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 областиСАПР, 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.

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.

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.

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.

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. ПКспроектирован 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. 10.

Рис. 10. Архитектура рабочей станции

Базовый набор компонентов PC составляют:

· 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;

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

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

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. Высокопроизводительные технические средства САПР и их комплексирование

Рабочие станции (PC) и персональные компьютеры (ПК) имеют традиционную архитектуру, ориентированную на последовательные вычисления, т.е. одним потоком команд они обрабатывают один поток данных. Такая организация вычислений была предложена фон-Нейманом и названа его именем. Усложнение решаемых задач и вычислительных алгоритмов САПР привело к внедрению в эту область более высокопроизводительных ЭВМ, организация вычислений в которых основана на множественности потоков команд, обрабатывающих множество потоков данных. Архитектура этих ЭВМ называется параллельной -- "не фон-неймановской". По множественности/одиночности потоков команд и данных ЭВМ можно разделить на четыре класса, но на практике используются ЭВМ трех классов. На рис. 11 показаны упрощенные структурные схемы трех классов ЭВМ, включающие в себя следующие блоки: ОЗУ команд (ОЗУк), ОЗУ данных (ОЗУд), устройство управления (УУ), центральный процессор (ЦП), а также потоки команд (К) и потоки данных (Д) [7, 16].

ЭВМ класса ОКОД -- это традиционные "фон-неймановские" машины с одиночным потоком команд и одиночным потоком данных. К ним относятся PC и ПК. ОКМД ЭВМ -- это параллельные компьютеры с одиночным потоком команд и множественными потоками данных. МКМД ЭВМ -- это многопроцессорные ЭВМ с множественными потоками команд и множественными потоками данных.

На рис. 11 а, б, в показаны также соответствующие трем классам ЭВМ алгоритмы организации вычислений. Стрелками в них обозначены потоки команд и данных, кружками -- выполняемые операторы. В случае ОКОД ЭВМ используется обычный последовательный алгоритм вычислений.

Для организации вычислений в ЭВМ класса ОКМД применяется последовательно-групповой алгоритм. В этом случае группе выполняемых операторов соответствуют операции над векторными и матричными данными. ОКМД ЭВМ реализуются в виде векторных и матричных ЭВМ. Поскольку производительность таких машин велика, их называют супер-ЭВМ.

Матричная супер-ЭВМ представляет собой матрицу одинаковых процессорных элементов с собственными локальными ОЗУ, причем каждый из процессоров матрицы выполняет в каждый момент времени одну и ту же команду над разными элементами векторных (матричных) данных. Недостаток матричных ЭВМ -- ограниченное количество процессорных элементов в матрице ограничивает производительность ЭВМ: чем длиннее векторы обрабатываемых данных, тем ниже выигрыш в производительности такой матричной супер-ЭВМ перед обычной ОКОД ЭВМ, называемой скалярной машиной.

От этого недостатка свободны векторные супер-ЭВМ класса ОКМД. В отличие от матричной, векторная супер-ЭВМ имеет один процессор, но его аппаратура разбита на отдельные секции. При этом каждая секция обрабатывает элемент векторных данных за один и тот же такт времени своей логической подфункцией, на которые разбивается общая логическая функция, описывающая работу векторного процессора. Элементы векторов передаются от секции к секции с каждым новым тактом времени, формируя таким образом, непрерывный конвейер обработки векторов. Секции конвейера называют его ступенями. Такие векторные конвейерные супер-ЭВМ оказываются тем более производительнее по сравнению со скалярными, чем длиннее обрабатываемые векторы. Существенный недостаток векторных супер-ЭВМ -- резкое снижение производительности при нарушении непрерывного потока данных, поступающих на вход конвейера.

Поскольку алгоритм организации вычислений для ОКМД ЭВМ имеет специальный вид -- последовательно-групповой. ЭВМ этого класса называют специализированными, так как они достигают своей пиковой производительности лишь на определенного класса задачах. В области САПР такие супер-ЭВМ успешно применяются для формирования реалистичных трехмерных графических изображений и решения ряда задач конструкторского проектирования сложных изделий, где требуется обработка векторов и матриц.

Рис. 11. Классификация параллельных ЭВМ: а) ЭВМ класса ОКМД; алгоритм последовательно-групповой, в) ЭВМ класса МКМД; алгоритм параллельный, слабосвязанный

Супер-ЭВМ класса МКМД называют суперскалярными высокопараллельными многопроцессорными системами. Поскольку эти ЭВМ реализуют алгоритм вычислений со слабосвязанными множественными потоками команд и данных общего вида, они являются универсальными и обеспечивают выигрыш в производительности по сравнению со скалярными на большинстве задач, решаемых в области САПР. Супер-ЭВМ этого класса имеют множество процессоров, причем каждый из процессоров обрабатывает свои данные под управлением своего потока команд.

Наиболее сложной проблемой для таких супер-ЭВМ является синхронизация обмена данными между задачами, запущенными на нескольких процессорах, и синхронизация ожидания одних запущенных задач (процессов) другими.

Аппаратная связь между процессорами МКМД ЭВМ осуществляется тремя способами:

· использование общей шины, соединяющей несколько процессоров;

· использование общего многопортового ОЗУ, доступного для всех МП;

· использование микросхем коммутации перекрестных связей, осуществляющих переключения информационных связей МП между собой по принципу "каждый с каждым".

При наличии общей шины, соединяющей несколько МП, возникают конфликты между МП за право монопольного обмена по шине, что снижает эффективность такой ЭВМ. Этот недостаток привел к тому, что в настоящее время такой вид связи между МП почти не применяется.

Использование общего многопортового ОЗУ предъявляет очень жесткие требования к устройству управления ОЗУ и к надежности самой памяти. Несмотря на этот недостаток, МКМД супер-ЭВМ с общей многопортовой памятью довольно широко используются в САПР.

Наиболее перспективны многопроцессорные комплексы, в которых отдельные МП соединяются друг с другом с помощью коммутаторов перекрестных связей на основе быстро развивающихся КМОП-переключателей.

Поскольку в параллельных ЭВМ трудно теоретически оценить производительность для решения различного класса задач, их производительность оценивается экспериментально с использованием текстовых пакетов и выражается в миллионах операций с плавающей точкой в секунду -- Мфлопс.

Параллельные супер-ЭВМ -- это уникальные дорогие компьютеры, поэтому они являются ЭВМ коллективного пользования, работающими под управлением ОС с разделением времени. Они оснащены высокоскоростными адаптерами связи с региональными и глобальными вычислительными сетями и связаны с PC разработчиков РЭС с помощью САПР через сетевые каналы связи.

Промежуточным уровнем технических средств САПР между супер-ЭВМ и PC, ПК выступает ЭВМ среднего класса: типа ЕСЭВМ у нас в стране и ES-9000 за рубежом, -- либо супермини-ЭВМ типа "Электроника-82" у нас в стране и VAX, MicroVAX -- за рубежом. Эти ЭВМ обладают производительностью выше, чем PC и ПК (свыше 5...10 Мфлопс), требуют существенных эксплуатационных расходов, являются компьютерами коллективного пользования с ОС разделения времени и выполняют функции обслуживания внутренних ЛВС фирм и выхода на глобальные и региональные сети при необходимости ведения расчетов на супер-ЭВМ. В последнее время в связи с использованием САПР средними и мелкими фирмами падает спрос на эти дорогостоящие промежуточные ЭВМ на рынке технических средств САПР. В качестве промежуточных звеньев для предоставления сетевых соединений выступают различного рода PC-серверы.

PC-сервер -- это PC с расширенным (по объему или номенклатуре) набором периферийных устройств. В качестве одной из задач в ОС такой станции запускается процесс-сервер-программа, обслуживающая пользователей других PС через сеть, предоставляя им периферию данной PC либо сетевое соединение через региональную сеть с супер-ЭВМ. В соответствии с этим различают файл-серверы (PC с дополнительными ВЗУ), серверы сетевой связи (PC с расширенным набором сетевых адаптеров данной ЛВС с другими -- ЭВМ-шлюз), вычислительные серверы (PC с повышенной производительностью) и т.д. Все эти PC, ПК и ЭВМ других классов объединяются (комплексируются) для эффективного использования области САПР вычислительными сетями.

Преимущества такого комплексирования заключаются в расширении функциональных возможностей САПР (каждый пользователь в том или ином подразделении имеет доступ к базам данных и программным средствам в других территориально удаленных подразделениях), в оптимизации распределения нагрузки между различными ЭВМ, в коллективном использовании дорогостоящей графической периферии, в повышении надежности функционирования технических средств САПР.

Существует следующая классификация вычислительных сетей:

· по топологии связей: радиальные (звездообразные), магистральные, кольцевые, радиально-кольцевые, древовидные, полные (многосвязные);

· по составу ЭВМ: однородные и неоднородные;

· по способу передачи данных: сети с коммутацией каналов, сообщений или пакетов;

· по способу управления: централизованные (с централизованным управлением) и децентрализованные;

· по удаленности узлов: локальные (в пределах здания, ряда зданий), региональные (охватывающие регион, область) и глобальные (охватывающие страны и континенты).

6.1 Режимы работы технических средств САПР

Состав технических средств базовых конфигураций САПР различных уровней в значительной степени определяется характером проектных задач. Существует взаимосвязь между классом решаемых задач и режимом использования ЭВМ. Рассмотрим задачи, решаемые в САПР, с целью выделения характеристик, определяющих выбор различных режимов работы ЭВМ.

По характеру вычислительного процесса решаемые задачи можно разделить на две основные группы: задачи, решаемые без участия пользователя, и задачи, в процессе решения которых необходимо участие пользователя.

По сложности вычисления задачи бывают:

· первой группы: задачи, на решение которых требуется более нескольких минут; задачи, время счета которых измеряется секундами;

· второй группы: время взаимодействия с пользователем соизмеримо с временем счета задачи; время решения велико по сравнению со временем диалога.

По объему информации задачи, решаемые в САПР, можно разделить на монопольно использующие основную память ЭВМ и частично использующие основную память ЭВМ.

Исходя из этой классификации решаемых задач САПР можно выделить следующие необходимые режимы работы техническихсредств:

· однопрограммный режим, при котором решаемой задаче доступны все ресурсы ЭВМ;

· мультипрограммный режим с фиксированным количеством задач; при таком режиме ОП ЭВМ делится на фиксированное число разделов, которые определены для выполнения одной задачи в каждом; некоторые внешние устройства (ВУ) могут быть назначены для использования несколькими задачами;

· мультипрограммный режим с переменным числом задач, все ресурсы ЭВМ общие.

· Режим работы технических средств можно классифицировать по удалению проектировщика от основного компонента технических средств:

· местный режим, при котором пользователь работает непосредственно у ЭВМ;

· дистанционный режим, при котором часть периферийного оборудования связана с процессором канала связи.

· Режим работы технических средств можно классифицировать по степени участия пользователя в процессе решения задач:

· пакетный режим, когда пользователь составляет задание на выполнение программы, которое в составе пакета заданийзапускается для обработки на ЭВМ. Обработка задач производится по очереди. После решения пользователю требуется проанализировать результаты обработки своего задания и подготовить новый вариант, что замедляет отладку и увеличивает время получения окончательных результатов;

· режим разделения времени (РРВ), при котором каждой решаемой задаче поочередно выделяется определенный квант времени работы процессора. Пользователь во время сеанса работы за абонентским пунктом, используя средства системы разделения времени (СРВ), может составить, протранслировать, отредактировать программу и приступить к ее выполнению, непосредственно контролируя происходящий процесс. Степень готовности программы зависит от подготовленности пользователя к работе с СРВ.

От выбора правильного режима использования технических средств САПР зависит эффективность эксплуатации технических средств. Поэтому при создании конкретной САПР определенного уровня необходимо провести четкий анализ решаемых задач.

Пакетный режим обработки информации предпочтительнее для задач с большим временем счета и задач, не требующих вмешательства в процесс решения пользователя.

Режим разделения времени удобнее для задач, время счета у которых соизмеримо со временем отклика пользователя на запрос ЭВМ, а также когда необходимо вмешательство пользователя в процесс решения.

автоматизированный информационный программный управление

6.2 Вычислительные сети САПР

Эволюция развития комплекса технических средств САПР характеризуется созданием территориально рассредоточенных многомашинных систем сбора, хранения и обработки информации, реализованных в виде вычислительных сетей. Последние, рассредоточенные на небольших территориях предприятий и объединяющие в единую информационную систему автоматизированные рабочие места пользователей, ЭВМ и микро-ЭВМ, графопостроители, терминальные станции и другую специализированную аппаратуру, называют локальными вычислительными сетями (ЛВС). Локальные ВС имеют открытую архитектуру, обеспечивающую возможность подключения к сети любых других ЛВС, в том числе и крупных сетей ЭВМ. Основное достоинство ЛВС -- низкая стоимость системы передачи данных.

Локальные вычислительные сети САПР должны обеспечивать: использование режимов пакетной и диалоговой обработки, разделения времени, виртуальной памяти; экономичную обработку информации по принципу "наиболее важные процессы САПР выполняются техническими средствами с развитым программным обеспечением и высокой производительностью, наименее ответственные -- на дешевых мини- и микро-ЭВМ"; высокую надежность и достоверность функционирования, высокую производительность; применение разнообразного проблемно-ориентированного ПО, централизованных и локальных БД с необходимым объемом памяти; работу с автоматизированными рабочими местами различного назначения и с другим специализированным оборудованием; централизованную и децентрализованную обработку информации.

Использование ЛВС позволяет создать САПР нового поколения, объединяющие контрольно-измерительные комплексы и места сбора информации с автоматизированными рабочими местами схемотехников, конструкторов, механиков и т. д.

Основное назначение ЛВС -- распределение ресурсов ЭВМ (программ, совокупности периферийных устройств, терминалов, памяти) для эффективного решения задач автоматизированного проектирования. Локальные ВС должны иметь надежную, быструю и дешевую систему передачи данных (СПД), а стоимость передачи единицы информации должна быть значительно ниже стоимости обработки единицы информации. Для достижения этого ЛВС как система распределенных ресурсов должна выполняться на основе следующих принципов.

Принцип единых протоколов. Протоколы межмашинной связи в ЛВС предназначены для организации обмена информацией между компонентами сети. Протоколы сети определяют форму сообщения или пакета сообщений (длину, заголовок, знак окончания, дополнительную информацию для повышения достоверности передачи и др.). Все процедуры управления и соответствующие им протоколы едины для всей сети и не зависят ни от типа ЭВМ, подключенных к сети, ни от происходящих в них процессов.

Принцип единой передающей среды. При построении СПД для ЛВС используют активную или пассивную структуру передающей среды.

Активная структура выполняется на основе распределенных усилителей и преобразователей, обеспечивающих передачу информации в параллельном и последовательном кодах. Пассивная структура выполняется на основе пассивного носителя -- коаксиального либо плоского кабеля. Она использует преобразователи-усилители одного типа. Это обеспечивает возможность работы либо в параллельном, либо в последовательном коде.

Структура передающей среды может быть реализована с применением либо моноканала, либо многопроводной связи. Более дешевой (для ЛВС -- более предпочтительной) является структура с моноканалами, поскольку существенно снижаются издержки на эксплуатацию и прокладку соединений. Моноканалами являются физическая среда, аппаратные и, возможно, программные средства, предназначенные для параллельной передачи одновременно (с точностью до времени распространения сигнала) всем абонентским системам. Моноканал предназначен для коллективного использования большим числом абонентских систем, поэтому должен обладать высокой пропускной способностью передачи информации.

Физическая среда моноканала реализуется посредством волоконнооптических линий связи, коаксиальных или плоских кабелей, скрученных пар проводов и т. д.

Принцип единого метода управления. Протоколы ЛВС могут применять централизованные и децентрализованные формы управления одноузловой структурой моноканала. Принцип единого метода управления проявляется в выборе одной из этих форм, обеспечивающей достаточную надежность работы СПД и максимальную загрузку каналов связи. При этом для определения метода управления следует учитывать структуру соединений, их длину, число абонентов и сложность обработки информации с помощью ресурсов ЛВС.

Для централизованных форм управления характерны обилие служебной информации и приоритетность подключаемых к моноканалу станций. Защита от конфликтов в моноканале реализуется центральной управляющей машиной.

В децентрализованных формах управления, которые допускают одинаковый приоритет всех станций, подключаемых к моноканалу, применяют многоступенчатые тракты защиты от конфликтов. Они учитывают противоречивые требования надежности и максимальной загрузки моноканала.

При использовании в ЛВС нескольких методов управления средой передачи данных существенно увеличивается сложность схемных решений контроллеров, с помощью которых станции ЛВС подключаются к среде передачи данных.

Принцип информационной и программной совместимости предусматривает совместимость операционных систем, программ и систем управления базами данных (СУБД), рассредоточенных в рамках ЛВС.

Особенность этого принципа -- возможность адаптации процессов к видам пересылаемой информации и применение единых систем кодирования и контроля информации.

Принцип гибкой модульной организации предусматривает проектирование СПД ЛВС на основе набора гибких конструктивно законченных модулей.

Локальные вычислительные сети классифицируют:

· по топологическим признакам: иерархической, кольцевой и звездообразной конфигурации, конфигурации типа "общая шина";

· по методам управления ресурсами среды передачи данных: с детерминированным и случайным доступом к моноканалу;

· по программному обеспечению: с единой операционной поддержкой и едиными методами теледоступа, ориентированными на конкретную ЛВС и ЛВС с различными наборами тех и других компонентов операционной поддержки;

· по методу передачи данных: сети с коммутацией каналов, с коммутацией сообщений и коммутацией пакетов, причем в современных ЛВС характерно использование коммутации пакетов;

· по техническому обеспечению: гомогенные и гетерогенные ЛВС.

Первые предусматривают применение в станциях однотипного оборудования, например, только комплексов машинной графики. Вторые дают возможность подключения любых абонентских комплексов -- от устройств выдачи конструкторской документации до высокопроизводительных вычислительных комплексов с развитой терминальной сетью.

Анализируя способы реализации технического обеспечения САПР на базе стандартных многоуровневых структур вычислительных центров коллективного пользования и на базе ЛВС, можно сделать следующие выводы. Сетевая архитектура по сравнению со стандартной многоуровневой имеет много преимуществ:

· возможность взаимодействия с одного и того же терминала с ресурсами всех рабочих и терминальных машин ЛВС;

· обеспечение высокой надежности обработки путем замены вышедшей из строя рабочей машины -- резервной;

· повышение эффективности функционирования ЭВМ за счет их специализации на выполнение определенных функций хранения и управления данными, геометрического моделирования, подготовки управляющей информации для программного управляемого оборудования и т. д.

6.3 Разработка технического обеспечения САПР

Разработка САПР представляет собой комплекс взаимосвязанных работ по созданию математического, программного, технического, информационного и других видов обеспечения систем, ориентированных на автоматизированное проектирование определенного класса объектов (САПР машиностроения, самолетостроения, БИС, ЭВМ и др.).

В разработке и внедрении САПР принимают участие большие коллективы проектных и конструкторско-технологических организаций, усилия которых координируются группой системных исследователей.

Принципы организации и стадии разработки САПР регламентированы руководящими и методическими материалами, а также государственными стандартами.

Рассмотрим некоторые специфичные аспекты разработки технического обеспечения САПР (ТО САПР). К ТО САПР предъявляются требования возможности организации оперативного взаимодействия проектировщиков с ЭВМ, достаточной производительности вычислительных средств и необходимого объема оперативной памяти для решения задач автоматизированного проектирования за приемлемое время, возможности одновременной работы нескольких пользователей с ресурсами ТО, высокой надежности, приемлемой стоимости и т.п.

Удовлетворение перечисленных требований возможно только путем организации ТО САПР в виде специализированной иерархической вычислительной системы (ВС) или вычислительной сети с развитым периферийным оборудованием, ориентированным на ввод, обработку и выдачу текстовой и графической информации.

Задача разработки ТО САПР заключается в обосновании, расчете и выборе структуры многоуровневого комплекса технических средств (КТС) САПР, ориентированного на решение задач автоматизированного проектирования определенного класса объектов. Построение КТС может осуществляться путем комплексирования как стандартного оборудования (ЭВМ, каналы, дисплеи, устройства внешней памяти и т.д.), так и специально разработанного для КТС САПР (АРМ, графопостроители, кодировщики и т.д.).

Создание многоуровневых КТС предполагает наличие на высшем уровне одной или нескольких ЭВМ большой производительности (типа ЕС ЭВМ старших моделей). Эти ЭВМ предназначены для решения сложных задач проектирования, требующих больших затрат машинного времени и памяти. На низших уровнях иерархии могут находиться ЭВМ средней производительности, а также мини- и микро-ЭВМ, входящие в состав автоматизированных рабочих мест (АРМ) (терминальные ЭВМ). Эти ЭВМ предназначены для решения сравнительно несложных задач проектирования, для управления работой комплекта периферийного оборудования и для организации обмена информацией между различными уровнями КТС.

Для определения структуры КТС и параметров входящих в него компонентов могут служить ограничения: снизу -- на число программ N, входящих в состав программного обеспечения САПР; сверху -- на среднее время Т реакции КТС на поступившую задачу проектирования; снизу -- на объем оперативной памяти для хранения программ проектирования; сверху -- на время, необходимое процессору для решения усредненной задачи в однопрограммном режиме, а также по номенклатуре периферийного оборудования КТС САПР.

Комплексы технических средств САПР создаются на базе средств вычислительной техники общего назначения -- Единой системы ЭВМ, мини- и микро-ЭВМ различных типов.

Единая система ЭВМ представляет собой совокупность технических средств и программного обеспечения, на основе которых можно создавать вычислительные системы различной конфигурации.

Концепции, заложенные в ЕС ЭВМ (программная совместимость, универсальность, модульный принцип построения технических средств и программного обеспечения), позволяют совершенствовать все компоненты системы. С помощью набора команд ЕС ЭВМ производят операции с фиксированной и плавающей запятыми, десятичные операции и операции с полями переменной длины.

Система программного обеспечения ЕС ЭВМ состоит из операционных систем, пакетов прикладных программ и программ технического обслуживания. Она в пакетном режиме выполняет размещение разногабаритных элементов, трассировку соединений и выпуск конструкторско-технологических документов. Подсистема позволяет проектировать печатные платы с переходными металлизированными отверстиями. Выходными документами подсистемы являются фотооригиналы, сборочный чертеж, таблицы цепей, перечень элементов, спецификация.

Контрольные вопросы и задания

1. Что общего имеют рабочая станция (РС) и персональный компьютер (ПК)?

2. В чем суть "не фон-неймановской" архитектуры?

Что представляют собой ЭВМ класса ОКОД?

Что означает аббревиатура "ОКМД"?

3. Поясните работу ЭВМ класса МКМД.

4. Что представляет собой РС-сервер?

5. На какие группы делятся решаемые задачи по характеру вычислительного процесса?

6. Как делятся задачи в зависимости от сложности вычисления?

7. Как делятся задачи САПР в зависимости от объема решаемых задач?

8. Назовите режимы работы технических средств по степени участия пользователей.

9. Поясните основное назначение ЛВС.

10. Поясните принцип единых протоколов.

11. Что понимается под принципом единой передающей среды?

12. Что понимается под активной структурой?

13. Что характерно для пассивной структуры?

14. Поясните принцип единого метода управления.

15. Что предусматривает принцип информационной и программной совместимости?

16. Что предусматривает принцип гибкой модульной организации?

Тема 7. Периферийное оборудование САПР

Помимо PC, ПК и других ЭВМ для организации САПР РЭС требуется дорогостоящее периферийное оборудование. Периферийное оборудование ЭВМ -- это совокупность технических и программных средств, обеспечивающих взаимодействие ЭВМ с пользователем и внешней средой, а также хранение, подготовку и преобразование информации к виду, удобному для ввода/вывода [7, 30].

Периферийное оборудование подразделяется на две группы: локальное, устанавливаемое рядом и подключаемое непосредственно к ЭВМ, и удаленное (терминальное). По выполняемым функциям и локальное, и терминальное оборудование включают в себя средства хранения, телеобработки и ввода/вывода информации. Средства взаимного общения с пользователем должны осуществлять представление и ввод информации в основном в графической форме.

В настоящее время существуют различные методы ввода и регистрации графической информации: высвечивание точек и линий на экране монитора, нанесение точек, вычерчивание линий и символов изображения на бумаге (в том числе специальной), изменение цвета бумаги путем химической (термической) реакции, электризация поверхности фотополупроводника, проецирование изображения с помощью луча лазера и другие.

Каждый метод и устройства, реализующие его, имеют свои достоинства и недостатки. Основными критериями для их сравнения являются:

1. качество изображения;

2. скорость формирования изображения;

3. стоимость оборудования и его эксплуатации;

4. особенности программного обеспечения.

По программному обслуживанию периферийные устройства САПР делятся на два класса: растровые и координатные (векторные).

В растровых устройствах выводится мозаичный рисунок из отдельных точек -- пикселей, или ПЭЛов (от англ. picture element), потипу телевизионной развертки. При этом осуществляется последовательный перебор элементов мозаики и выделение пикселей, составляющих изображение. Время вывода изображения постоянно, не зависит от сложности рисунка и определяется только числом элементов мозаики (пикселей) и скоростью их перебора.

При векторном способе осуществляется последовательное вычерчивание линий, составляющих изображение. Время ввода/вывода изображения пропорционально суммарной длине линий (в том числе с учетом "невидимых" линий). Для сложных изображений время вывода может быть достаточно велико.

В современных САПР широкое применение находят оба типа устройств. Все периферийные устройства делятся на три основные группы:

· средства ввода/вывода с машинных носителей;

· средства ввода/вывода с документов;

· средства непосредственного взаимодействия с ЭВМ.

Первая группа средств включает в себя накопители на магнитных дисках или накопители на магнитных лентах (стримеры), представляющие собой обычные ВЗУ.

Средства ввода/вывода с документов имеют свою специфику для ввода/вывода текста и графической информации. К ним относятся различные печатающие устройства (принтеры), графопостроители, планшеты, сканеры.

Средства непосредственного взаимодействия с ЭВМ включают в себя устройства отображения алфавитно-цифровой и графической информации ( дисплеи, проекционные системы), акустические устройства ввода/вывода информации, устройства связи с реальными объектами (датчики, исполнительные устройства), а также средства ручного ввода информации: алфавитно-цифровую клавиатуру, различные планшеты и манипуляторы (электронная "мышь", управляющие ручки -- джойстики, управляющий шар -- трекбол).

Наиболее распространенным электронным средством отображения информации является дисплей. Большинство современных дисплеев PC и ПК строится на основе платы графического адаптера (графического процессора) и монитора.

Требования к качеству графического изображения в задачах САПР весьма велики, поэтому обычные графические адаптеры ПК стандарта VGA (640x480 точек разрешения, 256 цветов и ниже) не подходят для визуализации изображений. Существует несколько видов изображений в пакетах САПР:

· высококачественные черно-белые двухмерные изображения (чертежи, эскизы);

· цветные или полутоновые двумерные изображения (топология БИС, печатных плат);

· каркасные трехмерные проекции конструкторских чертежей, эскизов и т. д. с удалением и без удаления невидимых линий;

· проекции трехмерных изображений с закрашиванием поверхностей;

· проекции реалистичных трехмерных изображений с учетом отражательных характеристик поверхностей объектов и формированием светотеней.

Наиболее простые черно-белые изображения и каркасные трехмерные изображения могут строиться векторными методами. Остальные виды изображений требуют растровой цветной (полутоновой) графики с высоким разрешением и богатой цветовой палитрой.

Для изображений среднего качества могут быть использованы графические адаптеры мощных ПК типа SVGA с разрешением не менее 1024x768 точек, 256 цветов и адаптеры наиболее недорогих PC, например семейства SUN с разрешением 1152x900, 256 цветов.

Для визуализации реалистичных трехмерных изображений, конструкций сложных объектов и многослойных топологий БИС требуются более высокие быстродействие и разрешение графических адаптеров. Такие графические адаптеры называют графическими процессорами, a PC с графическим процессором и цветным монитором повышенного разрешения и размера подиагонали (19 дюймов и выше) -- графической рабочей станцией. Так, в графической PC фирмы IBM PS-730 используется плата графического процессора, обеспечивающая разрешение 1280x1024 точки с более чем 4 млрд. оттенков цветов. Быстродействиетакой графической станции при визуализации изображений -- 990 тыс. трехмерных графических преобразований в секунду, что эквивалентно воспроизведению 120 тыс. трехмерных треугольников с закрашиванием в секунду.

В связи с высокими требованиями к качеству изображений в области САПР доминируют цветные и полутоновые мониторы на электроннолучевых трубках с повышенными разрешением, строчной и кадровой развертками. Ведутся интенсивные разработки высококачественных мониторов на жидких кристаллах. Следует отметить быстрое развитие лазерных проекционных систем визуализации изображений на больших плоских экранах с повышенным разрешением до 1024x1024 точек. В этом случае разверткалуча лазера производится зеркальными механическими отклоняющими системами либо электронными системами на базе акустооптических дефлекторов.

Устройства графического вывода (печатающие устройства -- принтеры, графопостроители) занимают ведущее место среди номенклатуры периферийных устройств на рынке технических средств САПР (более 2/3 от всей оконечной аппаратуры). Сложилось разделение устройств вывода на печатающие устройства и графопостроители, однако границы их использования для вывода текста и графики в последнее время все более размываются.

Печатающие устройства по порядку вывода делятся на:

· посимвольные, в которых вывод алфавитно-цифровой информации осуществляется последовательно символ за символом за один цикл печати;

· построчные, которые формируют и выводят за один цикл печати всю строку;

· постраничные, которые формируют и выводят целиком страницу за один цикл печати.

По физическому принципу различают печатающие устройства ударного и безударного действия. В первом случае изображение получают в результате удара по носителю записи специальным органом -- молоточком, стержнем или иглой. В устройствах безударного действия изображение выводится в результате физико-химического, электрического и другого воздействия на оконечный носитель записи (бумагу) или некоторый промежуточный носитель (специальную пленку, различные барабаны, пластины).

Наиболее популярны среди принтеров ударного действия матричные печатающие устройства, в которых изображения (знаки) формируются специальной головкой, содержащей стержни -- иглы, возбуждаемые электромагнитным или пьезоэлектрическим приводом. В простых моделях головок -- 9-12 игл, в более сложных -- 18-24. Сложные модели обеспечивают достаточно высокое качество печати, но низкое быстродействие. К недостатку печатающих устройств ударного действия относится также наличие большого количества механических элементов, работающих при высоких динамических нагрузках, и связанные с этим ограниченныйресурс, повышенный уровень шума и ненадежность.

Печатающие устройства безударного действия относятся к матричным устройствам. Изображение формируется из отдельных точек с четкостью от 3 до 32 точек на 1 мм. В большинстве из них применяется одинаковый принцип: формирование скрытого электрического или магнитного изображения на промежуточном носителе, далее происходит его визуализация и перенос на бумагу. Среди безударных печатающих устройств наиболее популярны термопечати, струйные устройства и лазерные печати.

Термопечатающие устройства используют термопечатные головки (терморезисторы) и копировальные пленки (5-10 мкм) с легкоплавким красящим слоем. Локальный нагрев пленки у красителя приводит к переносу отпечатка на бумагу. В таких устройствах достигаются высокая четкость (6-12 точек на 1 мм), высокая контрастность, легко реализуется многоцветность изображения.

Струйные печатающие устройства относятся к посимвольным матричным устройствам. Существует два типа таких печатей: с непрерывной капельной струей и импульсные (ждущие). В первых заряженные капельки красителя летят мимо отклоняющей системы и формируют символы (графику) на бумаге. Скорость такой печати -- до 300 см2/мин при разрешении 20 точек на 1 мм. В ждущих принтерах капли вылетают лишь тогда, когда необходимо сформировать символ. В них используются многосопловые (до 9-12 сопл и более) струйные головки, обеспечивающие плотность записи 4-12 точек на 1 мм. Возбуждение капсул-инъекторов осуществляется пьезоэлементом или нагревом микрорезистора.

Наибольшую популярность в настоящее время имеет лазерная печать, обеспечивающая очень высокую скорость печати (до 10 страниц в минуту) при высокой четкости -- до 32-40 точек на 1 мм. В таких устройствах изображение регистрируется электрографическим способом. Лазер создает скрытое изображение на барабане, а его визуализация осуществляется специальным порошком -- тонером с тепловым закреплением на бумаге. При этом луч лазера по одной координате разворачивается механически с помощью зеркальной многогранной призмы, а по другой координате -- электронным способом с помощью акустооптического дефлектора. Управляет работой лазерной печати мощная микро-ЭВМ, формируя страницы вывода, получаемые от PC или ПК. К недостаткам лазерной печати следует отнести ее относительно высокую стоимость и сложность формирования цветных изображений. Лазерные принтеры обычно используются коллективно несколькими пользователями через ЛВС. Лидером в производстве лазерных печатей является фирма Hewlett-Packard. Параметры одного из относительно недорогих лазерных принтеров HP LaserJet IIP:

· номинальная скорость печати -- 4 стр./мин;

· емкость лотка для подачи бумаги -- 50 листов;

· емкость приемного лотка -- 20, 50 листов;

· минимальная емкость буферной памяти -- 512 Кб;

· максимальная емкость буферной памяти--4,5 Мб;

· интерфейсы с ЭВМ -- последовательный и параллельный;

· ресурс кассеты с тонером -- 3500 страниц;

· масса -- 10 кг.

Графопостроители подразделяются на два основных типа: растровые и векторные (координатные).

Растровые устройства по своей конструкции близки к принтерам безударного действия и используют электрохимический, электротермический и другие принципы работы. Пишущий узел в них представляет собой гребенку электродов, образующую растр во всю ширину бумаги. Специальная бумага перемещается в одну сторону ведущим барабаном; при подаче напряжения на те или иные электроды и общий электрод проходит химическая или термическая реакция и возникает отпечаток на бумаге. Разрешающая способность таких устройств -- 4-8 точек на 1 мм. Достоинство растровых устройств -- высокая скорость работы, не зависящая от сложности изображения; недостаток -- сложность конструкции системы управления напряжением на электродах гребенки.

Векторные (координатные) графопостроители относятся к электромеханическим устройствам и выполняются в двух видах: планшетном и рулонном. В планшетном графопостроителе бумага фиксируется, а пишущий узел закреплен на каретке, установленной, в свою очередь, на движущейся планке. Тем самым каретка может перемещаться в любую точку планшета. Используется векторный способ управления графопостроителем путем подачи аналоговых или дискретных (шаговых) сигналов, пропорциональных изменениям координат при перемещении пишущего узла. Для вывода сложных кривых применяется линейная, линейно-круговая или параболическая интерполяция с помощью специальной управляющей микро-ЭВМ, входящей в составграфопостроителя.

В рулонном графопостроителе планка неподвижна, а барабан или валик перемещает бумагу. Рулонный графопостроитель более автоматизирован в работе, чем планшетный, однако для него нельзя использовать произвольные листы, бланки и т. п.

Основное назначение устройств ввода графической информации заключается в преобразовании аналоговых объектов изображения в дискретную форму представления в ЭВМ. Устройства ввода включают в себя как средства ввода информации с документов, так и органы ручного ввода при непосредственном взаимодействии с ЭВМ.

При вводе осуществляются две основные операции: поиск, выделение (считывание) изображения и кодирование информации. Постепени автоматизации операции считывания изображения устройства ввода разделяются на полуавтоматические и автоматические. В первых поиск элементов осуществляется вручную, а кодирование информации -- автоматически; во вторых устройствах и считывание, и кодирование информации производятся автоматически с помощью ЭВМ.

Для управления маркером на дисплее и ввода команд используются ручные манипуляторы: электронная "мышь", управляющая ручка -- джойстик, управляющий шар -- трекбол. Во всех манипуляторах враще- ние сферы передается на движки потенциометров -- валюаторов. Тем самым изменяются сигналы, соответствующие текущим координатам. Такие устройства относятся к дисплейным указателям, так же как алфавитно-цифровая и функциональная клавиатура, световое перо, сенсорный экран.

Среди полуавтоматических устройств ввода изображений наиболее популярны полуавтоматические сканеры, в которыхчувствительный элемент считывания изображения перемещается по элементам изображения рукой человека. Автоматические устройства ввода изображений выполняют считывание информации без участия человека. Существует два типа автоматических устройств ввода: следящие -- аналог векторных устройств вывода -- и сканирующие (растровые).

Следящие устройства ввода выполняют слежение за линией и устанавливаются либо на графопостроитель, либо на специальную координатную систему. Возможности следящей системы ограничены сложностью рисунка, числом пересечений, типом линий.

В сканирующих устройствах (сканерах) осуществляется растровое представление вводимого документа, выполняется распознавание образов, символов, знаков; далее изображение может быть графически отредактировано на дисплее и выведено на растровое устройство вывода. В автоматических и полуавтоматических сканерах в качестве чувствительного элемента используется однокоординатная линейка фотоприемников или линейка приемников на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС). По другой координате перемещение линейки осуществляется вручную или автоматически с помощью шагового двигателя. Поверхность считываемого изображения освещается светодиодами, что улучшает равномерность засветки и качество считываемого изображения. Сканеры на основе таких систем позволяют получать четкость картинки до нескольких десятков точек на 1 мм. Для быстрого ввода в ЭВМ изображений, сравнимых по четкости с телевизионным, применяются автоматические сканеры на основе телевизионных камер с приемной ПЗС-матрицей и высококачественной широкоугольной оптикой.

К средствам непосредственного взаимодействия с ЭВМ относятся и акустические системы ввода/вывода информации. Средства акустического ввода подразделяются на устройства ввода изолированной и дискретной речи (отдельные команды) и устройства ввода слитной речи. Средства акустического вывода делятся на устройства синтеза звуков, устройства синтеза речи по правилам синтеза и по образцам. Синтез по правилам ведет к созданию искусственной речи; синтез по образцам заключается в кодировании естественной речи для последующего воспроизведения (так называемые компилятивные синтезаторы).

Технические средства САПР динамично развиваются в сторону максимально быстрой реакции на любую команду человека и организации ввода/вывода любой информации в виде, естественном для специалиста проблемной области, в которой функционирует конкретная САПР.

7.1 Машинная графика в САПР РЭС

Машинная графика -- это совокупность технических, математических и программных средств и приемов, позволяющих осуществить ввод и вывод из ЭВМ графической информации без ручного преобразования информации в числовую или графическую форму. Графическое изображение позволяет сконцентрировать в одном небольшом фрагменте информацию, содержащуюся в нескольких сотнях строк цифрового материала. Поэтому развитие средств машинной графики, соответствующего аппаратного и математического обеспечения, систем ввода и вывода, создание банков и баз данных графической информации имеют решающее значение при разработке современных САПР РЭС.

Приведем основные понятия и определения машинной графики.

Область машинной графики включает в себя решение следующих трех основных задач:

· ввод графической информации в ЭВМ;

· выполнение графических преобразований, поиск и хранение графических данных;

· вывод графической информации (отображение, документирование).

В машинной графике, как и при решении любых задач на ЭВМ, существует два направления: режим пакетной обработки и интерактивная машинная графика.

При пакетной обработке графической информации система машинной графики обеспечивает выдачу графической информации на экран дисплея без участия пользователя. Эту выдачу обеспечивают графопостроитель, устройство микрофильмирования и другие устройства, которые позволяют получать графические документы.

Интерактивная машинная графика позволяет использовать средства вычислительной техники для организации оперативного, в основном диалогового взаимодействия пользователя с ЭВМ. В этой системе применяются графические дисплеи, оснащенные "мышью", световым пером, функциональной клавиатурой, кодирующим планшетом и другими устройствами обратной связи разработчика с ЭВМ, позволяющими ему в диалоге изменять графическое изображение, выводимое на экран дисплея.

Графическая система -- это система программных и технических средств, автоматизирующая решение графических и геометрических задач. Графические системы делятся на системы общего назначения и специализированные графические системы.

В графических системах общего назначения реализуются процедуры обработки графической информации различного типа: для машиностроения, архитектуры, разработки РЭС. Пользователь этих систем -- прикладной программист. К таким системам относятся ГРАФОР (графическое расширение Фортрана), базовые графические системы (например, GKS).

Специализированные графические системы предназначены для реализации процессов обработки графической информации о некоторой специальной области. Существуют отличия систем в зависимости от области применения программ: в САПР РЭС -- графические зависимости, характеристики, схемы, конструкции; в САПР СБИС -- плоские изображения; в САПР авиа- и судостроения -- объемные аналитические поверхности. Пользователь специализированных графических систем -- непосредственный разработчик устройств, изделий, аппаратуры.

...