Лекция 4. Аппаратура рабочих мест в автоматизированных системах проектирования и управления

Вычислительные системы в САПР. В качестве средств обработки данных в современных САПР широко используют рабочие станции, серверы, персональные компьютеры. Большие ЭВМ и 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, опера­тивной и кэш-памятью и шинами, служащими для взаимной связи устройств; устройства ввода-выво­да, включающие в себя, как минимум, клавиатуру, мышь, дисплей; дополнительно в состав АРМ мо­гут входить принтер, сканер, плоттер (графопостроитель), дигитайзер и некоторые другие периферий­ные устройства.

Память ЭВМ обычно имеет иерархическую структуру. Поскольку в памяти большого объема трудно добиться одновременно высокой скорости записи и считывания данных, память делят насверхбыстродействующую кэш-память малой емкости, основную оперативную память умеренного объема и сравнительно медленную внешнюю память большой емкости, причем, в свою очередь, кэш­память часто разделяют на кэш первого и второго уровней.

Для связи наиболее быстродействующих устройств (процессора, оперативной и кэш-памяти, ви­деокарты) используется системная шина с пропускной способностью до одного-двух Гбайт/с. Кроме системной шины на материнской плате компьютера имеются шина расширения для подключения се­тевого контроллера и быстрых внешних устройств (например, шина PCI с пропускной способностью 133 Мбайт/с) и шина медленных внешних устройств, таких как клавиатура, мышь, принтер и т.п.

Рабочие станции (workstation) по сравнению с персональными компьютерами представляют со­бой вычислительную систему, специализированную на выполнение определенных функций. Специа­лизация обеспечивается как набором программ, так и аппаратно за счет использования дополнитель­ных специализированных процессоров. Так, в САПР для машиностроения преимущественно 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 повороты, удаление скрытых линий и др.) часто вы­полняются по отношению ко всем элементам изображения. Такими элементами в трехмерной (3D) графике при аппроксимации поверхностей полигональными сетками являются многоугольники, их число может превышать 10⁴. С другой стороны, для удобства работы проектировщика в интерактив­ном режиме задержка при выполнении команд указанных выше операций не должна превышать не­скольких секунд. Но поскольку каждая такая операция по отношению к каждому многоугольнику ре­ализуется большим числом машинных команд требуемое быстродействие составляет десятки милли­онов машинных операций в секунду. Такое быстродействие при приемлемой цене достигается приме­нением наряду с основным универсальным процессором также дополнительных специализирован­ных (графических) процессоров, в которых определенные графические операции реализуются аппа-ратно.

В наиболее мощных рабочих станциях в качестве основных обычно используют высокопроиз­водительные микропроцессоры с сокращенной системой команд (с RISC-архитектурой), работающие под управлением одной из разновидностей операционной системы Unix. В менее мощных все чаще используют технологию Wintel (т. е. микропроцессоры Intel и операционные системы Windows). Гра­фические процессоры выполняют такие операции, как, например, растеризация — представление изо­бражения в растровой форме для ее визуализации, перемещение, вращение, масштабирование, удале­ние скрытых линий и т. п.

Типичные характеристики рабочих станций: несколько процессоров, десятки-сотни мегабайт оперативной и тыся­чи мегабайт внешней памяти, наличие кэш-памяти, системная шина со скоростями от сотен Мбайт/с до 1-2 Гбайт/с.

В зависимости от назначения существуют АРМ конструктора, АРМ технолога, АРМ руководите­ля проекта и т.п. Они могут различаться составом периферийных устройств, характеристиками ЭВМ.

В АРМ конструктора (графических рабочих станциях) используются растровые мониторы с цветными трубками. Типичные значения характеристик мониторов находятся в следующих пределах: размер экрана по диагонали 17...24 дюйма (фактически изображение занимает площадь на 5...8 % меньше, чем указывается в паспортных данных). Разрешающая способность монитора, т. е. число раз­личимых пикселей (отдельных точек, из которых состоит изображение), определяется шагом между отверстиями в маске, через которые проходит к экрану электронный луч в электронно-лучевой труб­ке. Этот шаг находится в пределах 0,21.0,28 мм, что соответствует количеству пикселей изображе­ния от 800x600 до 1920x1200 и более. Чем выше разрешающая способность, тем шире должна быть полоса пропускания электронных блоков видеосистемы при одинаковой частоте кадровой развертки. Полоса пропускания видеоусилителя находится в пределах 11 0. 1 50 МГц и потому частота кадровой развертки обычно снижается с 1 35 Гц для разрешения 640x480 до 60 Гц для разрешения 1 600x1 200.Отметим, что чем ниже частота кадровой развертки, а это есть частота регенерации изображения, тем заметнее мерцание экрана. Желательно, чтобы эта частота была не ниже 75 Гц.

Специально выпускаемые ЭВМ как 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, число процессоров невелико (единицы, редко более десяти). Например, сервер Enterprise 250 (Sun Microsystems) имеет 1-2 процессора, его цена в зависимости от комплекта­ции колеблется в диапазоне 24-56 тыс. долларов, а сервер Enterprise 450 с четырьмя процессорами стоит от 82 до 95 тысяч долларов.

Периферийные устройства. Для ввода графической информации с имеющихся документов в САПР используют дигитайзеры и сканеры.

Дигитайзер применяют для ручного ввода. Он имеет вид кульмана, по его электронной доске пе­ремещается курсор, на котором расположен визир и кнопочная панель. Курсор имеет электромагнит­ную связь с сеткой проводников в электронной доске. При нажатии кнопки в некоторой позиции кур­сора происходит занесение в память информации о координатах этой позиции. Таким образом может осуществляться ручная "сколка" чертежей.

Для автоматического ввода информации с имеющихся текстовых или графических документов используют сканеры планшетного или протяжного типа. Способ считывания – оптический. В скани­рующей головке размещаются оптоволоконные самофокусирующиеся линзы и фотоэлементы. Разре­шающая способность в разных моделях составляет от 300 до 800 точек на дюйм (этот параметр час­то обозначают dpi). Считанная информация имеет растровую форму, программное обеспечение скане­ра представляет ее в одном из стандартных форматов, например TIFF, GIF, PCX, JPEG, и для дальней­шей обработки может выполнить векторизацию – перевод графической информации в векторную форму, например, в формат DXF.

Для вывода информации применяют принтеры и плоттеры. Первые из них ориентированы на по­лучение документов малого формата (А3, А4), вторые – для вывода графической информации на ши­рокоформатные носители.

В этих устройствах преимущественно используется растровый (т.е. построчный) способ вывода со струйной технологией печати. Печатающая система в струйных устройствах включает в себя кар­тридж и головку. Картридж – баллон, заполненный чернилами (в цветных устройствах имеется не­сколько картриджей, каждый с чернилами своего цвета). Головка – матрица из сопел, из которых мельчайшие чернильные капли поступают на носитель. Физический принцип действия головки тер­мический или пьезоэлектрический. При термопечати выбрасывание капель из сопла происходит под действием его нагревания, что вызывает образование пара и выбрасывание капелек под давлением. При пьезоэлектрическом способе пропускание тока через пьезоэлемент приводит к изменению разме­ра сопла и выбрасыванию капли чернил. Второй способ дороже, но позволяет получить более высо­кокачественное изображение.

Типичная разрешающая способность принтеров и плоттеров 300 dpi, в настоящее время она по­вышена до 720 dpi. В современных устройствах управление осуществляется встроенными микропро­цессорами. Типичное время вывода монохромного изображения формата А1 находится в пределах от 2 до 7 мин, цветного — в два раза больше.

Дигитайзеры, сканеры, принтеры, плоттеры могут входить в состав АРМ или разделяться поль­зователями нескольких рабочих станций в составе локальной вычислительной сети.

Методы доступа в локальных вычислительных сетях

Типичная сре­да передачи данных в ЛВС – отрезок (сегмент) коаксиального кабеля. К нему через аппаратуру окон­чания канала данных подключаются узлы – компьютеры и, возможно, общее периферийное обору­дование. Поскольку среда передачи данных общая, а запросы на сетевые обмены в узлах появляются асинхронно, то возникает проблема разделения общей среды между многими узлами, другими слова­ми, проблема обеспечения доступа к сети.

Доступом к сети называют взаимодействие станции (узла сети) со средой передачи данных для обмена информацией с другими станциями. Управление доступом к сети – это установление после­довательности, в которой станции получают доступ к среде передачи данных.

Конфликтом называют ситуацию, при которой две или более станции "одновременно" пытают­ся захватить линию. Обнаружив кон­фликт, станция должна оповестить об этом партнера по конфликту, послав дополнительный сигнал за­тора, после чего станции должны отложить попытки выхода в линию на время t_d. Очевидно, что зна­чения t_d должны быть различными для станций, участвующих в столкновении (конфликте), поэтому t_d – случайная величина.

Маркерные методы доступа. Среди детерминированных методов преобладают маркерные ме­тоды доступа. Маркерный метод – метод доступа к среде передачи данных в ЛВС, основанный на передаче полномочий передающей станции с помощью специального информационного объекта, на­зываемого маркером. Под полномочием понимается право инициировать определенные действия, ди­намически предоставляемые объекту, например станции данных в информационной сети.

Применяется ряд разновидностей маркерных методов доступа. Например, в эстафетном методе передача маркера выполняется в порядке очередности; в способе селекторного опроса (квантированной передачи) сервер опрашивает станции и передает полномочие одной из тех станций, которые готовы к передаче. В кольцевых одноранговых сетях широко применяют тактируемый маркерный доступ, при ко­тором маркер циркулирует по кольцу и используется станциями для передачи своих данных.

Литература 1 осн. [37-52], 3 доп. [168-219]

Контрольные вопросы

1. Какие средства обработки данных используются в современных САПР?

2. Какую структуру имеет память ЭВМ?

3. Что представляют собой рабочие станции по сравнению с персональными компьютерами?

4. Перечислите типичные характеристики рабочих станций?

5. Для чего используются дигитайзеры и сканеры?

6. Что называют доступом к сети?

7. Какую ситуацию в работе станций называют конфликтом?