Состав, организация и режимы работы технических средств САПР

Техническое обеспечение САПР

 

 

Технические средства САПР — это совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих аппаратных средств, предназна­ченных для выполнения автоматизированного проектирования.

Технические средства делятся на дне основные группы:

— центральные средства, включающие собственно ЭВМ, осуществляющие прием данных, их программную обработку, накопление и выдачу информации на устройства отображения и в каналы связи;

— периферийные (терминальные) средства, используемые для подготовки и ввода данных, отображения и документиро­вания данных и результатов проектирования, хранения инфор­мации, оперативного общения пользователя с системой в про­цессе проектирования.

Основой технических средств САПР является базовая ЭВМ, содержащая процессоры, запоминающие устройства, ус­тройства управления и каналы ввода-вывода информации.

За десятилетия своего развития технические средства САПР прошли ряд этапов, в значительной степени связанных со сменой поколений ЭВМ и совершенствованием периферий­ных устройств. Базовые ЭВМ первых поколений САПР РЭС представляли собой автоматизированные рабочие места (АРМ) на основе универсальных ЭВМ среднего класса и мини-ЭВМ с расширенным набором периферийных устройств ввода-вывода графической информации. Характе­рной чертой развития технических средств этих поколений было стремление максимально приблизить АРМ к проектиров­щику РЭС с помощью САПР. Возникшее при этом противоре­чие между требованием относительно низкой стоимости, габаритов и потребления и требованием сохранения высоких технических параметров базовых ЭВМ из-за сложности решаемых задач САПР привело к созданию мощных децентрализованных систем ЭВМ, объединенных локальными вычислительными сетями (ЛВС).

К настоящему времени сложился устойчиво растущий ры­нок сбыта аппаратных и программных средств в области САПР, который выработал собственные требования к базовым ЭВМ, периферийным устройствам и ЛВС. В качестве эталон­ных базовых ЭВМ, находящихся непосредственно на столах проектировщиков РЭС, выступают в течение уже длительного времени рабочие станции (PC), связанные ЛВС между собой и с другими ЭВМ.

PC имеют существенные отличия от персональных компьютеров (ПК), поскольку требования к PC формируются рынком в области САПР, а требования к ПК — в значительной степе­ни рынком в области конторского оборудования, бытовой тех­ники, средств связи и коммуникаций. PC развивались незави­симо от ПК, однако удешевление элементной базы PC и по­вышение требований к техническим характеристикам ПК привели к тому, что наиболее мощные модели ПК проникли на рынок средств САПР, конкурируя с недорогими PC.

Особенности архитектуры и технических характеристик PC с точки зрения их применения в качестве базовых вычислите­льных систем в области САПР РЭС наиболее ясно прояв­ляются при их сравнении с ПК [8].

1. Вычислительным ядром большинства PC является RISC-процессор, т.е. процессор с сокращенным набором команд и повышенным быстродействием за счет того, что большинство его команд выполняется за один период тактового  генератора частоты, синхронизирующего работу такого микропроцессора (МП). Большинство ПК имеет в качестве вычислительного ядра МП со сложным набором команд (CISC-процессор), у которого каждая команда выполняется за несколько тактов генератора частоты. При этом сравнительно более низкая производительность ПК компенсируется более простым программным обеспечением и совместимостью с более ранними моделями ПК.

2. Все современные PC имеют большой объем оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) и работают под управлением сложных многозадачных операционных систем (ОС) с соответствующими аппаратными средствами поддержки. Боль­шая часть ПК имеет несколько меньший объем ОЗУ и работает под управлением более простых ОС, хотя и имеет средства аппаратной поддержки многозадачности ОС. Эта особенность PC обусловлена сложностью задач и иерархичностью пакетов САПР.

3. Наличие в PC мощных графических процессоров с под­держкой высокоскоростной и высококачественной графики с разрешением не менее 1000x1000 и цветовой палитрой до 1,5 млн. цветовых оттенков. В большинстве ПК используется ме­нее высококачественная графика стандарта VGA, SVGA. Эта особенность PC обусловлена тем, что большинство задач САПР требует высококачественного графического ввода-выво­да информации.

4. В базовый комплект PC обязательно встраивается аппаратура высокоскоростной связи со стандартной ЛВС — сете­вой адаптер. В базовом комплекте ПК обычно не предусмот­рено наличие сетевого адаптера. Такая особенность PC обус­ловлена тем, что PC не может работать эффективно в автономном режиме, без взаимодействия с другими PC и ти­пами ЭВМ через ЛВС. ПК спроектирован как автономное, са­модостаточное устройство, поэтому даже при объединении ПК в локальную сеть большинство операций с информацией ПК проводит автономно.

Базовый набор компонентов PC составляют:

— системная плата, содержащая RISC-процессор с аппаратно реализованным сопроцессором арифметики с плаваю­щей точкой (САПТ), оперативное и постоянное запоминающие устройства (ОЗУ и ПЗУ) и, как правило, графический адап­тер с подключенным к нему монитором;

— платы сопряжения с периферийными устройствами, об­разующие подсистему ввода-вывода с клавиатурой, манипуля­тором типа «мышь», иногда с автоматическим сканером, гра­фопостроителем или лазерной печатью;

— платы сопряжения с внешними запоминающими устрой­ствами (ВЗУ), плата сетевого адаптера.

Основой системной платы является базовый МП, осуществ­ляющий арифметические и логические операции, а также управление PC. На одном кристалле современного RISC-МП расположен целочисленный процессор, часто сопроцессор ариф­метики с плавающей точкой, а иногда и графический процессор обработки изображений (от сотен тысяч до миллионов транзисторов на одном кристалле). В некоторых недорогих вариантах базовых ЭВМ САПР на основе ПК используются МП со сложным набором команд.

Быстродействие целочисленного процессора в МП зависит как от тактовой частоты задающего генератора, так и от ор­ганизации процессора. У процессора с сокращенным набором команд типа RISC среднее число приходящихся на одну коман­ду тактов генератора менее 1,3, а у RISC-процессоров с внут­ренней параллельностью функционирования некоторых аппа­ратных средств оно меньше единицы, достигая 0,5...0,25. Для CISC-процессоров со сложным набо­ром команд среднее количество тактов генератора на одну ко­манду приближается к 1,3 за счет такой же, как у RISC-процессоров, конвейерной организации функционирова­ния аппаратуры, при которой команда разбивается на ряд этапов выполнения. Каждый этап текущей команды выпол­няется своей частью аппаратуры МП параллельно с выполне­нием этапов предыдущих и последующих команд.

Для ускорения выполнения арифметических операций над числами с плавающей точкой используются аппаратно реали­зующие операции САПТ, как встроенные внутрь кристалла МП, так и выпускаемые отдельными большими интеграль­ными схемами (БИС). Арифметический сопроцессор — это процессор, работающий совместно с целочисленным процессором под объединенным управлением. Выполнение операций плаваю­щей арифметики осуществляется сопроцессором параллельно с работой целочисленного процессора. Непрерывная обработ­ка своих команд целочисленным процессором прерывается то­лько на этапе передачи ему результата операции плавающей арифметики из сопроцессора.

При параллельной работе целочисленного процессора и со­процессора производительность ЭВМ следует оценивать с по­мощью специальных тестовых задач. Одним из наиболее попу­лярных тестовых пакетов для оценки производительности яв­ляется пакет Linpack, измеряющий быстродействие ЭВМ при решении систем линейных алгебраических уравнений. В этом случае производительность машины выражается в специальных единицах - миллионах операций с плавающей точкой в секун­ду (МФЛОПС). Производительность определяется отношением общего числа операций, используемых в тестах пакета при ре­шении систем линейных уравнений, к времени работы процес­сора с сопроцессором при решении задач пакета.

На системной плате PC основной МП соединен широкой 64-разрядной и наиболее быстродействующей шиной с ОЗУ и графическим адаптером, т.е. с устройствами, требующими ма­ксимальной скорости обмена друг с другом. Устройства упра­вления ВЗУ на основе жестких и гибких дисков, а также сете­вой адаптер имеют собственную 32-разрядную быструю шину, которая через буферные устройства соединяется с основной 64-разрядной шиной системной платы. Остальные, более мед­ленные периферийные устройства соединены низкоскоростной 8-разрядной шиной, которая через буферные схемы также соединяется с основной шиной. Такое иерархическое построение шин PC позволяет существенно снизить ее стоимость при сох­ранении высоких скоростей обмена информацией.

Все устройства управления периферией в современных PC ПК строятся на основе собственных, менее мощных, чем центральный, микропроцессоров, берущих на себя значительную часть функций обмена данными основного МП, разгружая его для вычислительной работы. Такая концепция построения PC ПК, при которой обработка данных производится в ряде взаимосвязанных интеллектуальных центров, называется распределенной обработкой данных.

В ЭВМ обычно используется два типа памяти: ПЗУ и ОЗУ. Процессор в ЭВМ считывает данные и команды из ОЗУ, ПЗУ и выполняет их. В ПЗУ хранятся подпрограммы — драйверы, организующие ввод-вывод информации со стандартных периферийных устройств PC, входящих в ее ми­нимальный базовый комплект. Эти периферийные устройства имеют ограниченную номенклатуру, а ввод-вывод с них дол­жен обслуживаться максимально быстро, что и обеспечивают ПЗУ-драйверы. В ОЗУ хранятся и выполняются программы и драйверы, загружаемые с ПЗУ, так как содержимое ОЗУ сти­рается при отключении питания.

В современных ПК и PC ОЗУ имеет сложную иерархичную организацию, что связано с двумя причинами:

— повышенные требования к защите данных при многоза­дачном режиме работы ЭВМ;

— растущий разрыв между быстродействием МП и мик­росхем ОЗУ при организации больших объемов памяти.

Первая причина обусловила наличие виртуальной адреса­ции памяти и соответствующей аппаратуры преобразования виртуальных адресов программы в физические адреса ОЗУ. Виртуальный адрес программы все­гда начинается с нулевого адреса. Он суммируется с содер­жимым регистра базы, базовый адрес которого указывает, в какое место поместить программу в физической памяти. Ап­паратура управления памятью включает в себя также регистр границ, с помощью которого проверяются обращения прог­раммы за пределы области разрешенных для данной задачи адресов ОЗУ, и регистр кода доступа к области ОЗУ, с помо­щью которого разрешается доступ на чтение-запись в ОЗУ, только чтение из ОЗУ либо полный запрет обращения к дан­ной области памяти. Аппаратура сравнения адресов прове­ряет разрешение на доступ данной задачи к данной области адресов ОЗУ. Если сформированный физический адрес нахо­дится вне диапазона разрешенных адресов либо код доступа задачи не соответствует коду доступа к данной области ОЗУ, устройство управления памятью инициирует прерывание по ошибке доступа к ОЗУ. Аппаратура управления памятью обе­спечивает с помощью кодов доступа сегментацию ОЗУ, т.е. деление памяти на различного размера сегменты для совмест­ного использования несколькими задачами. Для организации более быстрого обмена с ВЗУ виртуальная память делится на страницы. Страницы — это блоки последовательных адресов равного размера в ОЗУ. Страница является минимальной единицей обмена данными между ОЗУ и ВЗУ. Типичный раз­мер страницы — 4 и 8 Кбайт.

Разрыв между быстродействием МП и относительно медлен­ным циклом обращения к ОЗУ устраняется введением блока дополнительной быстродействующей памяти (КЭШ-памяти) между МП и основным ОЗУ. КЭШ-память может входить как непосредственно в состав МП, так и выполняться в виде отдель­ных БИС. Чтобы процессор не загружать управлением данными в КЭШ-памяти, она имеет собственное устройство управ­ления. Аппаратура такого устройства обеспечивает следую­щие функции:

— перезапись областей основного ОЗУ в КЭШ-память при отсутствии в ней данных, необходимых МП;

— устранение неоднозначности данных КЭШ-памяти и ос­новного ОЗУ при записи в КЭШ из МП и при записи в основное ОЗУ из ВЗУ или других периферийных устройств новых данных.

В современных МП помимо КЭШ-памяти вводится еще один промежуточный блок сверхоперативной регистровой памяти — очередь предваритель­ной выборки команд или данных между КЭШ-памятью и собственно процессором. Эта сверхоперативная память находится всегда на одном кристалле с процессором, организуя опережающую выборку команд или данных до этапа их выполне­ния в процессоре.

Кроме оперативной памяти ЭВМ содержит ВЗУ. В ПК и РС наибольшее распространение в качестве ВЗУ получили накопители на жестких и гибких магнитных дисках (НЖМД и НГМД). В жестких дисках с несменными пластинами, называемых винчестерами, удается достичь высокой плотности записи информации, в десятки и сотни раз превосходящей плотность записи на гибких дисках. Существен­но меньше и время доступа к информации у НЖМД по срав­нению с НГМД.

Конструктивно винчестер содержит пакет вращающихся маг­нитных дисков (обычно 4...8 пластин), размещенный вместе с блоком магнитных головок в герметизированном корпусе. Прецизионно выполненные механизмы позволяют добиться высо­кой плотности записи, которая постоянно растет с развитием технологической базы. Объем винчестера достигает 200 Гбайт и более при габаритах, позволяющих уместить такое ВЗУ в корпусе настольного варианта PC или ПК. Такая емкость внешней памяти позволяет создавать и эксплуатировать большие программные системы и пакеты САПР, сосредото­чивая большую часть данных на ВЗУ PC проектировщика аппаратуры и обеспечивая при необходимости оперативный доступ к ним. Существенный недостаток винчестеров — невоз­можность смены дисков.

Перспективы развития внешней памяти PC и ПК связы­вают с технологией ВЗУ на оптических дисках. Конструктивно ВЗУ на оптическом диске близко к ВЗУ типа «винчестер», но вместо магнитных головок записи-чтения используются оптиче­ские лазерные устройства. В ВЗУ на неперезаписываемых и несменных оптических дисках достигнуты объемы памяти до нескольких Гбайт. Разработаны также магнитооптические пе­резаписываемые диски, которые по параметрам аналогичны дискам типа «винчестер», но имеют большую надежность и сменные оптические диски емкостью 600 Мбайт.

НГМД имеют худшие параметры, чем НЖМД, но отличаются дешевизной и используются для хранения и переноса данных и программных пакетов с компьютера на компьютер. Гибкие диски также называют флоппи-дисками.

Рассмотренные устройства определяют вычислительные параметры нижнего уровня технических средств САПР — PC и ПК. Следует заметить, что на рынке средств САПР в нашей стране выбор весьма огра­ничен и ни один тип ЭВМ пока не соответствует по своим па­раметрам и идеологии построения зарубежным рабочим станциям.

Современные PC исполь­зуют в качестве ОС многозадачные ОС, часто совместимые с ОС UNIX. Многозадачные ОС PC функционируют в режиме разделения времени. В таком режиме процессорное время де­лится специальным системным таймером-счетчиком на неболь­шие равные кванты. Они предоставляются по очереди всем задачам, решаемым процессором. Все ресурсы PC во время отведенного текущей задаче кванта доступны ей. Процессор переключается в режиме разделения времени с задачи на за­дачу настолько быстро, что, с точки зрения медленной реак­ции человека, задачи в ОС решаются «параллельно». Наибо­лее существенный выигрыш в производительности многозадач­ной ОС происходит за счет разделения во времени и параллельного использования периферийного оборудования, например, пока одна задача занимает процессор, другая за­дача обеспечивает обмен с печатающим устройством, а тре­тья — осуществляет обмен между ВЗУ и ОЗУ.

PC и ПК являются нижним уровнем технических средств САПР, непосредственно доступным проектировщикам РЭС с помощью САПР. Часть задач в САПР требует более высокой производительности, что достигается использованием ЭВМ других классов и их комплексированием вместе с PC и ПК на базе ЛВС.