Учебное пособие 883

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ БАЗАМИ ДАННЫХ

Системы управления базами данных (СУБД) позволяют управлять большими информационными массивами - базами данных. Часто необходимо решать задачи, в которых участвует много различных видов объектов и соответственно много информационных массивов, связанных друг с другом различными соотношениями. В таких случаях требуется создавать специализированные информационные системы, в которых нужная обработка данных выполняется наиболее естественным для пользователя способом - с удобным представлением входных данных, выходных форм, графиков и диаграмм, запросов на поиск и т. д. Для решения таких задач используются сложные СУБД, позволяющие с помощью специальных средств (обычно - языков программирования) описывать данные и действия с ними.

Графические редакторы позволяют создавать и редактировать изображения на экране компьютера. Большинство редакторов позволяют обрабатывать изображения, полученные с помощью сканеров, а также выводить полученные изображения в таком виде, чтобы они могли быть включены в документ, подготовленный с помощью текстового редактора. Графические редакторы обеспечивают возможность получения изображения трехмерных объектов, преобразования растровых изображений в векторный формат.

Системы деловой и научной графики позволяют наглядно представлять различные зависимости, выводить на экран разнообразные виды графиков и диаграмм (гистограммы, круговые и секторные диаграммы), графики функций (заданных в табличном или аналитическом виде), линии уровня поверхностей, диаграммы рассеяния.

ПРОБЛЕМНО-ОРИЕНТИРОВАННОЕ ПРИКЛАДНОЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Проблемно-ориентированное прикладное программное обеспечение имеет более узкую специализацию и предназначено

91

для обработки информации в предметной области. В электромеханике и электроэнергетике проблемноориентированное прикладное программное обеспечение используется для автоматизированного проектирования различных технических объектов.

Проблемно-ориентированное прикладное программное обеспечение представляет собой совокупность целевых программных средств, с помощью которых реализуются различные этапы процесса автоматизированного проектирования. Состав и функции этого обеспечения зависят от задач проектирования, вида проектно-конструкторской и технологической документации, архитектуры технических средств.

Характерные черты проблемной ориентации в области проектирования имеют системы CAD - Computer Aided Desing (системы автоматизированного или компьютерного проектирования), которые осуществляют автоматизацию расчетных и конструкторских работ.

Лидером среди систем CAD является система автоматизированного проектирования AutoCAD, предназначенная для применения в машиностроении, электронике, электромашиностроении, строительстве, архитектуре и других областях, где требуется построение чертежей, схем, диаграмм, а также создание художественных и рекламных изображений.

AutoCAD - первый программный продукт фирмы Autodesk, созданной в апреле 1982 года, когда в ее состав входило всего 15 программистов. Первая версия системы поступила в продажу в конце 1982 года. Характеристики системы оказались столь привлекательными для пользователей, что спрос на нее постоянно растет, и в настоящее время можно констатировать, что AutoCAD фактически играет роль стандарта для САПР.

Основу системы AutoCAD составляет графический редактор, предназначенный для создания и редактирования геометрических элементов чертежа. Изображение формируется с помощью набора базовых графических примитивов. Система поддерживает графические примитивы и атрибуты следующих

92

типов: точки, линии, дуги, ломаные, окружности, поверхности, тела, блоки, а также текст.

Линии, дуги и окружности можно вычерчивать сплошными и пунктирными линиями различных типов. Кроме того, имеются возможности задавать гарнитуру, размер и тип шрифта. Из графических примитивов можно формировать составные объекты-блоки. Блок рассматривается системой как единый объект, который можно перемещать и удалять целиком, независимо от сложности его внутренней структуры. Каждый блок может содержать другие блоки, причем допускается несколько уровней вложения.

Все геометрические построения производятся в декартовой системе координат. Пользователь устанавливает шаг координатной сетки, который может быть задан в миллиметрах, дюймах и т.п. В системе реализованы возможности автоматизированного проставления линейных и угловых размеров. Можно также задавать обозначения диаметров и радиусов изображаемых окружностей и дуг.

Управление системой осуществляется с помощью специального командного языка. Команды могут быть введены с клавиатуры или выбраны из экранного меню. Требуемые для выполнения команд параметры могут быть введены заранее либо в диалоговом режиме. Последние версии системы AutoCAD содержат дополнительные сервисные средства, например двухуровневое "ниспадающее меню", графический интерфейс. Многочисленные дополнения к системе AutoCAD, разрабатываемые как фирмой Autodesk, так и другими фирмами, еще более упрощают управление системой.

По желанию пользователя фрагменты чертежа могут сохраняться в виде отдельных файлов для последующего использования. Это существенно упрощает процедуру формирования новых чертежей и позволяет накапливать типовые изображения узлов и деталей. Пользователь может распределить фрагменты чертежа по различным уровням, реализуя часто используемый в черчении принцип "наложения". С каждым уровнем чертежа связываются определенные цвет и тип линий.

Для облегчения работы с чертежами различных видов в системе предусмотрено использование прототипа чертежа.

93

Прототип представляет собой заранее подготовленный набор данных постоянной части изображения для чертежей определенного вида (например, рамку определенного формата, основную надпись и т.п.).

Для архивирования чертежей и обмена данными с другими системами в системе AutoCAD предусмотрен "формат обмена чертежами". Этот формат позволяет передавать данные системы AutoCAD в базы данных других систем проектирования, а также анализировать и модифицировать чертежи.

Отличительная черта системы AutoCAD - чрезвычайно широкий набор поддерживаемых периферийных устройств. Система может функционировать и на IBM-совместимых ПК минимальной конфигурации, однако позволяет существенно повысить эффективность работы при подключении дополнительных устройств.

Одна из причин широкого распространения системы AutoCAD - постоянные усилия фирмы Autodesk, направленные на поощрение разработок, расширяющих области ее применения. Проводя работу в этом направлении, фирма координирует усилия десятков фирм, создающих различные дополнения к системе

AutoCAD.

Для того, чтобы существенно расширить возможности системы AutoCAD, используется система управления базой данных Abase, которая представляет собой комплекс программных средств, предназначенных для обработки графических изображений и текстов с целью информационной поддержки процесса проектирования. СУБД Abase позволяет хранить данные, а также быстро создавать и извлекать рисунки и параметрические объекты, обеспечивая таким образом связь системы AutoCAD с базами данных. Совместно с ней работает программа Glisp, автоматически генерирующая программы на языке AutoLISP. Использование языка программирования AutoLISP позволяет осуществлять обмен данными с внешними файлами, полученными в процессе расчетного проектирования, и передавать информацию в графический редактор системы AutoCAD. Программное управление командами графического редактора дает возможность получить на экране монитора изображение графической модели любой детали объекта

94

проектирования с нанесенными размерами и необходимыми разрезами и сечениями в соответствии с существующими стандартами и передать его на устройство вывода графической информации.

Ситема КОМПАС-ГРАФИК, разработанная фирмой АСКОН, стала реальной альтернативой AutoCAD уже в конце 80-х годов. Система КОМПАС-ГРАФИК изначально была ориентирована на выпуск чертежей и полную поддержку ЕСКД. Система КОМПАС - это новое поколение высокоэффективной конструкторской графики с совершенными технологиями проектирования и инструментальными средствами, которые отвечают самым современным требованиям. Система включает мощный чертежно-конструкторский редактор со средствами интерактивной параметризации, модуль управления документами, готовые библиотеки для различных областей применения, прикладные конструкторские пакеты, инструментальные средства разработки приложений.

Система CADdy, разработанная немецкой фирмой ZIEGLER, впервые появилась на рынке в конце 1983 года и включала лишь редактор чертежей. В 1984-1987 годы к нему были добавлены модули для проектирования в машиностроении, электронике, геодезии, что сразу привлекло к системе многочисленных пользователей. В 1988 году фирма полностью переработала систему на базе новой концепции интеграции и выпустила помимо немецкоязычной англо-, а позднее - и русскоязычную версии. Интегрированная система автоматизированного проектирования CADdy имеет более 70 модулей разного назначения.

При рассмотрении архитектуры CADdy удобно пользоваться аналогией с Microsoft Windows - эти системы похожи по концепции. Как и в Windows, ядро CADdy содержит общие для всех модулей функции управления ресурсами ПК, подсистему аппаратно-независимой графики и интерфейса пользователя. Ядро CADdy обеспечивает управление ресурсами и взаимные вызовы программ-приложений.

Подсистема графического интерфейса предоставляет программам-приложениям унифицированные функции построения изображений и взаимодействия с пользователем и

95

доступ к общей структуре графических и служебных данных. В системе CADdy весь интерфейс пользователя строится на окнах меню и командный язык отсутствует.

Разработчики системы CADdy ориентировались на использование в своей программной среде мощных приложений, созданных другими фирмами, специализирующимися в тех или иных областях проектирования. В итоге CADdy приобрела характерные черты интегрированной программной оболочки, позволяющей стыковать компоненты приложений на уровне исполняемых модулей. Соответствующие компоненты CADdy (библиотеки, утилиты) в совокупности образуют аналог комплекса инструментальных средств Windows.

Вместе с тем, учитывая потребности пользователей, разработчики ввели в состав CADdy возможности для быстрой перестройки системы меню и мощную встроенную систему программирования PLUS. Встроенная система программирования служит для описания элементов чертежей и дает возможности вызова любых внешних EXE-модулей, что позволяет использовать программы на PLUS совместно с любыми другими программами.

Cовременный уровень проблемно-ориентированного прикладного программного обеспечения представляют системы

CAD/CAM - Computer Aided Desing/Computer Aided Manufacturing - системы автоматизированного проектирования и производства. Системы CAD/CAM, как правило, ориентированы на использование рабочих станций фирм Hewlett Packard, SUN, DEC, IBM и являются достаточно дорогими. Однако, несмотря на это, сейчас идет процесс активного внедрения систем CAD/CAM в отечественную промышленность.

Одной из наиболее распространенных CAD/CAM систем является система Pro/ENGINEER американской фирмы Parametric

Technology Corporation. Система Pro/ENGINEER формирует трехмерные геометрические объекты, проводит их модификацию, разрабатывает техническую документацию, создает графическую базу данных. Система Pro/ENGINEER является полностью интегрированной средой, в которой деталь поочередно проходит все уровни инженерной подготовки. Pro/ENGINEER позволяет проектировать модель, как комбинацию отдельных характерных

96

элементов. Это позволяет отказаться при проектировании от сложных геометрических систем. Параметрическая основа системы позволяет присваивать определенные символы элементам геометрии детали и отслеживать соответствие размеров деталей из различных чертежей. Такие возможности значительно облегчают внесение изменений и способствуют оптимизации конструкторских работ.

В последние годы появились системы прототайпинга (prototyping - макетирование, разработка упрощенной версии) для экспресс-изготовления объемных моделей деталей и сборочных единиц из прессованной бумаги, фторопласта и других полимеров, работающие под управлением мощных CAD/CAM систем.

ОБЪЕКТНО-ОРИЕНТИРОВАННОЕ ПРИКЛАДНОЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

К объектно-ориентированному прикладному программному обеспечению относятся узкоспециализированные программные средства, предназначенные для обработки информации, связанной непосредственно с объектом проектирования. Данное программное обеспечение предназначено для автоматизации проектирования конкретных объектов электромеханики и электроэнергетики.

Исходя из общих определений понятия информации, проектирование рассматривают как процесс преобразования начального описания объекта в конечное, достаточное для реализации этого объекта в натуре или оценки его характеристик на промежуточных этапах. При автоматизированном проектировании такое описание создается в виде цифровой модели объекта проектирования, содержащей сведения о структуре объекта проектирования, его элементах и характеристиках. Первоначально цифровая модель формируется на основе описания объекта проектирования на входном языке. В процессе автоматизированного проектирования цифровая модель изменяется как структурно, так и по содержанию информации. Эти изменения производят проектировщик или соответствующие

97

специализированные программы автоматизированного проектирования.

Специализированное программное обеспечение включает тысячи программ. Создание таких больших программных систем связано с решением проблем декомпозиции прикладного программного обеспечения на подсистемы, разработки и унификации интерфейсов между подсистемами, выбором архитектуры системы в зависимости от конфигурации технических средств, возможностей операционной системы и универсального прикладного программного обеспечения.

Средства объектно-ориентированного прикладного программного обеспечения, непосредственно осуществляющие выполнение операций по преобразованию проектной информации, составляют библиотеку программных модулей проектирования, которая имеет иерархическую трехуровневую структуру. Первый уровень содержит перечень функциональных разделов библиотеки, соответствующих конкретным этапам проектирования, второй уровень - перечень программных средств, реализующих данный раздел, третий уровень включает информацию, характеризующую конкретный алгоритм проектного расчета, способ его использования, условия выполнения программного модуля и непосредственно программный модуль, представленный в форме загрузочного модуля.

Схема взаимодействия пользователя с библиотекой программных модулей следующая: монитор системы, реализуя активный диалоговый режим работы, находит файл разделов и выводит его на экран, после чего пользователь выбирает нужный раздел, а затем конкретный программный модуль и анализирует описание алгоритма проектного расчета. Если пользователя устраивает предъявленный программный модуль, он вызывает инструкцию по применению программы, после чего автоматически запускается и сама программа. После отработки программы управление вновь передается монитору и описанная процедура выбора программного модуля повторяется снова.

При расширении разделов библиотеки программных модулей процесс включения нового программного модуля предусматривает выполнение следующих операций:

98

формирование и автономная отладка программы, реализующей данный алгоритм проектного расчета;

разработка инструкции по эксплуатации программы и занесение ее в дисковый файл;

создание краткого описания алгоритма проектного расчета и занесение его в дисковый файл.

Имена всех трех дисковых файлов: загрузочного модуля, инструкции по эксплуатации и описания алгоритма проектного расчета должны совпадать. После создания указанных файлов корректируется справочник раздела - заносится общее имя файла

икраткое название данного алгоритма проектного расчета.

5.4.РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

СИСТЕМЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

Для разработки объектно-ориентированного прикладного программного обеспечения используются системы программирования, то есть системы для разработки новых программ.

Современные системы программирования предоставляют весьма мощные и удобные средства для разработки программ, в них входят:

компилятор, осуществляющий преобразование программ на языке программирования в программу в машинных кодах, или интерпретатор, осуществляющий непосредственное выполнение текста программы на языке программирования высокого уровня;

библиотеки подпрограмм, содержащие заранее подготовленные подпрограммы, которыми могут пользоваться программисты;

различные вспомогательные программы, например, отладчики.

Для популярных языков программирования существует множество систем программирования. Естественно, что программисты предпочитают те системы, которые легки в использовании, позволяют получить эффективные программы,

99

имеют богатые библиотеки подпрограмм и мощные возможности для отладки разрабатываемых программ.

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

Стоимость разработки программного обеспечения зависит от его объема, от используемых языков и технологий проектирования программ. Под технологией программирования понимается совокупность обобщенных и систематизированных знаний об оптимальных способах (приемах и процедурах) проведения процесса программирования, обеспечивающего в заданных условиях получение программной продукции с заданными свойствами. К технологическим средствам программирования относятся: технические средства взаимодействия программиста с ЭВМ, языки и системы программирования, текстовые и графические редакторы, библиотеки программ, средства проведения тестирования и комплексной отладки программных средств.

Ключевым вопросом для технологии программирования является стратегия проектирования - сверху вниз или снизу вверх.

Нисходящее проектирования в настоящее время является наиболее распространенным и состоит в том, что построение программного обеспечения начинается с самых общих представлений о проекте и его реализация производится методом пошаговой детализации алгоритмов и структур данных до окончательной записи программ на одном из языков программирования.

Технологии, поддерживающие нисходящее проектирование, могут иметь некоторые объектно-ориентированные языки для формального описания (заданий, спецификаций, алгоритмов) на различных стадиях и шагах детализации проекта. К недостаткам нисходящего проектирования относят две основные его проблемы, которые влияют на эффективность реализации программного обеспечения.

Первая проблема связана с начальным выбором правильности структур данных и уровня их детализации. Если

100