книги из ГПНТБ / Мясников, В. А. Программное управление оборудованием

растягивания сроков проектирования делают невозможным ва­ риантное рассмотрение решений, что сказывается на качестве проектирования.

10.СТРУКТУРА СИСТЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Вцикле создания новой техники «научное исследование— проектирование—производство» слабым местом является не от­ сутствие научных достижений, а совершенно неудовлетворитель­ ное их освоение в связи с низкими темпами проектирования и внедрения в производство. Развитие вычислительной техники, операционных систем, периферийного оборудования, устройств ввода и вывода машинной информации в графической и буквенной форме, способов ее редактирования и преобразования открывает новые возможности перед автоматизацией проектирования.

Процесс проектирования включает в себя совокупность всех видов проектной и конструкторской деятельности инженера, направленной на создание нового вида изделия, отвечающего определенным техническим, функциональным, экономическим и

эстетическим требованиям. Этот процесс представляет собой чередование умственно-творческих и умственно-формальных видов деятельности инженера. Формальные виды деятельности — хра­ нение, поиск, обработка и преобразование информации, обра­ ботка результатов экспериментов и изготовление проектно-кон­ структорской документации. Эти виды деятельности в общем ба­ лансе времени инженера составляют более 40—50% и сравнительно легко поддаются автоматизации с помощью математических мето­ дов и средств вычислительной техники.

Использование вычислительной техники позволяет инженеру проводить сложные и многовариантные исследования и расчеты новых изделий, что приводит к более качественному проектиро­ ванию. Результаты решения получаются в графическом или зако­ дированном виде на носителях информации, которые являются исходными документами для технологического процесса изготов­ ления изделий.

Система автоматизации проектирования позволяет бьГстро и безошибочно вносить любые изменения в проект на всех стадиях его разработки. Это особенно важно, так как примерно 80% вре­ мени при выпуске проектной документации тратится на ее изме­ нение и корректировку.

С помощью ЭВМ можно проводить моделирование проектируе­ мого изделия с целью определения ряда его рабочих характери­ стик' до изготовления и испытания опытного образца. Натурные и модельные испытания тоже могут быть автоматизированы.

Благодаря использованию средств вычислительной техники инженеры-проектировщики объединяются в более сплоченный коллектив, облегчаются общение между ними и консолидация усилий для разработки целостной системы. Сокращается время на итеративный процесс согласования решений.

60

Особенно эффективны так называемые сквозные системы авто­ матизации, охватывающие как этапы проектно-конструкторских работ, так и этапы технологической подготовки производства вплоть до автоматизированного управления технологическим оборудованием.

Автоматизация проектно-конструкторских работ и технологи­ ческой подготовки производства дает существенный технико­ экономический эффект.

1. Сокращаются сроки проектирования, что позволяет снизить степень морального старения объекта при проектировании и за­ траты на его дальнейшую модернизацию. Например, по данным Института технической кибернетики АН БССР, сроки проектиро­ вания технологических процессов обработки зубчатых колес с введением системы автоматизации проектирования сократились в пять раз; для сверхбольших интегральных схем (СБИС) они уменьшились в 10 раз благодаря автоматизации проектирования фотошаблонов, сроки проектирования печатных плат для микро­ электронных схем сократились в пять—семь раз. Благодаря автоматизации проектирования фирма «Локхид» сократила время эскизного проектирования самолетов в 10 раз, а фирма «Дайнемико» уменьшила время конструирования самолета в четыре раза.

2.Вследствие сокращения трудовых затрат снижается стои­ мость проектирования.

3.Улучшаются на 5-—15% технико-экономические показатели

врекомендуемом варианте. Например, стоимость годовой экс­ плуатации водопроводной кольцевой сети, спроектированной с по­ мощью ЭВМ при оптимизации диаметров труб, на 10% ниже стои­ мости сети, рассчитанной вручную.

4.Экономятся материалы благодаря повышению точности расчетов.

5.Улучшается качество проектной документации, умень­ шается число ошибок, автоматизируется процесс внесения изме­ нений и т. д.

Следует иметь в виду, что использование ЭВМ для автоматиза­ ции проектирования существенно отличается от их использования для решения вычислительных задач:

а) задачи автоматизации проектирования в основном носят не вычислительный характер (использование типовых конструк­ ций для создания нового объекта, изготовление техдокументации и т. п.);

б) большинство задач автоматизации проектирования не под­ дается формализации;

в) при автоматизации проектирования используются специ­ фические вводные и выводные устройства, поскольку входная и выходная информации носят вид, отличный от вида исходных данных и результатов для вычислительных задач.

Для эффективного использования автоматизации проектно­ конструкторских работ и технологической подготовки производ­

61

ства необходимо использовать системный подход, который за­ ключается в создании сложной иерархической вычислительной системы, объединяющей различные этапы проектирования и об­ ладающей проблемно-ориентированными входными языками, си­ стемами диалоговой связи с пользователем, различного рода библиотеками, наборами типовых решений и большим числом периферийных устройств (дисплеи, координатографы, графопо­ строители). Отсюда большое значение приобретает операционная система ЭВМ, которая является центром всей системы.

На рис. 17 изображена структура системы автоматизации проектирования.

Входной информацией для системы автоматизации проекти­ рования (глобальной задачей) является задание спроектировать новый тип вычислительных машин, самолетов, станков и др. В си­ стеме I (системе выработки технического задания) происходит вы­

бор конкретного технического задания для проектирования задан­ ного объекта. При этом необходимы проверка выполнимости технических условий (отсутствие противоречивости, нарушения ограничений и т. п.) и их оптимизация (необходимое быстродей­ ствие, аппаратурные затраты и т. п.). Корректировка техниче­ ского задания осуществляется проектировщиком; автоматическая корректировка заданий в большинстве случаев невыполнима.

Наиболее сложной является система II (система выбора про­

ектных решений), обычно она сама построена по иерархическому принципу. На этом этапе в большинстве случаев необходимо про­ изводить моделирование, причем не только математическое, но и физическое (например, в самолетостроении, судостроении и т. п.). В ряде случаев следует использовать диалоговые системы. На­ пример, процессы выбора деталей в машиностроении, подбор параметров электрических схем в системах автоматизации проек­ тирования радиоэлектронной аппаратуры.

Системой III является система автоматизации изготовления

проектной документации, которая может быть самой разнообраз­ ной: фотошаблоны печатных плат, перфоленты для станков с про­ граммным управлением, конструкторские чертежи и т. п. Выпуск

ииспытание прототипа, эксплуатация серийных образцов изде­ лий позволяют значительно улучшить качество проектируемых изделий. Так, например, статистические исследования параметров микроэлектронных элементов в период их опытного производства

ивнесение корректив в их конструктивные размеры дают возмож­ ность повысить число элементов, удовлетворяющих заданным пара­ метрам, с 5—6% в начальном периоде опытного производства до 40-—50% в конце его.

Системы автоматизации проектирования можно условно раз­ делить на шесть типов (в порядке возрастания сложности).

1.Программы инженерных, сметных, экономических расче тов, сравнительно несложных, но требующих очень много времени, если расчеты проводить вручную.

62

Рис. 17. Структура системы автоматизации проектирования

63

2. Более сложные программы, позволяющие оптимизировать

некоторые решения.

3. Комплексы программ для частичной автоматизации проек­

тирования.

4. Системы программ, позволяющие полностью автоматизиро­ вать проектирование несложных элементов конструкций блоков устройств II т. и.

5.Средние человеко-машинные системы проектирования с про­ стейшими внешними устройствами.

6.Большие человеко-машинные системы проектирования со

значительным числом внешних устройств.

За рубежом работы по автоматизации проектно-конструк­ торских работ и технологической подготовке производства по­ лучили широкое развитие. Так, все фирмы США, производящие ЭВМ, имеют в составе их математического обеспечения специаль­ ные программы и системы, ориентированные на решение задач автоматизации проектирования в различных областях. ‘ Общий объем капиталовложений в разработку систем автоматизации проектирования в США в последние годы составлял около 15— 20 млн. долл, в год. Большое распространение в этой стране полу­ чили ЭВМ с развитой системой оконечных устройств, причем ши­ роко распространена практика сдачи их в аренду отдельным по­ требителям. Стоимость аренды терминала составляет от 100 до 6000 долл, в месяц, стоимость времени, в течение которого оконеч­ ное устройство соединено с ЭВМ, и стоимость использования про­ цессора при выполнении работ — от 3 до 40 центов в секунду, стоимость использования памяти — от 50 центов до 2 долл, за тысячу знаков, хранимых в блоке памяти в течение месяца. Эти сравнительно малые затраты позволяют даже небольшим фирмам автоматизировать проектирование с использованием мощной ЭВМ, арендовав один или несколько терминалов. С 1967 по 1970 г. плата за аренду периферийных устройств в США увеличилась с 50 млн. до 240 млн. долл. Число же сдаваемых в аренду и обслу­ живаемых периферийных устройств доходит в некоторых фирмах до 50 000.

Обратимся к первой проблеме, возникающей при проектиро­ вании подобных систем,— к разработке архитектуры системы.

Разработка архитектуры специализированных технических

стемы. Вначале архитектор (под архитектором понимается группа разработчиков или один разработчик, занимающиеся проектиро­ ванием архитектуры системы) определяет класс задач, для реше­ ния которых предназначается проектируемый комплекс, а также критерии, которым должно удовлетворять полученное решение. Одним из наиболее важных критериев независимо от области при­ менения системы является быстродействие комплекса (т. е. си­ стема должна выдавать решение в разумное время).

64

Первый этап является чрезвычайно ответственным, поскольку именно он определяет принципы, по которым будет строиться проектируемая система.

2. Синтез уровневой структуры системы. На этом этапе осу­ ществляется построение архитектуры системы, т. е. разбиение системы на уровни, и обоснование этого разбиения. Так же как и на первом этапе, происходит четкое определение задач, решаемых на данном уровне. Здесь должны быть определены требования, предъявляемые ко входной и выходной информации каждого уровня.

3.Алгоритмический синтез системы. На этом этапе произ­ водятся поиск, разработка и исследование алгоритмов для всех уровней системы. Поскольку для решения такой задачи можно использовать самые разнообразные алгоритмы или различные по­ следовательности их, на этом этапе необходимо как можно точнее охарактеризовать качества (свойства, достоинства, недостатки) всех имеющихся в распоряжении системы алгоритмов. Это позво­ лит системе в процессе функционирования отбирать тот или иной алгоритм или последовательности алгоритмов в зависимости от поставленной задачи и требований, предъявляемых к ее ре­ шению.

4.Сборка системы. На этом этапе производится объединение алгоритмов всех уровней, определяется связь между ними и производится разработка функций программы-диспетчера, осу­ ществляющей управление работой всей системы.

5.Программный синтез системы. На основании работ, прове­ денных на первых четырех этапах, осуществляется разработка программ для синтезируемой системы. Особо важную роль на этом этапе играет выбор ее языковой структуры. Здесь необходимо учитывать как характеристики конкретной ЭВМ (или же ком­ плекса ЭВМ), используемой в качестве центрального процессора, так и проблему, для решения которой создается синтезируемая система.

Главной особенностью специализированных систем для про­ ектно-конструкторских задач является гибкость структуры си­ стемы, под которой понимается изменение ее структуры в зави­ симости от типа решаемых задач и требований, предъявляемых к решению. Другая особенность таких систем заключается в том, что они должны работать как в автоматическом режиме, так и в режиме «человек—машина». При этом человек должен быть полностью освобожден от утомительной и не свойственной ему работы. По сути дела в этом режиме человек выполняет функции супервизора.

При работе системы в автоматическом режиме на пользова­ теля возложена функция ввода в ЭВМ исходной информации и описания задачи, подлежащей решению. Если же система работает в режиме «человек—машина», то человек выполняет следующие функции:

вводит в систему описание глобальной задачи; задает требования к решению;

определяет, если это необходимо, .какого рода алгоритмы желательно (млн обязательно) использовать на том или ином этапе решения;

помогает системе в том случае, когда ЭВМ не может найти выхода из создавшегося положения, или же в противоречивых ситуациях.

Наиболее целесообразно использовать подобные системы в ре­ жиме диалога. Это не только создает удобство эксплуатации, но и позволяет наиболее удобным образом обучать пользователя работе с системой. Система, работающая в режиме диалога, должна:

по требованию пользователя сообщать список решаемых задач с характеристиками их решения;

иметь возможность шаг за шагом сообщать пользователю о требуемой для решения информации и возможных способах ре­ шения поставленной задачи;

выдавать сведения о структуре любого своего уровня или подуровня (в виде блок-схемы, списка, графа и т. п.);

иметь возможность сообщать о типах требуемых периферийных устройств для решения данной задачи.

Немаловажным свойством такого рода систем является воз­ можность их модификации и расширения, потребность в которых может возникнуть как на основании ее эксплуатации, так и вслед­ ствие изменившегося подхода к самой проблеме, для решения которой и создавалась конкретная система. Отсюда, естественно, следует, что система должна строиться по модульному принципу с гибкой связью между модулями. Модульная структура позво­ ляет перегруппировывать блоки (иначе, изменять структуру системы) для решения той или иной конкретной задачи, относя­ щейся к данной проблеме. Тем самым пользователь получает возможность синтезировать систему непосредственно для решения конкретной задачи.

В связи с автоматизацией проектно-конструкторских работ появляются два вида инженеров: инженер-пользователь и инже­ нер-системник (по аналогии со специалистами в области вычи­ слительной техники).

Инженер-пользователь — это разработчик электронной аппа­ ратуры или конструктор. В принципе, инженер-пользователь может не знать структур комплекса и программ, используемых на разных уровнях комплекса. Он должен выполнять свою ин­ женерную работу, связанную с проектированием и расчетом аппа­ ратуры. Таким образом, работа по созданию макета устройства заменяется моделированием или синтезом этого устройства на ЭВМ. Это приводит к уменьшению как времени проектирования, так и его стоимости, поскольку, как показывает опыт, больше всего деталей расходуется именно на этом этапе.

06

И н ж е н е р - с и с т е м е и к д о л ж е н д о с к о н а л ь н о з н а т ь к а к с т р у к т у р у

к о м п л е к с а , т а к и а л г о р и т м ы и п р о г р а м м ы п р о е к т и р о в а н и я , и с п о л ь ­

з у е м ы е в к о м п л е к с е . Э т о о б с т о я т е л ь с т в о с л е д у е т п о м н и т ь п р и с о з д а ­

н и и к о м п л е к с о в а в т о м а т и з а ц и и п р о е к т и р о в а н и я и , г л а в н о е , у ч и ­ т ы в а т ь п р и п о д г о т о в к е с п е ц и а л и с т о в в в у з а х .

к о т о р о м п р о г р а м м ы в х о д я т в с и с т е м у ; я з ы к а о т о б р а ж е н и я в х о д ­ н ы х — в ы х о д н ы х д а н н ы х и д и р е к т и в у п р а в л е н и я с и с т е м о й ( я з ы к а

в а т ь и р е ж и м р а б о т ы с и с т е м ы ( а в т о м а т и ч е с к и й и л и « ч е л о в е к — м а ш и н а » ) .

И з я з ы к о в п р о г р а м м и р о в а н и я с л е д у е т с р а з у ж е и с к л ю ч и т ь

п р о г р а м м и р о в а н и е н е п о с р е д с т в е н н о в к о д а х м а ш и н ы , т а к к а к п р о г р а м м ы , н а м а ш и н н о м я з ы к е , с о д н о й с т о р о н ы , т р е б у ю т м а с с у

н е п р о и з в о д и т е л ь н о г о т р у д а п р о г р а м м и с т а п о р а с п р е д е л е н и ю п а ­

м я т и , а с д р у г о й , — м а л о п р и г о д н ы и д л я о т л а д к и , и п о с л е д у ­ ю щ е г о и з м е н е н и я п р и м о д и ф и к а ц и я х с и с т е м ы , п о с к о л ь к у д а ж е

н е з н а ч и т е л ь н ы е и з м е н е н и я в п р о г р а м м е п р и в о д я т к н е о б х о д и м о с т и п о ч т и п о л н о с т ь ю п е р е п и с а т ь в с ю п р о г р а м м у .

П р о г р а м м ы д л я с и с т е м а в т о м а т и з а ц и и п р о е к т и р о в а н и я и м е ю т ,

к а к п р а в и л о , б о л ь ш о й о б ъ е м и п р е д н а з н а ч а ю т с я д л я п е р е р а б о т к и

в с е к у н д у ; б о л ь ш и е — п а м я т ь б о л е е 1 2 8 К , б ы с т р о д е й с т в и е с в ы ш е

1 м л н . о п е р а ц и й в с е к у н д у . ) О д н а к о и х п р и м е н е н и е т р е б у е т о т

п р о г р а м м и с т а д о в о л ь н о в ы с о к о й к в а л и ф и к а ц и и , д а и н а п и с а н и е

п р о г р а м м и и х о т л а д к а з а н и м а ю т з н а ч и т е л ь н о е в р е м я , ч т о у д о р о ­

п о с к о л ь к у т р а н с л я т о р ы с н и х н е м о г у т о б е с п е ч и т ь и з г о т о в л е н и я

эффективных рабочих программ в смысле использования оператнв ной памяти и быстродействия машины.

Для более мощных машин (типа БЭСМ-6) появляется возмож­ ность использования языков более высокого уровня, таких, как АЛГОЛ-60, ФОРТРАН, ЛИСП, СИМУЛА-67 и -г. п. При выборе одного из таких языков необходимо учитывать и несовершенство конкретных трансляторов, которые не позволяют получать наи­ более эффективные рабочие программы, п невозможность реализа­ ции на них некоторых функций ЭВМ (например, работы с частью машинного слова). Однако написание программ на этих языках

ным использование программ, написанных на этих языках ранее и для других целей, что, естественно, также удешевляет систему.

Поэтому в настоящее время наиболее целесообразным (при использовании в качестве процессора ЭВМ типа БЭСМ-6) пред­ ставляется симбиоз универсального языка программирования и автокода; примером такого симбиоза может служить мониторная система «Дубна», объединяющая ФОРТРАН и автокод МАДЛЕН.

Использование языков еще более высокого уровня, таких, как АЛГОЛ-68 или PL/1, пока не представляется возможным, поскольку в ближайшем будущем не ожидается появления доста­ точно эффективных трансляторов с них. К тому же все их возмож­ ности можно будет полностью реализовать лишь на больших ЭВМ.

При выборе языка программирования следует также учитывать и конечные результаты работы транслятора. Большинство авто­ кодов и универсальные языки создавались с учетом использо­ вания их для решения разовых задач. Поэтому трансляторы с таких языков устроены так, что выход на счет возможен только непосредственно после трансляции, что при построении систем обычно является неудобным.

Необходимо, чтобы применяемые языки программирования (точнее, трансляторы с них) позволяли иметь при необходимости рабочие программы, полностью независимые от самих языков, (точнее, от систем, обслуживающих трансляторы) пли, по край­ ней мере, сводящие такую зависимость к минимуму. Примером полной независимости может служить автокод АССЕМБЛЕР для ЭВМ М-220, а частичной зависимости — автокод МАДЛЕН в мониторной системе «Дубна». При использовании автокода АССЕМ­ БЛЕР транслятор выдает рабочую программу в машинном коде и прилагает к ней весь аппарат, обеспечивающий последующий самостоятельный ввод программы в ЭВМ и передачу управления на нее. При использовании автокода МАДЛЕН результатом ра­ боты являются так называемые модули загрузки, которые требуют последующей настройки по месту; кроме того, некоторые пара­ метры программы остаются неопределенными и определяются лишь на этапе загрузки. Таким образом, для работы с комплексом необходим аппарат загрузки монпторной системы, однако этап

68

загрузки может быть отделен по времени от этапа трансляции и быть от него независимым. При выборе языка, на котором отдель­ ные программы должны входить в систему, видимо, целесооб­ разно с точки зрения удобства модификации системы использовать язык программирования, поскольку в этом случае отпадает про­ межуточный этап включения модифицированной (или новой) программы в комплекс.

Кроме того, управление работой системы на уровне языка программирования позволяет получить рабочую программу (в ма­ шинном виде), учитывающую особенности именно той задачи, ко­ торую необходимо решить в данный момент. Это дает и лучшее распределение памяти и меньшие затраты времени на решение. Однако время трансляции также будет входить в общее время работы системы. Если трансляция происходит не часто, а само решение занимает значительное время, то такие потери будут эко­ номически оправданы и такую организацию можно рекомендо­ вать, например, при автоматическом режиме работы системы.

Однако при работе в режиме «человек—машина» подобная организация становится нерентабельной, поскольку при приеме системой каждой очередной команды потребуется перетрансляция как программ интерпретации команд (особенно в случаях, когда набор команд велик и обслуживающую программу невозможно целиком держать в оперативной памяти ЭВМ в течение всего времени работы), так и программ, выполняющих директиву. По­ этому для данного режима работы целесообразно систему компо­ новать из программ либо непосредственно в кодах машины, либо на таком языке загрузки, который требует минимального времени на дотрансляцию (например, язык загрузки мониторной системы «Дубна»). Правда, подобная структура системы приводит к услож­ нению отдельных программ, поскольку требует включения бло­ ков настройки на конкретные параметры задачи и, кроме того, затрудняет динамическое перераспределение памяти между от­ дельными элементами задачи при переходе от решения одной за­ дачи к другой, что накладывает более жесткие ограничения на возможности системы.

С точки зрения психологического принятия системы пользова­ телем немаловажное значение имеет и выбор языка обмена между системой и пользователем. В понятие языка обмена мы включаем внешние языки — языки отображения (кодировки) входной и вы­ ходной информации для конкретной задачи и язык управления работой системы (язык директив).

Если система формируется на языке программирования, то наиболее простая (с точки зрения самих программ) организация языка обмена будет в том случае, если он совпадает с этим языком, но это означает необходимость овладения пользователем принятым для системы языком программирования, что, вообще говоря, значительно сузит круг возможных потребителей, даже если за язык программирования взят универсальный язык типа АЛГОЛ-60

69