упомянутых пауз.

Виды обеспечения САПР

Математическое обеспечение (МО) АП - это совокупность математических методов (ММет), математических моделей (ММ) и алгоритмов проектирования (АлП), необходимых для выполнения АП, представленных в заданной форме.

Техническое обеспечение (ТО) АП - это совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих технических средств, предназначенных для выполнения АП.. Технические средства (ТС)

Программное обеспечение (ПО) АП - совокупность машинных программ, необходимых для выполнения АП, представленных в заданной форме. Часть ПО АП, предназначенную для управления проектированием, называют операционной системой (ОС) АП.

Совокупность машинных программ (МП), необходимых для выполнения какой-либо проектной процедуры и представленных в заданной форме, называют пакетом прикладных программ (ППП).

Компонентами ПО являются документы с текстами программ, программы на всех видах носителей, эксплуатационные документы. Программное обеспечение разделяют на общесистемное (ОПО) и прикладное (ППО). Компонентами ОПО являются трансляторы (Т) с алгоритмических языков, эмуляторы (Э), супервизоры (С) и др. Компонентами ППО являются программы (МП) и пакеты прикладных программ для АП.

Информационное обеспечение (ИО) АП - совокупность сведений, необходимых для выполнения АП, представленных в заданной форме. Основной частью ИО являются автоматизированные банки данных, которые состоят из баз данных (БД) САПР и систем управления базами данных (СУБД). В ИО входят нормативно-справочные документы, задания государственных планов, прогнозы технического развития, типовые проектные решения, системы классификации и кодирования технико-экономической информации, системы документации типа ЕСКД, ЕСТД, файлы и блоки данных на машинных носителях, фонды нормативные, плановые, прогнозные, типовых решений, алгоритмов и программ и т. п.

Лингвистическое обеспечение (Ли) АП - совокупность языков проектирования (ЯП), включая термины и определения, правила формализации естественного языка и методы сжатия и развертывания текстов, необходимых для выполнения АП, представленных в заданной форме (рис. 1.6, д).

Методическое обеспечение (МТО) - совокупность документов, устанавливающих состав и правила отбора и эксплуатации средств обеспечения АП, необходимых для выполнения АП. Отметим, что в некоторых работах и документах методическое обеспечение понимается более широко: в качестве компонентов включает МО и ЛО.

Организационное обеспечение (ОО) АП - совокупность документов, устанавливающих состав проектной организации и ее подразделений, связи между ними, их функции, а также форму представления результата проектирования и порядок рассмотрения проектных документов, необходимых для выполнения АП. Компонентами ОО САПР являются методические и руководящие материалы, положения, инструкции, приказы и другие документы, обеспечивающие взаимодействие подразделений проектной организации при создании и эксплуатации САПР.

Используемые в САПР технические средства должны обеспечивать:

1. выполнение всех необходимых проектных процедур, для которых имеется соответствующее ПО;

2. взаимодействие между проектировщиками и ЭВМ, поддержку интерактивного режима работы;

3. взаимодействие между членами коллектива, выполняющими работу над общим проектом.

Третье требование обусловливает объединение аппаратных средств САПР в вычислительную сеть. В результате общая структура ТО САПР представляет собой сеть узлов, связанных между собой средой передачи данных (рис.3). Узлами (станциями данных) являются рабочие места проектировщиков, часто называемые автоматизированными рабочими местами (АРМ) или рабочими станцими (WS - Workstation), ими могут быть также большие ЭВМ (мейнфреймы), отдельные периферийные и измерительные устройства. Именно в АРМ должны быть средства для интерфейса проектировщика с ЭВМ. Что касается вычислительной мощности, то она может быть распределена между различными узлами вычислительной сети.

Рис. 3 Структура технического обеспечения САПР

Среда передачи данных представлена каналами передачи данных, состоящими из линий связи и коммутационного оборудования.

В каждом узле можно выделить оконечное оборудование данных (ООД), выполняющее определенную работу по проектированию, и аппаратуру окончания канала данных (АКД), предназначенную для связи ООД со средой передачи данных. Например, в качестве ООД можно рассматривать персональный компьютер, а в качестве АКД - вставляемую в компьютер сетевую плату.

Канал передачи данных - средство двустороннего обмена данными, включающее в себя АКД и линию связи. Линией связиназывают часть физической среды, используемую для распространения сигналов в определенном направлении, примерами линий связи могут служить коаксиальный кабель, витая пара проводов, волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС). Близким является понятие канала (канала связи), под которым понимают средство односторонней передачи данных. Примером канала связи может быть полоса частот, выделенная одному передатчику при радиосвязи. В некоторой линии можно образовать несколько каналов связи, по каждому из которых передается своя информация. При этом говорят, что линия разделяется между несколькими каналами.

В САПР небольших проектных организаций, насчитывающих не более единиц-десятков компьютеров, которые размещены на малых расстояниях один от другого (например, в одной или нескольких соседних комнатах) объединяющая компьютеры сеть является локальной. Локальная вычислительная сеть (ЛВС или LAN - Local Area Network) имеет линию связи, к которой подключаются все узлы сети. При этом топология соединений узлов (рис. 4) может быть шинная (bus), кольцевая (ring), звездная (star). Протяженность линии и число подключаемых узлов в ЛВС ограничены.

Рис. 4 Варианты топологии локальных вычислительных сетей:

а) шинная; б) кольцевая; в) звездная

В более крупных по масштабам проектных организациях в сеть включены десятки-сотни и более компьютеров, относящихся к разным проектным и управленческим подразделениям и размещенных в помещениях одного или нескольких зданий. Такую сеть называют корпоративной. В ее структуре можно выделить ряд ЛВС, называемых подсетями, и средства связи ЛВС между собой. В эти средства входят коммутационные серверы (блоки взаимодействия подсетей). Если коммутационные серверы объединены отделенными от ЛВС подразделений каналами передачи данных, то они образуют новую подсеть, называемую опорной (или транспортной), а вся сеть оказывается иерархической структуры.

Если здания проектной организации удалены друг от друга на значительные расстояния (вплоть до их расположения в разных городах), то корпоративная сеть по своим масштабам становится территориальной сетью (WAN - Wide Area Network). В территориальной сети различают магистральные каналы передачи данных (магистральную сеть), имеющие значительную протяженность, и каналы передачи данных, связывающие ЛВС (или совокупность ЛВС отдельного здания или кампуса) с магистральной сетью и называемые абонентской линией или соединением «последней мили».

Обычно создание выделенной магистральной сети, т.е. сети, обслуживающей единственную организацию, обходится для нее слишком дорого. Поэтому чаще прибегают к услугам провайдера, т.е. организации, предоставляющей телекоммуникационные услуги многим пользователям. В этом случае внутри корпоративной сети связь на значительных расстояниях осуществляется через магистральную сеть общего пользования. В качестве такой сети можно использовать, например, городскую или междугородную телефонную сеть или территориальные сети передачи данных. Наиболее распространенной формой доступа к этим сетям в настоящее время является обращение к глобальной вычислительной сети Internet.

В качестве средств обработки данных в современных САПР широко используют рабочие станции, серверы, персональные компьютеры. Большие ЭВМ и в том числе суперЭВМ обычно не применяют, так как они дороги и их отношение производительность/цена существенно ниже подобного показателя серверов и многих рабочих станций.

На базе рабочих станций или персональных компьютеров создают АРМ. Типичный состав устройств АРМ: ЭВМ с одним или несколькими микропроцессорами, оперативной и кэш-памятью и шинами, служащими для взаимной связи устройств; устройства ввода-вывода, включающие в себя, как минимум, клавиатуру, мышь, дисплей; дополнительно в состав АРМ могут входить принтер, сканер, плоттер (графопостроитель), дигитайзер и некоторые другие периферийные устройства.

Память ЭВМ обычно имеет иерархическую структуру. Поскольку в памяти большого объема трудно добиться одновременно высокой скорости записи и считывания данных, память делят на сверхбыстродействующую кэш-память малой емкости, основную оперативную память умеренного объема и сравнительно медленную внешнюю память большой емкости, причем, в свою очередь, кэш-память часто разделяют на кэш первого и второго уровней.

Для связи наиболее быстродействующих устройств (процессора, оперативной и кэш-памяти, видеокарты) используется системная шина с пропускной способностью до одного-двух Гбайт/с. Кроме системной шины на материнской плате компьютера имеются шина расширения для подключения сетевого контроллера и быстрых внешних устройств (например, шина PCI с пропускной способностью 133 Мбайт/с) и шина медленных внешних устройств, таких как клавиатура, мышь, принтер и т.п.

Рабочие станции (workstation) по сравнению с персональными компьютерами представляют собой вычислительную систему, специализированную на выполнение определенных функций. Специализация обеспечивается как набором программ, так и аппаратно за счет использования дополнительных специализированных процессоров. Так, в САПР для машиностроения преимущественно применяют графические рабочие станции для выполнения процедур геометрического моделирования и машинной графики. Эта направленность требует мощного процессора, высокоскоростной шины, памяти достаточно большой емкости.

Высокая производительность процессора необходима по той причине, что графические операции (например, перемещения изображений, их повороты, удаление скрытых линий и др.) часто выполняются по отношению ко всем элементам изображения. Такими элементами в трехмерной 3D-графике при аппроксимации поверхностей полигональными сетками являются многоугольники, их число может превышать 104. С другой стороны, для удобства работы проектировщика в интерактивном режиме задержка при выполнении команд указанных выше операций не должна превышать нескольких секунд. Но поскольку каждая такая операция по отношению к каждому многоугольнику реализуется большим числом машинных команд требуемое быстродействие составляет десятки миллионов машинных операций в секунду. Такое быстродействие при приемлемой цене достигается применением наряду с основным универсальным процессором также дополнительных специализированных (графических) процессоров, в которых определенные графические операции реализуются аппаратно. В наиболее мощных рабочих станциях в качестве основных обычно используют высоко производительные микропроцессоры с сокращенной системой команд (с RISC-архитектурой), работающие под управлением одной из разновидностей операционной системы Unix. В менее мощных все чаще используют технологию Wintel (т.е. микропроцессоры Intel и операционные системы Windows). Графические процессоры выполняют такие операции, как, например, растеризация - представление изображения в растровой форме для ее визуализации, перемещение, вращение, масштабирование, удаление скрытых линий и т.п.

Типичные характеристики рабочих станций: несколько процессоров, десятки-сотни мегабайт оперативной и тысячи мегабайт внешней памяти, наличие кэш-памяти, системная шина со скоростями от сотен Мбайт/с до 1-2 Гбайт/с.

В зависимости от назначения существуют АРМ конструктора, АРМ технолога, АРМ руководителя проекта и т.п. Они могут различаться составом периферийных устройств, характеристиками ЭВМ.

Контрольные вопросы

1. Что должны обеспечивать технические средства САПР?

2. Что называют каналом передачи данных?

3. Какие различают варианты топологии локальных вычислительных сетей?

4. В чём отличие локальной сети от территориальной?

5. Чём обуславливается задача увеличения производительности процессора?

Техническом обеспечении (ТО) САПР включает в себя вычислительный комплекс (ВК) на базе высокопроизводительной вычислительной техники с большим объемом оперативной и внешней памяти, широким набором периферийных устройств для обеспечения диалогового режима работы, выпуска текстовой и чертежной документации и создания полноценных баз данных .

Целесообразно создавать комплексные САПР на основе двухуровневой иерархической структуры с ЭВМ средней и большой производительности на верхнем уровне и сетью терминальных станций на нижнем уровне.

Выбор типового ВК для верхнего уровня производится в зависимости от сложности объекта проектирования, который определяют согласно государственным стандартам по числу составных частей.

Для верхнего уровня САПР предусмотрен выпуск различных модификаций ВК с едиными версиями операционных систем (ОС). В состав типовых ВК должны входить ОС для обработки графической информации, специальные графические процессоры, графические периферийные устройства.

За десятилетия своего развития технические средства САПР прошли несколько этапов, в значительной степени связанных со сменой поколений ЭВМ и совершенствованием периферийных устройств. Базовые ЭВМ первых поколений САПР РЭС - автоматизированное рабочее место (АРМ) - на основе универсальных ЭВМ среднего класса и мини-ЭВМ с расширенным набором периферийных устройств ввода/вывода графической информации (АРМ на базе ЭВМ IBM-360 и PDP-11 за рубежом, АРМ на базе БЭСМ-6, МИР, ЕС ЭВМ, СМ ЭВМ, "Электроника" у нас в стране).

Характерной чертой развития технических средств этих поколений было стремление максимально приблизить АРМ к проектировщику РЭС с помощью САПР. Возникшее при этом противоречие между требованием относительно низкой стоимости, габаритов и потребностью сохранения высоких технических параметров базовых ЭВМ из-за сложности решаемых задач САПР привело к созданию мощных децентрализованных систем ЭВМ, объединенных локальными вычислительными сетями (ЛВС).

К настоящему времени сложился устойчиво растущий рынок сбыта аппаратных и программных средств в области САПР, который выработал собственные требования к базовым ЭВМ, периферийным устройствам и ЛВС. В качестве эталонных базовых ЭВМ, находящихся непосредственно на столах проектировщиков РЭС, выступают в течение уже длительного времени рабочие станции (РС), связанные ЛВС между собой и другими ЭВМ.

РС имеют существенные отличия от персональных компьютеров (ПК), поскольку требования к РС формируются рынком в области САПР, а требования к ПК - в значительной степени рынком в области офисного оборудования, бытовой техники, средств связи и коммуникаций. РС развивались независимо от ПК, однако удешевление элементной базы РС и повышение требований к техническим характеристикам ПК привели к тому, что наиболее мощные модели ПК проникли на рынок средств САПР, конкурируя с недорогими РС.

Особенности архитектуры и технических характеристик РС с точки зрения их применения в качестве базовых вычислительных систем в области САПР РЭС наиболее ясно проявляются при сравнении с ПК.

1. Вычислительным ядром большинства РС является RISC-процессор, т.е. процессор с сокращенным набором команд и повышенным быстродействием - большинство его команд выполняется за один период тактового генератора частоты, синхронизирующего работу такого микропроцессора (МП). Большинство ПК имеет в качестве вычислительного ядра МП со сложным набором команд (CISC-процессор), у которого каждая команда выполняется в несколько тактов генератора частоты. При этом сравнительно более низкая производительность ПК компенсируется более простым программным обеспечением и совместимостью с более ранними моделями ПК.

2. Все современные PC имеют большой объем оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) и работают под управлением сложных многозадачных операционных систем с соответствующими аппаратными средствами поддержки. Большая часть ПК имеет несколько меньший объем ОЗУ и работает под управлением более простых однозадачных ОС типа MS-DOS, хотя и имеет средства аппаратной поддержки многозадачности ОС. Эта особенность PC обусловлена сложностью задач и иерархичностью пакетов САПР.

3. Наличие в PC мощных графических процессоров с поддержкой высокоскоростной и высококачественной графики с разрешением не менее 1000x1000 и цветовой палитрой до 1,5 млн цветовых оттенков. В большинстве ПК используется менее высококачественная графика стандарта VGA, SVGA. Эта особенность PC обусловлена тем, что большинство задач САПР требует высококачественного графического ввода/вывода информации.

4. В базовый комплект PC обязательно встраивается аппаратура высокоскоростной связи со стандартной ЛВС - сетевой адаптер. В базовом комплекте ПК обычно не предусмотрено наличие сетевого адаптера. Такая особенность PC обусловлена тем, что PC не может работать эффективно в автономном режиме, без взаимодействия с другими PC и типами ЭВМ через ЛВС. ПК спроектирован как автономное устройство, поэтому даже при объединении ПК в локальную сеть большинство операций с информацией ПК проводит автономно. Структурная схема типичной РС с подключенными к ней периферийными устройствами показана на рис. 5.4.

Рис. 5.4. Архитектура рабочей станции

Базовый набор компонентов PC составляют:

o системная плата, содержащая RISC-процессор с аппаратно реализованным сопроцессором арифметики с плавающей точкой (САПТ), оперативное и постоянное запоминающие устройства (ОЗУ и ПЗУ) и, как правило, графический адаптер с подключенным к нему монитором;

o платы сопряжения с периферийными устройствами, образующие подсистему ввода/вывода с клавиатурой, манипулятором типа "мышь", иногда с автоматическим сканером, графопостроителем или лазерной печатью;

o платы сопряжения с внешними запоминающими устройствами (ВЗУ), плата сетевого адаптера

5. Основой системной платы является базовый МП, осуществляющий арифметические и логические операции, а также управление PC. На одном кристалле современного RISC-МП расположен целочисленный процессор, часто сопроцессор арифметики с плавающей точкой, а иногда и графический процессор обработки изображений (от сотен тысяч до миллионов транзисторов на одном кристалле). В некоторых недорогих вариантах базовых ЭВМ САПР на основе ПК используются МП со сложным набором команд.

PC и ПК являются нижним уровнем технических средств САПР, непосредственно доступным проектировщикам РЭС с помощью САПР. Часть задач в САПР требует более высокой производительности, что достигается использованием ЭВМ других классов и их комплексированием вместе с PC и ПК на базе ЛВС.

Контрольные вопросы и упражнения

1. Какие требования предъявляются к техническому обеспечению САПР?

2. Что такое "мейнфрейм"?

3. Как представляется среда передачи данных?

4. Что представляет собой канал передачи данных?

5. Назовите методы разделения линии передачи данных.

6. Назовите варианты топологии локальных вычислительных сетей.

7. Что называется сервером?

8. Назовите разновидности серверов.

9. Как осуществляется передача информации в сетях с коммутацией каналов и коммутацией пакетов?

10. Что представляет собой эталонная модель взаимосвязи открытых систем (ЭМВОС)?

11. Расскажите об уровнях ЭМВОС.

12. Что называют локальной вычислительной сетью (ЛВС)?

13. Что представляет собой рабочая станция (РС)?

14. Чем отличается РС от персонального компьютера?

15. Что входит в архитектуру РС?

6. Лекция: Технические средства САПР и их развитие (продолжение)

Приводятся высокопроизводительные технические средства САПР. Рассматриваются архитектуры ЭВМ в зависимости от последовательности обработки данных. Представляются классы ЭВМ в зависимости от множественности /одиночности потоков команд и данных (ОКОД, ОКМД, МКМД). Основное назначение лекции - дать более глубокие знания по техническому обеспечению САПР: архитектуры ЭВМ в зависимости от последовательности обработки данных и классы ЭВМ в зависимости от множественности/одиночности потоков команд и данных

Основные требования к техническим средствам САПР

К техническому обеспечению САПР предъявляются следующие требования:

удобство использования инженерами-проектировщиками, возможность оперативного взаимодействия инженеров с ЭВМ;

достаточная производительность и объем оперативной памяти ЭВМ для решения задач всех этапов проектирования за приемлемое время;

возможность одновременной работы с техническими средствами необходимого числа пользователей для эффективной деятельности всего коллектива разработчиков;

открытость комплекса технических средств для расширения и модернизации системы по мере совершенствования и развития техники;

высокая надежность, приемлемая стоимость и т.д.

Удовлетворение перечисленных требований возможно только в условиях организации технического обеспечения в виде специализированной ВС, допускающей функционирование в нескольких режимах. Такое техническое обеспечение называют комплексом технических средств САПР (комплексом ТС) .

Организация комплекса технических средств

Автоматизированные рабочие места проектировщиков

Традиционная форма использования ЭВМ, сконцентрированных в вычислительном центре и работающих только в пакетном режиме, не годится для современных САПР. ЭВМ лишь тогда станет эффективным регулярно используемым инструментом проектирования, когда инженер сможет оперативно обращаться к машине и так же оперативно получать результаты решения. Поэтому в комплексе ТС должна быть развита группа внешних устройств ввода-вывода информации. При этом эффективное взаимодействие инженера с ЭВМ будет обеспечено только в том случае, если форма вводимой и выводимой информации удобна для человека и не приводит к необходимости вручную выполнять обременительные и чреватые ошибками операции по кодированию или расшифровке сообщений. В зависимости от характера решаемых задач удобными формами представления информации могут быть таблицы, чертежи, графики, текстовые сообщения и т.п. .

Таким образом, первое из указанных в начале главы требований к техническим средствам САПР обусловливает включение в комплекс ТС как стандартного комплекта внешних устройств ЭВМ, так и дополнительных устройств оперативного ввода-вывода информации, в том числе в графической форме. Этот комплект внешних устройств устанавливается в помещении проектного подразделения и называется автоматизированным рабочим местом (АРМ) проектировщика .

Состав АРМ зависит от характера задач, решаемых в проектном подразделении.

В АРМ входят устройства ввода и вывода информации на перфоленте; устройства автономного ввода информации с перфокарт или перфолент; устройство клавиатуры для обмена информацией между оператором и ЭВМ короткими сообщениями; запоминающие устройства на магнитных дисках (НМД) и магнитной ленте (НМЛ); видеомонитор или графический дисплей; графопостроитель (плоттер); кодировщик графической информации (считыватель координат) или сканер; принтер, модем или факс-модем.

Наличие в одной САПР многих АРМ, возможности одновременной работы на аппаратуре АРМ нескольких пользователей и размещения АРМ на территориях проектных подразделений диктуют необходимость иерархического построения комплекса ТС с выделением в нем по крайней мере двух уровней ЭВМ. На высшем уровне находится одна или несколько ЭВМ большой производительности. Эти ЭВМ составляют центральный вычислительный комплекс (ЦВК) , предназначенный для решения сложных задач проектирования, требующих больших затрат машинных времени и памяти. На низшем уровне находятся входящие в АРМ мини-ЭВМ (терминальные ЭВМ). Мини-ЭВМ в АРМ управляет работой комплекта внешних устройств, обменом информацией между АРМ и ЦВК; решает сравнительно несложные по затратам машинных времени и памяти проектные задачи .

Режимы работы аппаратуры в комплексе технических средств САПР

Отдельные устройства ввода-вывода, к которым относятся дисплеи, графопостроители, кодировщики графической информации, могут работать в составе АРМ в двух режимах, называемых режимами on-line (на линии) и off-line (вне линии).

В режиме on-line осуществляется непосредственная электрическая связь внешнего устройства с терминальной ЭВМ. В этом режиме информация об элементах вычерчиваемого документа поступает на графопостроитель или графический дисплей из оперативной памяти ЭВМ, а значения считываемых координат из кодировщика передаются непосредственно в оперативную память.

В режиме off-line устройство работает автономно. Так, при работе графопостроителя в режиме off-line информация поступает с промежуточного носителя - перфоленты, при работе дисплея - с клавиатуры, при работе кодировщика графической информации сведения о кодируемом чертеже заносятся на перфоленту .

Комплекс АРМ также может работать в двух режимах - автономном и взаимодействия с ЦВК.

В автономном режиме АРМ функционирует как обособленный комплекс, управляющий работой внешних устройств и решающий несложные задачи.

В режиме взаимодействия с ЦВК осуществляется перераспределение вычислительной работы и обмен информацией между ЭВМ центрального вычислительного комплекса и терминальной ЭВМ.

Несколько АРМ одновременно могут работать в режиме взаимодействия с ЦВК. Следовательно, ЭВМ в составе САПР и их операционные системы должны допускать одновременное решение нескольких задач, т.е. должны работать в режиме мультипрограммирования .

По характеру обмена информацией между пользователем и ЭВМ различают пакетный и диалоговый режимы работы. Оба эти режима используются в САПР.

В пакетном режиме решаются задачи, для которых возможна и целесообразна полная формализация и которые требуют больших затрат машинного времени для решения.

В диалоговом (интерактивном) режиме решаются задачи, для которых, во-первых, отсутствуют или являются неэффективными формальные правила принятия решений в точках ветвления алгоритмов, во-вторых, выполняются условия предпочтительности диалогового режима:

время реакции системы на запрос пользователя не превышает некоторого предела;

объем информации, вводимой пользователем в ЭВМ в диалоговом режиме, относительно мал, и поэтому процедура общения человека с ЭВМ непродолжительна.

Наличие диалогового режима - характерная черта комплекса ТС в САПР.

Мультипрограммный диалоговый режим работы вычислительной системы называется режимом разделения времени (РРВ). Это режим работы нескольких АРМ во взаимодействии с ЦВК. Наличие РРВ реализует третье из названных выше требований.

Варианты конфигураций комплекса технических средств САПР

На основе серийно выпускаемых комплексов аппаратуры АРМ-М, АРМ-Р, как правило, создаются двухуровневые конфигурации комплекса ТС САПР (рис. 4.1
) .

Примером двухуровневого комплекса ТС является также техническое обеспечение автоматизированной системы проектирования больших интегральных схем - САПР БИС. ЦВК в этом комплексе состоит из двух высокопроизводительных ЭВМ. Терминалы представляют собой АРМ трех типов.

Первый тип АРМ ориентирован на применение в подсистемах схемотехнического проектирования и проектирования компонентов. Отличительные особенности этих подсистем следующие: сравнительно малая доля графической информации в общем объеме данных, используемых проектировщиками (эта особенность обусловливает применение в АРМ первого типа только алфавитно-цифрового дисплея, устройства ввода информации с перфокарт и АЦПУ); большие затраты машинного времени на решение задач анализа, являющихся основными при проектировании принципиальных схем и компонентов.

Как следствие, в САПР БИС при небольшом количестве АРМ первого типа (до 24) нет необходимости иметь в АРМ терминальные ЭВМ. С помощью алфавитно-цифрового дисплея инженер-схемотехник может контролировать вводимые данные, корректировать их, запускать определенные программы, оперативно просматривать результаты решения и т.п.

АРМ второго типа используются в САПР БИС для проектирования топологии кристаллов. Здесь значительна доля графических процедур, выполняемых в интерактивном режиме (процедур ввода в ЭВМ эскиза топологии, визуального просмотра фрагментов типологии, обнаружения и исправления ошибок, изменения, взаимного расположения элементов, контроля допусков и т.п.). Для их выполнения в состав АРМ второго типа должны входить такие устройства машинной графики, как графический дисплей и считыватель координат. Для управления работой графического дисплея и осуществления диалога инженера с ЭВМ при отработке топологии в САПР БИС имеется терминальная ЭВМ.

АРМ третьего типа предназначены для получения конструкторской документации как в виде топологических чертежей, так и в виде, приспособленном для непосредственного управления процессом изготовления промежуточных фотошаблонов на микрофотонаборных установках.

Двухуровневая конфигурация комплекса ТС удобна при сравнительно небольшом количестве АРМ.

Развитие АРМ по пути уменьшения стоимости и занимаемой площади позволяет увеличивать их количество в САПР.

Для организации режима разделения времени между большим числом пользователей целесообразно увеличивать количество уровней в иерархической организации комплекса ТС. При этом комплекс ТС превращается в вычислительную сеть.

Состав комплекса технических средств ЭВМ

Для крупных САПР ЭВМ и САПР ИЭТ характерно использование в ЦВК вычислительных машин, относящихся к наиболее производительным из имеющихся на период создания системы. Это объясняется тем, что ряд задач проектирования для своего решения требуют выполнения вычислений такого объема, который значительно превышает возможности имеющихся ЭВМ. Решение этих задач становится возможным благодаря их расчленению на более простые задачи в рамках блочно-иерархического подхода. Но при этом могут быть неоптимальные решения.

В большинстве действующих крупных САПР в ЦВК применяются ЭВМ типа БЭСМ-6 или старшие - модели ЕС ЭВМ. Для увеличения производительности используются многомашинные ЦВК.

В качестве терминальных ЭВМ в САПР используются мини-ЭВМ и ПЭВМ.

Подключение внешних устройств в ЭВМ осуществляется с помощью блоков интерфейса и общей шины. Последняя представляет собой унифицированную систему связей и сигналов между процессором, оперативной памятью и устройствами управления периферийным оборудованием. В общую шину входит 56 линий, по которым производится передача адресов, управляющих сигналов, происходит обмен информацией между устройствами в соответствии с установленными приоритетами .