книги из ГПНТБ / Оперативные графические системы в автоматизации проектирования

Г л а в а 3

ЭЛЕМЕНТЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОГС*

3.1. ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОГС

Разработка ЭВМ 3-го поколения, оснащенных аппа­ ратурными и программными средствами, позволяющими обслуживать большое число внешних устройств в режиме разделения времени, с большим объемом оперативной памяти и быстродействующей внешней памятью (диски, барабаны); появление большого числа проблемно-ориен­ тированных языков и трансляторов, упрощающих описа­ ние задач; создание принципиально новых типов внешних вводно-выводных устройств — устройств отображения (УО) и устройств ввода графической информации (УВГИ) — явилось предпосылкой построения эффектив­ ных оперативных графических систем.

Оперативную графическую систему (ОГС) можно оп­ ределить как информационно-вычислительную систему, в которой обеспечивается оперативный обмен информацией между человеком и ЭВМ в графической и алфавитноцифровой форме.

Оперативный обмен информацией и графическая фор-

.ма ее представления являются основными факторами, определяющими своеобразие ОГС и диктующими требо­ вания к организации аппаратурного и программного комплексов.

Понятие оперативного обмена связано с допустимым для проектировщика (пользователя ОГС) временем ре­ акции системы. Под временем реакции системы следует понимать время между запросом пользователя на выпол­ нение какого-либо действия и его выполнением. Это вре­ мя зависит от объема и методов организации вычисли­ тельного процесса, от производительности ЭВМ, способа

* Глава написана совместно с Л. А. Грпишпаиом.

40

организации и связи периферийного оборудования с ЭВМ. По времени реакции ОГС можно разделить на две

группы:

1) с малым временем реакции (до 5 сек) — информа­ ционно-справочные системы, системы с ограниченным на­ бором функций (редактирование изображения, получение проекций, геометрические преобразования и т. д.);

2) с длительным временем реакции (до нескольких де­ сятков секунд) — системы с проведением большого объ­ ема вычислений (получение сечений, полутоновых изоб­ ражений, выполнение расчетов по решаемой проблеме и

т. д.).

Использование ОГС в автоматизации проектирования должно обеспечить проектировщику возможность рабо­ тать с привычным для него графическим материалом — чертежами, графиками, эскизами, схемами. При этом возникает языковое несоответствие — человек должен работать на языке графических образов, а ЭВМ опериру­ ет с цифровыми данными. Такая информационная несо­ вместимость устраняется введением в ОГС устройств отображения и устройств ввода графической информа­ ции. Эти устройства являются основным средством взаи­ модействия человека с ЭВМ.

> ОГС можно рассматривать как систему, состоящую из ЭВМ, осуществляющей прием, хранение, переработку и выдачу цифровой информации; подсистемы переработ­ ки графической информации (ППГИ), в задачу которой входит обработка и преобразование цифровой информа­ ции в графическую и отображение ее на экране индика­ торного устройства и обратное преобразование графиче­ ской и символьной информации в цифровую (рис. 3.1).

В состав ЭВМ входят один или несколько централь­ ных процессоров (ЦП), внешняя память, процессоры ввода/вывода (каналы), а также набор периферийных внешних устройств. Выбор класса ЭВМ определяется ти­ пом задач, решаемых ОГС, принятым способом органи­ зации ППГИ, требуемым временем реакции системы и др.

ППГИ состоит из устройств, управляющих отображе­ нием и вводом информации. Основным устройством под­ системы является графический процессор (ГП), который представляет собой специализированную машину со сво­ им внутренним языком представления информации. ГП интерпретирует последовательность команд и данных,

41

поступающих из памяти и представляющих программу отображения, в изображение, управляя при этом яр­ костью луча и системой отклонения. ГП также может осуществлять первичную обработку вводимой информа­ ции (редактирование текста, генерирование следящего символа для светового пера и т. д.). Для получения види­

мого изображения используется индикаторное устройство

(ИН).

Устройства управления вводом информации осущест­ вляют преобразование графической и символьной инфор­ мации в цифровую н передачу этой информации в ГП или ЦГ1. В качестве устройств ввода применяются световое

Рис. 3.1. Архитектура ОГС

42

перо, кшопельиые механизмы, планшеты ввода, алфавит­ но-цифровая и функциональная клавиатуры и др.

Связь между ЭВМ и подсистемой ГIГ11 производится с помощью системы связи (СС), которая в общем случае включает в себя мультиплексор передачи данных, моде­ мы и каналы связи: телефонные, телеграфные и др.

Проектирование ОГС необходимо вести с учетом функционирования двух связанных подсистем — ЭВМ и Г1ГИ, работающих для достижения одной цели.

В то время как вопросы проектирования ЭВМ (выбор структуры, способы организации операционных и управ­ ляющих блоков, быстродействие и точность вычисления и др.) достаточно подробно изучены, вопросы проектиро­ вания ППГИ разработаны сравнительно мало, поэтому они часто решаются интуитивно, без достаточного обос­ нования выбранного решения. Отсутствие общей методи­ ки проектирования и типовых решений приводит к тому, что процесс проектирования ППГИ является длительным и трудоемким, а сама подсистема по качеству проектиро­ вания оказывается иногда хуже других элементов в ОГС.

Проектирование ОГС без разработки количественных критериев оценки различных вариантов ее построения может привести к излишней универсализации комплекса, стремлению ввести в состав аппаратуры дополнительные

.блоки, целесообразность которых не обоснована. Так, на начальной стадии своего развития ОГС были предельно просты и устройство отображения представляло собой индикатор, оснащенный двумя регистрами и цифроана­ логовыми преобразователями, а в качестве средств ввода информации использовались световое перо и алфавитноцифровая клавиатура [1, 2]. Графическое изображение строилось путем отображения большого числа близко расположенных точек, координаты которых передавались из ЭВМ в УО.

Однако такая организация комплекса имела сущест­ венные недостатки:

основная обработка графической информации (про­ граммное генерирование векторов и символов, слежение за световым пером и т. д.) велась в ЭВМ, мало приспо­ собленной для этих целей, что увеличивало время реак­ ции ОГС;

ЭВМ постоянно загружалась непроизводительной ра­ ботой по регенерации изображения, а значительная часть

43

ее оперативной памяти — массивом команд отображения, что обусловливало малую эффективность использования ЭВМ;

принцип точечного нанесения изображения для по­ строения сложного графического образа требовал боль­ шого количества точек, что приводило к большому време­ ни вычисления координат и значительному объему памя­ ти для их хранения.

На следующих этапах разработки ОГС устранение этих недостатков велось по пути введения в структуру ППГИ дополнительной аппаратуры (блока сопряжения с ЭВМ, буферной памяти, генератора векторов, символов, окружностей, развитой логики подсвета, ряда дополни­ тельных регистров).

Отображающая часть ОГС, построенная таким обра­ зом, стала достаточно мощной, пригодной для решения широкого класса задач. Однако одной из особенностей ОГС является использование ее при решении узкого кру­ га задач (редактирование плоского изображения, по­ строение 3-мерных изображений, корректировка тексто­ вой информации и т. д.), которые требуют почти полной и постоянной загрузки одних и тех же блоков ППГИ, в то время как другие блоки при этом мало загружены и про­ стаивают. Поэтому стремление к универсализации без учета специфики решаемых задач может привести к зна­ чительному удорожанию отображающей части комп­ лекса.

Вопросы проектирования ОГС представляют собой самостоятельную и многоплановую проблему, требую­ щую для своего решения не только использования техни­ ческих наук (вычислительная техника, радиотехника, фи­ зика, механика), но и наук о человеке (учет психофизио­ логических факторов).

Можно выделить следующие последовательные этапы

впроектировании ОГС:

1)анализ области применения и класса задач, решае­ мых всей оперативной графической системой;

2)анализ оперативной графической системы;

3)создание опытного образца и проведение его испы­

таний.

На первом этапе определяется назначение системы, класс решаемых ею задач. Это дает возможность опреде­ лить вид вводимой информации, работу ЭВМ и подсис­

44

темы ПГИ по ее обработке и вид выводимой информации. Определяются критерии эффективности ОГС. На этом этапе выявляется перечень функции, которые должна вы­ полнять проектируемая ОГС, и определяется информа­ ция, требуемая для выполнения каждой конкретной функции. Составляется общая схема функционирования системы, показывающая источники информации, прохож­ дение информационных потоков через подсистемы, а так-

.же весь информационный обмен между человеком и вы­ числительной системой. Производится ориентировочное распределение работ между человеком и аппаратурой, а также проводится анализ нагрузки на человека-опера- тора с учетом воздействия психофизиологических фак­ торов.

Первый этап проектирования позволяет сформулиро­ вать требования к ЭВМ, отображающей части и части, управляющей вводом информации. Они должны включать

.требования к производительности ЭВМ; определяющие обязательный и желательный (максимальный) объем отображаемой информации; к количеству устройств отоб­ ражения исходя из их полной загрузки при решении за­ дач; к типу устройств отображения — индивидуального или коллективного пользования; данные по удаленности устройств ввода/вывода от ЭВМ и характеристикам орга­ низации обмена информацией между ЭВМ и ППГИ; тре­ бования ко времени обработки запросов пользователя и времени выдачи информации на устройство отображения исходя из выбранного типа системы (с малым или дли­ тельным временем реакции); к точностным характеристи­ кам УО и УВГИ; к различным органам управления (ал­ фавитно-цифровая клавиатура, функциональная клавиа­ тура, табло оператора и др.); данные по разработке удобных средств ввода и редактирования изображения;

этапе определяется необходимый набор устройств, входя­ щих в состав отображающей части и части, управляющей вводом информации: графический процессор с комплек­ том аппаратуры для построения изображения (генерато­ ры векторов, символов, логические блоки), ИН, УВГИ,

45

УВСИ и др. Из всего множества однотипных устройств выбираются устройства, реализующие одинаковые функ­ ции, но отличающиеся по техническим характеристикам. Определяется возможная конфигурация комплекса, структурная организация графического процессора, спо­ соб связи его с центральным процессором и устройствами отображения и ввода. Анализ таких факторов, как на­ дежность, стоимость, качество изображения, характери­ стики, определяющие зрительное восприятие отображае­ мой информации, а также факторов, определенных на этапе исследования задач, позволит выбрать вариант по­ строения ОГС. Так, выбор типа электроннолучевой труб­ ки (ЭЛТ) и вида развертки в значительной степени опре­ делят архитектуру ОГС.

Разработка способов построения ОГС должна вестись па основе создания математических моделей системы, вы­ работки количественных критериев оценки различных ва­ риантов ее организации. При этом критерии должны учи­ тывать основные цели проектирования системы — полу­ чение максимальной производительности системы при учете следующих основных ограничений: допустимой стоимости ОГС; отображения необходимого объема ин­ формации; обеспечения требуемого времени реакции си­ стемы. »

Данные, полученные при моделировании системы, по­ могают выбрать рациональную структуру ОГС, провести распределение функций, решаемых аппаратурно, про­ граммно пли микропрограммно.

В результате этого определяется такая структура ОГС, которая удовлетворяет требованиям, поставленным на этапе анализа класса решаемых системой задач. Вы­ бор структуры необходимо проводить с помощью оценки по целевой функции различных вариантов организации ОГС.

Однако организацию такой системы еще нельзя на­ звать наилучшей, так как редко удается установить целе­ вую функцию сложной системы, учитывающую все мно­ жество параметров, определяющих качество ее функцио­ нирования. Получение на первом этапе проектирования неполной или не совсем точной информации, определяю­ щей исходные данные для выбора способа построения ОГС, а также ошибки, допущенные при анализе ОГС, мо­ гут существенным образом повлиять на конфигурацию

46

системы, сделать ее структуру ие оптимальной. При ана­ лизе трудно учесть поведение проектировщика, занятого творческим трудом и являющегося одним из главных

звеньев оперативной системы.

Все это предполагает проведение обширных испыта­ ний опытного образца системы и получения статистиче­ ских данных ее работы. На этом этапе при решении кон­ кретных задач можно объективно оценить ряд факторов, произвести вычисление таких важных параметров систе­ мы, как требуемый объем одновременно отображаемой информации, вероятность выполнения пользователем различных операций (передвинуть световой маркер, сте­ реть элемент, повернуть изображение и т. д.), время выполнения в графическом или центральном процессоре сервисных и проблемных программ, объем памяти для регенерации и др. Анализ н оценка результатов испы­ таний могут потребовать внесения изменений в структу­

ру системы, которые должны повысить эффективность

огс.

3.2. АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ ОГС

При разработке ОГС проектировщику необходимо учитывать множество факторов, влияющих на выбор структуры и эффективность системы. К таким факторам относятся:

1. Множество задач 3, решаемых в ОГС. Это могут быть задачи синтеза геометрических форм сложных объектов, разработки интегральных схем, трассировки печатных плат, анализа и синтеза электронных схем

ит. д.

2.Технические параметры ЭВМ Лэвм. важнейшими из которых являются производительность центрального процессора, процессоров ввода/вывода (каналов), объем оперативной памяти, быстродействие внешней памяти.

3. Характеристики математического обеспечения ЭВМ Мэвм: системное время работы, объем оперативной памяти, занимаемой резидентной частью операционной системы, состав и параметры обрабатывающих программ.

4.Тип электроннолучевой трубки Гэлт, используемой

виндикаторном устройстве с регенерацией и запомина­ нием изображения.

47

5. Метод развертки изображения Рп'. координатный

ирастровый.

6.Удаленность подсистемы переработки графической информации от центрального процессора системы D.

7.Количество одновременно обслуживаемых индика­ торных устройств М у.

8.Количество одновременно отображаемой информа­ ции, измеряемой числом линий, точек, символов или

суммарной длиной линий выводимого на экран изобра­ жения М„.

9.Допустимое время реакции системы Тр.

10.Быстродействие логических элементов графиче­ ского процессора Б3.

11.Характеристики памяти Кп (объем и быстродей­ ствие), используемой для регенерации изображения.

12.Методы вычерчивания графических элементов В0: цифровые и аналоговые.

13.Система команд графического процессора кгп-

14.Максимальная скорость поступления информа­ ции с пульта в систему ^max-

15.Частота регенерации изображения /р.

16.Диаметр светового пятна d, определяющий раз­ решающую способность ЭЛТ.

17.Время послесвечения люминофора экрана индика­ тора Тп.

18.Точность воспроизведения изображения Д„.

19. Допустимая величина искажения изображения

Ии-

20. Размер поля изображения S„.

21. Световые характеристики изображения и фона Ru (яркость и контрастность).

22.Цвет свечения люминофора экрана Цл.

23.Коэффициент использования /(„, характери­

зующий надежность функционирования системы.

24.Пропускная способность системы для фоновых заданий Пф.

25.Технико-эксплуатационные и экономические фак­ торы С0.

Перечисленные выше факторы отличаются достаточ­ ной сложностью, находятся в большой зависимости друг от друга, включают в себя трудно измеряемые качест­ венные показатели, и, кроме того, число их настолько велико, что практически невозможно решать задачу оп­

48

тимизации ОГС, используя все эти параметры. В связи с этим необходимо выделить ряд важнейших факторов, число которых было бы ие велико, но они сами были бы обобщенными и наиболее полно отражали качество функциоиировапия ОГС.

Такими удобными показателями могут быть время реакции системы Тр и экономические факторы Са. Эти показатели являются полными, так как определяются большинством факторов, влияющих на проектирование системы, и могут быть представлены в виде многомерных векторов. Так, время реакции системы 7ф есть вектор

Тр — F1(3, Лэвм. Мэвм> Тэт, Рп, A Ny, Nu,

а Сэ — вектор,

где Сэвм —■стоимость аренды ЭВМ; Ссс — стоимость аренды системы связи; Сгп — стоимость аренды графи­ ческого процессора; С0дд — денежные издержки на об­ думывание пользователем ответа системе; Спр — денеж­ ные издержки, связанные с простоем пользователя во время ожидания выполнения его требования; Сф — стои­ мость решения фоновых задач в ЭВМ.

Основной чертой процесса проектирования ОГС яв­ ляется поиск разумных компромиссов по распределению функций, связанных с обработкой информации, между устройствами системы.

Ряд функций по отображению информации может быть реализован либо в ЦП, либо в ГП. В первом слу­ чае эти функции выполняются программным образом, требуют большого времени обработки, во втором случае их реализация связана с включением в состав ГП до­ полнительной аппаратуры, которая позволяет получить малое время реакции системы, но с затратой значитель­ ных средств.

Так, например, перемещение светового маркера с по­ мощью кшопельного механизма или генерирование сле­ дящего символа в режиме трассировки светового пера Ьюгут быть выполнены в ЦП или ГП. Выполнение функ­ ции слежения за световым пером в ГП требует до 10%