Вимоги до технічного забезпечення сапр

Технічне забезпечення САПР містить у собі різні технічні засоби (hardware), використовувані для виконання автоматизованого проектування, а саме обчислювальні системи, ЕОМ (комп'ютери), периферійні пристрої, мережне устаткування, а також устаткування деяких допоміжних систем (наприклад, вимірювальних), що підтримують проектування. Відзначимо, що обчислювальною системою (на відміну від ЕОМ і обчислювальної мережі) називають сукупність апаратних і програмних засобів, спільно використовуємих при рішенні задач і розташовуваних компактно на території, розміри якої порівнянні з розмірами апаратних засобів.

Технічні засоби, що використовуються в САПР, повинні забезпечувати:

· виконання всіх необхідних проектних процедур, для яких є відповідне ПЗ;

· взаємодію між проектувальниками й ЕОМ, підтримку інтерактивного режиму роботи;

· взаємодію між членами колективу, що виконують роботу над загальним проектом.

Перша із цих вимог виконується при наявності в САПР обчислювальних машин і систем з достатніми продуктивністю і ємністю пам'яті.

Друга вимога ставиться до користувальницького інтерфейсу й виконується за рахунок включення в САПР зручних засобів вводу-виводу даних і, насамперед, пристроїв обміну графічною інформацією.

Третя вимога обумовлює об'єднання апаратних засобів САПР в обчислювальну мережу.

У результаті загальна структура ТЗ САПР являє собою мережу вузлів, зв'язаних між собою середовищем передачі даних. Вузлами (станціями даних) є робочі місця проектувальників, що часто мають назву автоматизованих робочих місць (АРМ) або робочих станцій (WS — Workstation), ними можуть бути також великі ЕОМ (мейнфрейми), окремі периферійні й вимірювальні пристрої. Саме в АРМ повинні бути засоби для інтерфейсу проектувальника з ЕОМ. Що стосується обчислювальної потужності, то вона може бути розподілена між різними вузлами обчислювальної мережі.

Середовища передачі даних представлені каналами передачі даних, що складаються з ліній зв'язку й комутаційного устаткування.

 

Процесори ЕОМ

Призначення процесора — керування обчислювальним процесом і обробка даних відповідно до заданої програми. Процесори можуть бути універсальними, здатними вирішувати широке коло задач і спеціалізованими, орієнтованими на певне вузьке коло задач. Прикладом універсальних процесорів можуть служити процесори Pentium компанії Intel, а до спеціалізованих процесорів відносяться процесори графічні, сигнальні, ввода/виводу й ін.

Основна характеристика процесора — продуктивність або швидкодія. Використають кілька різних показників продуктивності. Найбільш очевидним і історично першим показником продуктивності є швидкодія, вимірювана числом команд комп'ютера, виконуваних в одиницю часу, тобто вимірюване в Mips (1 Mips відповідає 10⁶ команд у секунду). При рішенні науково-технічних задач характерне використання чисел із плаваючою крапкою, у цьому випадку більш справедлива оцінка продуктивності в Mflops, тобто числом операцій над числами із плаваючою крапкою в одиницю часу.

Однак оцінки в Mips або Mflops залежать не тільки від властивостей комп'ютера, але й від особливостей розв'язуваної задачі. Тому використають і інші показники продуктивності. Так, швидкодію ПК звичайно характеризують тактовою частотою комп'ютера. У деяких випадках швидкодію оцінюють часом, витраченим на рішення деяких тестових задач. Такими тестовими задачами є LINPACK, SPECint92, SPECfp92 і деякі інших. Наприклад, LINPACK - це пакет програм для рішення систем лінійних алгебраїчних рівнянь. У набір базових підпрограм в LINPACK входять підпрограми скалярного добутку векторів, множення вектора на скаляр, додавання векторів.

Пам'ять ЕОМ

Пам'ять комп'ютера призначена для зберігання інформації й характеризується наступними основними параметрами:

· об'ємом (ємністю), тобто максимально можливим числом блоків даних, розташовуваних у пам'яті;

· швидкодією, що характеризується середнім часом звертання до пам'яті (середнім часом пошуку, зчитування й/або запису одного блоку даних);

· ціною, віднесеної до одного блоку збережених даних.

Пам'ять комп'ютера має ієрархічну структуру у зв'язку з тим, що в єдиному запам'ятовувальному пристрої не вдається одночасно належною мірою задовольнити вимоги великого об'єму пам'яті й високої швидкодії. Тому звичайно до складу процесора включають швидкодіючу кеш-пам'ять порівняно малого об'єму (часто також поділювану на два або три рівні), далі в міру росту об'єму й часу звертання до пам'яті виділяють оперативну пам'ять і зовнішню пам'ять.

Фізично кеш і оперативна пам'ять у сучасних комп'ютерах, як правило, є напівпровідниковими. Для реалізації зовнішньої пам'яті використають магнітні й оптичні принципи запису й читання інформації.

Залежно від складу виконуваних операцій розрізняють кілька типів пам'яті. Пам'ять із довільним доступом (операціями як читання, так і запису) звичайно позначають RAM (Random Access Memory), а постійну пам'ять, призначену тільки для читання, — ROM (Read Only Memory).

В якості елементів оперативної пам'яті використають осередки, що представляють собою конденсатори. Заряджений конденсатор зберігає "1", розряджений — "0". Під час зчитування інформації конденсатори розряджаються. Крім того, заряд у конденсаторі через витік зберігається обмежений час (декілька мілісекунд). Тому необхідна підзарядка, що виконується в процесі регенерації інформації. Ця обставина обумовила назву пам'яті подібного типу — динамічна пам'ять або DRAM (Dynamic RAM). Малі розміри й простота елементів DRAM дозволяють одержати досить велику ємність пам'яті, але через витрати часу на регенерацію знижується швидкодія.

З метою підвищення швидкодії DRAM розроблено кілька модифікацій цього типу пам'яті. Синхронна пам'ять типу SDRAM (Synchronous DRAM) відрізняється від асинхронної пам'яті типу DRAM тим, що такти роботи пам'яті засинхронізовані з тактами роботи процесора. Це дозволяє виключити цикли очікування, що мають місце в DRAM.

У пам'яті типу DDR SDRAM (Double Date Rate SDRAM) швидкодію вдалося збільшити вдвічі в порівнянні з попередніми типами DRAM за рахунок того, що звертання до пам'яті відбуваються двічі за такт - як по передньому, так і по задньому фронту тактових сигналів.

У більш швидкій статичній пам'яті SRAM (Static RAM) елементами пам'яті є бістабільні осередки, при зчитуванні інформація не губиться й регенерації не потрібно. Тому SRAM більш швидкодіюча пам'ять і використається як кеш-пам'ять. Однак SRAM значно дорожче DRAM.

Пам'ять ROM може бути однократно програмувальною, тобто дозволяти лише однократний первісний запис інформації, або бути перепрограмувальною пам'яттю. В останньому випадку розрізняють види пам'яті EPROM (Electrically Programmable ROM) і EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM), що називається також флеш-памятью. Властивість репрограмуємості заснована на використанні Моп-транзисторів із двома затворами – основним і схованим у шарі діелектрика. Подача імпульсу підвищеної напруги на Моп-транзистори в осередках, які повинні зберігати нулі, приводить до появи на схованому затворі електричного заряду, що перешкоджає утворенню провідного каналу, що й відповідає зберіганню нуля. Стан нуля зберігається практично необмежений час, але при перепрограмуванні заряд ліквідується за допомогою зовнішнього ультрафіолетового випромінювання (в EPROM) або електричного імпульсу, що подається на затвори (в EEPROM). Ультрафіолетове випромінювання приводить до поступової зміни властивостей напівпровідника, тому пам'ять EPROM допускає лише обмежене число перепрограмувань, крім того, перезапис відбувається з порівняно більшими витратами часу. Тому в цей час основна увага приділяється розвитку пам'яті типу EEPROM.

Прикладом використання ROM може служити пам'ять ROM BIOS (ROM Basic Input Output System) у ПК, що зберігає дані для керування стандартними зовнішніми пристроями.

Іноді говорять про пам'ять типу ECC. Це тип пам'яті, у якій реалізований режим ECC (Error Control Correction) контролю фукціювання пам'яті з відновленням помилок. У цьому режимі виправляються одиночні помилки в групах з 8 байтів.

Зовнішня пам'ять, реалізована на магнітних носіях, представлена накопичувачами на магнітних дисках і магнітних стрічках. Розрізняють накопичувачі на твердих магнітних дисках (вінчестери) і накопичувачі на гнучких магнітних дисках. У них зберігають багаторазово використовувані програми й файли даних. Накопичувачі на магнітних стрічках, що мають низьку вартість зберігання, але порівняно великий час пошуку інформації, в основному використають для архівів даних.

Для підвищення швидкодії зовнішньої пам'яті й відмовостійкості застосовують підсистеми зовнішньої пам'яті з високою готовністю, що реалізують технологію надлишкових масивів дисків RAID (Redundant Arrays of Inexpensive Disks), об'єднаних в один блок із загальним інтелектуальним контролером. RAID є спосіб організації роботи декількох фізичних дисків аналогічно одному логічному диску, при якому дисковий масив представляється прикладній задачі як один диск. Як правило, масиви RAID використовуються в серверах для забезпечення надійності за рахунок дублювання даних.

 

Монітори

У більшості сучасних моніторів використовуються електронно-променеві трубки, у яких світіння шару люмінофора, яким покритий екран, відбувається під дією його опромінення потоком електронів, що випускаються нагрітим катодом трубки. У растрових дисплеях електронний промінь під дією відхиляючої системи трубки переміщається по горизонталі (рядкове розгорнення) і вертикалі (кадрове розгорнення), викликаючи засвічення всіх точок (пікселей) екрану. У кольорових моніторах є три промені, а кожний піксель екрана складається із трьох близько розташованих точок, що мають відповідно світіння червоного, зеленого й синього (RGB) кольору. Інтенсивність потоку, а, отже, і яскравість світіння регулюються напругою, що подається на керуючі електроди. Кольори світіння кожного пікселя визначається яскравістю світіння всіх трьох точок пікселя, тому, управляючи інтенсивністю потоків електронів у всіх трьох променях, можна одержати множину різних відтінків світіння.

Пам'ять відеосистеми має стільки осередків, скільки повинне бути пікселей зображення, і в кожному осередку записані три -розрядних двійкових числа, що задають інтенсивність RGB променів. Ці значень перетворюються в електричний струм (напругу), що подається на керуючі електроди. Розгорнення засинхронізоване із читанням даних з осередків пам'яті, що й створює необхідне зображення на екрані.

Основними параметрами моніторів є розгортка (число пікселей), смуга пропущення відеопідсилювача, частоти кадрового й рядкового розгорнень. Сучасні монітори можуть підтримувати частоту кадрового розгорнення 100 Гц (чим вище частота, тим менше негативний вплив мерехтіння екрана) і розгортку до 1600х1200 пікселей.

Поряд з дисплеями на електронно-променевих трубках все більше поширення одержують рідкокристалічні дисплеї (LCD — Liquid Cristal Display). Екран LCD-дисплея являє собою простір між двома скляними пластинами, заповненими рідкими кристалами. Рідкі кристали здатні під дією електричного поля змінювати свою орієнтацію й тим самим змінювати свою здатність відбивати світло, створюючи необхідне зображення.

З'явилися перші зразки стереоскопічних моніторів, що дозволяють без додаткових стереоокулярів спостерігати тривимірні зображення.

 

Периферійні пристрої

Периферійні пристрої комп'ютерів ділять на пристрої вводу, пристрою виводу й зовнішні запам'ятовувальні пристрої. До пристроїв вводу відносяться клавіатура, миша, сканер, дигітайзер. Пристрої виводу представлені принтерами, плотерами (графобудівниками), дисплеями.

Звичайно в автоматизованих системах користувачі працюють на автоматизованих робочих місцях (АРМ), на яких є комп'ютер з виходом у корпоративну мережу й необхідні периферійні пристрої. Типовий склад пристроїв АРМ: ПК або робоча станція з вінчестером; пристрої вводу-виводу, що включають, як мінімум, клавіатуру, мишу, дисплей; додатково до складу АРМ можуть входити принтер, сканер, плотер і деякі інші периферійні пристрої.

АРМ розрізняються своєю орієнтацією на певні групи проектних або бізнес процедур і відповідно типами й характеристиками обчислювального та периферійного устаткування. Так, в АРМ, призначених для САПР, що вимагають обробки графічної інформації, у дисплеях використаються растрові монітори з кольоровими трубками. Типові значення характеристик моніторів перебувають у наступних межах: розмір екрана по діагоналі 17...24 дюйма (фактично зображення займає площу на 5...8 % менше, ніж указується в паспортних даних). Розгортка монітора, тобто число помітних пікселей (окремих точок, з яких складається зображення), визначається кроком між отворами в масці, через які проходить до екрана електронний промінь в електронно-променевій трубці. Цей крок перебуває в межах 0,21...0,28 мм, що відповідає кількості пікселей зображення від 800х600 до 1600х1200 і більше. Чим вище розгортка, тим ширше повинна бути смуга пропущення електронних блоків відеосистеми при однаковій частоті кадрового розгорнення. Смуга пропущення відеопідсилювача перебуває в межах 110...150 МГц і тому частота кадрового розгорнення звичайно знижується з 135 Гц для 640x480 до 60 Гц для 1600x1200. Відзначимо, що чим нижче частота кадрового розгорнення, а це є частота регенерації зображення, тим помітніше мерехтіння екрана. Бажано, щоб ця частота була не нижче 75 Гц.

Для уведення інформації в ЕОМ використають дигітайзери, інтерактивні дошки, сканери, візуализатори, цифрові відеокамери (Web-камери).

Дигітайзери призначені для ручного уведення графічної інформації, у цей час їх застосовують досить рідко. Дигітайзер має вигляд кульмана, по його електронній дошці переміщається курсор, на якому розташований візир і кнопкова панель. Курсор має електромагнітний зв'язок із сіткою провідників в електронній дошці. При натисканні кнопки в деякій позиції курсору відбувається занесення інформації про координати цієї позиції. У такий спосіб може здійснюватися ручний ввід креслень.

Інтерактивна дошка (smart board), називана також інтелектуальною дошкою, дозволяє користувачам виводити на поверхню дошки вміст файлів з пам'яті комп'ютера, Internet-джерел, CD-ROM, редагувати виведене зображення, наносити поверх нього свої графічні й текстові фрагменти. Усе, що користувач намалював або написав на дошці, буде збережено у вигляді комп'ютерних файлів, може бути роздруковано, послано по електронній пошті, поміщено в Web-сторінку.

Інтерактивні дошки є зручним засобом подання, редагування й збереження навчальних матеріалів, формованих викладачем безпосередньо під час проведення навчальних занять. Крім того, за допомогою інтерактивної дошки викладач може управляти комп'ютером, вибираючи потрібні програми або файли простою вказівкою на екранну кнопку на поверхню дошки.

Для автоматичного уведення інформації з наявних текстових або графічних документів використовують сканери планшетного або протяжливого типу й візуалізатори. Спосіб зчитування – оптичний. У скануючий голівці сканера розміщаються оптоволоконні самофокусуючі лінзи й фотоелементи. Розгортка у різних моделях становить від 300 до 2400 точок на дюйм (цей параметр часто позначають dpi). Зчитана інформація має растрову форму, програмне забезпечення сканера представляє її в одному зі стандартних форматів, наприклад tiff, gif, pcx, jpeg, і для подальшої обробки може бути виконана векторизація – переклад графічної інформації у векторну форму, наприклад, у формат dxf.

Візуалізатор служить для зчитування інформації з документа і її передачі на вхід комп'ютера для збереження в пам'яті (режим сканера) або на вхід мультимедийного проектора для збільшеного зображення на екрані під час презентацій або навчальних занять. Як документ можуть використатися не тільки плоскі сторінки з текстом, малюнками, кресленнями, але й інші предмети, наприклад, деталі механічних або електронних пристроїв порівняно невеликих розмірів. Можна накладати зображення з визуалізатора на інші зображення, що надходять із комп'ютера.

Для зйомки відеофрагментів з метою їхнього наступного включення в мультимедійні навчальні матеріали використають цифрові відеокамери.

Для висновку інформації у вигляді твердих копій застосовують принтери й плотеры (графобудівники). Перші з них орієнтовані на одержання документів малого формату (А3, А4), другі – для висновку графічної інформації на широкоформатні носії.

У цих пристроях переважно використається растровий (тобто порядковий) спосіб виводу із струминною технологією печаті. Друкуюча система в струминних пристроях містить у собі картридж і голівку. Картридж – балон, заповнений чорнилом (у кольорових пристроях є кілька картриджів, кожний із чорнилом своїх кольорів). Голівка – матриця із сопл, з яких дрібні чорнильні краплі надходять на носій. Фізичний принцип дії голівки термічний або п'єзоелектричний. При термопечаті викидання крапель із сопла відбувається під дією його нагрівання, що викликає утворення пари й викидання крапельок під тиском. При п'єзоелектричному способі пропущення струму через п’єзоелемент приводить до зміни розміру сопла й викиданню краплі чорнила. Другий спосіб дорожче, але дозволяє одержати більш високоякісне зображення.

Типова розгортка принтерів і плотерів перебуває в межах від 300 до 2400 dpi. Швидкість печатки в монохромному режимі від 10 до 18 сторінок у хвилину, у кольоровому режимі – трохи менше.

Дигітайзери, сканери, принтери, плотери можуть входити до складу АРМ або розділятися користувачами декількох робочих станцій у складі локальної обчислювальної мережі.

Вивід інформації на екран збільшених розмірів, що потрібно під час презентацій і навчальних занять, виконується за допомогою мультимедійних проекторів. Вони відрізняються від відеопроекторів тим, що сприймають не відеосигнали, а цифрові сигнали від комп'ютера.

 

Шини комп'ютера

Зв'язок різних пристроїв комп’ютера між собою здійснюється за допомогою шин. До шин пред'являються вимоги високої швидкодії (пропускної здатності), високій надійності й малій вартості. Пропускна здатність шини визначається обсягом інформації, переданої по шині в одиницю часу, і дорівнює добутку тактової частоти шини на її розрядність.

У найпростішому випадку комп'ютер може мати єдину шину, що має назву системної. Однак застосування єдиної шини не дозволяє запаралеліти операції обміну, крім того, для ряду пристроїв виявляються не погодженими параметри швидкодії пристрою й шини. Тому звичайно використають ієрархію шин. У сучасних ПК є системна шина, що зв'язує процесор з оперативною пам'яттю (і можливо з кеш-пам'яттю другого рівня), шина розширення для підключення мережного контролера й швидких зовнішніх пристроїв і шина повільних пристроїв, таких як клавіатура, миша, принтер і т.п. Часто окрема шина, більш швидкодіюча чим шина розширення, зв'язує відеоадаптер з оперативною пам'яттю. Наприклад, 64-розрядна системна шина в мікропроцесорі Itanium має тактову частоту 133 Мгц, а шина мікропроцесора Itanium II є вже 128-розрядної й працює із частотою 400 Мгц. Шина розширення PCI може бути 32- або 64-розрядної. Її тактова частота звичайно дорівнює половині тактової частоти системної шини. Шини зв'язані між собою мікросхемами-мостами. Крім того, усередині кристала мікропроцесора є процесорна швидкодіюча шина, що зв'язує арифметико-логічний пристрій з кеш-пам'яттю першого рівня.

Шини можуть бути декількох профілів залежно від кількості провідних пристроїв, тобто пристроїв, які можуть ініціювати транзакції зчитування або запису. При декількох провідних пристроях надання повноважень на захоплення шини здійснює схема арбітражу.

Розрізняють синхронні й асинхронні шини. У синхронних шинах передбачається, що тактові сигнали зв’язуючих пристроїв засинхронізовані, тому можлива більша швидкодія, але при істотному обмеженні довжини шини. В асинхронних шинах використовується старт-стопний режим передачі з попереднім запитом зв'язку й згодою на нього.