Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системы автоматизированного проектирования. Моделирование в машиностроении. Учебное пособие
.pdf
нально-логического, макроуровня (сосредоточенного) и микроуровня (рас-
,0),,/( tVdtdVФ
Система
Фазовые переменные
Электрическая
Токи и напряжения
Механическая
Силы и скорости
Гидравлическая
Давления и расходы
пределенного).
Кроме того, введены понятия полных моделей и макромоделей, моделей статических и динамических, детерминированных и стохастических,
аналоговых и дискретных.
Полная модель объекта в отличие от макромодели описывает не только
процессы на выходе объекта, но и внутренние процессы.
Статические модели описывают статические состояния, в них отсутствует время в качестве независимой переменной. Динамические модели от-
ражают поведение системы, т. е. в них обязательно используется время.
Стохастические и детерминированные модели различают в зависимо-
сти от учета или не учета случайных факторов.
В аналоговых моделях переменные — непрерывные величины, в дискретных — дискретные, в частном случае дискретные модели являются ло-
гическими (булевыми), в них состояние системы и ее элементов описывается
булевыми величинами. В ряде случаев полезно применение смешанных моделей, в которых одна часть подсистем характеризуется аналоговыми моде-
лями, другая — логическими.
Информационные модели относятся к информационному аспекту описания автоматизированных систем, их используют для описания связей между единицами информации и, прежде всего, при проектировании баз данных
(БД).
Обычно в алгоритмических моделях фигурируют фазовые переменные.
Так, на макроуровне имитационные модели представляют собой системы ал-
гебро-дифференциальных уравнений:
при t = 0; V = V0, (2.1)
где V — вектор фазовых переменных;
t — время;
V0 — вектор начальных условий.
В таблице 2.1 приведен пример фазовых переменных для различных си-
стем.
Таблица 2.1 – Фазовые переменные в различных системах
11
2.3 Типовые проектные процедуры
Создать проект объекта (изделия или процесса) означает выбрать
структуру объекта, определить значения всех его параметров и представить
результаты в установленной форме. Результаты (проектная документация)
могут быть выражены в виде чертежей, схем, пояснительных записок, про-
грамм для программно-управляемого технологического оборудования и других документов на бумаге или на машинных носителях информации.
Разработка (или выбор) структуры объекта — проектная процедура,
называемая структурным синтезом, а расчет (или выбор) значений парамет-
ров элементов X — процедура параметрического синтеза.
Задача структурного синтеза формулируется в системотехнике как задача принятия решений (ЗПР). Ее суть заключается в определении цели,
множества возможных решений и ограничивающих условий.
Классификацию ЗПР осуществляют по ряду признаков. По числу крите-
риев различают задачи одно- и многокритериальные. По степени неопределенности различают ЗПР детерминированные, ЗПР в условиях риска - при
наличии в формулировке задачи случайных параметров, ЗПР в условиях не-
определенности, т. е. при неполной или недостоверной исходной информации.
Реальные задачи проектирования, как правило, являются многокритериальными. Одна из основных проблем постановки многокритериальных за-
дач - установление правил предпочтения вариантов. Способы сведения мно-
гокритериальных задач к однокритериальным и последующие пути решения
изучаются в дисциплинах, посвященных методам оптимизации и математи-
ческому программированию.
Задачу параметрического синтеза называют параметрической оптимиза-
цией (или оптимизацией), если ее решают как задачу минимизации функции:
Extr[F(X)], XDх, (2.2)
где F(Х) - целевая функция;
X - вектор управляемых (называемых также проектными или варьируе-
мыми) параметров;
Dx = Х|
ции-ограничения.
Следующая после синтеза группа проектных процедур - процедуры анализа (рисунок 2.1). Цель анализа - получение информации о характере функционирования и значениях выходных параметров Y при заданных структуре
объекта, сведениях о внешних параметрах Q и параметрах элементов X. Если
заданы фиксированные значения параметров X и Q, то имеет место процедура
одновариантного анализа, которая сводится к решению уравнений математи-
ческой модели и вычислению вектора выходных параметров Y. Если заданы
статистические сведения о параметрах, X и нужно получить оценки числовых
(Х) < 0,
(X) = 0} - допустимая область, (Х) и (X) функ-
12
характеристик распределений выходных параметров (например, оценки математических ожиданий и дисперсий), то это процедура статистического анали-
за. Если требуется рассчитать матрицы абсолютной А и (или) относительной В
чувствительности, то имеет место задача анализа чувствительности.
Рисунок 2.1 – Место процедур анализа и синтеза в САПР
Наличие случайных факторов усложняет решение ЗПР. Основные подходы к решению ЗПР в условиях риска заключаются или в решении «для
наихудшего случая», или в учете в целевой функции математического ожидания и дисперсии выходных параметров. В первом случае, задачу решают
как детерминированную при завышенных требованиях к качеству решения,
что является главным недостатком подхода. Во втором случае, достоверность
результатов решения намного выше, но возникают трудности с оценкой це-
левой функции.
13
3 Аппаратное обеспечение (АПО) САПР
3.1 Требования к АПО САПР
Апппаратное обеспечение САПР включает в себя различные технические средства (hardware), используемые для выполнения автоматизированно-
го проектирования, а именно: ЭВМ, периферийные устройства, сетевое оборудование, а также оборудование некоторых вспомогательных систем
(например, измерительных), поддерживающих проектирование.
Используемые в САПР технические средства должны обеспечивать:
– выполнение всех необходимых проектных процедур, для которых
имеется соответствующее ПО;
– взаимодействие между проектировщиками и ЭВМ, поддержку интерактивного режима работы;
– взаимодействие между членами коллектива, выполняющими работу
над общим проектом.
Первое из этих требований выполняется при наличии в САПР вычислительных машин и систем с достаточными производительностью и емко-
стью памяти.
Второе требование относится к пользовательскому интерфейсу и вы-
полняется за счет включения в САПР удобных средств ввода-вывода данных
и, прежде всего, устройств обмена графической информацией.
Третье требование обусловливает объединение аппаратных средств
САПР в вычислительную сеть.
В результате общая структура техническое обеспечение (ТО) САПР
представляет собой сеть узлов, связанных между собой средой передачи дан-
ных (рисунок 3.1). Узлами (станциями данных) являются рабочие места про-
ектировщиков, часто называемые автоматизированными рабочими местами
(АРМ) или рабочими станциями (WS — Workstation), ими могут быть также
большие ЭВМ (мейнфреймы), отдельные периферийные и измерительные
устройства. Именно в АРМ должны быть средства для интерфейса проектировщика с ЭВМ. Что касается вычислительной мощности, то она может быть
распределена между различными узлами вычислительной сети.
Среда передачи данных представлена каналами передачи данных, со-
стоящими из линий связи и коммутационного оборудования.
Канал передачи данных — средство двустороннего обмена данными,
включающее в себя АКД и линию связи. Линией связи называют часть физической среды, используемую для распространения сигналов в определенном
направлении; примерами линий связи могут служить коаксиальный кабель,
витая пара проводов, волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС). Близким
является понятие канала (канала связи), под которым понимают средство од-
носторонней передачи данных. Примером канала связи может быть полоса
частот, выделенная одному передатчику при радиосвязи.
14
Рисунок 3.1 – Структура технического обеспечения САПР
В некоторой линии можно образовать несколько каналов связи, по
каждому из которых передается своя информация. При этом говорят, что ли-
ния разделяется между несколькими каналами.
3.2 Вычислительные системы в САПР
В качестве средств обработки данных в современных САПР широко
используют рабочие станции, серверы, персональные компьютеры. Большие
ЭВМ, в том числе суперЭВМ, обычно не применяют, так как они дороги и их
отношение производительность-цена существенно ниже подобного показателя серверов и многих рабочих станций.
На базе рабочих станций или персональных компьютеров создают
АРМ.
Типичный состав устройств АРМ:
ЭВМ с одним или несколькими микропроцессорами, внешней, опера-
тивной и кэш-памятью и шинами, служащими для взаимной связи устройств;
– устройства ввода-вывода, включающие в себя, как минимум, клавиатуру, мышь, дисплей;
– дополнительно в состав APМ могут входить принтер, сканер, плоттер
(графопостроитель), дигитайзер и некоторые другие периферийные устрой-
ства.
Рабочие станции (workstation) по сравнению с персональными компью-
терами представляют собой вычислительную систему, ориентированную на
выполнение определенных функций. Специализация обеспечивается как набором программ, так и аппаратно, за счет использования дополнительных
специализированных процессоров. Так, в САПР для машиностроения пре-
15
имущественно применяют графические рабочие станции для выполнения,
процедур геометрического моделирования и машинной графики. Эта
направленность требует мощного процессора, высокоскоростной шины, памяти достаточно большой емкости.
Высокая производительность процессора необходима по той причине,
что графические операции (например, перемещения изображений, их пово-
роты, удаление скрытых линий и др.) часто выполняются по отношение ко
всем элементам изображения. Такими элементами в трехмерной (3D) графике при аппроксимации поверхностей полигональными сетками являются
многоугольники.
В зависимости от назначения существуют АРМ конструктора, АРМ
технолога, АРМ руководителя проекта и т. п. Они могут различаться соста-
вом периферийных устройств, характеристиками ЭВМ.
В АРМ конструктора (графических рабочих станциях) используются
растровые мониторы с цветными трубками. Типичные значения характери-
стик мониторов находятся в следующих пределах: размер экрана по диаго-
нали 17 - 24 дюйма. Разрешающая способность монитора, т. е. число разли-
чимых пикселей (отдельных точек, из которых состоит изображение), от
1920x1200 и более.
Специально выпускаемые ЭВМ-серверы высокой производительности
обычно имеют структуру симметричной многопроцессорной вычислительной системы. В них системная память разделяется всеми процессорами, каждый процессор может иметь свою сверхоперативную память сравнительно
небольшой емкости.
3.3 Основные компоненты АПО САПР
3.3.1 Персональный компьютер
Конструктивно персональный компьютер (ПК) состоит из корпуса, в
котором размещены материнская плата; видеоадаптер (видеокарта); дисково-
ды – CD ROM, накопители на жестких (винчестер) и гибких (НГМД) магнит-
ных дисках; блок питания; динамик. В ПК имеются резервные слоты (слоты
расширения) для возможного размещения печатных плат (карт) расширения
– сетевого контроллера, модема, других дополнительных устройств.
В состав ПК входят также внешние (по отношению к корпусу ПК)
устройства. Как правило, в их число входят клавиатура, мышь, монитор.
Материнскую плату (Motherboard или Mainboard) называют также си-
стемной платой. Материнские платы производят большое число компаний.
На рисунке 3.2 представлена структурная схема типичной материнской платы компьютера.
16
Рисунок 3.2 – Упрощенная типичная структурная схема материнской платы
На материнской плате имеются разъемы для вставки процессора и модулей оперативной памяти, а также разъемы (слоты) для подключения
устройств к шинам расширения и ввода/вывода. Интерфейс между процессором и внешними устройствами осуществляется с помощью шин и набора
устанавливаемых на материнской плате специальных микросхем, называемо-
го чипсетом (Chipset).
3.3.2 Процессор
Назначение процессора – управление вычислительным процессом и
обработка данных в соответствии с заданной программой. Процессоры могут
быть универсальными, способными решать широкий круг задач и специализированными, ориентированными на определенный узкий круг задач. Примером универсальных процессоров могут служить процессоры Pentium компании Intel, а к специализированным процессорам относятся процессоры
графические, сигнальные, ввода/вывода и другие.
Основная характеристика процессора – производительность или быст-
родействие. Используют несколько разных показателей производительности.
Наиболее очевидным и исторически первым показателем производительности является быстродействие, измеряемое числом команд компьютера, выполняемых в единицу времени, т.е. измеряемое в Mips (1 Mips соответствует
17
106 команд в секунду). При решении научно-технических задач характерно
использование чисел с плавающей точкой, в этом случае более справедлива
оценка производительности в Mflops, т.е. числом операций над числами с
плавающей точкой в единицу времени.
Однако оценки в Mips или Mflops зависят не только от свойств компьютера, но и от особенностей решаемой задачи. Поэтому используют и другие
показатели производительности. Так, быстродействие ПК обычно характеризуют тактовой частотой компьютера. В случае высокопроизводительных ВС
быстродействие оценивают временем, затраченным на решение некоторых
тестовых задач. Такими тестовыми задачами являются LINPACK, SPECint92,
SPECfp92 и некоторые другие. Например, LINPACK — это пакет программ
для решения систем линейных алгебраических уравнений. В набор базовых
подпрограмм в LINPACK входят подпрограммы скалярного произведения
векторов, умножения вектора на скаляр, сложения векторов.
3.3.3 Память ЭВМ
Память компьютера предназначена для хранения информации и характеризуется следующими основными параметрами:
– объемом (емкостью), т.е. максимально возможным числом блоков
данных, размещаемых в памяти;
– быстродействием, характеризуемым средним временем обращения к
памяти (средним временем поиска, чтения и/или записи одного блока дан-
ных);
– ценой, отнесенной к одному блоку хранимых данных.
Память компьютера имеет иерархическую структуру в связи с тем, что
в едином запоминающем устройстве не удается одновременно в должной мере удовлетворить требования большого объема памяти и высокого быстродействия. Поэтому обычно в состав процессора включают быстродействую-
щую кэш-память сравнительно малого объема (часто также разделяемую на
два или три уровня), далее по мере роста объема и времени обращения к па-
мяти выделяют оперативную память и внешнюю память.
Физически кэш и оперативная память в современных компьютерах, как
правило, являются полупроводниковыми. Для реализации внешней памяти
используют магнитные и оптические принципы записи и чтения информации.
В зависимости от состава выполняемых операций различают несколько
типов памяти. Память с произвольным доступом (операциями как чтения, так
и записи) обычно обозначают RAM (Random Access Memory), а постоянную
память, предназначенную только для чтения, — ROM (Read Only Memory).
В качестве элементов оперативной памяти используют ячейки, пред-
ставляющие собой конденсаторы. Заряженный конденсатор хранит «1», разряженный – «0». Во время считывания информации конденсаторы разряжаются. Кроме того, заряд в конденсаторе из-за утечки хранится ограниченное
время (несколько миллисекунд). Поэтому необходима подзарядка, которая
18
выполняется в процессе регенерации информации. Это обстоятельство обу-
словило название памяти подобного типа – динамическая память или DRAM
(Dynamic RAM). Малые размеры и простота элементов DRAM позволяют
получить довольно большую емкость памяти, но из-за затрат времени на регенерацию снижается быстродействие.
С целью повышения быстродействия DRAM разработано несколько
модификаций этого типа памяти. Синхронная память типа SDRAM
(Synchronous DRAM) отличается от асинхронной памяти типа DRAM тем,
что такты работы памяти засинхронизированы с тактами работы процессора.
Это позволяет исключить циклы ожидания, имеющие место в DRAM.
В памяти типа DDR SDRAM (Double Date Rate SDRAM) быстродействие удалось увеличить вдвое по сравнению с предыдущими типами DRAM
за счет того, что обращения к памяти происходят дважды за такт – как по переднему, так и по заднему фронту тактовых сигналов.
В более быстрой статической памяти SRAM (Static RAM) элементами
памяти являются бистабильные ячейки, при считывании информация не теряется и регенерация не требуется. Поэтому SRAM более быстродействую-
щая память и используется в качестве кэш-памяти. Однако SRAM значительно дороже DRAM.
Память ROM может быть однократно программируемой, т.е. позволять
лишь однократную первоначальную запись информации, или быть перепро-
граммируемой памятью. В последнем случае различают виды памяти
EPROM (Electrically Programmable ROM) и EEPROM (Electrically Erasable
Programmable ROM), которая называется также флеш-памятью. Свойство репрограммируемости основано на использовании МОП-транзисторов с двумя
затворами — основным и скрытым в слое диэлектрика. Подача импульса повышенного напряжения на МОП-транзисторы в ячейках, которые должны
хранить нули, приводит к появлению на скрытом затворе электрического заряда, препятствующего образованию проводящего канала, что и отождествляется как хранение нуля. Состояние нуля сохраняется практически неограниченное время, но при перепрограммировании заряд ликвидируется с помощью внешнего ультрафиолетового облучения (в EPROM) или электрического импульса, подаваемого на затворы (в EEPROM). Ультафиолетовое облучение приводит к постепенному изменению свойств полупроводника, поэтому память EPROM допускает лишь ограниченное число перепрограммирований, кроме того, перезапись происходит с сравнительно большими затратами времени. Поэтому в настоящее время основное внимание уделяется
развитию памяти типа EEPROM.
Примером использования ROM может служить память ROM BIOS
(ROM Basic Input Output System) в ПК, хранящая данные для управления
стандартными внешними устройствами.
Иногда говорят о памяти типа ECC. Это тип памяти, в которой реализован режим ECC (Error Control Correction) контроля функционирования па-
19
мяти с восстановлением ошибок. В этом режиме исправляются одиночные
ошибки в группах из 8 байтов.
Внешняя память, реализуемая на магнитных носителях, представлена
накопителями на магнитных дисках и магнитных лентах. Различают накопители на жестких магнитных дисках (винчестеры) и накопители на гибких
магнитных дисках. В них хранят многократно используемые программы и
файлы данных. Накопители на магнитных лентах, имеющие низкую стоимость хранения, но сравнительно большое время поиска информации, в ос-
новном используют для архивов данных.
Для повышения быстродействия внешней памяти и отказоустойчивости ВС применяют подсистемы внешней памяти с высокой готовностью, реа-
лизующие технологию избыточных массивов дисков RAID (Redundant Arrays
of Inexpensive Disks), объединенных в один блок с общим интеллектуальным
контроллером. RAID есть способ организации работы нескольких физиче-
ских дисков аналогично одному логическому диску, при котором дисковый
массив представляется прикладной задаче как один диск. Как правило, массивы RAID используются в серверах для обеспечения надежности за счет
дублирования данных.
Существует восемь уровней реализаций RAID (от 0 до 7) , которые от-
личаются друг от друга степенью избыточности, методом доступа и пр.
Стандарт седьмого уровня отличается собственной операционной системой и
высокой производительностью.
Различают несколько уровней RAID. Так, на уровне зеркальных дисков
(RAID1) все массивы данных записываются на два разных диска. В случае
RAID уровней 2 и 3 надежность повышается за счет использования избыточных кодов с обнаружением и исправлением ошибок. Введение параллелизма
в операции считывания в RAID4 позволяет увеличить быстродействие дисковой памяти. В RAID5 хранимая и контрольная информация распределяется
по нескольким дискам так, что при отказе одного из них, оставшиеся работо-
способные диски обеспечивают считывание необходимых данных.
3.3.4 Шины ЭВМ
Связь различных устройств ВС между собой осуществляется с помощью шин. К шинам предъявляются требования высокого быстродействия
(пропускной способности), высокой надежности и малой стоимости. Пропускная способность шины определяется объемом информации, передаваемой по шине в единицу времени, и равна произведению тактовой частоты
шины на ее разрядность.
В простейшем случае компьютер может иметь единственную шину,
называемую системной. Однако применение единственной шины не позволяет распараллеливать операции обмена, кроме того, для ряда устройств оказываются не согласованными параметры быстродействия устройства и шины.
Поэтому обычно используют иерархию шин. В современных ПК имеются си-
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]