Техническое обеспечение систем автоматизированного проектирования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

оперативный память персональный компьютер

Введение

1. Основные требования к техническим средствам САПР

2. Типы вычислительных машин и систем

2.1 Персональные компьютеры

2.2 Рабочие станции

2.3 Серверы

2.4 Мейнфреймы

2.5 Кластер

2.6 Суперкомпьютеры

3. Архитектура вычислительных систем

Заключение

Список литературы



Введение

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.



1. 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).



2. Типы вычислительных машин и систем

Компьютеры (ЭВМ) и вычислительные системы (ВС) принято классифицировать по ряду признаков. В зависимости от производительности и стоимости вычислительного оборудования выделяют несколько типов ЭВМ и ВС, причем разные поколения вычислительной техники имели свою шкалу типов. Так, до середины 80-х годов прошлого века ЭВМ делили на микро-ЭВМ, мини-эвм, большие ЭВМ (ЭВМ высокой производительности) и супер-эвм. В настоящее время ЭВМ и ВС подразделяют на персональные компьютеры, рабочие станции, серверы, мэйнфреймы, кластеры и суперкомпьютеры.

Наибольшее распространение в САПР получили персональные компьютеры (ПК), рабочие станции и серверы.

2.1 Персональные компьютеры

Первые персональные компьютеры появились в начале 80-х годов прошлого века в результате трансформации мини-эвм в сравнительно дешевые настольные системы для индивидуального использования, благодаря развитию элементной базы вычислительной техники, приведшему к созданию больших (БИС) и сверхбольших (СБИС) интегральных схем.

Конструктивно персональный компьютер (ПК) состоит из корпуса, в котором размещены материнская плата; видеоадаптер (видеокарта); дисководы -- CD ROM, накопители на жестких (винчестер) и гибких (НГМД) магнитных дисках; блок питания; динамик. В ПК имеются резервные слоты (слоты расширения) для возможного размещения печатных плат (карт) расширения -- сетевого контроллера, модема, других дополнительных устройств. В состав ПК входят также внешние (по отношению к корпусу ПК) устройства. Как правило, в их число входят клавиатура, мышь, монитор. На рис. 1 представлена типичная структурная схема ПК.

Рисунок 1. Упрощенная типичная структурная схема персонального компьютера

Материнскую плату называют также системной платой. Материнские платы производят большое число компаний. На материнской плате имеются разъемы для вставки процессора и модулей оперативной памяти. Интерфейс между процессором и другими устройствами осуществляется с помощьюшин и чипсета (Chipset) -- набора устанавливаемых на материнской плате специальных микросхем, так называемых северного и южного мостов. Для подключения ЦПУ к северному мосту (системному контроллеру) используют системную шину (FSB -- Frontsidebus). Системная шина осуществляет обмены данными между процессором и кэш-памятью второго уровня и через северный мост с оперативной памятью. В качестве шины для подключения графического контроллера на современных материнских платах используется шина PCI Express.

Южный мост (периферийный контроллер) содержит контроллеры периферийных устройств (жёсткого диска, Ethernet, аудио), контроллеры шин PCI, PCI-ExpressиUSB для подключения периферийных устройств, а также контроллеры шин, к которым подключаются устройства, не требующие высокой пропускной способности. Интерфейс с внешними накопителями (винчестер, магнитные диски, CD-ROM) выполняется через контроллеры накопителей. Обычно контроллеры встроены в одну из микросхем и размещены на материнской плате, а сами дисководы подключаются к плате с помощью имеющихся на ней разъемов. В настоящее время используют контроллеры типов IDE (IntegratedDriveElectronics) или EIDE (Enhanced IDE), допускающие подключение к одному контроллеру до четырех устройств. При необходимости увеличения скорости передачи данных (например, при использовании ПК в качестве файлового сервера) применяют интерфейс SCSI (SmallComputerSystemInterface). Он допускает подключение к одному контроллеру до восьми устройств, скорость передачи данных доходит до 80 Мбайт/с. Для подключения шины SCSI к PCI требуется специальный адаптер SCSI.

Видеокарта включает видеопамять и видеопроцессор, используемый для разгрузки центрального процессора при выполнении определенных графических операций и декодирования данных, например, при вводе из видеокамеры. На материнской плате размещается также блок BIOS (BasicInput/OutputSystem). Этот блок выполняет функции хранения параметров конфигурации ПК, аппаратных драйверов и программы POST, которая при включении компьютера проверяет работоспособность его устройств.

2.2 Рабочие станции

Рабочие станции представляют собой вычислительные системы, ориентированные на решение задач в определенных приложениях, прежде всего в автоматизированных системах проектирования (САПР). Компьютеры в САПР ориентированы на решение сложных проектных задач, что обусловливает повышенные быстродействие и объем памяти, а также расширенные возможности обработки и визуализации графической информации рабочих станций по сравнению с персональными компьютерами. Поэтому обычно рабочие станции имеют более сложную структуру и более дорогие устройства, чем ПК.

Структура рабочей станции:

Системная плата - именно в ней и размещен процессор, чипы с памятью, контроллеры и шины данных.

Центральный процессор - от него зависит общее быстродействие всех процессов. Мощность этого устройства определяется благодаря его тактильной частоте, чем она выше - тем устройство быстрее. Процессор является главным элементом во всех процессах, которые происходят между рабочими станциями в компьютерной сети. Подключая несколько устройств, желательно, чтобы в них были процессоры одинаковой мощности, иначе на более мощных компьютерах скорость работы снизиться за счет слабых ПК.

Память - для нормального функционирования локальной сети у серверов и рабочих станций должен быть большой запас памяти. Для того, чтобы хранить данные, обмениваться ими и вместить в себя программное обеспечение, необходимое для сети, рабочие станции имеют, как правило, несколько источников памяти. Многие современные ПК, при заполненной оперативной памяти, обращаются к виртуальной подкачке. Долго пользоваться виртуальной памятью на офисных рабочих станциях не советуется, с помощью обслуживания сетей увеличьте объемы оперативных запасов памяти.

Сетевой адаптер - подключить компьютеры к локальной сети без сетевого адаптера невозможно, именно он позволяет превратить компьютер из обычного устройства в рабочую станцию. Обслуживание сетей позволяет подключить с помощью сетевого адаптера в одну цепь более сотни ПК. Это минипроцессор, который открывает компьютерам рабочей группы доступ к общей базе данных.

Отличия персональных компьютеров от рабочей станции:

Цена - большинство ПК для бизнеса стоят дешевле рабочей станции.

Производительность - ПК обладает достаточной мощностью для решения большинства задач, таких как электронная почта, веб-серфинг и обработки текстов. В то время как рабочая станция имеет большую мощность - она может работать с CAD-системами, программами для создания анимации, анализа данных и фотореалистичных визуализаций, создания и обработки видео и аудио.

Надёжность - требования к работе составных частей рабочей станции гораздо выше, чем ПК. Каждая часть (материнская плата, процессор, оперативная память, диски, видеокарты, и т.д.) сделана с пониманием того, что она будет работать в течение всего дня. Во многих случаях рабочие станции остаются включенными и работают над проектами даже тогда, когда все люди расходятся по домам. Они оставляют их работать на ночь для обработки больших баз данных, создания анимации пр.

2.3 Серверы

В вычислительных сетях выполнение функций, связанных с обслуживанием всех узлов сети, возлагается на серверы. Сервер - это компьютер, который предназначен для решения определенных задач по выполнению программных кодов, хранению информации, обслуживанию пользователей и баз данных. Сервер обеспечивает максимальную защищенность и безопасность выполняемых задач, а также их сохранность. Используется сервер для хранения файлов и веб-сайтов пользователей Интернета (хостинг), ответа на запросы и выдачи запрашиваемой информации, обработки и выполнения скриптов на веб-сайтах, работы с базой данных и большим количеством пользователей. Контроль над работой сервера возлагается на системного администратора.

Сервер не обязательно должен предназначаться для работы с Интернетом. Чаще всего он используется в компаниях для обеспечения локальной сети и хранения баз данных о клиентах, работниках, товарах, а также для доступа в Интернет. Системный администратор при помощи сервера может получить информацию обо всех компьютерах локальной сети, запретить или разрешить доступ. В большинстве случаев сервер не является обычным персональным компьютером. Как правило, это рабочая станция, выполненная в виде мини-башни, хотя существуют различные конфигурации в зависимости от специализации. Серверы содержат один или несколько высокопроизводительных процессоров, большой объем оперативной памяти, RAID-массивы жестких дисков, блоки питания с возможностью автономного функционирования в случае сбоя электроэнергии. Корпус серверов имеет повышенную защиту от пыли и мощную систему охлаждения, а также защиту от случайного выключения.

По функциональному назначению различают серверы файловые, баз данных, коммутационные, прикладные, почтовые и т.п. Серверы, как правило, должны обладать большим быстродействием, надежностью и во многих случаях увеличенной емкостью памяти по сравнению с компьютерами в клиентских узлах.

2.4 Мейнфреймы

Мейнфреймами называют большие ЭВМ. Высокая производительность и большая емкость памяти обеспечивают решение сложных проблем, позволяют использовать такие компьютеры в качестве центрального узла ВС, управляющего работой многих простых терминалов. В архитектурном планемейнфреймы представляют собой многопроцессорные системы, содержащие один или несколько центральных и периферийных процессоров с общей памятью, связанных между собой высокоскоростными магистралями передачи данных. При этом основная вычислительная нагрузка ложится на центральные процессоры, а периферийные процессоры обеспечивают работу с широкой номенклатурой периферийных устройств.Компания IBM активно поддерживает переход в крупных корпоративных информационных системах на использование мэйнфремов в качествсе центров обработки данных вместо большого числа распределенных серверов.

2.5 Кластер

Кластер это распределенная система компьютеров, функционирующая как единая система с общими ресурсами. Основная цель, обусловившая появление кластеров, -- сохранение работоспособности ВС путем перераспределения нагрузки при выходе из строя части ресурсов. Кроме того, кластеризация -- один из путей повышения производительности ВС за счет совместного использования многих компьютеров. Кластеры позволяют наращивать вычислительную мощность, поскольку легко масштабируются.

Обычно различают следующие основные виды кластеров:

отказоустойчивые кластеры (High-availabilityclusters, HA, кластеры высокой доступности),

кластеры с балансировкой нагрузки (Loadbalancingclusters),

вычислительные кластеры (High performance computing clusters, HPC),

системы распределенных вычислений.

2.6 Суперкомпьютеры

Компьютеры, характеризуемые наибольшими значениями производительности и цены среди других типов ЭВМ и ВС, относят к категории суперкомпьютеров. Считается, что супер-эвм - это компьютеры с максимальной производительностью. Однако быстрое развитие компьютерной индустрии делает это понятие весьма и весьма относительным: то, что десять лет назад можно было назвать суперкомпьютером, сегодня под это определение уже не подпадает. Производительность первых супер-эвм начала 70-х годов была сравнима с производительностью современных ПК на базе традиционных процессоров Pentium. По сегодняшним меркам ни те, ни другие к суперкомпьютерам, конечно же, не относятся. В любом компьютере все основные параметры взаимосвязаны. Трудно себе представить универсальный компьютер, имеющий высокое быстродействие и мизерную оперативную память либо огромную оперативную память и небольшой объем дисков. Отсюда простой вывод: супер-эвм - это компьютер, имеющий не только максимальную производительность, но и максимальный объем оперативной и дисковой памяти в совокупности со специализированным программным обеспечением, с помощью которого этим монстром можно эффективно пользоваться. Как правило, современные суперкомпьютеры представляют собой большое число высокопроизводительных серверных компьютеров, соединённых друг с другом локальной высокоскоростной магистралью для достижения максимальной производительности в рамках подхода распараллеливания вычислительной задачи.

Cray-1 -- это первый суперкомпьютер, созданный в 1976г компанией Cray Research, основанной «отцом суперкомпьютеров» -- Сеймуром Крэем, после его ухода из компании CDC. Пиковая производительность Cray-1 составляла 133 Мфлопса. Для сравнения -- нынешний номер 1 в рейтинге ТОП500 суперкомпьютеров, Тяньхэ-2, обладает вычислительной мощностью в 33,86 Пфлопс. Компьютер был куплен национальной метеослужбой (Так что жители США обязаны прогнозом погоды с 1977 по 1989 годы именно этой машине).

Два раза в год специалисты из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли и Университета Теннесси публикуют Top-500, в котором предлагают список самых производительных суперкомпьютеров мира.

10 из них:

10. Cray CS-Storm

Местоположение:США.

Производительность:3,57петафлопс

Теоретический максимум производительности: 6,13 петафлопс.

Мощность: 1,4 МВт.

9. Vulcan - Blue Gene/Q.

Местоположение: США.

Производительность: 4,29 петафлопс.

Теоретический максимум производительности: 5,03 петафлопс.

Мощность:1,9МВ.

8. Juqueen - Blue Gene/Q.

Местоположение: Германия

Производительность:5петафлопс.

Теоретический максимум производительности: 5,87 петафлопс.

Мощность: 2,3 МВт.

7. Stampede - PowerEdge C8220.

Местоположение: США.

Производительность: 5,16 петафлопс.

Теоретический максимум производительности: 8,52 петафлопс.

Мощность: 4,5 МВт.

6. Piz Daint - Cray XC30.

Местоположение: Швейцария.

Производительность: 6,27 петафлопс.

Теоретический максимум производительности: 7,78 петафлопс.

Мощность: 2,3 МВт.

5. Mira - Blue Gene/Q.

Местоположение: США.

Производительность: 8,56 петафлопс.

Теоретический максимум производительности: 10,06 петафлопс.

Мощность: 3,9 МВт.

4. K Computer.

Местоположение: Япония.

Производительность: 10,51 петафлопс.

Теоретический максимум производительности: 11,28 петафлопс.

Мощность: 12,6 МВт.

3. Sequoia - Blue Gene/Q.

Местоположение: США.

Производительность: 17,17 петафлопс.

Теоретический максимум производительности: 20,13 петафлопс.

Мощность:7,8МВт.

2. Titan - Cray XK7.

Местоположение: США.

Производительность: 17,59 петафлопс.

Теоретический максимум производительности: 27,11 петафлопс.

Мощность: 8,2 МВт.

1. Tianhe-2 / Млечный путь-2.

Местоположение: Китай.

Производительность:33,86петафлопс.

Теоретический максимум производительности: 54,9 петафлопс.

Мощность: 17,6 МВт.



3. Архитектура вычислительных систем

Основным отличием ВС от компьютеров является наличие в их структурах нескольких вычислителей (компьютеров или процессоров). Поэтому они способны выполнять параллельные вычисления. Поскольку ВС появились как параллельные системы, то рассмотрим классификацию архитектур c этой точки зрения. Такая классификация архитектур была предложена М. Флинном в начале 60-х годов. В ее основу заложено два возможных вида параллелизма: независимость потоков заданий (команд), существующих в системе, и независимость (несвязанность) данных, обрабатываемых в каждом потоке. Согласно данной классификации существует четыре основных архитектуры ВС:

одиночный поток команд - одиночный поток данных (ОКОД), в английской аббревиатуре SingleInstructionSingleData, SISD - одиночный поток инструкций - одиночный поток данных;

одиночный поток команд - множественный поток данных (ОКМД), или SingleInstructionMultipleData, SIMD - одиночный поток инструкций - одиночный поток данных;

множественный поток команд - одиночный поток данных (МКОД), или MultipleInstructionSingleData, MISD - множественный поток инструкций - множественный поток данных;

множественный поток команд - множественный поток данных (МКМД), или MultipleInstructionMultipleData, MIMD -множественный поток инструкций - множественный поток данных.

Архитектура ОКОД охватывает все однопроцессорные и одномашинные варианты систем, то есть системы с одним вычислителем. Все ЭВМ классической структуры попадают в этот класс. Здесь параллелизм вычислений обеспечивается путем совмещения выполнения операций отдельными блоками АЛУ, а также параллельной работой устройств ввода-вывода информации и процессора. Закономерности организации вычислительного процесса в этих структурах достаточно хорошо изучены. Архитектура ОКМД предполагает создание структур векторной или матричной обработки. Системы этого типа обычно строятся как однородные: процессорные элементы, входящие в систему, идентичны, и все они управляются одной и той же последовательностью команд. Однако каждый процессор обрабатывает свой поток данных. Под эту схему хорошо подходят задачи обработки матриц или векторов (массивов), задачи решения систем линейных и нелинейных, алгебраических и дифференциальных уравнений, задачи теории поля и др. В структурах данной архитектуры желательно обеспечивать соединения между процессорами, соответствующие реализуемым математическим зависимостям. Как правило, эти связи напоминают матрицу, в которой каждый процессорный элемент связан с соседними. Векторный или матричный тип вычислений является необходимым атрибутом любой супер-эвм.



Заключение

Вычислительные системы, как мощные средства обработки заданий пользователей, широко используются не только автономно, но и в сетях ЭВМ в качестве серверов. С увеличением размеров сетей и их развитием возрастают плотности информационных потоков, нагрузка на средства доступа к сетевым ресурсам и на средства обработки заданий. Круг задач, решаемый серверами, постоянно расширяется, становится многообразным и сложным. Чем выше ранг сети, тем более специализированными они становятся. Администраторы сетей должны постоянно наращивать их мощь и количество, оптимизируя характеристики сети под возрастающие запросы пользователей.

Управление вычислительными процессами в ВС осуществляют операционные системы, которые являются частью общего программного обеспечения. В состав ОС включают как программы централизованного управления ресурсами системы, так и программы автономного использования вычислительных модулей. Последнее условие необходимо, поскольку в ВС обычно предусматривается более высокая надежность функционирования, например требование сохранения работоспособности при наличии в ней хотя бы одного исправного модуля.

Требование увеличения производительности также предполагает возможность параллельной и даже автономной работы модулей при обработке отдельных заданий или пакетов заданий. В зависимости от структурной организации ВС можно выявить некоторые особенности построения их операционных систем. Операционные системы многомашинных ВС являются более простыми. Обычно они создаются как надстройка автономных ОС отдельных ЭВМ, поскольку здесь каждая ЭВМ имеет большую автономию в использовании ресурсов (своя оперативная и внешняя память, свой обособленный состав внешних устройств и т.д.). В них широко используются программные методы локального (в пределах вычислительного центра) и дистанционного (сетевая обработка) комплексирования.

Современные персональные IВМ РС-совместимые компьютеры являются наиболее широко используемым видом компьютеров, их мощность постоянно увеличивается, а область применения расширяется. Эти компьютеры могут объединяться в сети, что позволяет десяткам и сотням пользователей легко обмениваться информацией и одновременно получать доступ к общим базам данных. Средства электронной почты позволяют пользователям компьютеров с помощью обычной телефонной сети посылать текстовые и факсимильные сообщения в другие города и страны и получать информацию из крупных банков данных. Глобальная система электронной связи Intеrnеt обеспечивает за крайне низкую цену возможность оперативного получения информации из всех уголков земного шара, предоставляет возможности голосовой и факсимильной связи, облегчает создание внутрикорпоративных сетей передачи информации для фирм, имеющих отделения в разных городах и странах.

Однако возможности IВМ РС-совместимых персональных компьютеров по обработке информации все же ограничены, и не во всех ситуациях их применение оправдано.



Список литературы

1. В.Н. Дацюк, А.А. Букатов, А.И. Жегуло. Методическое пособие по курсу "Многопроцессорные системы и параллельное программирование"/ Южный федеральный университет. Центр высокопроизводительных вычислений.

2. Типы вычислительных машин и систем / Бигор.

3. Автоматизация проектирования систем и средств управления /Московский государственный университет печати.

4. Техническое обеспечение автоматизированных систем / Бигор.

Размещено на Allbest.ru

...