Математическое и программное обеспечение САПР
Находясь за пультом терминального устройства и ведя диалог с ЭВМ на принятом в данном САПР языке, инженер должен хорошо ориентироваться также в вопросах математического обеспечения САПР. Именно математическое обеспечение определяет внутреннее содержание процедур взаимодействия инженера с ЭВМ. Знание особенностей математических моделей, методов и алгоритмов решения проектных задач необходимо инженеру для постановки задач, для правильной формулировки исходных данных и интерпретации получаемых результатов, при принятии решений об использовании тех или иных компонентов математического обеспечения в процессе решения проектных задач как в пакетном, так и в диалоговом режимах.
При автоматизации проектирования специфика проектируемых объектов находит отражение прежде всего в их математических моделях. Однако, несмотря на то, что математические модели разных объектов также различны, имеется ряд общих положений, справедливых для многих областей техники и относящихся к принципам и методам моделирования.
Блочно-иерархическое представление объектов проектирования естественным образом включает в себя и математическое представление, т.е. на каждом иерархическом уровне используются свои математические модели, сложность которых согласована с возможностями анализа.
К математическим моделям предъявляют требования точности, экономичности, универсальности.
Точность математической модели - ее свойство, отражающее степень совпадения предсказанных с помощью модели значений параметров объекта с истинными значениями этих параметров.
Экономичность математических моделей (в частности, и машинных расчетных методов) оценивается затратами машинного времени Тм, а также числом внутренних параметров, используемых в ней.
Степень универсальности математических моделей определяется их применимостью к анализу более или менее многочисленной группы однотипных объектов, к их анализу в одном или многих режимах функционирования.
Математическая модель представляет собой приближенное описание какого-либо класса объектов (или явлений) при помощи символов математики и логики. Поэтому говорят еще о логико-математических моделях. Математическая модель относится к классу знаковых моделей, в которых, в отличие от предметной модели, используются знаковые образования: схемы, графики, чертежи, формулы, графы, слова и т.д. В математической модели символы математики и логики всегда рассматриваются вместе с определенными математическими и логическими операциями над ними, которые выполняют человек или машина. Совокупность математических приемов и операций, подчиненных решению конкретной задачи (или определенного класса задач), принято называть математическим методом.
Таким образом, при математическом моделировании имеется знаковая модель объекта и осуществляется целенаправленное воздействие на нее при помощи математических методов.
При неавтоматизированном проектировании человек также имеет дело с моделями проектируемого объекта - чертежами, схемами и т.д. и использует совокупность определенных операций, в том числе математических и логических. Однако для выполнения этих операций человеку не требуется слишком формального их описания, так как он в значительной мере опирается на знания, опыт и интуицию.
При автоматизированном проектировании, когда часть проектных операций возлагается на вычислительную машину, математическое моделирование процесса проектирования обязательно.
Переход от математической модели к машинной программе возможен через промежуточное звено - алгоритм.
В математике под алгоритмом понимают точно определенные правила действия, для которых даны указания, как и в какой последовательности эти правила необходимо применять к исходным данным задачи, чтобы получить конечный результат.
Основными характеристиками алгоритма являются определенность, дискретность, результативность и массовость.
Применительно к задаче автоматизированного проектирования (введено понятие алгоритм проектирования. Под алгоритмом проектирования понимается (по ГОСТ 22487-77) совокупность предписаний, необходимых для выполнения проектирования. Алгоритм проектирования должен обладать всеми вышеперечисленными свойствами алгоритма.
Математическое обеспечение САПР включает внутреннее и внешнее математическое обеспечение. Внутреннее математическое обеспечение (программное обеспечение, поставляемое с ЭВМ) -это машинно-ориентированная совокупность управляющих, служебных программ и средств автоматизации программирования, библиотеки стандартных машинных программ, предназначенные для повышения эффективности использования машин, облегчения ее эксплуатации и снижения трудоемкости подготовительной работы при решении задач на машине.
Внутреннее математическое обеспечение еще называют общим математический обеспечением ЭВМ. Общее МО решает задачу применения ЭВМ как некоторой универсальной системы обработки информации. Общее математическое обеспечение состоит из операционной системы; набора пакетов прикладных программ; комплекса программ технического обслуживания; системы документации на математическое обеспечение. Операционная система объединяет средства организации и управления процессом функционирования машины в различных режимах. Пакеты прикладных программ предназначены для решения типовых научно-технических, инженерно-экономических и специфических задач.
Комплекс программ технического обслуживания предназначен для профилактического контроля машины во время планового обслуживания, для контроля и локализации неисправностей в процессе эксплуатации ЭВМ (внеплановое обслуживание), для оперативной проверки работоспособности внешних устройств в мультипрограммном режиме, а также для наладки серийных образцов машин, В комплекс входят тестовые программы двух групп: программы, работающие под управлением операционной системы, и программы, работающие независимо от операционной системы.
К программам 1-й группы относятся программы сбора и редактирования информации, о сбоях процессора, селекторных и мультиплексных каналов, программы восстановления ЭВМ после сбоя, программы оперативной проверки устройств.
В состав программ 2-й группы входят: система наладочных тестовых программ проверки и обнаружения неисправностей отдельных устройств и модели в целом при их наладке; управляющая программа тест - монитор - самостоятельная программа, предназначенная для управления выполнения проверочных и диагностических тестов; система проверочных тестовых программ для контроля правильности функционирования всех устройств модели; диагностические средства, предназначенные для локализации места неисправности аппаратуры; служебные программы, предназначенные для генерации и обслуживания тестовых программ на магнитных носителях.
Наконец, четвертая часть общего математического обеспечения: - это система документации на математическое обеспечение.
Внешнее математическое обеспечение - совокупность проблемно-ориентированных, программ (пакетов прикладных программ по подсистемам) решения задач, а также программ управления вычислительным процессом и обслуживающих программ, дополняющих внутреннее математическое обеспечение.
Внешнее математическое обеспечение должно содержать решения общесистемных вопросов, а также постановки и алгоритмы решения задач.
Внешнее математическое обеспечение или специальное совместно с общим математическим обеспечением обеспечивает функционирование ЭВМ как некоторой специализированной системы обработки информации.
Специальное МО разрабатывается пользователем ЭВМ для решения своих конкретных задач с учетом всех возможностей, предоставляемых общим МО. В состав специального МО могут входить трансляторы с новых языков (не входящие в общее МО), разработанные пользователем, дополнительные программы контроля ЭВМ, программы решения отдельных задач или классов задач.
При создании САПР наибольшие затраты времени и средств обычно приходятся на разработку программного обеспечения. В программном обеспечении воплощаются результаты исследований по математическому, лингвистическому и методическому обеспечению. От характеристик и особенностей программ и реализованных в них моделей и алгоритмов определяющим образом зависят показатели эффективности САПР.
Общее программное обеспечение САПР составляют операционные системы используемых ЭВМ, а специальное программное обеспечение - пакеты прикладных программ (ППП). Инженер-пользователь САПР должен знать состав ППП, области применения и возможности каждой из программ, уметь задавать исходные данные, объединять программы в требуемые последовательности (маршруты). В ряде случаев от пользователя САПР может потребоваться включение в ППП отдельных оригинальных программных модулей.
Программное обеспечение ЭВМ есть совокупность программ, процедур и правил вместе со всей связанной с этими компонентами документацией, позволяющая использовать вычислительную машину для решения различных задач. Часть программного обеспечения, предназначенную для планирования и организации процесса обработки, ввода - вывода, управления данными, распределения ресурсов, подготовки и отладки программ и других вспомогательных операций обслуживания, называют операционной системой (ОС).
В САПР общее (системное) программное обеспечение и представляет собой операционную систему,
В отличие от программ операционной системы программы пользователей называют прикладными или проблемными программами. Следовательно, по отношению к операционной системе все программы специального программного обеспечения САПР являются прикладными.
Операционные системы включают в себя программы двух групп:
обрабатывающие, составляющие подсистему подготовки программ или внешнее программное обеспечение;
2) управляющие, образующие группу исполнения программ или внутреннее программное обеспечение.
Обрабатывающие программы - это в первую очередь трансляторы с алгоритмических языков. Кроме того, к ним относят библиотеки стандартных программ для решения типовых задач и системные обслуживающие (сервисные) программы.
В ОС ЕС имеются трансляторы с языков Фортран, ПДД, Алгол-60, Кобол, Ассемблера ЕС, причем для языка Фортран есть три транслятора, различающиеся по сложности и эффективности создаваемых объектных программ. Прикладную программу пользователя, написанную на алгоритмическом языке, называют исходным модулем.
Про грамма, пользователя перед исполнением проходит на машинах ЭВМ преобразования из исходного через объектный в загрузочный модуль в ОС ЕС. Эти преобразования осуществляются обрабатывающими программами - редактором связей, программой выборки, загрузчиком.
К обрабатывающим программам относят также программу сортировки и объединения для организации расположения информации на внешних запоминающих устройствах; программу-отладчик - для отладки программ, т.е. облегчения и ускорения поиска допущенных ошибок; программу перезаписи - для перемещения и печати файлов (файл - массив данных, расположенный во внешней: памяти); программу библиотекарь - для корректирования и обслуживания библиотек, входящих в ОС.
Управляющие программы составляют три группы программ: 1) управления задачами; 2) управления заданиями; 3) управления данными.
Управление задачами осуществляется основной управляющей программой - супервизором (ее иногда называют диспетчером, монитором или резидентной программой). Супервизор при исполнении программ пользователя находится в оперативной памяти и выполняет все необходимые диспетчерские функции - переключение с выполнения одной программы на выполнение другой, распределение ресурсов времени и оперативной памяти между программами. Другими словами, именно супервизор реализует мультипрограммный режим или режим разделения времени.
Программы управления заданиями выполняют интерпретацию директив языка управления заданиями. Такой язык должен быть в любой ОС для описания последовательности действий вычислительной системы при решении задач. Язык управления заданиями определяет те услуги, которые ОС предоставляет пользователю. Например, с помощью этого языка можно задать машине такую последовательность действий: ввод, трансляция, загрузка в память машины, решение, вывод информации. Эта группа программ реализует приоритетное исполнение программ, т.е. организует очереди заданий на каждом приоритетном уровне.
Программы управления данными обеспечивают поиск, хранение, загрузку в оперативную память и обработку файлов.
Существующие ОС, в том числе ОС ЕС, являются универсальными, рассчитанными на решение разнообразных задач (а большинство традиционных задач - это научные задачи и задачи обработки экономической информации). Но такая универсальность делает системы далекими от оптимальных с позиций конкретных задач конкретного пользователя. В этом смысле существующие ОС не являются оптимальными для применения в САПР.
Возможны два подхода к созданию общего программного обеспечения САПР: 1) создание проблемно-ориентированной ОС вместо универсальной ОС; 2) использование иерархического построения программного обеспечения с универсальной ОС на верхнем уровне и подчиненными, "вложенными" ОС на следующих уровнях.
Специфические для САПР требования к общему программному обеспечению удовлетворяются при создании "вложенной" операционной системы - мониторной системы САПР.
Техническое обеспечение САПР
Техническое обеспечение САПР - совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих технических средств (ТС), предназначенных для выполнения автоматизированного проектирования.
В техническом обеспечении САПР выделяют средства программной обработки данных, подготовки и ввода данных, передачи данных, отображения и документирования данных и архива проектных решений.
К техническим средствам в САПР предъявляются следующие требования: 1) достаточные производительность и емкость памяти используемых ЭВМ для решения задач всех этапов проектирования; 2) приемлемая стоимость; 3) удобство взаимодействия инженера-проектировщика с ЭВМ; 4) возможность одновременного обслуживания необходимого числа пользователей из различных проектных подразделений предприятия; 5) открытость комплекса ТС для расширения, модернизации и замены устаревших устройств более современными.
Два первых требования противоречивы. При проектировании сложных систем во многих областях техники встречается ряд задач, для решения которых уровень достаточной производительности лежит за пределами возможностей современной вычислительной техники. Поэтому для комплекса ТС САПР часто выбирают ЭВМ наибольшей производительности среди серийно выпускаемых промышленностью и обеспечивают решение всех необходимых проектных задач на основе блочно-иерархического подхода с помощью приспособления математического и программного обеспечений к возможностям выбранных ЭВМ. Для сравнительно небольших проектных организаций второе требование имеет большее значение. В САПР таких организаций используются ЭВМ средней производительности, при этом круг задач, решаемых на ЭВМ в автоматическом режиме сужается.
Удобство взаимодействия инженера с ЭВМ включает в свои несколько аспектов. Во-первых, устройства ввода-вывода информация из ЭВМ должны позволять оперативный обмен информацией. Во-вторых, эта информация должна иметь удобную для человека форму, например форму таблиц, графиков, чертежей. Последнее обусловливает необходимость иметь в составе ТС САПР специальные устройства машинной графики. В-третьих, устройства оперативного обмена информацией должны быть приближены к рабочему месту проектировщика. Следовательно, ЭВМ и некоторые устройства ввода-вывода, называемые терминалами, оказываются удаленными друг от друга на расстояниях от нескольких десятков метров до нескольких километров.
Для одновременного обслуживания необходимого числа пользователей ТС САПР должны включать в себя много терминалов, территориально разнесенных по различным подразделениям предприятия, и группируемые в комплексы, управляемые периферийными мини-ЭВМ, а центральная ЭВМ должна работать в режиме разделения времени, распределяя свои ресурсы между всеми обращающимися к ней пользователями.
Таким образом, удовлетворение требований, предъявляемых к ТС САПР, обусловливает организацию ТС в виде вычислительной сети - совокупности взаимодействующих и территориально разнесенных устройств хранения, переработки и ввода-вывода информации.
Вычислительная сеть включает в себя группы оборудования, называемые узлами и абонентскими пунктами. Узлы состоят из ЭВМ и служат для обработки информации и хранения базы данных. Абонентские пункты (удаленные терминалы) состоят из устройств ввода-вывода и служат для приема и выдачи информации человеку, работающему с вычислительной сетью. Кроме того, в вычислительную сеть входит аппаратура передачи данных (АПД), предназначенная для передачи информации между узлами и абонентскими пунктами. Необходимы также специальные технические средства для сопряжения ЭВМ и АПД.
Наиболее распространены вычислительные сети САПР с радиальной (централизованной или звездной) структурой. В такой сети одна или несколько ЭВМ высокой производительности составляют узел, называемый центральным вычислительным комплексом ЦВК. Абонентские пункты устанавливаются в помещениях проектных подразделений и называются автоматизированными рабочими местами АРМ инженеров-проектировщиков. Все АРМ связаны с ЦВК, но не имеют непосредственных связей друг с другом.
Существует несколько разновидностей АРМ. Обычно в АРМ входит набор устройств подготовки, ввода, отображения, документирования и хранения данных, которые в совокупности представляют собой достаточно сложный комплекс технических средств. Автономная связь каждого из этих устройств с ЦВК нерациональна: ЦВК перегружается работой по обмену информацией и управлению периферийными устройствами, растет стоимость АПД или время ожидания при обмене информацией. Поэтому в состав АРМ вводят дополнительную ЭВМ (обычно это мини- или микро-ЭВМ) - вычислительную машину меньшей производительности, но и меньших стоимости и габаритных размеров в сравнении с ЭВМ, применяемыми в ЦВК. Теперь связь всех устройств внутри АРМ реализуется с помощью внутреннего интерфейса - "общей шины", а выход на ЦВК происходит через мини-ЭВМ. С помощью мини-ЭВМ решается ряд простых задач, для которых совершенно не обязательно применять мощные вычислительные средства.
Обращения к ЦВК происходят только в случаях решения сложных задач или при запросах сведений из базы данных, находящейся в ЦВК.
Таким образом, ЦВК и множество АРМ образуют два иерархических уровня в структуре ТС САПР. Часто в САПР выделяется специальный уровень, называемый технологическим комплексом и включающий в себя ЭВМ и периферийное оборудование, предназначенное для получения управляющей информации для программно-управляемых технологических автоматов, таких, как металлорежущие станки с числовым программным управлением. Примерами оборудования в технологическом комплексе являются координатографы, фотонаборные установки для изготовления фотошаблонов интегральных схем и т.п. При наличии в САПР такого технологического комплекса оказываются тесно связанными средства автоматизации проектирования и изготовления изделий, что характерно для современных гибких автоматизированных производств.
Вычислительные сети крупных САПР могут иметь более сложную структуру, например, радиально-кольцевую или распределенную. Для таких САПР характерно наличие узлов с ЭВМ средней производительности, занимающих промежуточный уровень между ЦВК и АРМ. Каждый из этих узлов управляет работой нескольких АРМ, образуя вместе с ними радиальную подсеть. Между собой узлы промежуточного уровня связаны или в кольцо, или по схеме "каждый с каждым". Связь промежуточного уровня с ЦВК обычно осуществляется через один из узлов этого уровня.
Рассмотрим возможности и характеристики различных ТС в составе САПР.
Средства вычислительной техники разделяются на следующие подгруппы: электронные вычислительные машины; устройства ввода-вывода; устройства диалогового взаимодействия человека с ЭВМ; устройства подготовки данных; обучающие устройства.
Электронно-вычислительные машины, применяемые дли систем автоматизированного проектирования, принадлежат к машинам третьего поколения и поэтому образуют программно-аппаратный комплекс, состоящий из аппаратных средств ЭВМ и операционной системы ее.
В состав ЭВМ входят функциональные части: процессор; оперативная память; каналы ввода-вывода; накопители прямого доступа на магнитных барабанах и на магнитных дисках; накопители последовательного доступа на магнитных лентах.
Устройства ввода-вывода ЭВМ предназначены для автоматического ввода в ЭВМ программ и буквенно-цифровых исходных данных, заранее подготовленных (записанных) на машинных носителях: cd-дисках и дискетах, а также для автоматического вывода из ЭВМ буквенно-цифровых и графических результатов расчетов в форме, предназначенной для восприятия человеком, а также в форме, предназначенной для восприятия вычислительной машиной с машинных носителей информации.
Устройства диалогового взаимодействия человека с ЭВМ являются наиболее гибкими техническими средствами автоматизированного проектирования, так как позволяют создать эффективные человеко-машинные системы автоматизированного проектирования. Такие системы объединяют в себе творческие возможности человека по неформализованной переработки информации с высоким быстродействием ЭВМ, выполняющих формализованную переработку информации по указаниям человека-проектировщика, взаимодействующего с ЭВМ.
Устройства подготовки данных позволяют оператору перенести данные, подлежащие обработке с помощью ЭВМ, на машинные носители с документов, предназначенных для восприятия человеком.
В ряде устройств подготовки данных возможно применение специализированных мини-ЭВМ, особенно в устройствах, работающих с магнитной лентой, и для цифровой записи графической информации.
Для обучения и профессиональной подготовки персонала, обслуживающего технические средства, могут использоваться специальные обучающие экзаменующие машины и тренажеры, выполняемые, как правило, на основе использования средств вычислительной техники, в том числе и мини-ЭВМ.
Основными критериями при выборе технических средств для САПР являются: быстродействие, объем оперативной памяти и номенклатура устройств ввода-вывода; стоимость.
Режимы функционирования САПР
Пользователь-проектировщик может взаимодействовать с САПР в одном из двух режимов: пакетном или диалоговом.
Пакетный режим является наиболее простым режимом проектирования. В этом режиме ЭВМ решает автоматически все проектные задачи. Проектировщик должен лишь загрузить программу в ЭВМ и получить на АЦПУ или графопостроителе результаты проектирования. Однако пакетный режим применим лишь в том случав, когда в каждый момент разработки проекта программой предусмотрены все необходимые действия.
Диалоговый режим - режим проектирования, при котором периодически повторяется цикл: выдача машине задания, получение ответа и анализ ответа. Для эффективного применения диалогового режима необходимо, чтобы среднее время реакции ЭВМ было достаточно мало: от долей до нескольких секунд. Этот режим применяется в том случае, если при проектировании не удается заранее запрограммировать все действия. Достаточно часто возникает ситуация, когда невозможно установить дальнейшее направление проектирования. В этих случаях необходимо предварительно проанализировать промежуточные результаты, уточнить дополнительные данные, просмотреть возможные варианты решений, отобрать наилучшие и лишь после этого продолжить проектирование.
Эффективная реализация диалогового режима работы человека с ЭВМ стала возможна благодаря созданию индивидуальных пультов проектировщика, называемых автоматизированными рабочими местами (АРМ) проектировщика. В состав технических средств АРМ входят мини- или микро-ЭВМ, устройства отображения и ввода алфавитно-цифровой и графической информации. АРМ имеют связь с более крупной ЭВМ, расположенной в центральном вычислительном комплексе (ЦБК) или на следующем уровне иерархии САПР.
К устройствам отображения алфавитно-цифровой и графической информации относятся алфавитно-цифровой (АЦД) и графический (ГД) дисплеи, чертежные автоматы (ЧА). На экранах АЦД отображается текстовая информация, состоящая из букв, цифр, различных специальных символов. Эта информация необходима проектировщику для анализа процесса проектирования и принятия решений.
На ЧА отображается как текстовая, так и графическая информация в виде рисунков, чертежей, графиков и т.п. Информация, получаемая на ЧА, является документируемой, и ее можно хранить или включать в комплекты конструкторской документации.
Для ввода алфавитно-цифровой информации в ЭВМ применяются клавиатуры дисплеев, пультовые пишущие машинки типа "Консул-260". Ввод в ЭВМ графической информации практически любой сложности осуществляется с помощью устройств кодирования графической информации.
Перечисленное периферийное оборудование свидетельствует о широких возможностях АРМ в САПР. Они могут освободить проектировщика практически от всех графических и расчетных работ. С помощью САПР можно получить готовые чертежи и требуемые текстовые материалы, очень просто вводятся корректировки полученных результатов, причем корректировки автоматически вводятся во все выходные проектные документы быстро и точно.
Повышение эффективности использования АРМ в САПР достигается путем применения режима разделения времени. Действительно, получая информацию на видеотерминале АРМ о промежуточных результатах процесса проектирования, проектировщик должен обдумать и принять очередное решение. При этом ЦВК не загружен вычислениями и бездействует. Это снижает эффективность его использования. Для увеличения загрузки ЭВМ к ней подключается несколько АРМ. ЭВМ опрашивает поочередно АРМ и при наличии запроса обслуживает запрашивающего пользователя, а затем переходит к просмотру следующих терминальных устройств. Если запросов нет, то ЭВМ может решать какие-либо задачи пакетного режима, называемые фоновыми. Эти задачи могут не относиться непосредственно к данному процессу проектирования, но их решение увеличивает эффективность загрузки ЭВМ.
Экономическая эффективность САПР
Экономическая эффективность систем автоматизированного проектирования определяется следующими положениями: все задачи, решения которых целесообразно автоматизировать, разделяют на три класса:
1) простые (массовые) задачи, решение которых выполняется с достаточной точностью без применения ЭВМ в срок до 10 дней;
2) задачи средней сложности, решение которых традиционными методами выполняется в течение нескольких месяцев;
3) сложные (уникальные) задачи, возникающие при проектировании сложных объектов о использованием новых проектных решений и при поиске оптимальных проектных решений, которые при традиционных методах проектирования решаются весьма приближенно или совсем не решаются.
Годовая экономическая эффективность в рублях определяется по следующей формуле:
где m- количество объектов, рассчитанных по данной программе за год; n- количество задач, решенных по программе для каждого объекта; C1 - средняя стоимость задачи при традиционном способе проектирования с учетом средней квалификации исполнителя; С2- средняя плановая стоимость решения задачи с применением ЭВМ; ΔC - экономия стоимости строительства проектируемого объекта, грн.
Для простых задач и задач средней сложности величина С первоначально оценивается на основе ориентировочных (прогнозируемых) данных, а затем уточняется после годовой эксплуатации программ.
Для сложных задач величина С2 практически отсутствует, поэтому при оценке экономической эффективности программы для решения задач данного типа не учитывается. Величина ΔC, полученная за счет уточнения решения задач, дает экономию материалов и оборудования, а также за счет внедрения новых прогрессивных решений, полученных при помощи ЭВМ. Для проектных задач (массовых) величина ΔC не имеет практического смысла, так как составные ее части при решении на ЭВМ практически не влияют на экономический эффект. При решении задач подобного рода экономятся лишь трудозатраты на проектирование. Для сложных задач величина ΔC должна определяться по каждому объекту индивидуально.