ТКП - Тема 5

5. Інформаційне забезпечення САПР

5.1 Інформація і структури даних в САПР

Під інформацією розуміють які-небудь відомості про какихабо події, процеси, суть, які є об'єктом деяких операцій: прийом, передача, перетворення, збереження або користування.

Інформація створюється і використовується у всіх областях людської діяльності, оскільки будь-який взаємозв'язок і координація робіт у виробництві можливі тільки завдяки інформації. Людство створило інформаційні системи для постачання виробництва інформацією, яка необхідна для контролю і ухвалення рішень, навчилося збирати цю інформацію, обробляти і передавати її за призначенням.

Якими відомостями оперують інформаційні системи? Звичайне це дані, які описують стан системи. Дані можна визначити як інформацію, яка зафіксована в якій-небудь формі, прийнята для подальшої обробки, збереження і передачі.

Природний спосіб для представлення семантики даних – це звичайна мова. Але для цього можуть використовуватися і форматовані мови, які дозволяють ефективніше організувати обробку даних на обчислювальній техніці і представити семантику даних, яка задовольняє практичні потреби цілого класу прикладних завдань.

Дані, з якими має справу будь-який компонент програмного забезпечення (підпрограма, програма, пакет програм), можуть бути вхідні, вихідні і проміжні. Вхідні і вихідні дані завжди розташовані поза тілом даного програмного компоненту (у оперативній або зовнішній пам'яті).

Примітка.

Семантика - [греч. Semanticos – що позначає] смислова сторона мови слів, частин слова, словосполучень (лінгвістична статистика).

Сема – [греч. Sema - знак] лінгвістична одиниця сенсу, семантичний множник.

Проміжні дані можуть розташовуватися або у області оперативної пам'яті, займаною програмною одиницею, або поза нею (у тому числі і на зовнішніх носіях). Якщо які-небудь дані є одночасно і вхідними, і вихідними, то їх називають що модифікуються даними (рис.5.1)

5.1.1 Структури даних

Структури даних, що обробляються програмним забезпеченням САПР, надзвичайно різноманітні. Тому ефективна реалізація методів і алгоритмів автоматизованого проектування вимагає глибокого знання основних способів

представлення даних в ЕОМ. Під структурою даних розуміють типи і взаємозв'язки елементів даних.

Простими типами даних, представленими в сучасних мовах програмування,

є:

1.ЦІЛЕ

2.РЕЧОВИННЕ

3.БУЛЕВЕ (ЛОГІЧНЕ)

4.РЯДОК

5.ПОКАЖЧИК

Мал. 5.1 – Інформаційне середовище компоненту програмного забезпечення. 1-4 вхідні дані, що модифікуються, проміжні. ОП, ВП – оперативна і зовнішня пам'яті.

Дані типу ЦІЛЕ і РЕЧОВИННЕ описують десяткові числа (як позитивні, так і негативні) і розрізняються способом уявлення в ЕОМ.

Діапазони представлення чисел даними цих типів обмежені; крім того, кінцева довжина розрядної сітки ЕОМ обуславливает наявність погрішності відображення дійсних чисел.

Дані типу БУЛЕВИЙ (ЛОГІЧНЕ) призначені для опису двійкових (булевих) величин. Це або одиночні біти (розряди) з можливими значеннями «істина» або «брехня», або ланцюжки бітів.

Дані цього типа використовуються для управління ходом обчислювального процесу. У програмному забезпеченні структурного синтезу даними такого типа описуються багато властивостей проектованих об'єктів. Операції над даними типу БУЛЕВИЙ (І, АБО, НЕ і ін.) – найбільш швидкі.

До даних типу РЯДОК відносяться будь-які тексти, складені з допустимого для даної ЕОМ набору літер. Кожна літера даних типу РЯДОК представляється в ЕОМ послідовністю бітів, визначуваної стандартом ЕОМ. Дані типу РЯДОК можуть мати фіксовану або змінну довжину.

Дані типу ПОКАЖЧИК (ПОСИЛАННЯ) – призначені для посилання на елементи даних в тих випадках, коли неможливе використання імен елементів даних.

Фізично – це адреса указуваних даних або інформація, що дозволяє його обчислити.

Основні структури даних.

У структурах даних відображаються відносини, що зв'язують між собою окремі елементи даних, що обробляються какимабо програмним компонентом.

Основними структурами даних є: константа, змінна, масив, запис, таблиця, фрейм, стек, черга, список, дерево.

Елементарними (виродженими) структурами даних є константа і змінна. Константа характеризується фіксованим ім'ям, типом і значенням. Змінна має фіксоване ім'я, тип, але змінне значення.

Масив – це кінцева безліч змінних єдиного фіксованого типа, об'єднаних єдиним фіксованим ім'ям. Посилання на окремі змінні масиву здійснюється за допомогою імені масиву і одного або декількох індексів. Важлива властивість масиву – можливість прямого доступу до його елементів, що забезпечує високу швидкість обробки. Недолік масиву – вимога обов'язкової однорідності всіх елементів.

Запис – структура даних, що дозволяє групувати дані різних типів. Запис складається з ряду пойменованих полів, кожне поле визначається як змінна, масив або запис нижчого рівня, що володіє своїми полями.

Приклад запису. Опис елементу еквівалентної схеми.

С15(6,8)=1,5МКФ,

З – ім'я елементу (місткість), 15 – його номер, 6 і 8 номери вузлів підключення, 1,5 – значення параметра елементу, МКФ – одиниця вимірювання параметра.

Запис для внутрішнього представлення цього елементу можна визначати так (близько до мови ПЛ/1):

1 елемент схеми

2ідентифікатор

3ім'я РЯДОК (3)

3номер ЦІЛЕ

2вузли 3 почало – вузол ЦІЛЕ

3 кінець – вузол ЦІЛЕ

2параметр

3 значення РЕЧОВИННЕ

3 розмірність РЯДОК (3)

Доступ до інформації в ЗАПИСІ виконується за допомогою складених імен. Розміщення запису в пам'яті ЕОМ (вона складає там суцільну ділянку) показане на мал. 5.2.

Фрейм – структура даних для представлення знань в конкретних наочних областях. Подібно до запису фрейм складається з окремих полів (осередків), заповнених змістовними поняттями наочної області. Поля фрейма зв'язані між собою відносинами, які реалізована у вигляді окремих процедур.

Більш універсальні структури даних, орієнтованих на ланцюгове уявлення в пам'яті ЕОМ. Це стек, лінійний список, дерево і ін.

Стек – характеризується послідовною організацією і можливістю доступу тільки з одного краю ланцюжка записів – з вершини стека. У стеку реалізується принцип обробки «останнім прийшов - першим пішов». Основні операції – читати вершину, додати, видалити.

Черга – лінійна послідовність записів, пов'язаних з покажчиками, але доступ до записів здійснюється з початку і кінця. Додавати записи можна тільки в кінець черги, а читати і видаляти тільки з початку черги (тобто видаляють найстаріший запис). Принцип обробки «першим прийшов – першим пішов »

повинна постійно поступати нова інформація, яка відображає останні досягнення в електротехніці, електромеханіці, механотроніці.

БНД включає в свій склад комплекс спеціальних методів і засобів для підтримки динамічної інформації про моделі наочної області з метою забезпечення інформаційних запитів користувача.

Проблема підтримки інформаційної моделі в необхідному стані обуславливает необхідність виконання в БНД операцій збереження і модифікації (сукупність трьох операцій: включити, відключити замінити дані) інформаційних моделей відповідно до змін, що виникають в стані об'єктів наочної області. Крім того, з розвитком САПР видозмінюється склад об'єктів наочної області і зв'язку між ними, що також повинно одержати віддзеркалення у відповідних змінах інформаційної моделі.

У електромеханічних САПР використовується різноманітна інформація, яка може бути представлена в різних кодах. Тому організація БНД повинна бути достатньо гнучкою з тим, щоб забезпечувати використання інформації різних видів і, при необхідності, змінювати структуру інформації, що зберігається.

Банк даних виступає в ролі спеціальної підсистеми забезпечення в складі САПР. На мал. 5.4. показана схема, що ілюструє місце БНД в складі САПР.

Завдання забезпечення інформаційних запитів користувачів має два аспекти. Перший аспект – це визначення меж наочної області і розробка опису відповідної інформаційної моделі. БНД повинен забезпечувати автоматизовану систему всією необхідною інформацією, а в ідеальному випадку і тієї, яка може бути необхідною при подальшому розширенні САПР.

Другий аспект – розробка банку даних, який орієнтований на ефективне обслуговування запитів користувачів. Тому слід проаналізувати типи і види запитів тих осіб, які користуватимуться послугами банку, а також функціональні завдання САПР, для яких БНД є джерелом інформації.

За ознакою постійності спілкування з банком (Б) користувачів можна розділити на дві групи.

Постійні користувачі – це ті, які регулярно користуються послугами БНД і для яких наперед можна сформулювати типи запитів, які визначають круг їх зацікавленості.

Разові користувачі – це ті, які не мають постійних запитів, але можуть звертатися до системи з довільними за змістом запитами.

Наявність постійних і разових користувачів в САПР, а відповідно, наявність потоку регламентованих і довільних за змістом запитів вимагають розробки спеціальних підходів до визначення межі наочній області і проектуванню складу елементів інформаційної моделі. Це обумовлено також необхідністю розвитку САПР. Тому підхід «від запитів користувачів» недостатній.

Тому доводиться виходити з підходу, який дозволяє виконати прогноз змісту очікуваної сукупності довільних запитів.

Таким є підхід, який називається «від реального світу». При такому підході за допомогою експертів визначаються межі наочної області – склад об'єктів, їх

властивості і відношення з урахуванням розвитку системи, а потім проектується модель. Цей підхід грунтується на положенні про те, що довільні запити користувачів відповідають тематичній спрямованості САПР.

Користувачів БНД розрізняють також по рівню компетенції, яка характеризує можливість доступу користувача до там або іншим даним. Мається на увазі захист певної частини даних від тих користувачів, які з різних причин не повинні мати можливості їх отримання або зміни.

Таким чином, БНД повинен мати спеціальні засоби для забезпечення санкціонованого доступу користувачів до даних, а також «захист від дурня».

Користувачі БНД розрізняються також за формою представлення запитів, з якими вони звертаються до системи, а також за формою представлення необхідної інформації. За цими ознаками користувачів ділять на дві групи: користувачізавдання і користувачі-люди.

Користувачі-завдання звертаються до БНД з регламентованими за змістом запитами. Інформація, яка їм видається, відповідним чином обробляється і компонується на базі прийнятих в системі формальних правил і домовленостей.

Користувачі-люди звертаються до БНД з довільними і регламентованими за змістом запитами. Інформація, яка їм видається, повинна мати зручну для людини форму уявлення: у вигляді тексту на звичайній мові, таблиці з поясненнями, графіків і т.п. Основні користувачі цієї групи – прикладні програмісти і користувачі-непрограмісти.

Користувачі - прикладні програмісти – особлива категорія користувачів. Вони виконують роботу по програмуванню функціональних завдань.

Оскільки САПР це система, що розвивається, то безперервно розширюється круг завдань, які повинні розв'язуватися в умовах функціонування, що змінюється. При роботі САПР також може виникнути ситуація, коли краще скласти спеціальну програму для обробки запитів, які передбачалися довільними, але виявилися відносно постійними за змістом і часу отримання. Тому у складі обслуговуючого персоналу САПР повинні бути фахівці у області обробки даних, які виконують програмування функціональних завдань, тобто розробляють прикладні програми.

Рис.5.4 – Банк даних в складі САПР

Банк Данных

Рис.5.5 – Основні компоненти банку даних.

Користувачі цієї категорії звичайно уміють працювати на декількох алгоритмічних мовах, знайомі із способами обробки, які испльзуются в даному банку.

Для нормальної роботи цієї категорії користувачів необхідна наявність в системі словника банку даних і добре поставленої служби стеження за його станом.

З цього словника дізнаються про наявність відповідних типів даних, їх структурі і зв'язків між ними, про зміни, які відбуваються в структурі інформаційної моделі.

Користувачі-непрограмісти – найбільша кількісна група осіб, для задоволення потреб яких і створюється БНД. Тому користувачів-непрограмістів ще називають кінцевими користувачами. Це фахівці в своїй галузі діяльності (проектувальники, керівники підрозділів підприємств, читачі тематичних бібліотек і т.п.), які не мають спеціальної підготовки програмування. Вони більш охоче звертаються до системи, якщо не потрібно багато витрат на підготовку запиту. Для них ідеальною була б система, спілкування з якою виконується на звичайній мові, тому таких користувачів необхідно забезпечити спеціально

формалізованими формами запитів, які нагадують звичайну мову. Тому в БНД передбачається спеціальний спосіб приведення всіх запитів до єдиної термінології

– словник даних. Крім того, використовуються спеціальні методи еквівалентних граматичних перетворень запитів для побудови оптимальних процедур їх обробки, спеціальні методи доступу до одних і тих же даних різними користувачами одночасно.

Всі розглянуті групи називають зовнішніми користувачами БНД. Таким чином, з їх сторони можуть бути представлені наступні вимоги.

БНД повинен:

1.Задовольняти актуальним інформаційним потребам зовнішніх користувачів, забезпечувати збереження і модифікацію величезних об'ємів багатоаспектної інформації;

2.Забезпечувати заданий рівень достовірності інформації, що зберігається, і її несуперечність;

3.Забезпечувати доступ користувачів з певними повноваженнями;

4.Забезпечувати пошук інформації по довільній групі ознак;

5.Задовольняти заданим вимогам продуктивності при обробці запитів;

6.Мати можливість розширення меж наочної області і реорганізації;

7.Забезпечувати видачу інформації в різній формі.

Бажання максимально задовольняти ці вимоги приводить до необхідності централізації управління даними.

Порівняно із забезпеченням кожного користувача власними файлами управління централізоване управління даними дає багато переваг.

1.Скорочення надмірності даних, що зберігаються. Якщо декілька програм використовують однакові дані, то дублі таких даних ігнорують і зберігають в одному екземплярі.

2.Усунення суперечностей у даних, що зберігаються. Це результат усунення надмірності.

3.Багатоаспектне використання даних. Забезпечується нове застосування в повному об'ємі, тобто реалізація принципу одноразового введення і багатоаспектного використання даних.

4.Комплексна оптимізація Максимально усуваються суперечності у вимогах на основі аналізу вимог користувачів, і застосовується структура збереження даних для якнайкращого обслуговування в цілому.

5.Забезпечення можливості стандартизації.

6.Забезпечення можливості санкціонованого доступу до даних.

БНД містить такі основні компоненти (рис.5.5.): базу даних, систему управлінь базою даних, адміністратора бази даних, обчислювальну систему, словник даних, обслуговуючий персонал.

База даних – це сукупність взаємозв'язаних даних, що зберігаються спільно в зовнішній пам'яті ЕОМ і використовуваних, як правило, більш ніж одним програмним компонентом або користувачем САПР.

По частоті поповнення і оновлення розрізняють БД: