Общие сведения. Техническое обеспечение САПР совместно с программным обеспечением является инструментальной базой САПР

Техническое обеспечение САПР совместно с программным обеспечением является инструментальной базой САПР, в среде которой реализуются другие виды обеспечения САПР.

Компоненты технического обеспечения САПР включают в себя средства вычислительной и организационной техники, средства передачи данных, измерительные и другие устройства или их сочетания. Требования к составу и структура технических средств формируются исходя из общих требований к структуре САПР, эффективного решения заданного класса задач проектирования, активного включения пользователя в процесс проектирования, возможности работы с графическим материалом, включая процессы как ввода и обработки, так и вывода информации.

При выборе технических средств САПР, обеспечивающих интерактивное взаимодействие конструктора с процессом решения, следует руководствоваться следующим:

• используемая ЭВМ должна позволять организовать работу определенного числа пользователей (т. е. удовлетворять требованиям по производительности) в режиме коллективного пользования;

• используемое терминальное оборудование должно отвечать эргономическим, эстетическим требованиям и требованиям эффективности работы.

Конкретное оборудование определяется классом решаемых в САПР задач, т.е. структурный состав комплекса технических средств определяется только в условиях конкретной разработки на основе анализа состава решаемых задач.

Эволюция развития комплекса технических средств САПР характеризуется созданием территориально рассредоточенных многомашинных систем сбора, хранения и обработки информации, ревизованных в виде вычислительных сетей. Последние, рассредоточенные на небольших территориях предприятий и объединяющие в единую информационную систему АРМ пользователей, ЭВМ и микроЭВМ, графопостроители, терминальные станции и другую специализированную аппаратуру, называют локальными вычислительными сетями (ЛВС). Локальные вычислительные сети имеют открытую архитектуру, обеспечивающую возможность подключения к сети любых других ЛВС, в том числе 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 и 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 микроЭВМ»;

высокую надежность и достоверность функционирования, высокую производительность;

применение разнообразного проблемно-ориентированного программного обеспечения, централизованных и локальных БД с необходимым объемом памяти;

работу с автоматизированными рабочими местами различного назначения и 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 конструкторов, механиков и т.д.

Основное назначение ЛВС — распределение ресурсов ЭВМ (программ, совокупности периферийных устройств, терминалов, памяти) для эффективного решения задач автоматизированного проектирования.

Локальные вычислительные сети должны иметь надежную, быструю и дешевую систему передачи данных, а стоимость передачи единицы информации должна быть значительно ниже стоимости обработки единицы информации.

2. Электронные вычислительные машины в САПР

Основой комплексов технических средств САПР являются разнообразные ЭВМ от простейших микроЭВМ до сложнейших суперЭВМ.

При определении возможности использования той или иной ЭВМ в составе технических средств САПР их оценивают по совокупности различных показателей, главные из которых технические характеристики, стоимость приобретения и эксплуатации.

История создания и развития САПР неразрывно связана с историей возникновения ЭВМ. Эра электронных вычислительных машин началась в 1945 г., когда в США была построена первая действующая ЭВМ — ENIAC. Она содержала 18 000 электронных ламп, потребляла 150 кВт электроэнергии и обладала следующими характеристиками: операция сложения занимала 0,2 мс, а операция умножения — 2,8 мс. Объем памяти для чисел составлял 20 ячеек, память для программ отсутствовала, а программирование осуществлялось с помощью штекеров и переключателей.

Первая ЭВМ с хранимой в памяти программой появилась в Англии в 1949 г. По быстродействию она существенно не отличалась от ENIAC, но имела память из 512 ячеек. В последующие годы появились и другие ЭВМ, отличающиеся от первых более высоким быстродействием, увеличенным объемом памяти и более развитыми средствами ввода-вывода программ и данных.

В СССР к разработке ЭВМ приступили в конце 1940-х гг. В 1950 г. в Институте электротехники АН УССР в Киеве была испытана первая отечественная ЭВМ на электронных лампах — малая электронная счетная машина (МЭСМ). В 1952 г. была создана большая электронная счетная машина (БЭСМ), которая после модернизации в 1954 г. имела высокое для того времени быстродействие — 10 000 операций/с. Серийный выпуск ЭВМ начался в 1953 г. (ЭВМ «Стрела», М-2, М-3 и др.).

Историю ЭВМ принято делить на поколения. К первому поколению относятся ламповые машины. В 1948 г. был изобретен транзистор, а через несколько лет, примерно с 1955 г., появились транзисторные ЭВМ, относящиеся ко второму поколению. Они были компактнее, экономичнее и надежнее ламповых ЭВМ. В СССР первая серийная транзисторная ЭВМ «Раздан-2» была создана в 1961 г., а в последующие годы начался выпуск транзисторных ЭВМ «Минск», «Урал», БЭСМ-4 и.др.

К третьему поколению, возникшему примерно с 1964 г., принадлежат вычислительные машины на интегральных схемах. Применение интегральных схем позволило резко уменьшить размеры создаваемых ЭВМ, повысить их надежность и сократить потребление энергии. В СССР наиболее популярными вычислительными машинами третьего поколения были ЭВМ Единой системы (ЕС), представленные целым рядом типов или моделей, совместимых между собой (например, ЕС-1020, ЕС-1040, ЕС-1050 и др.). К этому поколению относятся также БЭСМ-6 и малые вычислительные машины, или мини-ЭВМ: СМ-2, СМ-4, «Электроника-100» и др-

В 1971 г. в разных странах были созданы принципиально новые интегральные схемы, в которых с помощью оригинальных технологических методов резко, в десятки и сотни, а позднее и в тысячи раз повысилось количество транзисторов, входящих в схему, без увеличения ее габаритных размеров. Такие интегральные схемы назвали большими интегральными схемами (БИС). Появление БИС стало началом рождения миниатюрных вычислительных машин четвертого поколения — микроЭВМ, или микрокомпьютеров. «Сердце» микрокомпьютера — микропроцессор. Первый микропроцессор был создан в США в 1971 г. В последующие годы были разработаны микрокомпьютеры, которые, уступая большим и мини-ЭВМ по объему памяти и некоторым другим показателям, имели несравненное преимущество в стоимости, компактности, экономичности, надежности, простоте производства и эксплуатации; эти достоинства предопределили широкое распространение микрокомпьютеров и их внедрение во все сферы деятельности человека. Появились и стали привычными для людей персональные микрокомпьютеры, предназначенные для автоматизации деятельности, связанной с умственным трудом и рутинными вычислениями и подсчетами (в середине 1970-х гг. — микрокомпьютер LSI-11 фирмы DEC, а в 1981 г. — первый персональный компьютер фирмы IBM).

В СССР микроЭВМ появились в середине 1970-х гг. Один из первых отечественных микрокомпьютеров — 16-разрядная микромашина «Электроника-60» широко применялась в системах автоматического и автоматизированного управления технологическими процессами, станками, роботами, в контрольно-измерительном оборудовании, для решения различных вычислительных задач. В конце 1970-х гг. был создан микрокомпьютер СМ-1800, положивший начало 8-разрядным микромашинам в СССР. В 1981 г. появился одноплатный микропроцессорный вычислитель «Электроника НЦ-8001Д», на основе которого в 1982 г. была разработана первая модель микрокомпьютеров семейства диалоговых вычислительных комплексов (ДВК), за которой последовали новые, более совершенные модели. Следует упомянуть также микрокомпьютеры «Электроника-85», ЕС-1840, ЕС-1841 и «Искра-1030». На смену 8- и 16-разрядным пришли 32-разрядные микрокомпьютеры, которые по своему быстродействию, объему оперативной памяти и другим техническим характеристикам приблизились к большим ЭВМ.

Все аппаратные средства ЭВМ делятся на две группы устройств: центральные и периферийные.

К центральным устройствам, осуществляющим непосредственно обработку данных, относятся центральный процессор и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).

Центральный процессор предназначен для преобразования информации в соответствии с выполняемой программой, управления вычислительным процессом и устройствами, работающими совместно с процессором.

Оперативное запоминающее устройство выполняет функции хранения, приема и выдачи данных и программ.

К периферийным устройствам относятся устройства, выполняющие функции ввода, вывода, подготовки данных и хранения больших объемов информации. Общим для всех периферийных устройств является то, что они преобразуют данные из одной формы представления в другую, не изменяя их содержания.

Одновременная работа нескольких периферийных устройств обеспечивается тем, что их скорость работы обычно существенно ниже быстродействия канала ввода-вывода, который может осуществлять обмен с несколькими периферийными устройствами, распределяя между ними время использования общих средств.

Функции управления процессом обмена данными распределяются между каналом и устройством управления периферийными устройствами (контроллером периферийных устройств): в канале реализуются функции, общие для всех периферийных устройств, а в контроллере — специфические для данного периферийного устройства.

Периферийные устройства, используемые в комплексе технических средств САПР, можно разделить на следующие группы:

• внешние запоминающие устройства, предназначенные для хранения больших объемов информации, организации БД, содержащих различную справочную информацию, типовые проектные решения и т.п.;

• устройства ввода-вывода и документирования символьной информации, осуществляющие ввод-вывод информации с различных носителей и документирование полученных проектных решений;

• устройства оперативного взаимодействия с ЭВМ, позволяющие инженеру обращаться к САПР в произвольные моменты времени удобными для него способами (обычно это различные дисплеи и устройства речевого ввода-вывода);

• устройства машинной графики, предназначенные для формирования, ввода-вывода и документирования информации, представленной в графической форме;

• технические средства теледоступа и организации сетей ЭВМ, осуществляющие связь ЭВМ с удаленными пользователями САПР, между всеми ЭВМ, входящими в комплекс технических средств САПР при организации сети проектирования, и между комплексом технических средств САПР и вычислительной сетью;

• устройства связи с технологическим оборудованием, позволяющие, минуя промежуточные носители, непосредственно передавать данные о спроектированных объектах системам автоматизации производства, станкам с числовым программным управ¬лением и другому оборудованию;

• устройства подготовки данных, предназначенные для подготовки данных и программ на различных носителях автономно без

участия ЭВМ.

К основным техническим параметрам ЭВМ относят разрядность машинного слова, производительность, емкость ОЗУ, пропускную способность подсистемы ввода-вывода информации, надежность функционирования и др.

Производительность — один из важнейших показателей ЭВМ, измеряемый количеством операций, выполняемых в единицу времени (в секунду). Для разных типов ЭВМ этот показатель колеблется от нескольких сотен до сотен миллионов операций в секунду и более. Производительность зависит не только от свойств самой ЭВМ, но и от особенностей обрабатываемой информации (разрядности обрабатываемых слов, формы представления чисел — с плавающей или фиксированной точкой, частоты повторения различных операций в общем потоке выполняемых программ и др.) и определяется с помощью тестовых наборов задач (предварительно выявляется процентное содержание команд разного типа). Здесь необходимо отметить, что значения производительности ЭВМ, приводимые в различной справочной литературе (в том числе и в данном издании), могут использоваться только для ориентировочной оценки реальной производительности при решении конкретных задач автоматизированного проектирования. Для большинства проектных процедур в САПР наиболее приемлемы оценки производительности, полученные для класса научно-технических задач.

Емкость ОЗУ определяет возможности ЭВМ по выполнению сложных программ с обработкой больших объемов информации. Емкость ОЗУ может выражаться в битах, байтах, словах, килобайтах, мегабайтах и т. п. Наиболее распространена оценка емкости ОЗУ в байтах, килобайтах (1 Кбайт = 1024 байт), мегабайтах (1 Мбайт = 1024 Кбайт), гигабайтах (1 Гбайт = 1024 Мбайт). Емкость ОЗУ для ЭВМ, используемых в САПР, достигает гигабайт.

Пропускная способность подсистемы ввода-вывода ЭВМ позволяет определить возможности ЭВМ при обмене информацией с различными периферийными устройствами или другими ЭВМ. Она измеряется максимальным количеством единиц информации, переданных через подсистему ввода-вывода за единицу времени. Чаще всего пропускная способность измеряется количеством переданных в секунду байт, килобайт, мегабайт и изменяется от сотен байт в секунду до десятков и сотен мегабайт в секунду.

По производительности и характеру использования ЭВМ можно условно подразделить:

на микроЭВМ, в том числе персональные ЭВМ (ПЭВМ);

мини-ЭВМ;

суперЭВМ.

МикроЭВМ — это компьютеры, в которых центральный процессор выполнен в виде микропроцессора.

Лучшие модели микрокомпьютеров могут иметь несколько микропроцессоров. Производительность компьютера определяет-

ся не только характеристиками применяемого микропроцессора, но и емкостью оперативной памяти, типами периферийных устройств, качеством конструктивных решений и др.

Микрокомпьютеры представляют собой инструменты для решения разнообразных сложных задач. Их микропроцессоры с каждым годом увеличивают мощность, а периферийные устройства — эффективность. Быстродействие таких ЭВМ порядка 1 — 10 миллионов операций в секунду, объем оперативного запоминающего устройства — сотни и тысячи мегабайт.

Персональные компьютеры (ПК) — это микрокомпьютеры универсального назначения, рассчитанные на одного пользователя и управляемые одним человеком. В класс персональных компьютеров входят различные машины — от дешевых домашних и игровых с небольшой оперативной памятью, с памятью программы на кассетной ленте и обычным телевизором в качестве дисплея (1980-е гг.) до сверхсложных машин с мощным процессором, накопителями на магнитных дисках емкостью в десятки гигабайт, с цветными графическими устройствами высокого разрешения, средствами мультимедиа и другими дополнительными устройствами.

Персональный компьютер должен удовлетворять следующим требованиям:

• наличие внешних запоминающих устройств на магнитных

дисках;

• объем оперативной памяти не менее 32 Мбайт;

• наличие операционной системы;

• способность работать с программами на языках высокого уровня;

• ориентация на пользователя-непрофессионала (в простых

моделях).

МикроЭВМ — не единственное современное направление развития вычислительной техники.

Продолжается совершенствование и больших ЭВМ. На их основе, а также с использованием мини- и микрокомпьютеров создаются вычислительные сети, охватывающие предприятия, города, целые страны и группы стран. Достигнутое к настоящему времени на некоторых типах машин быстродействие (миллиарды операций в секунду) и объем оперативной памяти (сотни гигабайт) не являются предельными.

Миникомпъютерами и суперминикомпъютерами называют машины объемом порядка 0,5 м3, конструктивно выполненные в одной стойке. По своим возможностям они занимают промежуточное положение между микрокомпьютерами и суперкомпьютерами.

Для выполнения сверхсложных, ресурсоемких расчетов приходится использовать очень мощные вычислительные средства. Са¬мые производительные компьютеры называют суперкомпьютерами, которые представляют собой комплекс программно-аппаратных средств, обслуживающего оборудования и инфраструктуры. Чтобы оптимально загрузить вычислительные мощности суперкомпьютера, требуется иметь целую сеть вспомогательных компьютеров, сверхскоростные каналы передачи информации и специальные управляющие алгоритмы.

Суперкомпьютеры — это очень мощные компьютеры производительностью свыше 100 Мфлоп (1 Мфлоп — миллион операций с плавающей точкой в секунду), представляют собой многопроцессорные и (или) многомашинные комплексы, работающие на общую память и общее поле внешних устройств.

Архитектура суперкомпьютеров основана на идеях параллелизма и конвейеризации вычислений. Все суперкомпьютеры имеют несколько независимых процессорных блоков (от сотни до нескольких тысяч). Память может быть доступна целиком каждому процессору или может быть поделена на зоны ответственности каждого процессора. В то же время каждый процессор может иметь свою собственную быструю память для ускорения локальных расчетов. Несмотря на то, что максимальная производительность суперкомпьютера может превосходить в тысячи раз производительность обычных компьютеров, скорость вычислений при запуске на суперкомпьютере обычной программы окажется всего в несколько раз выше, поэтому при написании программ для суперкомпьютеров необходимо учитывать большое количество одновременно работающих процессоров и оптимально распределять задачи между ними.

В этих машинах параллельно, т. е. одновременно, выполняется множество похожих операций, что называется мультипроцессорной обработкой. Сверхвысокое быстродействие на суперкомпьютере обеспечивается только для задач, поддающихся распараллеливанию (конвейерной обработке).

Что такое конвейерная обработка? Приведем сравнение. На каждом рабочем месте конвейера выполняется одна операция производственного процесса, а на всех рабочих местах в одно и то же время обрабатываются различные изделия на всевозможных стадиях. По такому же принципу устроено арифметико-логическое устройство суперкомпьютера.

Отличительной особенностью суперкомпьютеров являются векторные процессоры, оснащенные аппаратурой для параллельного выполнения операций с многомерными цифровыми объектами — векторами и матрицами. В них встроены векторные регистры и Параллельный конвейерный механизм обработки. Если на обычном процессоре программист выполняет операции над каждым компонентом вектора по очереди, то на векторном выдает сразу векторные команды. Векторная аппаратура очень дорога, в частности потому, что требуется много сверхбыстродействующей памяти под векторные регистры.

Наиболее распространенные суперкомпьютеры — массово-параллельные компьютерные системы. Они имеют десятки тысяч процессоров, взаимодействующих через сложную, иерархически организованную систему памяти.

В качестве примера рассмотрим характеристики многоцелевого массово-параллельного суперкомпьютера среднего класса Intel Pentium Pro 200. Этот компьютер содержит 9200 процессоров Pentium Pro на 200 МГц, в сумме (теоретически) обеспечивающих производительность 1,34 Тфлоп (1 Тфлоп равен 1012 операций с плавающей точкой в секунду), имеет 537 Гбайт памяти и диски емкостью 2,25 Тбайт. Масса системы 44 т, а кондиционеров для нее — 300 т; потребляемая мощность 850 кВт.

Суперкомпьютеры используют для решения сложных и ресурсоемких научных задач (метеорология, гидродинамика и т.п.), в управлении, разведке, в качестве централизованных хранилищ информации и т.д. Среди типичных задач для суперкомпьютера можно перечислить следующие: моделирование физических процессов, расшифровка кодов (в том числе генетических), обработка больших массивов информации, управление распределенной сетью абонентских компьютеров.

Некоторые технические характеристики современных суперкомпьютеров приведены в табл. 5.1.

В настоящее время АРМ проектировщиков, как правило, построены на базе микроЭВМ, которые могут обращаться к ЭВМ более высокого уровня, в случаях, когда ресурсов микроЭВМ (особенно памяти) недостаточно. Иерархическая структура такого вычислительного комплекса представлена на рис. 5.1.

СуперЭВМ для автоматизации проектирования обычно не применяются, однако они используются для решения сопутствующих задач, связанных, например, с физикой процессов, происходящих в различных технических системах.

Дата добавления: 2014-01-04