К основным объектам машинной графики при проектировании РЭС относятся:

· объект проектирования -- любое изделие, устройство, детали, комплексы;

· техническая документация -- совокупность описания изделия и его характеристик, а также устройств, с помощью которых оно может быть изготовлено;

· конструкторская документация -- графические и текстовые документы, различные чертежи, принципиальные схемы, спецификации; это часто является конечным продуктом САПР;

· геометрический объект -- описание некоторого изделия в виде математической модели в двумерном или трехмерном пространстве;

· графическое изображение -- проекции геометрического объекта на плоскость, специальные сечения, изометрические, перспективные проекции;

· описание объекта на входном языке -- однозначное представление для ввода его в ЭВМ, позволяющее производить необходимые изменения, управлять процессом вывода графических изображений.

Все средства машинной графики делят на технические средства (ЭВМ, терминалы, устройства ввода и вывода графической информации) и программное обеспечение машинной графики. Последнее базируется на математическом описании графических объектов, в основе которого лежат формализация интуитивных представлений разработчика предполагаемого объекта и автоматизация вывода разработанного объекта в виде, удобном для пользователя.

7.2 Компьютерные сети

При физическом соединении двух или более компьютеров образуется компьютерная сеть. В общем случае, для созданиякомпьютерных сетей необходимо специальное аппаратное обеспечение -- СЕТЕВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ -- и специальное программное обеспечение -- СЕТЕВЫЕ ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА.

Простейшее соединение двух компьютеров для обмена данных называется прямым соединением. Для создания прямого соединения компьютеров, работающих в операционной системе WINDOWS 98, не требуется ни специального аппаратного, ни программного обеспечения. В этом случае аппаратными средствами являются стандартные порты ввода/вывода (последовательный или параллельный), а в качестве программного обеспечения используется стандартное средство, имеющееся в составе операционной системы.

Основной задачей, решаемой при создании компьютерных сетей, является обеспечение совместимости оборудования по электрическим и механическим характеристикам, а также обеспечение совместимости информационного обеспечения (программ и данных) по системе кодирования и формату данных.

Решение этой задачи относится к области стандартизации и основано на так называемой модели OSI (модель взаимодействия открытых систем -- Model of Open System Interconneсtions). Она создана на основе технических предложений Международного института стандартов ISO (International Standards Organization).

Согласно модели ISO/OSI, архитектуру компьютерных сетей следует рассматривать на разных уровнях. Общее число уровней -- до семи ( рис. 12).

Самый верхний уровень -- прикладной. На этом уровне пользователь взаимодействует с вычислительной системой. Самый нижний уровень -- физический. Он обеспечивает обмен сигналами между устройствами.

Обмен данными в системах связи происходит путем их перемещения с верхнего уровня на нижний, затем транспортировки и, наконец, обратным воспроизведением на компьютере клиента в результате перемещения с нижнего уровня на верхний.

Для обеспечения необходимой совместимости на каждом из семи возможных уровней архитектуры компьютерной сети действуют стандарты, называемые протоколами. Они определяют характер аппаратного взаимодействия компонентов сети (аппаратные протоколы) и характер взаимодействия программ и данных (программные протоколы).

Физические функции поддержки протоколов исполняют аппаратные устройства -- интерфейсы -- и программные средства -- ПРОГРАММЫ ПОДДЕРЖКИ ПРОТОКОЛОВ.

Программы, выполняющие поддержку протоколов, также называют ПРОТОКОЛАМИ.

Так, например, если два компьютера соединены между собой прямым соединением, то на низшем физическом уровне протокол их взаимодействия определяют конкретные устройства физического порта (параллельного или последовательного) и механические компоненты (разъемы, кабель и т.д.)

Рис. 12. Простейшая модель обмена данными в компьютерной сети

На более высоком уровне взаимодействие между компьютерами определяют программные средства, управляющие передачей данных через порты.

Для стандартных портов они находятся в базовой системе ввода/вывода (BIOS). На самом высоком уровне протокол взаимодействия обеспечивают приложения операционной системы. Например, для Windows 98 -- это стандартная программа "Прямое кабельное соединение".

Компьютеры ЛОКАЛЬНОЙ сети преимущественно используют единый комплект протоколов для всех участников. Потерриториальному признаку локальные сети отличаются компактностью. Они могут объединять компьютеры одного помещения, этажа, здания, группы компактно расположенных сооружений.

Глобальные сети имеют, как правило, увеличенные географические размеры. Они могут объединять как отдельные компьютеры, так и отдельные локальные сети, в том числе и использующие различные протоколы.

Назначение всех видов компьютерных сетей определяется двумя функциями:

· определением совместного использования аппаратных и программных ресурсов сети;

· определением совместного доступа к ресурсам данных. Так, например, все участники локальной сети могут совместно использовать одно общее устройство печати -- сетевой принтер или, например, ресурсы жестких дисков одного выделенного компьютера -- файлового сервера.

Это же относится как к программному, так и к информационному обеспечению. Если в сети имеется специальный компьютер, выделенный для совместного использования участниками сети, он называется файловым сервером.

Компьютерные сети, в которых нет выделенного сервера, а все локальные компьютеры могут общаться друг с другом на "равных правах" (обычно это небольшие сети), называются одноранговыми.

Создание локальных сетей характерно для отдельных предприятий или отдельных подразделений предприятий. Если предприятие (или отрасль) занимает обширную территорию, то отдельные локальные сети могут объединяться в глобальные сети. В этом случаелокальные сети связывают между собой с помощью любых традиционных каналов связи (кабельных, спутниковых, радиорелейных). При соблюдении специальных условий для этой цели могут быть использованы даже телефонные каналы, хотя они в наименьшей степени удовлетворяют требованиям цифровой связи.

Для связи между собой нескольких локальных сетей, работающих по разным протоколам, служат специальные средства, называемыешлюзами. Шлюзы могут быть как программными, так и аппаратными. Например, это может быть специальный компьютер (шлюзовой сервер), а может быть и компьютерная программа. В последнем случае компьютер может выполнять не только функциюшлюза, но и какие-то иные функции, типичные для рабочих станций.

При подключении локальной сети предприятия к глобальной сети важную роль играет понятие сетевой безопасности. В частности, должен быть ограничен доступ в локальную сеть для посторонних лиц извне, а также ограничен выход за пределы локальной сетидля сотрудников предприятия, не имеющих соответствующих прав. Для обеспечения сетевой безопасности между локальной иглобальной сетями устанавливают так называемые брандмауэры. Брандмауэром может быть специальный компьютер или компьютерная программа, препятствующая несанкционированному перемещению данных между сетями.

Контрольные вопросы и упражнения

1. На какие группы делится периферийное оборудование (ПО)?

2. Какие существуют критерии оценки ПО?

3. На какие классы делятся периферийные устройства по программному обслуживанию?

4. Что характерно для растровых устройств?

5. Какие виды изображений существуют в современных САПР?

6. Что называют графическим процессором?

7. Что входит в состав графической рабочей станции?

8. Что представляют собой устройства графического вывода?

9. Как подразделяются печатающие устройства?

10. Как работают термопечатающие устройства?

11. Как работают струйные печатающие устройства?

12. Что характерно для лазерной печати?

13. Поясните основное назначение устройств ввода.

14. Какие основные операции осуществляют устройства ввода?

15. Что входит в машинную графику?

16. Что представляют собой компьютерные сети?

17. Как происходит обмен данными в компьютерной сети?

Тема 8. Методическое обеспечение САПР. Математический и лингвистический виды обеспечений

8.1 Назначение и состав методического обеспечения САПР

Методическое обеспечение САПР включает в себя: теорию процессов, происходящих в схемах и конструкциях РЭС; методы анализа и синтеза схем и конструкций радиоэлектронных устройств, систем и их составных частей, их математические модели; математические методы и алгоритмы численного решения систем уравнений, описывающих схемы и конструкции РЭС. Указанные компоненты методического обеспечения составляют ядро САПР. В методическое обеспечение САПР входят также алгоритмические специальные языки программирования, терминология, нормативы, стандарты и другие данные. Разработка методического обеспечения САПР РЭС требует специальных знаний в областях радиотехники, электроники, в частности, системотехники, схемотехники и микроэлектроники, конструирования и технологии производства РЭС. Следовательно, разработка методического обеспечения САПР РЭС -- прерогатива специалистов в области радиотехники и электроники.

Обычно в качестве обособленных блоков в методическом обеспечении выделяются математическое и лингвистическое обеспечения.

Математическое обеспечение -- это совокупность математических моделей, методов и алгоритмов для решения задач автоматизированного проектирования.

Лингвистическое обеспечение представляет собой совокупность языков, используемых в САПР для представления информации о проектируемых объектах, процессе и средствах проектирования и для осуществления диалога между проектировщиками и ЭВМ.

Если математическое и лингвистическое обеспечения являются полностью самостоятельными в составе САПР, то под методическим обеспечением САПР понимают входящие в ее состав документы, регламентирующие порядок ее эксплуатации.

Документы (методики, организационные, директивные документы), относящиеся к процессу создания САПР, не входят в состав методического обеспечения. Данное уточнение весьма принципиально, так как даже специалисты в области САПР нередко рассматривают методическое обеспечение САПР как методы их разработки.

Однако отдельные документы, выпущенные при создании и для создания САПР, могут войти в состав САПР и использоваться при ее эксплуатации. Например, для создания САПР разрабатываются структуры и описания баз данных, инструкции по их заполнению и ведению. Эти документы могут остаться неизменными и стать частью методического обеспечения САПР. Порядок разработки такого рода документов, относящихся к процессу создания САПР и затем включаемых в ее состав, а также обязательный состав эксплуатационных документов определены государственными стандартами.

Компоненты методического обеспечения создаются на основе перспективных методов проектирования, поиска новых принципов действия и технических решений, эффективных математических и других моделей проектируемых объектов, применения методов многовариантного проектирования и оптимизации, использование типовых и стандартных проектных процедур, стандартных вычислительных методов.

Совершенствование организации работ в области автоматизации проектирования направлено на централизованное создание типовых программно-методических комплексов (ПМК) в целях их широкого тиражирования. Такие комплексы должны включать наряду с программами для вычислительной техники и базами данных еще комплекты документации. При применении ПМК указанная документация становится частью методического обеспечения САПР [7].

8.2 Математическое обеспечение САПР

Основу этого компонента САПР составляют алгоритмы, по которым разрабатывается программное обеспечение САПР и, следовательно, осуществляется процесс автоматизирования проектирования САПР. Математическое обеспечение (МО) при автоматизированном проектировании в явном виде не используется, а применяется производный от него компонент -- программное обеспечение.

Вместе с тем разработка МО является самым сложным этапом создания САПР, от которого при использовании условно одинаковых технических средств в наибольшей степени зависят производительность и эффективность функционирования САПР в целом.

МО любых САПР по назначению и способам реализации делится на две части. Первую составляют математические методы и построенные на их основе математические модели, описывающие объекты проектирования или их части или вычисляющие необходимые свойства и параметры объектов.

Вторую часть составляет формализованное описание технологии автоматизированного проектирования.

В составе любой САПР эти части МО должны органично взаимодействовать.

Способы и средства реализации первой части МО наиболее специфичны в различных САПР и зависят от особенностей процесса проектирования.

Развитие и совершенствование методов в данной части -- процесс постоянный. Создание САПР стимулирует эти работы, и прежде всего -- в части разработки оптимизационных методов проектирования.

Сложнее обстоит дело с разработкой второй части МО. Формализация процессов автоматизированного проектирования в комплексе оказалась более сложной задачей, чем алгоритмизация и программирование отдельных проектных задач. При решении задач данной части должна быть формализована вся логика технологии проектирования, в том числе логика взаимодействия проектировщиков друг с другом с использованием средств автоматизации. Указанные проблемы решались и решаются в настоящее время эмпирическим путем, главным образом методом проб и ошибок.

Следовательно, МО САПР должно описывать во взаимосвязи объект, процесс и средства автоматизации проектирования. Для совершенствования МО выделяют два направления работ:

1. Развитие методов получения оптимальных проектных решений, в том числе ориентированных на автоматизированное проектирование.

2. Совершенствование и типизацию самих процессов автоматизированного проектирования.

Анализ существующих методов решения оптимизационных задач автоматизированного проектирования показал следующее:

· к числу важнейших вопросов методологии современного проектирования относится выбор критериев эффективности вариантов проектных решений, что, как правило, требует решения многокритериальных задач оптимизации;

· теоретически наиболее эффективными при поиске оптимальных проектных решений являются методы нелинейного математического программирования;

· в связи с практической сложностью и высокой трудоемкостью поиска оптимальных проектных решений с помощью точных математических методов существует поиск эффективных проектных решений на основе создания специальных "банков знаний"(фондов описаний объектов, технических решений, а также типовых эвристических методов).

Тема 9. Лингвистическое обеспечение САПР

Это совокупность языков, используемых в процессе разработки и эксплуатации САПР для обмена информацией между человеком и ЭВМ. Термином "язык" в широком смысле называют любое средство общения, любую систему символов или знаков для обмена информацией.

Лингвистическое обеспечение САПР состоит из языков программирования, проектирования и управления.

Языки программирования служат для разработки и редактирования системного и прикладного программного обеспечения САПР. Они базируются на алгоритмических языках -- наборе символов и правил образования конструкций из этих символов для задания алгоритмов решения задач.

Языки проектирования -- это проблемно-ориентированные языки, служащие для обмена информацией об объектах и процессе проектирования между пользователем и ЭВМ.

Языки управления служат для формирования команд управления технологическим оборудованием, устройствами документирования, периферийными устройствами ЭВМ.

Существуют различные уровни языков программирования: высокие, более удобные для пользователя, и низкие, близкие к машинным языкам.

Программа, записанная на некотором языке программирования высокого уровня, называется исходной. Прежде чем исходная программа будет исполнена, она должна быть преобразована в машинную форму, соответствующую ЭВМ данного типа. Подобные преобразования осуществляются специальными программами, называемыми языковыми процессорами.

Основные типы языковых процессоров -- трансляторы и интерпретаторы; соответственно преобразования программ называют трансляцией и интерпретацией.

Трансляцией называют перевод всего текста программы на исходном языке (исходной программы) в текст на объектном языке (объектную программу). Если исходный язык является языком высокого уровня, а объектный -- машинным, то транслятор называют компилятором. Если исходный язык -- машинно-ориентированный (в автокоде), а объектный -- машинный, то транслятор называют ассемблером. Если исходный и объектный языки относятся к одному уровню, то транслятор называют конвертером.

По методу трансляции (компиляции) сначала исходная программа переводится на машинный язык, а затем скомпилированная рабочая программа исполняется.

При интерпретации перевод исходной программы в рабочую совмещены во времени; очередной оператор исходной программы анализируется и тут же исполняется.

В большинстве случаев применение трансляторов приводит к меньшим затратам машинного времени, но к большим затратам машинной памяти, чем при интерпретации.

Совокупность языка программирования и соответствующего ему языкового процессора называют системой программирования.

Классификация языков программирования представлена на рис. 13.

Класс машинно-зависимых языков представлен Ассемблером (макроассемблером). Он относится к языкам низкого уровня и применяется для написания программ, явно использующих специфику конкретной аппаратуры.

К машинно-ориентированным языкам относится язык СИ (разработан в 1972 г.). В нем объединяются достоинства низкоуровневых возможностей ассемблеров и мощных выразительных средств языков программирования высокого уровня. Язык СИ является одним из претендентов на роль основного языка программирования в САПР и ориентирован на разработку системных программ. Он, в частности, послужил главным инструментом для создания операционных систем для ЭВМ UNIX и MS DOS.

Язык Фортран является первым универсальным языком высокого уровня (с 1954 г.). Наиболее эффективен при численных расчетах, прост по структуре и удобен при выполнении программ. Несмотря на свои недостатки, этот язык получил большое распространение при разработке прикладных программ для решения научных задач. Самая популярная в настоящее время версия этого языка -- Фортран-77.

Идеи Фортрана получили развитие в языке PL/I (создан в 1964 г.). В нем сделана попытка преодолеть некоторые недостатки, свойственные языкам для больших ЭВМ, и использованы идеи структурного программирования. В настоящее время имеются различные версии этого языка: PL/M, PL/Z, PL/65 и др. Как язык программирования PL/M, в частности, значительно уступает конкурирующим с ним языкам Паскаль и Модула-2.

Язык Паскаль является одним из наиболее популярных языков программирования и применяется для разработки системных и прикладных программ, в частности, для персональных ЭВМ. Язык Паскаль создан вначале исключительно для учебных целей и изящно реализовал большинство идей структурного программирования.

Достоинства языка оказались столь значительными, что он приобрел огромную популярность для самых различных приложений.

В частности, компилятор Turbo Pascal, снабженный интерактивным редактором, позволяет создавать достаточно сложноепрограммное обеспечение -- системы управления базами данных, графические пакеты и т. д.

Развитием Паскаля являются языки Модула-2 (в Европе) и Ада (в США). Язык Модула-2 обладает лучшими средствами для обработки больших программных комплексов и позволяет более эффективно использовать особенности аппаратуры. Таким образом, этот язык призван заполнить ниши между Паскалем и СИ. По оценке специалистов, язык Модула-2 через несколько лет станет наиболее популярным среди всех языков программирования.

Язык Ада можно назвать наиболее универсальным среди созданных языков. Однако трансляторы с этого языка пока не получили достаточного распространения.

Язык Алгол -- общепризнанный язык для публикации алгоритмов решения научных задач, построен на четких и полных определениях. Для Алгола характерны строгие, но негибкие структуры данных и программ. Алгол труден для реализации на большинстве ЭВМ, поэтому используются неполные варианты языка или его расширения.

Язык Кобол, разработанный для решения экономических задач, будучи широко распространен на больших и средних ЭВМ прошлых лет, на персональных ЭВМ почти не применяется. На ЭВМ имеются интегрированные системы, базы данных и другие типы прикладных систем, используемые в задачах экономического и управленческого характера.

Самыми распространенными на ЭВМ являются различные версии языка Бейсик, простота которого делает его превосходным средством для начинающих программистов. В языке встроены удобные функции для работы с экраном дисплея, клавиатурой, внешними накопителями, принтером, каналами связи. Это позволяет относиться к Бейсику как к продолжению аппаратуры ПЭВМ. Системы Бейсика работают в режиме интерпретации, что способствует сокращению характерного цикла в работе программиста: составление программы -- пробное исполнение -- исправление ошибок -- повторное исполнение. Бейсик наряду с Паскалем принят во многих учебных заведениях как базовый язык для изучения программирования.

Рис. 13. Классификация языков программирования

Язык АПЛ применяется для обработки структурных данных (векторов, матриц) и использует иероглифическую запись программных текстов. Из-за большого числа иероглифов (около 100) его иногда называют китайским Бейсиком.

К классу проблемно-ориентированных языков можно отнести Лого, CPSS, Форт и Смолток.

Язык Лого -- диалоговый процедурный язык, реализованный на принципе интерпретации и работающий со списками, текстами, графическими средствами и т.д. Язык очень перспективен для обучения, создания электронных игрушек и т.д.

Развитием проблемно-ориентированных языков является объектно-ориентированный подход (языки Смолток, Форт, Модула и Ада). Отличительными особенностями таких языков можно назвать модульность построения процедур, абстракцию данных, динамическую связку программ (позволяет отказаться от перекомпилирования всей программы при внесении изменений в отдельные модули) и использование механизма наследования иерархического типа.

К недостаткам таких языков относятся некоторая замедленность выполнения программ из-за их динамической связи и сложность трансляторов.

Язык Смолток предназначен для решения нечисловых задач при построении систем искусственного интеллекта. В языке Форт применены структурное программирование и очень компактный машинный код.

Для разработки систем искусственного интеллекта также используются функциональные языки Лисп, Пролог и СНОБОЛ. Эти языки ориентированы на обработку символьной информации, требуют больших массивов данных и стали применяться в ПЭВМ в связи с появлением дешевой полупроводниковой памяти, позволяющей довести объем ОЗУ до нескольких мегабайт. Языки этого класса относятся к так называемым языкам представления знаний.

Язык Лисп применяется для программирования интеллектуальных задач -- общение на естественном языке, доказательство теорем, принятие решений и т.п.

Язык Пролог приобрел в последние годы большую популярность в связи с японским проектом создания вычислительных систем пятого поколения. Он предназначен для создания широкого класса систем искусственного интеллекта, в том числе и персональных экспертных систем.

При использовании САПР приходится не только решать задачи вычислительного характера и обработки данных, но и автоматизировать описание объектов, процессы ввода, вывода и редактирования данных, ввода графических изображений, схем, чертежей и т.п. Для этой цели служат языки проектирования.

Классификация языков проектирования приведена на рис. 14.

Языки проектирования делят на: входные, выходные, сопровождения, промежуточные и внутренние.

Входные языки служат для задания исходной информации об объектах и целях проектирования. Во входных языках можно выделить две части: непроцедурную, служащую для описания структур объектов, и процедурную, предназначенную для описания заданий на выполнение проектных операций.

Рис. 14. Классификация языков проектирования

Языки сопровождения служат для непосредственного общения пользователя с ЭВМ и применяются для корректировки и редактирования данных при выполнении проектных процедур. В диалоговых режимах работы с ЭВМ средства языков входного, выходного и сопровождения тесно связаны и объединяются под названием диалогового языка. Современные диалоговые языки широко используют средства машинной графики (графический диалог). Диалог с ЭВМ может быть пассивным, когда инициатор диалога -- система и от пользователя требуются только простые ответы, и активным при двусторонней инициативе диалога. Наиболее распространенная форма пассивного диалога -- это система встроенных, в том числе иерархических, директивных меню.

Недиалоговые системы языков сопровождения ориентированы на пакетный режим работы ЭВМ.

Промежуточные языки используются для описания информации в системах поэтапной трансляции исходных программ. Введение таких языков облегчает адаптацию программных комплексов САПР к новым входным языкам, т.е. делает комплекс открытым поотношению к новым составляющим лингвистического обеспечения.

Внутренние языки устанавливают единую форму представления данных (текстовой и графической информации) в памяти ЭВМ поподсистемам САПР. Принимаются определенные соглашения об интерфейсах отдельных программ, что делает САПР открытой поотношению к новым элементам программного обеспечения.

В качестве примера современного языка проектирования можно указать язык VHDL (VHSIC -- hardware description language) -- язык описания аппаратуры на базе сверхвысокоскоростных интегральных схем. Этот язык принят в качестве стандарта как инструментальное средство автоматизации проектирования СБИС, ориентированное на методологию нисходящего проектирования. Он является достаточно универсальным, чтобы охватить все аспекты проектирования изделий в области цифровой электроники.

Контрольные вопросы и упражнения

1. Что включает в себя методическое обеспечение САПР?

2. Входят ли в состав методического обеспечения документы, посвященные созданию САПР?

3. На основе чего создаются компоненты методического обеспечения?

4. Что составляет основу математического обеспечения САПР?

5. Каковы пути совершенствования математического обеспечения?

6. Назовите языки лингвистического обеспечения САПР.

7. Для чего служат языки программирования?

8. Для чего служат языки проектирования?

9. Для чего служат языки управления?

10. Что называется исходной программой?

11. Каково назначение исходной программы?

12. Каково назначение языкового процессора?

13. Что называется трансляцией?

14. Что называется ассемблером?

15. Что называется системой программирования?

Тема 10. Программное обеспечение САПР

10.1 Программное обеспечение САПР. Прикладное программное обеспечение САПР РЭС. Системное программное обеспечение

Программное обеспечение САПР представляет собой совокупность всех программ и эксплуатационной документации к ним, необходимых для автоматизированного проектирования. Физически в состав ПО входят [7, 30, 16]:

· документы с текстами программ;

· программы, записанные на машинных носителях информации;

· эксплуатационные документы.

· ПО конкретной САПР включает в себя программы и документацию для всех типов ЭВМ, используемых в данной САПР.

Составляющие программного обеспечения САПР, а также требования к его разработке и документированию установлены государственными стандартами.

ПО САПР подразделяется на общесистемное и специализированное.

Общесистемное ПО содержит набор программных средств, которые предназначены для повышения эффективности использования вычислительных комплексов САПР и производительности труда персонала, обслуживающего эти комплексы. К функциям общесистемного ПО относятся:

1. управление процессом вычислений;

2. ввод, вывод и частично обработка информации;

3. диалоговая взаимосвязь с пользователем в процессе проектирования;

4. решение общематематических задач;

5. хранение, поиск, сортировка, модификация данных, необходимых при проектировании, защита их целостности и защита от несанкционированного доступа;

6. контроль и диагностика работы вычислительного комплекса.

Три первые и последняя из указанных функций реализуются в современных вычислительных комплексах на базе операционных систем (ОС), т.е. комплекса программ, управляющих ходом выполнения рабочих программ и использованием всех ресурсов вычислительного комплекса (ВК).

Для решения общематематических задач в состав общесистемного ПО включают соответствующие библиотеки стандартных программ. Для хранения и использования различных данных создаются специальные системы управления базами данных (СУБД).

Специализированное ПО включает в себя прикладные программы и пакеты прикладных программ (ППП), основной функцией которых является получение проектных решений.

Конкретный состав общесистемного ПО зависит от состава технических средств вычислительного комплекса САПР и устанавливаемых режимов обработки информации на этом комплексе.

Операционные системы включают в себя программы двух групп (рис. 15):

· обрабатывающие программы, составляющие подсистему подготовки программ пользователя (внешнее программное обеспечение);

· управляющие программы, образующие группу исполнения программ пользователя (внутреннее программное обеспечение).

Рис. 15. Структура общесистемного программного обеспечения САПР

К обрабатывающим программам относятся трансляторы с алгоритмических языков, библиотеки стандартных программ и системные обслуживающие программы.

Группа управляющих программ включает в себя программы управления задачами, заданиями и данными.

Программа управления задачами (супервизор, диспетчер, монитор, резидентная программа) находится в оперативной памяти и выполняет все необходимые диспетчерские функции -- переключение с выполнения одной программы на другую, распределения ресурсов времени и оперативной памяти между программами. Супервизор реализует мультипрограммный режим работы ЭВМ или режим разделения времени.

Программы управления заданиями выполняют интерпретацию директив языка управления заданиями: ввод, трансляция, загрузка впамять ЭВМ, решение, вывод информации.

Программы управления данными обеспечивают поиск, хранение, загрузку в оперативную память и обработку файлов.

Прикладное программное обеспечение представляют пакеты прикладных программ (ППП) для выполнения различных проектных процедур. Они разрабатываются на основе единого внутреннего представления графической и текстовой информации, единого входного языка, строятся по модульному принципу и ориентированы на использование непрограммистом-проектировщиком.

Различают несколько типов ППП в зависимости от состава пакета. Пакеты прикладных программ простой структуры характеризуются наличием только обрабатывающей части -- набора функциональных программ (модулей), каждая из которых предназначена для выполнения только одной проектной процедуры. Объединение нужных модулей осуществляется средствами операционной системы ЭВМ.

Пакеты прикладных программ сложной структуры и программные системы появились в результате развития прикладного программного обеспечения. В первых из них имеется собственная управляющая часть -- монитор, во вторых, кроме того, -- языковой процессор с проблемно-ориентированным входным языком. Программные системы вместе с соответствующим лингвистическим и информационным обеспечением называют программно-методическими комплексами САПР.

Управляющая часть программного обеспечения имеет иерархическую организацию, и в общем случае в ней можно выделить различные уровни: уровень операционных систем вычислительной сети, операционных систем отдельных ЭВМ, мониторных систем САПР и мониторов отдельных ППП.

Основные функции управляющей части: связь с пользователем в режиме диалога, планирование вычислительного процесса, распределение вычислительных ресурсов, динамическое распределение памяти и другие.

Специализированное ПО САПР создается с учетом организации и возможностей общесистемного программного обеспечения. В целом состав и структура ПО определяются составом и структурой САПР и ее подсистем.

С развитием и совершенствованием вычислительной техники (ВТ) все большее значение приобретает такой компонент общесистемного программного обеспечения, как операционная система. Возможности, предоставляемые современными вычислительными комплексами, в большей степени определяются их операционными системами (ОС), чем техническими устройствами.

Операционные системы организуют одновременное решение различных задач на ВТ, динамическое распределение каналов передачи данных и внешних устройств между задачами, планирование потоков задач и последовательности их решения с учетом установленных приоритетов, динамическое распределение памяти вычислительного комплекса, обеспечивают работу в различных режимах (с фиксированным и переменным числом задач в интерактивном режиме).

Операционные системы постоянно совершенствуются, развиваются, создаются новые ОС для новых поколений или семейств ВТ.

Системное программное обеспечение включает программы, осуществляющие управление, контроль и планирование вычислительного процесса, распределение ресурсов, ввод/вывод данных и другие операции в подсистемах САПР. Его подразделяют на две части. Первая часть -- общесистемное ПО, которое представлено операционными системами. Они используются в САПР. Другая часть -- базовое программное обеспечение, включающее программы обслуживания подсистем САПР (мониторные системы, СУБД, графические и текстовые редакторы).

К программному обеспечению предъявляются следующие требования:

· экономичность (эффективность по быстродействию и затратам памяти);

· удобство использования, применение простых проблемно-ориентированных языков;

· наличие средств диагностики ошибок пользователя;

· надежность и правильность получения результатов проектирования;

· универсальность по отношению к тем или иным ограничениям решаемых задач;

· открытость (адаптируемость) относительно внесения изменений в процессе эксплуатации программ;

· сопровождаемость, характеризующая работоспособность программ при внесении изменений в них;

· мобильность при перестройке программ с ЭВМ одного типа на ЭВМ другого типа.

Программное обеспечение целесообразно разрабатывать на основе принципов модульности и иерархичности. Операционная система является основным компонентом системного программного обеспечения САПР.

Принципы модульности и иерархичности позволяют организовать коллективную параллельную разработку различных частей программного обеспечения, создавать открытые программные системы, облегчают их комплексную отладку и информационное согласование.

Выделяют системный уровень разработки прикладного программного обеспечения, уровень прикладных программ и уровень подпрограмм (модулей).

Связи между отдельными программными модулями могут быть реализованы по управлению, информации, размещению и воздействию.

Связи модулей по управлению могут быть двух типов: последовательные связи между модулями без возврата в предыдущий модуль и иерархические связи с подчиненностью модулей различных уровней.

Связи модулей по информации проявляются в передаче числовых массивов в несколько модулей пакета. Этот аспект взаимодействия модулей затрагивает проблемы построения информационного обеспечения САПР.

Связи модулей по размещению указывают группы модулей, одновременно размещаемых в оперативной памяти на различных этапах проектирования.

Связи модулей по воздействию отражают такие воздействия одних программ на другие, которые приводят к изменению самих программ, например, воздействие языковых процессов на рабочие программы. Внутри рабочих программ связи модулей по воздействию стараются исключить.

К настоящему времени разработано большое количество пакетов прикладных программ САПР электрических и электронных средств. В качестве примеров можно привести ДИСП, САМРИС-2, СПАРС, АРОПС, КРОСС. Из зарубежных систем можно отметить пакеты MicroCAP, PSPICE, P-CAD, SPADE.

Значительное число этих пакетов ориентировано на автоматизацию проектирования печатных плат, цифровых и аналоговых интегральных схем, операционных усилителей, низкочастотных радиотехнических устройств.

Однако на данное время существует недостаточно пакетов программ проектирования радиочастотных, в том числе мощных устройств, радиоэлектронных средств СВЧ, пакетов, посвященных комплексному построению и интеграции радиочастотных средств, включающих в себя как усилители, так и пассивные радиочастотные устройства, вплоть до антенн и СВЧ-устройств.

Развитие программного обеспечения САПР требует все более значительных затрат высококвалифицированного труда. Стоимость многих промышленных САПР составляет миллионы долларов. Поэтому актуальной становится разработка САПР второго порядка, или САПР САПРов. Пока таких систем еще не существует, но прогресс в этом направлении наблюдается. В отличие от традиционных САПР, в таких системах результат имеет нематериальный (информационный) характер. Различие результатов вызвано различными языками описания предметных областей: в одном случае -- чертежи, схемы, устройства, а в другом -- программа проектирования. Однако и в том, и в другом случае возможен единый системный методологический подход к проектированию: становится актуальным создание и развитие банка инженерных знаний, необходимых для проектирования.

10.2 Программы конструкторского проектирования РЭС

Существуют чисто конструкторские пакеты, обеспечивающие более полное решение различных задач конструкторского проектирования РЭС.

Пакет программ P-CAD фирмы Personal CAD Systems Inc. -- это полное комплексное программное решение для проектирования электронных устройств, в частности, ввода схемы и проектирование схемной печатной платы. Комплексное решение предполагает, что логика, описанная в схеме, воплощается в топологию печатной платы. Программы осуществляют функции логического моделирования, проверяют соблюдение правил проектирования, создают список соединений для моделирования, автоматически размещают компоненты, трассируют печатную плату и создают документы для автоматизированных производственных систем. Пакет содержит взаимодействующие средства проектирования, удобную для пользователя оболочку и интеллектуальную базу данных, обширную библиотеку, диалоговые редакторы, средства сопряжения с популярными средствами анализа. Пакет имеет открытую архитектуру, обеспечивает выдачу готовых документов для технологии монтажа и другую проектную документацию.

Вывод документации после контроля на дисплее может осуществляться на принтер, плоттер или фотоплоттер. Оболочка системы помогает пользователю двигаться сквозь процесс проектирования с помощью меню, подсказок и правок. Система проектирования печатной платы обеспечивает средства для полной разработки топологии: от диалогового редактора до автоматического размещения компонентов, автотрассировки, проверки соблюдения правил проектирования и сопряжения с производством.

Библиотека пакета содержит обширную информацию о компонентах электронных схем от дискретных и электромеханических деталей до существующих и заказных микросборок интегральных схем. Программные средства сопряжения превращают данные из списка соединения компонентов схемы в формат, необходимый для конкретной программы моделирования цифровой и аналоговой схемы (типа PSPICE). Пакет позволяет проектировать печатные платы, имеющие до 500 элементов и 2000 связей.

Пакет программ Or CAD фирмы Or CAD System Corp. является законченным и гибким программным блоком схемотехнического и конструкторского проектирования. Он обеспечивает ввод и вывод на печать принципиальных схем, трассировку печатной платы и другие операции. Пакет управляется с помощью иерархической разветвленной системы меню, легок в обучении пользованию, обладает многими дополнительными возможностями ввода и вывода схем.

Библиотека пакета содержит более 2700 изображений компонентов РЭС; можно легко создавать собственные начертания элементов. Простым нажатием клавиши легко выполняются многие графические операции при вводе и выводе схем: увеличение и уменьшение масштаба, преобразование (вращение, перенос, отображение) элементов и любых заданных фрагментов схемы. В системе предусмотрены создание перечня элементов (спецификаций), возможность разведения проводников, шин, входов модулей.

Пакет Or CAD в настоящее время является самым удобным и богатым по своим возможностям для ввода и вывода графических изображений принципиальных схем РЭС.

Пакет имеет удобный выход на подсистемы моделирования и анализа РЭС, а также другие графические пакеты (PSPICE, P-CAD).

Пакет универсального назначения AutoCAD фирмы Auto Desk разработан на самом современном уровне машинной графики и предоставляет разработчику исключительно широкие возможности проектирования разнообразных объектов, технических систем и устройств: домов, печатных плат, станков, деталей и одежды. Пакет представляет собой систему автоматизированной разработки чертежей, причем чертежи, рисунки и схемы создаются в интерактивном режиме, управляемом системой иерархических меню. В любой чертеж может быть вставлен поясняющий текст. В набор функций входит панорамирование, увеличение, масштабирование, поворот, секционирование, штриховка и другие операции преобразования изображений. В системе предусмотрены подсказки в любом состоянии и для любой команды.

В пакете разработан богатый выбор драйверов графических устройств -- графических дисплеев, матричных принтеров, графических планшетов и плоттеров. Одним из важнейших достоинств пакета является возможность работы с трехмерной графикой, позволяющей строить реальные объекты, которые можно наблюдать в различных ракурсах (при желании невидимые линии на изображении стираются). Применен специальный метод полилиний для вывода сложных кривых контуров деталей.

Система AutoCAD непрерывно совершенствуется. Так, в последние версии системы включен интерпретатор языка Auto Lisp -- одной из версий языка LISP, широко применяемого в символьной обработке и в системах искусственного интеллекта. Использование этого языка позволяет пользователю, с одной стороны, определять собственные функции и команды в среде AutoCAD, с другой -- обеспечивать связь AutoCAD с другими приложениями.

Сейчас начинают появляться еще более сложные системы, включающие не только язык программирования, но и экспертные системы (экспертные настройки) для принятия решений и подсказок конструктору в процессе разработки. В эти настройки включен набор правил и математических моделей; конструктор в процессе работы может получить "советы" по оптимальному выбору тех или иных параметров разрабатываемой системы.

10.3 Функции и структуры операционных систем

Функции и структуры операционных систем имеют различия в одно- и многопроцессорных вычислительных системах, многомашинных комплексах и вычислительных сетях. Соответственно этому операционная система должна обеспечить одно- или мультипрограммный режим работы ЭВМ, режим мультиобработки задач, совместное функционирование уровней и подсистем САПР через специальную мониторную систему.

Для персональных ЭВМ наибольшее распространение получили операционные системы UNIX, MS DOS, Windows и другие.

Система UNIX достаточно проста по организации, легко переносится с одной машины на другие, ориентирована на пользователя-программиста. Система UNIX -- это мультипрограммная система с коллективным доступом. Она обладает целым рядом достоинств: возможностью организации многоуровневой и многозадачной работы, высокой мобильностью, иерархической файловой структурой, гибким и богатым командным языком, богатой библиотекой сервисных процедур и функций. Эта система в настоящее время главным образом используется в исследовательских и учебных целях.

Широкое распространение в ПЭВМ получила операционная система MS DOS, являющаяся базовой для ЭВМ серии IBM PC и стандартом операционной системы для 16- и 32-разрядных персональных компьютеров. Система имеет развитый командный язык, возможности организации многоуровневых каталогов, работы с последовательными устройствами как с файлами, подключения дополнительных драйверов внешних устройств. Имеются трансляторы практически для всех популярных языков высокого уровня.

Важным достоинством операционных систем является возможность поддержки в ОЗУ так называемых виртуальных дисков. Под виртуальным диском понимается область ОЗУ, обращение к которой происходит точно так же, как если бы это был реальный физический диск. Подобное построение системы позволяет существенно повысить скорость записи и доступа к информации и значительно снизить нагрузку (число обращений) на реальный диск.

Для персональных ЭВМ разработан новый класс общесистемного программного обеспечения -- так называемые программы-оболочки, которые существенно расширяют и дополняют понятие операционной системы. В традиционных операционных системах управляющие команды вводятся с клавиатуры; такой способ взаимодействия не нагляден и недостаточно удобен. С использованием программ-оболочек в полноэкранном режиме выполняются наиболее часто встречающиеся операции при работе с системой: просмотр содержимого каталога на дисках, переход из одного каталога в другой, копирование, перемещение и удаление файлов, запуск программ. Примерами таких программ-оболочек являются Norton Commander, Windows. Некоторые современные операционные системы имеют собственные программы-оболочки.

В последние годы началось активное вторжение персональных ЭВМ в обработку текстов, графических данных и т.д. В связи с этим специальным классом программного обеспечения выделились интегрированные пакеты программ, текстовые редакторы и динамические электронные таблицы.

Располагая текстовым редактором, персональную ЭВМ с печатающим устройством можно легко превратить в электронную пишущую машинку, по своим возможностям намного превосходящую обычные машинки: легкость изменения текста, исправления ошибок, вставка и удаление текста, распечатка в любом числе копий в различных форматах с использованием различных шрифтов и другие.

Известны текстовые редакторы Лексикон, Chi-Writer, Word, MultiMate и др.

Интересными программами являются динамические электронные таблицы, в ячейках которых могут помещаться тексты, числа и математические формулы, устанавливающие взаимосвязь между элементами ячеек. При работе программы может быть построена и рассчитана модель сложной системы, например предприятия, учреждения, другого экономического объекта. Современные динамические электронные таблицы (например, Lotus 1-2-3 FRAME WORK) включают в себя кроме собственно таблицы также текстовой редактор, СУБД, подсистему машинной графики, полиэкранный интерфейс, средства телекоммуникационной связи.

Контрольные вопросы и упражнения

1. Что представляет собой ПО САПР?

2. Перечислите документы, которые входят в состав ПО САПР.

3. Какова структура общесистемного ПО?

4. Поясните классы системного ПО.

5. Приведите примеры операционных систем для ПЭВМ.

6. Приведите основные характеристики и примеры прикладного программного обеспечения САПР РЭС.

7. Какие функции выполняет программа управления задачами?

8. Какие функции выполняет программа управления заданиями?

Что представляет собой ППП?

Что характерно для ППП простой структуры?

Чем характеризуется ППП сложной структуры и программные системы?

9. Что называется программно-методическим комплексом САПР?

10. Какие функции выполняет операционная система?

11. Перечислите связи между отдельными программными модулями.

12. Какие ППП используются для проектирования РЭС?

Тема 11. Информационное обеспечение САПР

11.1 Назначение, сущность и составные части информационного обеспечения (ИО) САПР

Основное назначение ИО САПР -- уменьшение объемов информации, требуемой в процессе проектирования от разработчика РЭС, иисключение дублирования данных в прикладном, программном и техническом обеспечении САПР [7].

ИО САПР состоит из описания стандартных проектных процедур, типовых проектных решений, типовых элементов РЭС, комплектующих изделий и их моделей, материалов, числовых значений параметров и других данных. Эти данные в закодированной форме записываются на машинных носителях: магнитных лентах и магнитных дисках.

Кроме того, в ИО САПР входят правила и нормы проектирования, содержащиеся в соответствующей нормативно-технической документации, а также информация о правилах документирования результатов проектирования. Структура и содержание ИО САПР, а также характер его использования зависят от степени развития банка данных.

Данные ИО обычно группируются в отдельные массивы, каждый из которых относится к определенному объекту описания. Такие массивы называются файлами. Вся совокупность файлов образует базу данных, которую можно многократно использовать при проектировании различных РЭС для различных этапов и уровней.

Для создания, расширения, корректировки и коллективного использования данных создаются специальные системы управления базами данных (СУБД). Совокупность баз данных, систем управления файлами, а также относящихся к ним программных, языковых, технических и организационных средств называется банком данных. Следовательно, банки данных (БНД) являются составной частью ИО САПР и состоят из баз данных (БД) и систем управления базами данных (СУБД). БНД создаются как обслуживающие подсистемы САПР и предназначены для автоматизированного обеспечения необходимыми данными проектирующих подсистем САПР. По назначению СУБД является элементом информационного обеспечения, так как организует автоматизированное обеспечение проектировщика информацией, а по содержанию это комплекс программ, то есть элемент программного обеспечения.

Состав БД определяют с учетом характеристик объектов проектирования (технических, метрологических, эксплуатационных), характеристик процесса проектирования (типовые проектные решения, описания технологических операций с вариантами их реализации), действующих нормативных и справочных данных, ранее созданных в организации информационных массивов.

Основные требования к базам данных: установление многосторонних связей по производительности -- пропускной способности; минимальная избыточность по затратам на создание и эксплуатацию БД; целостность и возможность поиска данных; безопасность и секретность от несанкционированного доступа; связь с разработанными и проектируемыми БД; простота; возможность настройки и перемещения данных. Последние требования составляют концепцию автоматизированных информационных систем, обладающих адаптацией СУБД к данной предметной области с учетом динамики ее развития.

...