7.3.4 Програмне забезпечення
У програмне забезпечення (ПЗ) входять тексти програм і документи для їхньої експлуатації (інструкції для користувача, тестові програми для діагностики помилок і збоїв і т.д.).
Основними вимогами до програмного забезпечення є:
а) гнучка організація (модульна побудова, взаємозамінність модулів і ін.), що допускає можливість побудови різних конфігурацій програмних систем і їхнього розширення;
б) добре сервісне забезпечення (можливість діагностики помилок, роботи в режимі діалогу, з поділом часу);
в) висока якість текстів програм (структурованість, швидкодія, ефективне використання пам'яті) і документації до неї.
ПЗ поділяється на системне та прикладне забезпечення
Системне програмне забезпечення. Системне програмне забезпечення включає загальні і спеціалізовані операційні системи. До загальних відносяться системи типу MS DOS, WINDOWS, UNIХ і ін., до спеціалізованих — системи, створювані спеціально для керування унікальними програмними комплексами, наприклад, підсистемами САПР.
Операційною системою називається сукупність програм, керуючих роботою ПК, що забезпечують узгодження роботи ПК і програм користувачів, що надходять до неї, для максимального завантаження всіх пристроїв ПК і здійснюючих зв'язок ПК з користувачем з метою надання йому максимальних зручностей (послуг) при рішенні задач (інформації про хід рішення задачі і причинах зупинок у рішенні, можливості використання різних пристроїв вводу-виводу, полегшення процесу відлагодження програм і т.д.).
Основними частинами ОС є керуючі і системні обробні програми. До ОС входять також програми телеобробки даних, що забезпечують передачу даних в ПК по телефонним, телеграфним і іншим каналам зв'язку, і програми машинної графіки, що забезпечують роботу ПК з алфавітно-цифровими і графічними дисплеями.
Прикладні програми САПР. До прикладних відносяться програми, що виконують безпосереднє моделювання станів і процесів в об'єктах проектування. Прикладами прикладних програм САПР можуть служити програми створення математичних моделей елементів РЕА, розрахунку перехідних процесів, розрахунку частотних характеристик, логічного моделювання і т.д.
7.3.5 Технічне забезпечення
До складу технічного забезпечення (ТЗ) САПР входять ПК і периферійне допоміжне устаткування, що забезпечує зручність взаємодії проектувальника і САПР. До технічного забезпечення САПР пред'являються наступні основні вимоги: 1) достатність обчислювальних ресурсів (продуктивності і ємності пам'яті) для рішення всіх основних проектних задач; 2) наближеність до робочих місць проектувальників, зручність спілкування людини з ПК; 3) забезпечення колективного виконання проектування.
Задоволення цих вимог обумовлює наступні особливості технічного забезпечення САПР:
а) основним компонентом ТЗ є робочі станції (workstations — WS), що поєднують ПК, периферійні пристрої, необхідні на робочому місці, і програмне забезпечення, орієнтоване на конкретну прикладну область;
б) робочі станції поєднують в обчислювальну мережу для забезпечення взаємодії розроблювачів і раціонального використання загальних апаратних, програмних і інформаційних ресурсів;
в) САПР великих і середніх підприємств для виконання трудомістких обчислювальних процедур часто має в своєму складі високопродуктивну ПК або супер ПК (mainframe — MF).
Загальна структура ТЗ таких САПР показана на рис. 7.1, тобто обчислювальна мережа, у якій середовище передачі даних здійснює комунікації між вузлами мережі — робочими місцями користувачів (РМ), серверами і високопродуктивною ПК.
Як РМ можуть використовуватися не тільки WS, але і персональні ПК (ППК). Однак у розвинутих САПР основним видом РМ є WS. До відзначних рис WS відносяться, по-перше, більша швидкодія завдяки використанню апаратних засобів підтримки графічних операцій, мережної взаємодії і інтерфейсів з масовою пам'яттю; по-друге, системна закінченість програмного забезпечення, орієнтованого на задачі проектування в конкретних прикладних областях.
Сервери виконують функції, характерні для таких обслуговуючих підсистем САПР, як моніторна або керування базами даних. Одночасно в деяких САПР сервери можуть використовуватися і як РМ.
Рисунок 7.1 - Структура технічного забезпечення САПР
Високопродуктивні ПК мають ряд архітектурних особливостей. Головний напрямок прискорення обчислень у сучасних ПК — розпаралелення обчислень. Паралельні обчислення стають характерною рисою ТЗ САПР, оскільки не тільки знаходять застосування в суперПК і спеціалізованих процесорах, але й усе ширше починають застосовуватися в робочих станціях САПР. Потреби у високошвидкісних обчисленнях при проектуванні. Розглянемо приклади проектних процедур, що вимагають використання високошвидкісних обчислень.
1.Обробка зображень при інтерактивному конструюванні деталей і вузлів.
Перерахування координат однієї крапки в тривимірних зображеннях полягає в множенні матриці розміру 4*4 на вектор. Якщо зображення складається з 104 прямокутників, у кожнім з яких мається по 104 крапок при растровому зображенні, то загальне число перелічуваних крапок дорівнює 108 . Якщо при гПКетричному моделюванні користувач хоче переглядати зображення, що рухається, то потрібно змінювати кадри; при цьому прийнятна частота зміни кадрів зображення, що рухається, не повинна бути менш 10 Гц. Отже, необхідне швидкодія близько 2*1010 операцій у секунду (без обліку сегментації й інших прийомів скорочення обсягу обчислень).
2. Синтез тестів для надвеликих інтегральних схем (НВІС).
Якщо намагатися вирішувати задачу прямим перебором наборів вхідних кодів, то при N входах у ВІС маємо загальне число різних вхідних сигналів 2N . Якщо НВІС включає М елементів пам'яті, то загальне число елементарних перевірок, що гарантує повний контроль працездатності НВІС, складає 2N+M. Відзначимо, що для кожної елементарної перевірки потрібен аналіз схеми, а число виконуваних операцій у кожнім варіанті інкрементного аналізу пропорційно числу вентилів у НВІС, помноженому на число часових тактів.
З приведених прикладів ясно, що для багатьох проектних процедур необхідно шукати способи: а) скорочення трудомісткості обчислень; б) збільшення швидкості обчислень. Перше відноситься до проблем математичного забезпечення САПР. Друге зв'язано з проблемами як математичного (організація паралельних обчислювальних процесів), так і технічного забезпечення (підвищення продуктивності обчислювальних систем).
В обчислювальній техніці існують наступні напрямки прискорення обчислень: удосконалювання елементної бази; пошук структурних поліпшень у рамках традиційної фоннеймановської архітектури ПК; уведення паралелізму в обчислювальні процеси.
У сучасній мікроелектроніці досягнуті наступні значення показників, що характеризують швидкодію елементної бази:
затримка сигналу на один вентиль ЭСЛ 0,09...0,35 нс, на вентиль КМОП 0,2...0,6 нс; число транзисторів в одному кристалі — до декількох мільйонів; число електричних з'єднань у кристалі — кілька десятків тисяч, довжина деяких з них доходить до 10 мм.
У той же час швидкість поширення сигналів по провідниках обмежена: затримки в друкованих з'єднаннях складають 8 нс/м, у 50-омному кабелі — 5 нс/м. У результаті затримки в міжз’єднаннях стали порівнянними з затримками у вентилях і стають головним і принциповим фактором, що обмежує підвищення швидкодії елементної бази.
До числа структурних удосконалень, добре відомих в обчислювальній техніці, відносяться введення кеш-пам'яті, її поділ на кеш-пам'ять команд і кеш-пам'ять даних, ієрархія шин, використання RISC (Reduced Instruction Set Computer) процесорів.
Однак можливості перших двох названих напрямків обмежені і майже вичерпані. Тому головний напрямок розвитку техніки високошвидкісних обчислень засновано на використанні паралелізму в обчислювальних процесах. Усі сучасні високопродуктивні ПК і тим більше суперПК використовують паралелізм обчислень у тій або іншій формі.
Надалі для стислості будемо застосовувати термін "високопродуктивна обчислювальна система" (ВОС) для позначення високопродуктивних ПК і суперЕВМ (тобто mainframes), якщо немає спеціального застереження.