ТКП - Тема 4

4.Програмне забезпечення САПР

4.1Загальне програмне забезпечення

Програмне забезпечення САПР (ПО) – це сукупність програм, процедур і правил разом зі всією пов'язаною з цими компонентами документацією, яка дозволяє використовувати комп'ютери САПР для вирішення різних завдань.

Частина ПО, призначена для планування і організації процесу обробки, введення-висновку, управління даними, розподілу ресурсів, підготовки і відладки програм, і інших допоміжних операцій обслуговування, називають операційною системою ОС.

ОС – це програма, яка завантажується при включенні. Вона виконує діалог з користувачем, здійснює управління комп'ютером, його ресурсами (оперативною пам'яттю, місцем на диску і т.п.), запускає інші (прикладні) програми на виконання.

ОС забезпечує користувачу і прикладним програмам зручність спілкування (інтерфейс) з пристроями комп'ютера.

Головна причина необхідності ОС полягає в тому, що елементарні операції для роботи з пристроями комп'ютера і управління ресурсами комп'ютера – це операції низького рівня, тому дії, які необхідні користувачу і прикладним програмам складаються з декількох сотень або навіть тисяч таких операцій.

ОС приховує від користувача ці рутинні дії і створює зручний інтерфейс для роботи.

ОС також виконує завантаження в оперативній пам'яті всіх програм, передає їм управління на початок їх роботи, виконує різні дії по запитах до програм, що виконуються, і звільняє зайняту програмами оперативну пам'ять при їх завершенні.

ОС складається з наступних частин:

Базова система введення – висновку (BIOS) – знаходиться в постійній пам'яті на мікросхемах материнської плати.

Її призначення полягає у виконанні простих і універсальних послуг ОС, пов'язаних з реалізацією введення-висновку. BIOS містить також тест функціонування систем комп'ютера, який перевіряє роботу пам'яті і пристроїв при виключенні електроживлення. Крім того, BIOS містить програму виклику завантажувача ОС, а також програму первинного відновлення конфігурації BIOS, яка визначає різні умови роботи комп'ютера – від ходу вбудованого годинника до установки паролів користувачів.

Завантажувач ОС - коротенька програма, що прочитує пам'ять модулів ОС. Дискові файли IO.SYS і MSDOS. SYS завантажуються в пам'ять завантажувачем ОС і залишаються в пам'яті постійно. Файл IO.SYS є доповнення до BIOS, а файл MS DOS. SYS реалізує основні високорівневі послуги ОС.

Командний процесор ОС – обробляє команди, які вводяться користувачем. Цей процесор знаходиться в дисковому файлі СOMMAND. COM на диску, з якого

останнім часом практично всі нові програми розробляються для експлуатації в середовищі Windows.

На відміну від програм ОС програми користувачів називають прикладними або проблемними. По відношенню до ОС всі програми САПР є прикладними.

1.Для більшості сучасних користувачів те, про що було сказано вище, не потрібне. Для них ОС – це просто продовження апаратури! Проте, для майбутніх або діючих розробників САПР слід зазначити, що що існують ОС, зокрема DOS і WINDOWS, є універсальними. Проте, ця універсальність робить ці системи далекими від оптимальних з позицій

конкретного користувача.

Для нового загального забезпечення (ОС) існують два підходи:

1.Створення проблемно-орієнтованої САПР замість універсальної.

2.Використання ієрархічної побудови програмного забезпечення з універсальною ОС на верхньому рівні і з підлеглими ОС на наступному рівні.

Перший підхід створює можливості:

А. Повисить КПД і зменшити витрати пам'яті для роботи ОС Б. Оптімізіровать об'єм і види послуг, які дає ОС і які виражаються засобами мов управління завданнями.

В. Реалізовать мультидоступ з необхідною кількістю автоматизованих робочих місць проектувальників.

Вартість розробки такої величезної і не універсальної САПР дуже велика.

При другому підході зберігається універсальність ОС, тобто всі можливості загальної ОС, яка може виявитися корисною в нестандартних умовах, які зустрічаються в САПР.

Створення мініОС (ядро САПР) на нижніх рівнях стоїть дешевше, а ПО при цьому може нарощуватися поступово.

ОС включають програми двох груп:

-оброблювальні, які складають групу підготовки програм;

-керівники, які утворюють групу виконання програм.

Оброблювальні програми – це, в першу чергу, транслятори з алгоритмічних мов. Крім того, до ним відносять бібліотеки стандартних даних для вирішення типових завдань і системні сервісні програми. Прикладну програму користувача, написану на алгоритмічній мові, називають початковим (початковим) модулем. Першим етапом її обробки на ЕОМ є її трансляція з алгоритмічної мови на машинну. Результатом трансляції буде програма, яка називається об'єктним модулем. Вона повинна пройти подальшу обробку - редагування і завантаження в оперативну пам'ять.

Редагування полягає в скріпленні окремих модулів в загальну програму шляхом настройки зв'язків вхідних змінних одного модуля з вхідними змінними іншого. Це виконується сервісною програмою, яка називається редактором

зв'язку. Завдяки редагуванню користувач може збирати свою програму з окремих частин (модулів), написаних у різний час і навіть на різних алгоритмічних мовах.

Результат редагування – програма, яка називається завантажувальним модулем. У цьому модулі використовуються відносні адреси. Для безпосереднього виконання програми на ЕОМ необхідно відносні адреси в її командах замінити абсолютними. Тому в ОС редактор зв'язків генерує абсолютний модуль, який залишається просто переписати в оперативну пам'ять. Остання операція виконується програмою, яка теж називається завантажувачем.

Таким чином, програма користувача перед її виконанням проходить на ЕОМ перетворення з початкового через об'єктного в абсолютний модуль. Ці перетворення виконуються оброблювальними програмами: редактором зв'язків, програмою вибірки, завантажувачем.

До сервісних програм відносять також програму сортування і об'єднання інформації для організації розміщення на зовнішніх пристроях пам'яті, программу-наладчик для відладки програм, тобто полегшення і прискорення пошуку допущених помилок; программу-библиотекарь – для коректування і обслуговування бібліотек, які входять в ОС.

Програми, що управляють, складають три групи:

-управління завданнями;

-управління завданнями;

-управління даними.

Управління завданнями – виконується основною програмою, що управляє , – супервізором (її іноді називають диспетчером або резидентною програмою). Супервізор при виконанні програм користувача знаходиться в оперативній пам'яті і виконує диспетчерські функції – перемикання з виконання однієї програми на виконання іншої, розподіл ресурсів часу і оперативної пам'яті між програмами.

Таким чином, саме супервізор реалізує мультипрограмний режим або режим розподілу часу.

Програми для управління завданнями виконують інтерпретацію директив мови управління завданнями. Така мова повинна бути в будь-якій ОС для опису послідовності дій обчислювальної системи при рішенні задач. Мова управління завданнями визначає ті ж послуги, які ОС представляє користувачу. Наприклад, за допомогою цієї мови можна задати ЕОМ таку послідовність дій: введення, трансляція, завантаження в пам'ять ЕОМ, рішення, виведення інформації. Ця програма організує черги завдань на кожному пріоритетному рівні.

Програми управління даними забезпечують пошук, завантаження в оперативну пам'ять і обробку файлів. Це по суті система управління введеннямвисновком.

Типова послідовність виконання програм ОС при виконанні завдань користувача виглядає так:

1.Відповідно до директив мови управління завданнями здійснюється введення програми, записаної на алгоритмічній мові і виклик відповідного транслятора.

2.Транслятор переводить початкову (початкову) програму в об'єктний модуль, який включається в каталог.

3.Редактор зв'язків збирає необхідні модулі (об'єктний, необхідні модулі з бібліотек) в завантажувальний модуль.

4.Програма вибірки настроює і розміщує в оперативній пам'яті завантажувальний модуль.

5.Програма виконується під управлінням супервізора.

ОС оцінюються по ефективності управління обчислювальною системою наступними показниками:

- накладні витрати (витрати оперативної пам'яті, витрати машинного часу на функціонування власне ОС, що виражається таким параметром, як КПД

1 Toc - час роботи ОС, - загальний машинний час;

Tm

-здатність ОС не обмежувати користувача в застосуванні звичайних і логічно можливих операцій;

-легкість освоєння і користування.

4.2Спеціальне програмне забезпечення

Успеціальне програмне забезпечення (СПО) входять галузеві САПР, окремі пакети прикладних програм (ПП), інструкції по їх використанню і вхідні мови.

Звертаючись до СПО, інженер в першу чергу повинен ознайомитися з мовами спілкування з ЕОМ, які служать для опису завдань і об'єкту проектування.

Потім він повинен вивчити склад і можливості кожної з прикладних програм, оскільки ефективність і умови їх застосування залежать від особливостей конкретних ситуацій.

Для повного використання можливостей САПР необхідно знати структуру і принципи об'єднання програм, які реалізуються в системі.

В даний час розроблено ряд галузевих САПР, які набули достатньо широкого поширення завдяки ефективності цих САПР.

4.2.1САПР AutoCad. (Auto Computer Aided Design)

Умашинобудуванні «королем» САПР вважається AutoCAD фірми Autodesk.Inc., яка вважається світовим лідером серед популярних програм для створення конструкторсько-технологічних проектів і документації в багатьох галузях економіки і виробничої діяльності.

AutoCAD – феномен серед програмних продуктів, величезна кількість споживачів користується цим програмним продуктом.

В даний час в експлуатації знаходяться версії AutoCAD-13, 14, 15.

Це найбільш складна галузева САПР, як по своєму інтелектуальному навантаженню, так і по необхідних ресурсах ЕОМ. Головне призначення її – виконання креслень.

Використання AutoCAD для виконання проекту складного механічного і електромеханічного устаткування значно скорочує процес створення креслень і підготовки технічної документації.

У електротехнічній промисловості України AutoCAD інтенсивно використовується у ВИТИЙ (м. Запоріжжя), креслення можуть передаватися по електронній пошті дуже швидко в найдальші країни світу.

Процес креслення в AutoCAD в багатьох аспектах нагадує підготовку до виконання креслень звичайним «ручним способом. Основні етапи цього процесу такі:

1.За заданою початковою інформацією визначається розмір листа паперу і робочої зони креслення, необхідний набір інструментів, масштабний коэффицент символів і тексту.

2.Оскільки креслення значного об'єму і насиченості відобразити на малому екрані комп'ютера практично неможливо, то процес зображення в AutoCAD організований за допомогою так званих шарів – найбільш

ефективних електронних інструментів в AutoCAD.

Таке розділення дозволяє не тільки виділити ту його частину, яка знаходиться безпосередньо в роботі, але використовувати його і для багатьох інших потреб, що значно полегшує роботу конструктора.

Наприклад, якщо необхідно змінити колір тільки частини креслення, то це легко зробити, якщо ця частина і лише вона входить тільки в один шар.

Число шарів фактично не обмежене, а це забезпечує високий ступінь зручності і управління при організації викреслювання.

Шари використовують також для виділення різних типів об'єктів з метою спрощення процедури призначення для них різних типів ліній і різної їх товщини при висновку на плоттер.

Шари AutoCAD можна уявити собі у вигляді накладених один на інший прозорих електронних листів. У закінченому вигляді креслення є структурою, яка створена об'єднанням (з накладенням) всіх листів.

Таким чином, важливим етапом в організації процесу проектування є організація структури шарів, які використовуються: для цього виконується

Визначення їх кількості

Розділення креслення на частини

Привласнення імен шарів

Призначення типів ліній і кольорів кожного шару

AutoCAD підтримує 255 кольорів і більше 20 типів ліній. Різні кольори і типи ліній дозволяють розрізняти об'єкти на екрані в процесі креслення. У різних галузях встановлені стандарти і технічні умови, які можна використовувати при виконанні креслення або створити свої.

Число шарів в AutoCAD не обмежене, їх може бути стільки, скільки необхідне. Великі креслення часто містять сотні шарів.

Стандартні типи ліній AutoCAD складаються з штрихових елементів, що повторюються, пропусків і крапок.

Кількість елементів на одиницю довжини визначається системою змінних і типом ліній, наприклад, осьових і товстих основних, пунктирних, ліній для позначення центру круга і т.д.

Велика кількість шарів (видимих одночасно) може спотворювати зображення. Тому передбачені засоби управління видимістю і режимами роботи. Шар може характеризуватися 6-у стандартами або умовами, які визначають швидкість і режим роботи: включено, вимкнене, заморожене, розморожене, заблоковане, розблоковане.

Ці стани впливають на шари в таких поєднаннях:

Включено, розморожено, розблоковано (об'єкти видимі, доступні для вибору, беруть участь в регенерації)

Відключено, розморожено (об'єкти невидимі, недоступні для вибору, беруть участь в регенерації)

Заморожено (об'єкти невидимі, недоступні для вибору, не беруть участь в регенерації)

Заблоковано, включено, розморожено (об'єкти видимі, недоступні для вибору, беруть участь в регенерації і можуть використовуватися для

об'єктної прив'язки)

Регенерація може вимагати великого машинного часу, заморожування прискорює її, оскільки під час регенерації ігноруються об'єкти замороженого шару.

При роботі з шарами виникає також необхідність групування шарів по їх станах.

При великому числі шарів застосовується метод фільтрації імен шарів по їх стану, по кольорах і т.д.

AutoCAD забезпечує побудову об'єктів з великою точністю в світовій системі координат (МСК), яка базується на декартовій (прямокутної) системі координат, а також підтримує інші системи координат (наприклад, сферичні для тривимірного простору).

При початку виконання нового креслення AutoCAD автоматично переводить його в МСК. Відкривається графічне вікно, яке виглядає як лист паперу з МСК, яка займає все поле. Початок координат в нижньому лівому кутку екрану.

Тому будь-яка крапка на екрані має свої координати, це добре видно на рис.4.1., де показана піктограма МСК з символом W (world-мир), що указує на розташування в МСК.

Прямокутники, багатокутники і еліпси виконуються полилиниями. Це багатосегментний об'єкт, який складається з багатьох прямолінійних і криволінійних сегментів. Полілінії більш універсальні, чим відрізки, оскільки можуть бути прямими, викривленими, вузькими, широкими, з постійною або змінною шириною. Тому можливо їх редагування.

Для виконання ліній довільної форми і ліній із змінною кривизною використовуються сплайни.

AutoCAD оперує також такою одиницею, як регіон.

Регіон – двомірний твердотільний об'єкт, сформований у вигляді замкнутої області. Його можна представити як деяку плоску поверхню. З регіоном поводяться як з реальними предметами з якого-небудь матеріалу, в якому можна просвердлити отвір, додати або відрізати шматок і т.д. Для цього використовуються три команди:

1.UNION (об'єднання) – об'єднання 2-х або більше регіонів в один з утворенням загальної площі (рис 4.2)

2.SUBTRACT (віднімання) – вирізування отворів в регіоні

3.INTERSECT (перехрещення) – утворює регіон із загальної області двох (або більшого числа) регіонів, які перехрещуються (Рис.4.2)

Об'єднання Перехрещення Віднімання Рис.4.2 – Приклади булевих операцій з регіонами.

AutoCAD має і інші можливості, які виявляються при докладнішому знайомстві (роботі) з цією системою.

Це дуже могутній, але складний інструмент, тому їм може ефективно користуватися тільки підготовлений користувач.

Для учбових цілей і для проектування нескладних об'єктів краще використовувати простіші системи, наприклад, САПР INGUL.

4.2.2 САПР MathCAD

Це програмний продукт фірми Mathsoft у всьому світі визнаний кращою системою для науково-технічних обчислень, науково-технічних, інженерних і учбових завдань. Можливості MathCad достатньо великі: це і реалізація чисельних методів розрахунку (рішення і диференціальної систем, алгебри рівнянь), математичне моделювання в поєднанні з можливостями виконання багатьох операцій символьної математики (комп'ютерної алгебри), оптимізація, побудова графіків, статистика і багато іншого.

Все це доповнюється чудовим засобом візуалізації обчислень – від представлення початкових даних і обчислень в природному математичному вигляді до могутньої кольорової графіки високого дозволу, включаючи анімаційну графіку.

САПР MathCad 7.0 містить декілька підрозділів головного меню, які дозволяють виконувати ряд дій.

Меню Math (математика) - забезпечує управління обчислювальним процесом системи шляхом завдання наступних операцій:

Calculate (F9) – пускає обчислення при відключеному режимі автоматичних обчислень з місця, на якому знаходиться маркер »миші»

Calculate Worksheet – пускає обчислення при відключеному режимі автоматичних обчислень, починаючи від початку і до кінця документа

Automatic Calculation – встановлює режим автоматичних обчислень у міру проглядання документа (цей режим включений за умовчанням)

Optimize. - включає оптимізацію документів Options. - задає опції обчислювальних процесів.

Операція оптимізації включає спеціальний оптимізуючий процес, який намагається замінити хоч би частину обчислень трудомісткими і складними чисельними методами обчисленнями в символьній формі. Це особливо корисно при побудові графіків складних функцій (наприклад, що містять інтеграли і похідні), при чисельній інтеграції і т.д. Так при обчисленні потрійного інтеграла оптимізатор знаходить аналітичний вираз для цього інтеграла (показується на екрані в спеціальному віконці). Тому замість складного методу чисельної інтеграції з автоматичним кроком використовується обчислення по простій аналітичній формулі.

Операція Options виводить підміню для наступних опцій.

Bultin Variables. - установка вбудованих (системних) змінних ; Units System – установка систем вимірювання фізичних величин; Dimension – установка розмірності фізичних величин.

Перша з цих опцій дозволяє встановлювати значення наступних системних змінних (у квадратних дужках дані значення за умовчанням):

TOL 0.001 - погрішність числових розрахунків;

ORIGIN 0 - нижня межа значення індексу елементів матриць; PRNCOL WIDTH 8 - число стовпців для WRITERN;

PPNPRECISION 4 4 - число десяткових знаків, використовуваних для запису чисельних даних в WRITERN.

МЕНЮ Symbolic.

Для виконання символьних обчислень MathCad 7.0 доповнений символьним ядром (процесором), одним з найефективніших в системах комп'ютерної алгебри

– Maple V. Символьні операції розбиті на п'ять характерних розділів, і можуть виконуватися з виразами, що містять комплексні числа або що мають рішення в комплексному вигляді.

Передбачені наступні розділи:

Операції з виділеними виразами. Тут пропонується 12 операцій по перетвореннях математичних виразів (вибір виду перетворення, символьне обчислення, арифметичні операції, розкриття виразів, розкладання на множники і т.д.)

Операції з виділеними змінними (шість операцій), серед яких – диференціювання і інтеграція виразів по заданій змінній, розкладання на елементарні дроби і т.д.

Операції з виділеними матрицями (підміню Matrix) включає дії: Transpose – получить транспортовану матрицю;

Invert – створити зворотну матрицю; Determinant – обчислити визначника матриці.

Операції перетворення – включає операції по виконанню перетворень Фур'є і Лапласа (прямі і зворотні); Z – перетворення (пряме і зворотне).

Стиль символьних перетворень – завдання виведення результату символьної операції під основним виразом, поряд з ним або замість нього.

Меню Graph (графіка).

Для створення графіків є програмний графічний процесор. Він дозволяє будувати найрізноманітніші графіки (у декартовій і полярній системі координат, тривимірні поверхні, графіки рівнів і т.д.) Для побудови графіків використовується сім шаблонів. Більшість параметрів, необхідних для побудови графіків, за умовчанням, задаються автоматично. Тому для початкової побудови того або іншого вигляду досить задати тип графіка (шаблон двомірного графіка в декартовій системі координат, шаблон графіка (Polar) в полярній системі координат, шаблон для тривимірного графіка і т.д.).