Разработка технического обеспечения САПР

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Контрольные вопросы и задания

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

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

3. Что представляют собой ЭВМ класса ОКОД?

4. Что означает аббревиатура "ОКМД"?

5. Поясните работу ЭВМ класса МКМД.

6. Что представляет собой РС-сервер?

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

8. Как делятся задачи в зависимости от сложности вычисления?

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

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

11. Поясните основное назначение ЛВС.

12. Поясните принцип единых протоколов.

13. Что понимается под принципом единой передающей среды?

14. Что понимается под активной структурой?

15. Что характерно для пассивной структуры?

16. Поясните принцип единого метода управления.

17. Что предусматривает принцип информационной и программной совместимости?

18. Что предусматривает принцип гибкой модульной организации?

7. Лекция: Технические средства САПР и их развитие (окончание)

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

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

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

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

качество изображения;

скорость формирования изображения;

стоимость оборудования и его эксплуатации;

особенности программного обеспечения.

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

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

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

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

средства ввода/вывода с машинных носителей;

средства ввода/вывода с документов;

средства непосредственного взаимодействия с ЭВМ.

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

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

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

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

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

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

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

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

проекции трехмерных изображений с закрашиванием поверхностей;

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

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

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

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

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

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

Печатающие устройства по порядку вывода делятся на:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

номинальная скорость печати — 4 стр./мин;

емкость лотка для подачи бумаги — 50 листов;

емкость приемного лотка — 20, 50 листов;

минимальная емкость буферной памяти — 512 Кб;

максимальная емкость буферной памяти—4,5 Мб;

интерфейсы с ЭВМ — последовательный и параллельный;

ресурс кассеты с тонером — 3500 страниц;

масса — 10 кг.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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