ТКП - Тема 2
.pdf2. Технічні засоби САПР
2. Технічне забезпечення САПР
2.1. Структура ТЕ САПР Вимоги до ТЕ САПР. Технічне забезпечення САПР включає різні технічні
засоби (hardware), використовувані для виконання автоматизованого проектування, а саме ЕОМ, периферійні пристрої, мережеве устаткування, а також устаткування деяких допоміжних систем (наприклад, вимірювальних), що підтримують проектування.
Використовувані в САПР технічні засоби повинні забезпечувати:
1. виконання всіх необхідних проектних процедур, для яких є відповідне
ПО;
2.взаємодію між проектувальниками і ЕОМ, підтримку інтерактивного режиму роботи;
3.взаємодія між членами колективу, що виконують роботу над загальним проектом. Перше з цих вимог виконується за наявності в САПР обчислювальних машин і систем
з достатніми продуктивністю і місткістю пам'яті.
Друга вимога відноситься до призначеного для користувача інтерфейсу і виконується за рахунок включення в САПР зручних засобів введення-висновку даних і перш за все пристроїв обміну графічною інформацією.
Третя вимога обумовлює об'єднання апаратних засобів САПР в обчислювальну мережу.
В результаті загальна структура ТЕ САПР є мережею вузлів, зв'язаних між собою середовищем передачі даних (мал. 2.1). Вузлами (станціями даних) є робочі місця проектувальників, часто звані автоматизованими робочими місцями (АРМ) або робочими станціями (WS — Workstation), ними можуть бути також великі ЕОМ (мейнфреймы), окремі периферійні і 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.
Середовище передачі даних представлене каналами передачі даних, що складаються з ліній зв'язку і комутаційного устаткування.
У кожному вузлі можна виділити крайове устаткування даних (ООД), що виконує певну роботу по проектуванню, і апаратуру закінчення каналу даних (АКД), призначену для зв'язку ООД з середовищем передачі даних. Наприклад, як ООД можна розглядати персональний комп'ютер, а як АКД — мережеву плату, що вставляється в комп'ютер.
Канал передачі даних — засіб двостороннього обміну даними, що включає АКД і лінію зв'язку. Лінією зв'язку називають частину фізичного середовища, використовувану для розповсюдження сигналів в певному напрямі, прикладами ліній зв'язку можуть служити коаксіальний кабель, вита пара дротів, волоконнооптична лінія зв'язку (ВОЛС). Близьким є поняття каналу (каналу зв'язку), під
яким розуміють засіб односторонньої передачі даних. Прикладом каналу зв'язку може бути смуга частот, виділена одному передавачу при радіозв'язку. У деякій лінії можна утворити декілька каналів зв'язку, по кожному з яких передається своя інформація. При цьому говорять, що лінія розділяється між декількома каналами.
Типи мереж. Існують два методи розділення лінії передачі даних: тимчасове мультиплексування (інакше розділення за часом або TDM — Time Division Method), при якому кожному каналу виділяється деякий квант часу, і частотне розділення (FDM — Frequency Division Method), при якому каналу виділяється деяка смуга частот.
Середовище передачі даних
Мал. 2.1. Структура технічного забезпечення САПР
УСАПР невеликих проектних організацій, налічуючих не більше одиницьдесятків комп'ютерів, які розміщені на малих відстанях один від одного (наприклад, в одній або декількох сусідніх кімнатах) об'єднуюча комп'ютери мережа є локальною. Локальна обчислювальна мережа (ЛВС або LAN — Local Area Network) має лінію зв'язку, до якого підключаються всі вузли мережі. При цьому топологія з'єднань вузлів (мал. 2.2) може бути шинна (bus), кільцева (ring), зоряна (star). Протяжність лінії і число вузлів, що підключаються, в ЛВС обмежені.
Укрупніших по масштабах проектних організаціях в мережу включені десятки-сотні і більш комп'ютерів, що відносяться до різних проектних і управлінських підрозділів і розміщених в приміщеннях одного або декількох будівель. Таку мережу називають корпоративною. У її структурі можна виділити ряд ЛВС, званих підмережами, і засоби зв'язку ЛВС між собою. У ці засоби входять комутаційні сервери (блоки взаємодії підмереж). Якщо комутаційні сервери об'єднані відокремленими ЛВС підрозділів каналами передачі даних, то вони утворюють нову підмережу, звану опорною (або транспортної), а вся мережа виявляється ієрархічної структури.
Якщо будівлі проектної організації віддалені один від одного на значні відстані (аж до їх розташування в різних містах), то корпоративна мережа по своїх масштабах стає територіальною мережею (WAN — Wide Area Network). У територіальній мережі розрізняють магістральні канали передачі даних (магістральну мережу), що мають значну протяжність, і канали передачі даних, що зв'язують ЛВС (або сукупність ЛВС окремої будівлі або кампусу) з магістральною мережею і звані абонентською лінією або з'єднанням "останньої милі".
Звичайно створення виділеної магістральної мережі, тобто мережі, обслуговуючої єдину організацію, обходиться для неї дуже дорого. Тому частіше вдаються до послуг провайдера, тобто організації, що надає телекомунікаційні послуги багатьом користувачам. В цьому випадку усередині корпоративної мережі зв'язок на значних відстанях здійснюється через магістральну мережу загального користування. Такої мережі можна використовувати як, наприклад, міську або міжміську телефонну мережу або територіальні мережі передачі даних. Найбільш поширеною формою доступу до цих мереж в даний час є звернення до глобальної обчислювальної мережі Internet.
Для багатьох корпоративних мереж можливість виходу в Internet є бажаною не тільки для забезпечення взаємозв'язку видалених співробітників власної організації, але і для отримання інших інформаційних послуг. Розвиток віртуальних підприємств, що працюють на основі CALS-тех-нологий, з необхідністю має на увазі інформаційні обміни через територіальні мережі, як правило, через Internet.
Структура ТЕ САПР для крупної організації представлена на мал. 2.3. Тут показана типова структура крупних корпоративних мереж САПР, звана архітектурою клієнт-сервер. У мережах клієнт-сервер виділяється один або декілька вузлів, званих серверами, які виконують в мережі управляють або загальні для багатьох користувачів проектні функції, а решта вузлів (робочі місця) є термінальними, їх називають клієнтами, в них працюють користувачі. У загальному випадку сервером називають сукупність програмних засобів, орієнтованих на виконання певних функцій, але якщо ці засоби зосереджені на конкретному вузлі обчислювальної мережі, то тоді поняття сервер відноситься саме до вузла мережі.
Мережі клієнт-сервер розрізняють по характеру розподіли функцій між серверами, іншими словами, їх класифікують по типах серверів. Розрізняють сервери файлу для зберігання файлів, що розділяються багатьма користувачами, сервери баз даних автоматизованої системи, сервери додатків для вирішення конкретних прикладних завдань, комутаційні сервери (звані також блоками взаємодії мереж або серверами доступу) для взаємозв'язку мереж і підмереж, спеціалізовані сервери для виконання певних телекомунікаційних послуг, наприклад, сервери електронної пошти.
У разі спеціалізації серверів по певних додатках мережу називають мережею розподілених обчислень. Якщо сервер додатків обслуговує користувачів однієї ЛВС, то природно назвати такий сервер локальним. Але оскільки в САПР є додатки і бази даних, що розділяються користувачами різних підрозділів і, отже, клієнтами різних ЛВС, то відповідні сервери відносять до групи корпоративних, таких, що підключаються звичайно до опорної мережі (див. мал. 2.3.).
Разом з архітектурою клієнт-сервер застосовують однорангові мережі, в яких будь-який вузол залежно від вирішуваної задачі може виконувати як функції
сервера, так і функції клієнта. Організація взаємодії в таких мережах при числі вузлів більше декількох десятків стає надмірно складними, тому однорангові мережі застосовують тільки в невеликих по масштабах САПР.
Відповідно до способів комутації розрізняють мережі з комутацією каналів і комутацією пакетів. У першому випадку при обміні даними між вузлами А і У в мережі створюється фізичне з'єднання між А і В, яке під час сеансу зв'язку використовується тільки цими абонентами. Прикладом мережі з комутацією каналів може служити телефонна мережа. Тут передача інформації відбувається швидко, але канали зв'язку використовуються неефективно, оскільки при обміні даними можливі тривалі паузи і канал "простоює." При комутації пакетів фізичного з'єднання, яке в кожен момент сеансу зв'язку сполучало б абонентів А і В, не створюється. Повідомлення розділяються на порції, звані пакетами, які передаються в розгалуженій мережі від А до В або назад через проміжні вузли з можливою буферизацією (тимчасовим запам'ятовуванням) в них. Таким чином, будь-яка лінія може розділятися багатьма повідомленнями, поперемінно пропускаючи при цьому пакети різних повідомлень з максимальним заповненням згаданих пауз.
2.2. Апаратура робочих місць в автоматизованих системах проектування і управління
Обчислювальні системи в САПР. Як засоби обробки даних в сучасних САПР широко використовують робочі станції, сервери, персональні комп'ютери. Великі ЕОМ і зокрема СУПЕРЕОМ звичайно не застосовують, оскільки вони дороги і їх відношення продуктивність/ціна істотно нижче за подібний показник серверів і багатьох робочих станцій. На базі робочих станцій або персональних комп'ютерів створюють АРМ.
Типовий склад пристроїв АРМ: ЕОМ з одним або декількома мікропроцесорами, оперативної і кеш-пам'яттю і шинами, що служать для взаємного зв'язку пристроїв; пристрої введення-висновку, що включають, як мінімум, клавіатуру, мишу, дисплей; додатково до складу АРМ можуть входити принтер, сканер, плоттер (графічний пристрій), дигитайзер і деякі інші периферійні пристрої.
Пам'ять ЕОМ звичайно має ієрархічну структуру. Оскільки в пам'яті великого об'єму важко добитися одночасно високої швидкості запису і прочитування даних, пам'ять ділять на
надшвидкодіючу кеш-пам'ять малої місткості, основну оперативну пам'ять помірного об'єму і порівняно повільну зовнішню пам'ять великої місткості, причому, у свою чергу, кэшпамять часто розділяють на кеш першого і другого рівнів.
Наприклад, в персональних комп'ютерах на процесорах Pentium III кеш першого рівня має по 16 Кбайт для даних і для адрес, він і кеш другого рівня місткістю 256 Кбайт вбудовані в процесорний кристал, місткість оперативної пам'яті складає десятки-сотні Мбайт.
Для зв'язку найбільш швидкодіючих пристроїв (процесора, оперативної і
кеш-пам'яті, відеокарти) використовується системна шина з пропускною спроможністю до одного-двох Гбайт/с. Окрім системної шини на материнській платі комп'ютера є шина розширення для підключення мережевого контроллера і швидких зовнішніх пристроїв (наприклад, шина PCI з пропускною спроможністю 133 Мбайт/с) і шина повільних зовнішніх пристроїв, таких як клавіатура, миша, принтер і т.п.
Робочі станції {workstation) в порівнянні з персональними комп'ютерами є обчислювальною системою, спеціалізованою на виконання певних функцій. Спеціалізація забезпечується як набором програм, так і апаратний за рахунок використання додаткових спеціалізованих процесорів. Так, в САПР для машинобудування переважно застосовують графічні робочі станції для виконання процедур геометричного моделювання і машинної графіки. Ця спрямованість вимагає могутнього процесора, високошвидкісної шини, пам'яті досить великої місткості.
Висока продуктивність процесора необхідна з тієї причини, що графічні операції (наприклад, переміщення зображень, їх повороти, видалення прихованих ліній і ін.) часто виконуються по відношенню до всіх елементів зображення. Такими елементами в тривимірній (3D) графіці при апроксимації поверхонь полігональними сітками є багатокутники, їх число може перевищувати 104. З іншого боку, для зручності роботи проектувальника в інтерактивному режимі затримка при виконанні команд вказаних вище операцій не повинна перевищувати декількох секунд. Але оскільки кожна така операція по відношенню до кожного багатокутника реалізується великим числом машинних команд необхідна швидкодія складає десятки мільйонів машинних операцій в секунду. Така швидкодія при прийнятній ціні досягається застосуванням разом з основним універсальним процесором також додаткових спеціалізованих (графічних) процесорів, в яких певні графічні операції реалізуються апаратний.
Унайбільш могутніх робочих станціях як основні звичайно використовують високопродуктивні мікропроцесори з скороченою системою команд (з RISCархітектурою), що працюють під управлінням одного з різновидів операційної системи Unix. У менш могутніх все частіше використовують технологію Wintel (тобто мікропроцесори Intel і операційні системи Windows). Графічні процесори виконують такі операції, як, наприклад, растеризування — представлення зображення в растровій формі для її візуалізації, переміщення, обертання, масштабування, видалення прихованих ліній і т.п.
Типові характеристики робочих станцій: декілька процесорів, десятки-сотні мегабайт оперативної і тисячі мегабайт зовнішньої пам'яті, наявність кеш-пам'яті, системна шина з швидкостями від сотень Мбайт/с до 1-2 Гбайт/с.
Залежно від призначення існують АРМ конструктора, АРМ технолога, АРМ керівника проекту і т.п. Вони можуть розрізнятися складом периферійних пристроїв, характеристиками ЕОМ.
УАРМ конструктора (графічних робочих станціях) використовуються растрові монітори з кольоровими трубками. Типові значення характеристик
моніторів знаходяться в наступних межах: розмір екрану по діагоналі 17...24 дюйма (фактично зображення займає площу на 5...8 % менше, ніж указується в паспортних даних). Що вирішує здатність монітора, тобто число помітних пікселів (окремих крапок, з яких складається зображення), визначається кроком між отворами в масці, через які проходить до екрану електронний промінь в електронно-променевій трубці. Цей крок знаходиться в межах 0,21...0,28 мм, що відповідає кількості пікселів зображення від 800x600 до 1920x1200 і більш. Чим що вище вирішує здатність, тим ширше повинна бути смуга пропускання електронних блоків відеосистеми при однаковій частоті кадрової розгортки. Смуга пропускання відеопідсилювача знаходиться в межах 110... 150 Мгц і тому частота кадрової розгортки звичайно знижується з 135 Гц для дозволу 640x480 до
60 Гц для дозволу 1600x1200.
Відзначимо, що чим нижча частота кадрової розгортки, а це є частота регенерації зображення, тим помітніше мерехтіння екрану. Бажано, щоб ця частота була не нижча 75 Гц.
ЕОМ, що спеціально випускаються, як сервери високої продуктивності звичайно мають структуру симетричної багатопроцесорної обчислювальної системи. У них системна пам'ять розділяється всіма процесорами, кожен процесор може мати свою надоперативну пам'ять порівняно невеликої місткості, число процесорів невелике (одиниці, рідко більше десяти). Наприклад, сервер Enterprise 250 (Sun Microsystems) має 1-2 процесори, їх ціна залежно від комплектації коливається в діапазоні 24-56 тис. доларів, а сервер Enterprise 450 з чотирма процесорами стоїть від 82 до 95 тисяч доларів.
Периферійні пристрої. Для введення графічної інформації з наявних документів в САПР використовують дигитайзеры і сканери.
Дігитайзер застосовують для ручного введення. Він має вид кульмана, по його електронній дошці переміщається курсор, на якому розташований візир і кнопкова панель. Курсор має електромагнітний зв'язок з сіткою провідників в електронній дошці. При натисненні кнопки в деякій позиції курсора відбувається занесення в пам'ять інформації про координати цієї позиції. Таким чином може здійснюватися ручна "відколка" креслень.
Для автоматичного введення інформації з наявних текстових або графічних документів використовують сканери планшетного або протяжного типа. Спосіб прочитування — оптичний. У скануючій головці розміщуються оптоволоконні лінзи, що самофокусуються, і фотоелементи. Що вирішує здатність в різних моделях складає від 300 до 800 крапок на дюйм (цей параметр часто позначають dpi). Лічена інформація має растрову форму, програмне забезпечення сканера представляє її в одному із стандартних форматів, наприклад TIFF, GIF, PCX, JPEG, і для подальшої обробки може виконати векторизацію — переклад графічної інформації у векторну форму, наприклад, у формат DXF.
Для виведення інформації застосовують принтери і плоттери. Перші з них орієнтовані на отримання документів малого формату (A3, А4), другі — для виведення графічної інформації на широкоформатні носії.
У цих пристроях переважно використовується растровий (тобто відрядковий) спосіб висновку із струменевою технологією друку. Друкуюча система в струменевих пристроях включає картрідж і головку. Картрідж — балон, заповнений чорнилом (у кольорових пристроях є декілька картріджів, кожен з чорнилом свого кольору). Головка — матриця з сопел, з яких найдрібніші чорнильні краплі поступають на носій. Фізичний принцип дії головки термічний або п'єзоелектричний. При термодруку викидання крапель з сопла відбувається під дією його нагрівання, що викликає освіту пара і викидання крапельок під тиском. При п'єзоелектричному способі пропускання струму через пьезоэлемент приводить до зміни розміру сопла і викидання краплі чорнила. Другий спосіб дорожче, але дозволяє одержати більш високоякісне зображення.
Що типова вирішує здатність принтерів і плоттерів 300 dpi, в даний час вона підвищена 720 dpi. У сучасних пристроях управління здійснюється вбудованими мікропроцесорами. Типовий час виведення монохромного зображення формату А1 знаходиться в межах від 2 до 7 мін, кольорового — в два рази більше.
Дігитайзери, сканери, принтери, плоттери можуть входити до складу АРМ або розділятися користувачами декількох робочих станцій у складі локальної обчислювальної мережі.
Особливості технічних засобів в АСУТП. Специфічні вимоги пред'являють до обчислювальної апаратури, що працює у складі АСУТП в цехових умовах. Тут використовують як звичайні персональні комп'ютери, так і спеціалізовані програмовані логічні контроллери (ПЛК), звані промисловими комп'ютерами. Специфіка ПЛК — наявність декількох аналогових і цифрових портів, вбудований інтерпретатор спеціалізованої мови, детерміновані затримки при обробці сигналів, що вимагають негайного реагування.
Промислові мережі. У інтегрованих системах проектування і управління на рівнях цеховому і нижче використовуються спеціальні обчислювальні мережі АСУТП, звані промисловими (або Fieldbus). До числа вузлів мережі входять комп'ютери, що виконують функції числового управління (NC) технологічним устаткуванням і SCADA. Звичайними для промислових мереж є граничні відстані між вузлами (датчиками, виконавчими пристроями і контроллерами) в сотні метрів, розміри повідомлень — до одного кілобайта (у стислій формі). Опит датчиків періодичний. Важлива вимога до промислової мережі — забезпечення роботи в реальному масштабі часу, тому для АСУТП мережі типу Ethernet не підходять, оскільки в них не гарантується обмеження затримок зверху.
Приклад промислової мережі — Profibus, швидкість 12 Мбод, пакети до 247 байт, відстані до 1,5 км. Має вихід в мережу АСУП, як яка гущавині всього використовується мережа Ethernet. Разом з Profibus, використовують і інші протоколи, наприклад, популярний протокол CAN. На фізичному рівні в Fieldbus часто використовують інтерфейс RS-485 — вита пара, довжина сегменту до 1,2 км, на сегменті може бути до 32 вузлів.
Мережеве комутаційне устаткування. Вузли в середовищах передачі даних, виконуючі функції зв'язки між частинами складної мережі (internetworking),
складають мережеве (комутаційне) устаткування. У мережеве устаткування входять повторители, мости, концентратори, комутатори, маршрутизатори, шлюзи, модеми і ін.
Повторитель (repeater) — блок взаємодії, службовець для регенерації електричних сигналів, передаваних між двома сегментами ЛВС. Повторители використовуються у випадку, якщо реалізація ЛВС на одному сегменті кабелю (відрізку, моноканалі) не допускається із-за обмежень на відстань або на число вузлів, причому за умови, що в сусідніх сегментах використовуються один і той же метод доступу і одні і ті ж протоколи. Трафік в сегментах, сполучених повторителем, — загальний. Повторитель може бути багатопортовим. Сигнал, що прийшов на один з портів, повторюється на всій решті портів.
Міст (bridge) — блок взаємодії, службовець для з'єднання різних підмереж, які можуть мати неоднакові канальні протоколи.
При малих відстанях між підмережами зв'язок можливий через сервери підмереж, в яких розміщуються інтерфейсна платня, звана внутрішніми мостами, і відповідне мережеве програмне забезпечення. Можливо застосування зовнішніх мостів — вузлів, що спеціально виділяються, для цілей сполучення поодинці в кожній з підмереж, що сполучаються. Зовнішні мости обходяться дорожче, але забезпечують кращі експлуатаційні характеристики. Важлива функція мостів — обмеження трафіку, оскільки локальний трафік однієї підмережі замикається в ній, не проходячи в іншу підмережу.
Звичайно міст має два порти, хоча існують і багатопортові мости. Кожен порт може виявитися вхідним або вихідним. Управління передачею пакетів виконується за допомогою маршрутної таблиці моста, в якій рядки містять відповідні один одному значення адреси вузла і номера порту моста. Якщо пакет прийшов на порт А і по таблиці адреса відноситься до того ж порту А, то пакет залишається в даній ЛВС, інакше передається на порт В, який знайдений по таблиці. Первинне заповнення таблиці відбувається за адресами джерел пакетів — в рядок заносяться адреса відправника і номер вхідного порту. Таблиці можуть змінювати в часі свій вміст. Якщо деякі адреси після закінчення тривалого часу жодного разу не активувалися, то рядки з такими адресами віддаляються, їх відновлення або занесення нових адрес виконується за процедурою первинного заповнення.
На мал. 2.12 представлені можливі варіанти мостових з'єднань.
Варіант 2 забезпечує велику пропускну спроможність в порівнянні з варіантом 1. Варіант 3 близький до варіанту 2 по пропускній спроможності, він дорожче, але саме його необхідно застосовувати, якщо відстані між підмережами досить великі. Варіант 4 використовують для збільшення швидкості при великому трафіку. Нарешті, варіант 5 призначений для випадків відстаней в декілька кілометрів і більш.
Корпоративну мережу, що складається з підмереж, зв'язаних мостами, можна назвати автономною системою (AS — Autonomous System). Зв'язок однієї AS з іншими здійснюється через маршрутизатор або шлюз. Такий маршрутизатор називають прикордонним. Як AS можна розглядати і складнішу сукупність зв'язаних AS, якщо ця сукупність має вихід в зовнішні мережі знову ж таки через прикордонний маршрутизатор (шлюз). Із сказаного виходить, що структура глобальних мереж є ієрархічною.
Концентратори призначені для об'єднання в мережу багатьох вузлів. Так, концентраторами є хабы в мережах 10Base-T або Token Ring. Проте такі концентратори подібно до мостів створюють загальне середовище передачі даних без розділення трафіку.
Комутатори на відміну від концентраторів призначені для об'єднання в мережу багатьох вузлів або підмереж з розділенням трафіку між підмережами. Як і в мостах, пакети передаються тільки в ту підмережу, для якої вони призначені, що зменшує загальне завантаження мережі. Але на відміну від багатопортового моста в комутаторі можливо одночасно мати багато з'єднань, тобто забезпечується паралельна передача повідомлень. Комутатори використовують також для зв'язку декількох ЛВС з територіальною мережею. Один комутатор може об'єднувати декілька як однотипних, так і різнотипних ЛВС.
Маршрутизатор (router) — блок взаємодії, службовець для вибору маршруту передачі даних в корпоративних і територіальних мережах. За допомогою маршрутизаторів можуть узгоджуватися не тільки канальні протоколи, як це має місце при застосуванні мостів, але і мережеві протоколи. Маршрутизатори містять таблиці і протоколи маршрутизації на відміну від інших вузлів, які можуть містити лише локальні таблиці відповідності IP-адрес фізичним адресам мережевих контроллерів в локальній мережі. Маршрутизатори можуть фільтрувати пакети відповідно до ознак, відбитих в заголовку пакету, тобто виконувати роль брандмауера — пристрою, що захищає мережу від небажаних вторгнень ззовні.
Використання комутаторів замість маршрутизаторів (там, де це можливо) дозволяє істотно підвищити пропускну спроможність мережі. Комутатор працює з