Техническое обеспечение систем автоматизированного проектирования. Виды обеспечения сапр Требования и структура технического обеспечения то сапр

ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САПР

Структура и требования к ТО САПР

Техническое обеспечение САПР включает в себя различные технические средства (hardware ), используемые для выполнения автоматизированного проектирования, а именно: ЭВМ, периферийные устройства, сетевое оборудование, а также оборудование некоторых вспомогательных систем (например, измерительных), поддерживающих проектирование.

Используемые в САПР технические средства должны обеспечивать:

1) выполнение всех необходимых проектных процедур, для которых имеется соответствующее ПО;

2) взаимодействие между проектировщиками и ЭВМ, поддержку интерактивного режима работы;

3) взаимодействие между членами коллектива, выполняющими работу над общим проектом.

Первое из этих требований выполняется при наличии в САПР вычислительных машин и систем с достаточными производительностью и емкостью памяти.

Второе требование относится к пользовательскому интерфейсу и выполняется за счет включения в САПР удобных средств ввода-вывода данных и прежде всего устройств обмена графической информацией.

Третье требование обусловливает объединение аппаратных средств САПР в в ычислительную сеть.

В результате общая структура ТО САПР представляет собой сеть узлов, связанных между собой средой передачи данных (рис 2.1). Узлами (станциями данных) являются рабочие места проектировщиков, часто называемые автоматизированными рабочими местами (АРМ) или районами станциями (WS Workstation ), ими могут быть также большие ЭВМ (мейнфреймы), отдельные периферийные и измерительные устройства. Именно в АРМ должны быть средства для интерфейса проектировщика с ЭВМ. Что касается вычислительной мощности, то она может быть распределена между различными узлами вычислительной сети.

Рис. 2.1. Структура техническою обеспечения САПР

Среда передачи данных представлена каналами передачи данных, состоящими из линий связи и коммутационного оборудования.

В каждом узле можно выделить оконечное оборудование данных (ООД), выполняющее определенную работу по проектированию, и аппаратуру окончания капана[данных (АКД), предназначенную для связи ООД со средой передачи данных. Например, в качестве ООД можно рассматривать персональный компьютер, а в качестве АКД вставляемую в компьютер сетевую плату.

Канал передачи данных средство двустороннего обмена данными, включающее в себя АКД и линию связи. Линией связи называют часть физической среды, используемую для распространения сигналов в определенном направлении; примерами линий связи могут служить коаксиальный кабель, витая пара проводов, волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС). Близким является понятие канала (канача связи), под которым понимают средство односторонней передачи данных. Примером канала связи может быть полоса частот, выделенная одному передатчику при радиосвязи. В некоторой линии можно образовать несколько каналов связи, по каждому из которых передается своя информация. При этом говорят, что линия разделяется между несколькими каналами.

Типы сетей

Существуют два метода разделения линии передачи данных: временное мультиплексирование (иначе разделение по времени или TDM Time Division Method ), при котором каждому каналу выделяется некоторый квант времени, и частотное разделение (FDM Frequency Division Method ), при котором каналу выделяется некоторая полоса частот.

САПР небольших проектных организаций, насчитывающих не более единиц-десятков компьютеров, которые размещены на малых расстояниях один от другого (например, в одной или нескольких соседних комнатах) объединяющая компьютеры сеть является локальной. Локалъная вычислителъная сеть (ЛВС или LAN Local Area Network ) имеет линию связи, к которой подключаются все узлы сети. При этом топология соединений узлов (рис. 2.2) может быть шинная (bus ), кольцевая (ring ), звездная (star ). Протяженность линии и число подключаемых узлов в ЛВС ограничены.

Рис. 2.2. Варианты топологии локальных вычислительных сетей:

а шинная; б кольцевая; в звездная

В более крупных по масштабам проектных организациях в сеть включены десятки-сотни и более компьютеров, относящихся к разным проектным и управленческим подразделениям и размещенных в помещениях одного или нескольких зданий. Такую сеть называют корпоративной. В ее структуре можно выделить ряд ЛВС, называемых подсетями, и средства связи ЛВС между собой. В эти средства входят коммутационные серверы (блоки взаимодействия подсетей). Если коммутационные серверы объединены отделенными от ЛВС подразделений каналами передачи данных, то они образуют новую подсеть, называемую опорной (или транспортной), а вся сеть оказывается иерархической структуры.

Если здания проектной организации удалены друг от друга на значительные расстояния (вплоть до их расположения в разных городах), то корпоративная сеть по своим масштабам становится территориальной сетью (WAN Wide Area Network ). В территориальной сети различают магистральные каналы передачи данных (магистральную сеть), имеющие значительную протяженность, и каналы передачи данных, связывающие ЛВС (или совокупность ЛВС отдельного здания или кампуса) с магистральной сетью и называемые абонентской линией или соединением «последней мили».

Обычно создание выделенной магистральной сети, т. е. сети, обслуживающей единственную организацию, обходится для нее слишком дорого.

Поэтому чаще прибегают к услугам провайдера, т. е. организации, предоставляющей телекоммуникационные услуги многим пользователям. В этом случае внутри корпоративной сети связь на значительных расстояниях осуществляется через магистральную сеть общего пользования, В качестве такой сети можно использовать, например, городскую или междугородную телефонную сеть или территориальные сети передачи данных. Наиболее распространенной формой доступа к этим сетям в настоящее время является применение глобальной вычислительной сети Internet .

Для многих корпоративных сетей возможность выхода в Internet является желательной не только для обеспечения взаимосвязи удаленных сотрудников собственной организации, но и для получения других информационных услуг. Развитие виртуальных предприятий, работающих на основе CALS -технологий, подразумевает информационные обмены через территориальные сети, как правило, через Internet .

Рис. 2.3. Структура корпоративной сети САПР

Структура ТО САПР для крупной организации представлена на рис. 2.3. Здесь показана типичная структура крупных корпоративных сетей САПР, называемая архитектурой клиент-сервер. В сетях клиент-сервер выделяется один или несколько узлов, называемых серверами, которые выполняют в сети управляющие или общие для многих пользователей проектные функции, а остальные узлы (рабочие места) являются терминальными, их называют клиентами, в них работают пользователи. В общем случае сервером называют совокупность программных средств, ориентированных на выполнение определенных функций, но если эти средства сосредоточены на конкретном узле вычислительной сети, то понятие сервер относится именно к узлу сети.

Сети клиент-сервер различают по характеру распределения функций" между серверами, другими словами, их классифицируют по типам серверов. Различают файл-серверы для хранения файлов, разделяемых многими пользователями, серверы баз данных автоматизированной системы, серверы приложений для решения конкретных прикладных задач, коммутаци-онные серверы (называемые также блоками взаимодействия сетей или серверами доступа) для взаимосвязи сетей и подсетей, специализированные серверы для выполнения определенных телекоммуникационных услуг, например, серверы электронной почты.

В случае специализации серверов по определенным приложениям сеть называют сетью распределенных вычислений. Если сервер приложений обслуживает пользователей одной ЛВС, то естественно назвать его локальным. Но поскольку в САПР имеются приложения и базы данных, разделяемые пользователями разных подразделений и, следовательно, клиентами разных ЛВС, то соответствующие серверы относят к группе корпоративных, подключаемых обычно к опорной сети (см. рис. 2.3.).

Наряду с архитектурой клиент-сервер применяют одноранговые сети.
в которых любой узел в зависимости от решаемой задачи может выполнять
как функции сервера, так и функции клиента. Организация взаимодействия
в таких сетях при числе узлов более нескольких десятков становится чрезмерно сложной, поэтому одноранговые сети применяют только в небольших по масштабам САПР.

В соответствии со способами коммутации различают сети с коммутацией каналов и коммутацией пакетов. В первом случае при обмене данными между узлами А и В в сети создается физическое соединение между А и В, которое во время сеанса связи используется только этими абонентами. Примером сети с коммутацией каналов может служить телефонная сеть. Здесь передача информации происходит быстро, но каналы связи используются неэффективно, так как при обмене данными возможны длительные паузы и канал «простаивает». При коммутации пакетов физического соединения, которое в каждый момент сеанса связи соединяло бы абонентов А и В, не создается. Сообщения разделяются на порции, называемые пакетами, которые передаются в разветвленной сети от А к В или обратно через промежуточные узлы с возможной буферизацией (временным запоминанием) в них. Таким образом, любая линия может разделяться многими сообщениями, попеременно пропуская при этом пакеты разных сообщений с максимальным заполнением упомянутых пауз.

2.2. 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, внешней, 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 высокой скорости записи и считывания данных, память делят на сверхбыстродействующую кэш-память малой емкости, основную оперативную память умеренного объема и сравнительно медленную внешнюю память большой емкости, причем, в свою очередь, кэш-память часто разделяют на кэш первого и второго уровней.

Например, в персональных компьютерах на процессорах Pentium III кэш первого уровня имеет по 16 Кбайт для данных и для адресов, он и кэш второго уровня емкостью 256 Кбайт встроены в процессорный кристалл, емкость оперативной памяти составляет десятки-сотни Мбайт.

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, ориентированную 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 10 . 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 аппаратно.

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 ме габайт 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 AP М 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 электроннолучевой 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 110... 150 МГц и потому частота кадровой развертки обычно снижается с 135 Гц для разрешения 640x480 до 60 Гц для разрешения 1600x1200. 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, cep в ep Enterprise 250 (Sun Microsystems ) имеет 1 ...2 процессора, его цена в зависимости от комплектации колеблется в диапазоне 24...56 тыс. долл., а сервер Enterprise 450 с четырьмя процессорами стоит от 82 до 95 тыс. долл.

Периферийные устройства

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

Диггитайзер 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 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 (A3, 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 врёмя 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.

Особенности технических средств в АСУТП

Специфические требования предъявляют к вычислительной аппаратуре, работающей в составе АСУТП в цеховых условиях. Здесь используют как обычные персональные компьютеры, так и специализированные программируемые логические контроллеры (ПЛК), называемые промышленными компьютерами. Специфика ПЛК наличие нескольких аналоговых и цифровых портов, встроенный интерпретатор специализированного языка, детерминированные задержки при обработке сигналов, требующих незамедлительного реагирования. Однако ПЛК в отличие от персональных компьютеров IBM PC рассчитаны на решение ограниченного круга задач в силу специализированности программного обеспечения.

В целом промышленные компьютеры имеют следующие особенности: 1) работа в режиме реального времени (для промышленных персональных компьютеров разработаны такие ОС реального времени, как OS -9, QNX , VRTX и др.); 2) конструкция, приспособленная для работы ЭВМ в цеховых условиях (повышенные вибрации, электромагнитные помехи, запыленность, перепады температур, иногда взрывоопасность); 3) возможность встраивания дополнительных блоков управляющей, регистрирующей, сопрягающей аппаратуры, что помимо специальных конструкторских решений обеспечивается использованием стандартных шин и увеличением числа плат расширения; 4) автоматический перезапуск компьютера в случае «зависания» программы; 5) повышенные требования к надежности функционирования. В значительной мере специализация промышленных компьютеров определяется программным обеспечением. Конструктивно промышленный компьютер представляет собой корзину (крейт) с несколькими гнездами (слотами) для встраиваемых плат. Возможно использование мостов между крейтами. В качестве стандартных шин в настоящее время преимущественно используют шины VME - bus (Versabus Module Europe - bus ) и PCI (Peripheral Component Interconnect ).

VME - bus системная шина для создания распределенных систем управления на основе встраиваемого оборудования (процессоры, накопители, контроллеры ввода-вывода). Представляет собой расширение локальной шины компьютера на несколько гнезд объединительной платы (до 21 слота), возможно построение многомастерных систем, т.е. систем, в которых ведущими могут быть два или более устройств. Имеет 32-разрядные немультиплексируемые шины данных и адресов, возможно использование мультиплексируемой 64-разрядной шины. Пропускная способность шины 320 Мбайт/с.

РС1 более удобная шина для однопроцессорных архитектур, получает все большее распространение. Пропускная способность до 264 Мбайт/с, разрядность шины 2x32 и (или) при мультиплексировании 64, архитектура с одним ведущим устройством. Имеется ряд разновидностей шины, например шина CompactPCI , в которой унифицирован ряд геометрических и механических параметров.

Программная связь с аппаратурой нижнего уровня (датчиками, исполнительными устройствами) происходит через драйверы. Межпрограммные связи реализуются через интерфейсы, подобные OLE . Для упрощения создания систем разработан стандарт ОРС (OLE for Process Control ).

Техническое обеспечение САПР включает в себя различные технические средства (hardware), используемые для выполнения автоматизированного проектирования, а именно ЭВМ, периферийные устройства, сетевое оборудование, а также оборудование некоторых вспомогательных систем (например, измерительных), поддерживающих проектирование.

Используемые в САПР технические средства должны обеспечивать:

1. выполнение всех необходимых проектных процедур, для которых имеется соответствующее ПО;

2. взаимодействие между проектировщиками и ЭВМ, поддержку интерактивного режима работы;

3. взаимодействие между членами коллектива, выполняющими работу над общим проектом.

Третье требование обусловливает объединение аппаратных средств САПР в вычислительную сеть .

Рис. 2.1. Структура технического обеспечения САПР

В результате общая структура ТО САПР представляет собой сеть узлов, связанных между собой средой передачи данных (рис. 2.1). Узлами (станциями данных) являются рабочие места проектировщиков, часто называемые автоматизированными рабочими местами (АРМ) или рабочими станциями (WS - Workstation), ими могут быть также большие ЭВМ (мейнфреймы), отдельные периферийные и измерительные устройства. Именно в АРМ должны быть средства для интерфейса проектировщика с ЭВМ. Что касается вычислительной мощности, то она может быть распределена между различными узлами вычислительной сети.

Среда передачи данных представлена каналами передачи данных, состоящими из линий связи и коммутационного оборудования.

В каждом узле можно выделить оконечное оборудование данных (ООД), выполняющее определенную работу по проектированию и аппаратуру окончания канала данных (АКД), предназначенную для связи ООД со средой передачи данных. Например, в качестве ООД можно рассматривать персональный компьютер, а в качестве АКД - вставляемую в компьютер сетевую плату.

Канал передачи данных - средство двустороннего обмена данными, включающее в себя АКД и линию связи. Линией связи называют часть физической среды, используемую для распространения сигналов в определенном направлении, примерами линий связи могут служить коаксиальный кабель, витая пара проводов, волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС). Близким является понятие канала (канала связи) , под которым понимают средство односторонней передачи данных. Примером канала связи может быть полоса частот, выделенная одному передатчику при радиосвязи. В некоторой линии можно образовать несколько каналов связи, по каждому из которых передается своя информация. При этом говорят, что линия разделяется между несколькими каналами.

Типы сетей. Существуют два метода разделения линии передачи данных: временное мультиплексирование (иначе разделение по времени или TDM - Time Division Method), при котором каждому каналу выделяется некоторый квант времени, и частотное разделение (FDM - Frequency Division Method), при котором каналу выделяется некоторая полоса частот.

В САПР небольших проектных организаций, насчитывающих не более единиц-десятков компьютеров, которые размещены на малых расстояниях один от другого (например, в одной или нескольких соседних комнатах) объединяющая компьютеры сеть является локальной. Локальная вычислительная сеть (ЛВС или LAN - Local Area Network) имеет линию связи, к которой подключаются все узлы сети. При этом топология соединений узлов (рис. 2.2) может быть шинная (bus), кольцевая (ring), звездная (star). Протяженность линии и число подключаемых узлов в ЛВС ограничены.

Рис. 2.2. Варианты топологии локальных вычислительных сетей:

а) шинная; б) кольцевая; в) звездная

В более крупных по масштабам проектных организациях в сеть включены десятки-сотни и более компьютеров, относящихся к разным проектным и управленческим подразделениям и размещенных в помещениях одного или нескольких зданий. Такую сеть называют корпоративной . В ее структуре можно выделить ряд ЛВС, называемых подсетями , и средства связи ЛВС между собой. В эти средства входят коммутационные серверы (блоки взаимодействия подсетей). Если коммутационные серверы объединены отделенными от ЛВС подразделений каналами передачи данных, то они образуют новую подсеть, называемую опорной (или транспортной), а вся сеть оказывается иерархической структуры.

Если здания проектной организации удалены друг от друга на значительные расстояния (вплоть до их расположения в разных городах), то корпоративная сеть по своим масштабам становится территориальной сетью (WAN - Wide Area Network). В территориальной сети различают магистральные каналы - каналы передачи данных (магистральную сеть), имеющие значительную протяженность, и каналы передачи данных, связывающие ЛВС (или совокупность ЛВС отдельного здания или кампуса) с магистральной сетью и называемые абонентской линией или соединением «последней мили» .

Обычно создание выделенной магистральной сети, т.е. сети, обслуживающей единственную организацию, обходится для нее слишком дорого. Поэтому чаще прибегают к услугам провайдера, т.е. организации, предоставляющей телекоммуникационные услуги многим пользователям. В этом случае внутри корпоративной сети связь на значительных расстояниях осуществляется через магистральную сеть общего пользования . В качестве такой сети можно использовать, например, городскую или междугородную телефонную сеть или территориальные сети передачи данных. Наиболее распространенной формой доступа к этим сетям в настоящее время является обращение к глобальной вычислительной сети Internet.

Для многих корпоративных сетей возможность выхода в Internet является желательной не только для обеспечения взаимосвязи удаленных сотрудников собственной организации, но и для получения других информационных услуг. Развитие виртуальных предприятий, работающих на основе CALS-технологий, с необходимостью подразумевает информационные обмены через территориальные сети, как правило, через Internet.

Структура ТО САПР для крупной организации представлена на рис. 2.3. Здесь показана типичная структура крупных корпоративных сетей САПР, называемая архитектурой клиент-сервер . В сетях клиент-сервер выделяется один или несколько узлов, называемых серверами , которые выполняют в сети управляющие или общие для многих пользователей проектные функции, а остальные узлы (рабочие места) являются терминальными, их называют клиентами в них работают пользователи. В общем случае сервером называют совокупность программных средств, ориентированных на выполнение определенных функций, но если эти средства сосредоточены на конкретном узле вычислительной сети, то тогда понятие сервер относится именно к узлу сети.

Рис. 2.3. Структура корпоративной сети САПР

Сети клиент-сервер различают по характеру распределения функций между серверами, другими словами, их классифицируют по типам серверов. Различают файл-серверы для хранения файлов, разделяемых многими пользователями, серверы баз данных автоматизированной системы, серверы приложений для решения конкретных прикладных задач, коммутационные серверы (называемые также блоками взаимодействия сетей или серверами доступа) для взаимосвязи сетей и подсетей, специализированные серверы для выполнения определенных телекоммуникационных услуг, например, серверы электронной почты.

В случае специализации серверов по определенным приложениям сеть называют сетью распределенных вычислений . Если сервер приложений обслуживает пользователей одной ЛВС, то естественно назвать такой сервер локальным. Но поскольку в САПР имеются приложения и базы данных, разделяемые пользователями разных подразделений и, следовательно, клиентами разных ЛВС, то соответствующие серверы относят к группе корпоративных, подключаемых обычно к опорной сети (см. рис. 2.3.).

Наряду с архитектурой клиент-сервер применяют одноранговыесети, в которых любой узел в зависимости от решаемой задачи может выполнять как функции сервера, так и функции клиента. Организация взаимодействия в таких сетях при числе узлов более нескольких десятков становится чрезмерно сложной, поэтому одноранговые сети применяют только в небольших по масштабам САПР.

В соответствии со способами коммутации различают сети с коммутацией каналов и коммутацией пакетов . В первом случае при обмене данными между узлами A и B в сети создается физическое соединение между A и B , которое во время сеанса связи используется только этими абонентами. Примером сети с коммутацией каналов может служить телефонная сеть. Здесь передача информации происходит быстро, но каналы связи используются неэффективно, так как при обмене данными возможны длительные паузы и канал “простаивает” При коммутации пакетов физического соединения, которое в каждый момент сеанса связи соединяло бы абонентов А и В , не создается. Сообщения разделяются на порции, называемые пакетами , которые передаются в разветвленной сети от А к В или обратно через промежуточные узлы с возможной буферизацией (временным запоминанием) в них. Таким образом, любая линия может разделяться многими сообщениями, попеременно пропуская при этом пакеты разных сообщений с максимальным заполнением упомянутых пауз.

Виды обеспечения САПР

Математическое обеспечение (МО) АП - это совокупность математических методов (ММет), математических моделей (ММ) и алгоритмов проектирования (АлП), необходимых для выполнения АП, представленных в заданной форме.

Техническое обеспечение (ТО) АП - это совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих технических средств, предназначенных для выполнения АП.. Технические средства (ТС)

Программное обеспечение (ПО) АП - совокупность машинных программ, необходимых для выполнения АП, представленных в заданной форме. Часть ПО АП, предназначенную для управления проектированием, называют операционной системой (ОС) АП.

Совокупность машинных программ (МП), необходимых для выполнения какой-либо проектной процедуры и представленных в заданной форме, называют пакетом прикладных программ (ППП).

Компонентами ПО являются документы с текстами программ, программы на всех видах носителей, эксплуатационные документы. Программное обеспечение разделяют на общесистемное (ОПО) и прикладное (ППО). Компонентами ОПО являются трансляторы (Т) с алгоритмических языков, эмуляторы (Э), супервизоры (С) и др. Компонентами ППО являются программы (МП) и пакеты прикладных программ для АП.

Информационное обеспечение (ИО) АП - совокупность сведений, необходимых для выполнения АП, представленных в заданной форме. Основной частью ИО являются автоматизированные банки данных, которые состоят из баз данных (БД) САПР и систем управления базами данных (СУБД). В ИО входят нормативно-справочные документы, задания государственных планов, прогнозы технического развития, типовые проектные решения, системы классификации и кодирования технико-экономической информации, системы документации типа ЕСКД, ЕСТД, файлы и блоки данных на машинных носителях, фонды нормативные, плановые, прогнозные, типовых решений, алгоритмов и программ и т. п.

Лингвистическое обеспечение (Ли) АП - совокупность языков проектирования (ЯП), включая термины и определения, правила формализации естественного языка и методы сжатия и развертывания текстов, необходимых для выполнения АП, представленных в заданной форме (рис. 1.6, д).

Методическое обеспечение (МТО) - совокупность документов, устанавливающих состав и правила отбора и эксплуатации средств обеспечения АП, необходимых для выполнения АП. Отметим, что в некоторых работах и документах методическое обеспечение понимается более широко: в качестве компонентов включает МО и ЛО.

Организационное обеспечение (ОО) АП - совокупность документов, устанавливающих состав проектной организации и ее подразделений, связи между ними, их функции, а также форму представления результата проектирования и порядок рассмотрения проектных документов, необходимых для выполнения АП. Компонентами ОО САПР являются методические и руководящие материалы, положения, инструкции, приказы и другие документы, обеспечивающие взаимодействие подразделений проектной организации при создании и эксплуатации САПР.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

оперативный память персональный компьютер

Введение

2.1 Персональные компьютеры

2.2 Рабочие станции

2.3 Серверы

2.4 Мейнфреймы

2.5 Кластер

2.6 Суперкомпьютеры

Заключение

Список литературы

Введение

Традиционная форма использования ЭВМ, сконцентрированных в вычислительном центре и работающих только в пакетном режиме, не годится для современных САПР. ЭВМ лишь тогда станет эффективным регулярно используемым инструментом проектирования, когда инженер сможет оперативно обращаться к машине и так же оперативно получать результаты решения. Поэтому в комплексе ТС должна быть развита группа внешних устройств ввода-вывода информации. При этом эффективное взаимодействие инженера с ЭВМ будет обеспечено только в том случае, если форма вводимой и выводимой информации удобна для человека и не приводит к необходимости вручную выполнять обременительные и чреватые ошибками операции по кодированию или расшифровке сообщений. В зависимости от характера решаемых задач удобными формами представления информации могут быть таблицы, чертежи, графики, текстовые сообщения и т.п.

Таким образом, первое из указанных в начале главы требований к техническим средствам САПР обусловливает включение в комплекс ТС как стандартного комплекта внешних устройств ЭВМ, так и дополнительных устройств оперативного ввода-вывода информации, в том числе в графической форме. Этот комплект внешних устройств устанавливается в помещении проектного подразделения и называется автоматизированным рабочим местом (АРМ) проектировщика

Состав АРМ зависит от характера задач, решаемых в проектном подразделении. В АРМ входят устройства ввода и вывода информации на перфоленте; устройства автономного ввода информации с перфокарт или перфолент; устройство клавиатуры для обмена информацией между оператором и ЭВМ короткими сообщениями; запоминающие устройства на магнитных дисках (НМД) и магнитной ленте (НМЛ); видеомонитор или графический дисплей; графопостроитель (плоттер); кодировщик графической информации (считыватель координат) или сканер; принтер, модем или факс-модем. Наличие в одной САПР многих АРМ, возможности одновременной работы на аппаратуре АРМ нескольких пользователей и размещения АРМ на территориях проектных подразделений диктуют необходимость иерархического построения комплекса ТС с выделением в нем, по крайней мере, двух уровней ЭВМ. На высшем уровне находится одна или несколько ЭВМ большой производительности. Эти ЭВМ составляют центральный вычислительный комплекс (ЦВК), предназначенный для решения сложных задач проектирования, требующих больших затрат машинных времени и памяти. На низшем уровне находятся входящие в АРМ мини-эвм (терминальные ЭВМ). Мини-Эвм в АРМ управляет работой комплекта внешних устройств, обменом информацией между АРМ и ЦВК; решает сравнительно несложные по затратам машинных времени и памяти проектные задачи.

1. Основные требования к техническим средствам САПР

К техническому обеспечению САПР предъявляются следующие требования:

удобство использования инженерами-проектировщиками, возможность оперативного взаимодействия инженеров с ЭВМ;

достаточная производительность и объем оперативной памяти ЭВМ для решения задач всех этапов проектирования за приемлемое время;

возможность одновременной работы с техническими средствами необходимого числа пользователей для эффективной деятельности всего коллектива разработчиков;

открытость комплекса технических средств для расширения и модернизации системы по мере совершенствования и развития техники;

высокая надежность, приемлемая стоимость и т.д.

Удовлетворение перечисленных требований возможно только в условиях организации технического обеспечения в виде специализированной ВС, допускающей функционирование в нескольких режимах. Такое техническое обеспечение называют комплексом технических средств САПР (комплексом ТС).

2. Типы вычислительных машин и систем

Компьютеры (ЭВМ) и вычислительные системы (ВС) принято классифицировать по ряду признаков. В зависимости от производительности и стоимости вычислительного оборудования выделяют несколько типов ЭВМ и ВС, причем разные поколения вычислительной техники имели свою шкалу типов. Так, до середины 80-х годов прошлого века ЭВМ делили на микро-ЭВМ, мини-эвм, большие ЭВМ (ЭВМ высокой производительности) и супер-эвм. В настоящее время ЭВМ и ВС подразделяют на персональные компьютеры, рабочие станции, серверы, мэйнфреймы, кластеры и суперкомпьютеры.

Наибольшее распространение в САПР получили персональные компьютеры (ПК), рабочие станции и серверы.

2.1 Персональные компьютеры

Первые персональные компьютеры появились в начале 80-х годов прошлого века в результате трансформации мини-эвм в сравнительно дешевые настольные системы для индивидуального использования, благодаря развитию элементной базы вычислительной техники, приведшему к созданию больших (БИС) и сверхбольших (СБИС) интегральных схем.

Конструктивно персональный компьютер (ПК) состоит из корпуса, в котором размещены материнская плата; видеоадаптер (видеокарта); дисководы -- CD ROM, накопители на жестких (винчестер) и гибких (НГМД) магнитных дисках; блок питания; динамик. В ПК имеются резервные слоты (слоты расширения) для возможного размещения печатных плат (карт) расширения -- сетевого контроллера, модема, других дополнительных устройств. В состав ПК входят также внешние (по отношению к корпусу ПК) устройства. Как правило, в их число входят клавиатура, мышь, монитор. На рис. 1 представлена типичная структурная схема ПК.

Рисунок 1. Упрощенная типичная структурная схема персонального компьютера

Материнскую плату называют также системной платой. Материнские платы производят большое число компаний. На материнской плате имеются разъемы для вставки процессора и модулей оперативной памяти. Интерфейс между процессором и другими устройствами осуществляется с помощьюшин и чипсета (Chipset) -- набора устанавливаемых на материнской плате специальных микросхем, так называемых северного и южного мостов. Для подключения ЦПУ к северному мосту (системному контроллеру) используют системную шину (FSB -- Frontsidebus). Системная шина осуществляет обмены данными между процессором и кэш-памятью второго уровня и через северный мост с оперативной памятью. В качестве шины для подключения графического контроллера на современных материнских платах используется шина PCI Express.

Южный мост (периферийный контроллер) содержит контроллеры периферийных устройств (жёсткого диска, Ethernet, аудио), контроллеры шин PCI, PCI-ExpressиUSB для подключения периферийных устройств, а также контроллеры шин, к которым подключаются устройства, не требующие высокой пропускной способности. Интерфейс с внешними накопителями (винчестер, магнитные диски, CD-ROM) выполняется через контроллеры накопителей. Обычно контроллеры встроены в одну из микросхем и размещены на материнской плате, а сами дисководы подключаются к плате с помощью имеющихся на ней разъемов. В настоящее время используют контроллеры типов IDE (IntegratedDriveElectronics) или EIDE (Enhanced IDE), допускающие подключение к одному контроллеру до четырех устройств. При необходимости увеличения скорости передачи данных (например, при использовании ПК в качестве файлового сервера) применяют интерфейс SCSI (SmallComputerSystemInterface). Он допускает подключение к одному контроллеру до восьми устройств, скорость передачи данных доходит до 80 Мбайт/с. Для подключения шины SCSI к PCI требуется специальный адаптер SCSI.

Видеокарта включает видеопамять и видеопроцессор, используемый для разгрузки центрального процессора при выполнении определенных графических операций и декодирования данных, например, при вводе из видеокамеры. На материнской плате размещается также блок BIOS (BasicInput/OutputSystem). Этот блок выполняет функции хранения параметров конфигурации ПК, аппаратных драйверов и программы POST, которая при включении компьютера проверяет работоспособность его устройств.

2.2 Рабочие станции

Рабочие станции представляют собой вычислительные системы, ориентированные на решение задач в определенных приложениях, прежде всего в автоматизированных системах проектирования (САПР). Компьютеры в САПР ориентированы на решение сложных проектных задач, что обусловливает повышенные быстродействие и объем памяти, а также расширенные возможности обработки и визуализации графической информации рабочих станций по сравнению с персональными компьютерами. Поэтому обычно рабочие станции имеют более сложную структуру и более дорогие устройства, чем ПК.

Структура рабочей станции:

Системная плата - именно в ней и размещен процессор, чипы с памятью, контроллеры и шины данных.

Центральный процессор - от него зависит общее быстродействие всех процессов. Мощность этого устройства определяется благодаря его тактильной частоте, чем она выше - тем устройство быстрее. Процессор является главным элементом во всех процессах, которые происходят между рабочими станциями в компьютерной сети. Подключая несколько устройств, желательно, чтобы в них были процессоры одинаковой мощности, иначе на более мощных компьютерах скорость работы снизиться за счет слабых ПК.

Память - для нормального функционирования локальной сети у серверов и рабочих станций должен быть большой запас памяти. Для того, чтобы хранить данные, обмениваться ими и вместить в себя программное обеспечение, необходимое для сети, рабочие станции имеют, как правило, несколько источников памяти. Многие современные ПК, при заполненной оперативной памяти, обращаются к виртуальной подкачке. Долго пользоваться виртуальной памятью на офисных рабочих станциях не советуется, с помощью обслуживания сетей увеличьте объемы оперативных запасов памяти.

Сетевой адаптер - подключить компьютеры к локальной сети без сетевого адаптера невозможно, именно он позволяет превратить компьютер из обычного устройства в рабочую станцию. Обслуживание сетей позволяет подключить с помощью сетевого адаптера в одну цепь более сотни ПК. Это минипроцессор, который открывает компьютерам рабочей группы доступ к общей базе данных.

Отличия персональных компьютеров от рабочей станции:

Цена - большинство ПК для бизнеса стоят дешевле рабочей станции.

Производительность - ПК обладает достаточной мощностью для решения большинства задач, таких как электронная почта, веб-серфинг и обработки текстов. В то время как рабочая станция имеет большую мощность - она может работать с CAD-системами, программами для создания анимации, анализа данных и фотореалистичных визуализаций, создания и обработки видео и аудио.

Надёжность - требования к работе составных частей рабочей станции гораздо выше, чем ПК. Каждая часть (материнская плата, процессор, оперативная память, диски, видеокарты, и т.д.) сделана с пониманием того, что она будет работать в течение всего дня. Во многих случаях рабочие станции остаются включенными и работают над проектами даже тогда, когда все люди расходятся по домам. Они оставляют их работать на ночь для обработки больших баз данных, создания анимации пр.

2.3 Серверы

В вычислительных сетях выполнение функций, связанных с обслуживанием всех узлов сети, возлагается на серверы. Сервер - это компьютер, который предназначен для решения определенных задач по выполнению программных кодов, хранению информации, обслуживанию пользователей и баз данных. Сервер обеспечивает максимальную защищенность и безопасность выполняемых задач, а также их сохранность. Используется сервер для хранения файлов и веб-сайтов пользователей Интернета (хостинг), ответа на запросы и выдачи запрашиваемой информации, обработки и выполнения скриптов на веб-сайтах, работы с базой данных и большим количеством пользователей. Контроль над работой сервера возлагается на системного администратора.

Сервер не обязательно должен предназначаться для работы с Интернетом. Чаще всего он используется в компаниях для обеспечения локальной сети и хранения баз данных о клиентах, работниках, товарах, а также для доступа в Интернет. Системный администратор при помощи сервера может получить информацию обо всех компьютерах локальной сети, запретить или разрешить доступ. В большинстве случаев сервер не является обычным персональным компьютером. Как правило, это рабочая станция, выполненная в виде мини-башни, хотя существуют различные конфигурации в зависимости от специализации. Серверы содержат один или несколько высокопроизводительных процессоров, большой объем оперативной памяти, RAID-массивы жестких дисков, блоки питания с возможностью автономного функционирования в случае сбоя электроэнергии. Корпус серверов имеет повышенную защиту от пыли и мощную систему охлаждения, а также защиту от случайного выключения.

По функциональному назначению различают серверы файловые, баз данных, коммутационные, прикладные, почтовые и т.п. Серверы, как правило, должны обладать большим быстродействием, надежностью и во многих случаях увеличенной емкостью памяти по сравнению с компьютерами в клиентских узлах.

2.4 Мейнфреймы

Мейнфреймами называют большие ЭВМ. Высокая производительность и большая емкость памяти обеспечивают решение сложных проблем, позволяют использовать такие компьютеры в качестве центрального узла ВС, управляющего работой многих простых терминалов. В архитектурном планемейнфреймы представляют собой многопроцессорные системы, содержащие один или несколько центральных и периферийных процессоров с общей памятью, связанных между собой высокоскоростными магистралями передачи данных. При этом основная вычислительная нагрузка ложится на центральные процессоры, а периферийные процессоры обеспечивают работу с широкой номенклатурой периферийных устройств.Компания IBM активно поддерживает переход в крупных корпоративных информационных системах на использование мэйнфремов в качествсе центров обработки данных вместо большого числа распределенных серверов.

2.5 Кластер

Кластер это распределенная система компьютеров, функционирующая как единая система с общими ресурсами. Основная цель, обусловившая появление кластеров, -- сохранение работоспособности ВС путем перераспределения нагрузки при выходе из строя части ресурсов. Кроме того, кластеризация -- один из путей повышения производительности ВС за счет совместного использования многих компьютеров. Кластеры позволяют наращивать вычислительную мощность, поскольку легко масштабируются.

Обычно различают следующие основные виды кластеров:

отказоустойчивые кластеры (High-availabilityclusters, HA, кластеры высокой доступности),

кластеры с балансировкой нагрузки (Loadbalancingclusters),

вычислительные кластеры (High performance computing clusters, HPC),

системы распределенных вычислений.

2.6 Суперкомпьютеры

Компьютеры, характеризуемые наибольшими значениями производительности и цены среди других типов ЭВМ и ВС, относят к категории суперкомпьютеров. Считается, что супер-эвм - это компьютеры с максимальной производительностью. Однако быстрое развитие компьютерной индустрии делает это понятие весьма и весьма относительным: то, что десять лет назад можно было назвать суперкомпьютером, сегодня под это определение уже не подпадает. Производительность первых супер-эвм начала 70-х годов была сравнима с производительностью современных ПК на базе традиционных процессоров Pentium. По сегодняшним меркам ни те, ни другие к суперкомпьютерам, конечно же, не относятся. В любом компьютере все основные параметры взаимосвязаны. Трудно себе представить универсальный компьютер, имеющий высокое быстродействие и мизерную оперативную память либо огромную оперативную память и небольшой объем дисков. Отсюда простой вывод: супер-эвм - это компьютер, имеющий не только максимальную производительность, но и максимальный объем оперативной и дисковой памяти в совокупности со специализированным программным обеспечением, с помощью которого этим монстром можно эффективно пользоваться. Как правило, современные суперкомпьютеры представляют собой большое число высокопроизводительных серверных компьютеров, соединённых друг с другом локальной высокоскоростной магистралью для достижения максимальной производительности в рамках подхода распараллеливания вычислительной задачи.

Cray-1 -- это первый суперкомпьютер, созданный в 1976г компанией Cray Research, основанной «отцом суперкомпьютеров» -- Сеймуром Крэем, после его ухода из компании CDC. Пиковая производительность Cray-1 составляла 133 Мфлопса. Для сравнения -- нынешний номер 1 в рейтинге ТОП500 суперкомпьютеров, Тяньхэ-2, обладает вычислительной мощностью в 33,86 Пфлопс. Компьютер был куплен национальной метеослужбой (Так что жители США обязаны прогнозом погоды с 1977 по 1989 годы именно этой машине).

Два раза в год специалисты из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли и Университета Теннесси публикуют Top-500, в котором предлагают список самых производительных суперкомпьютеров мира.

10. Cray CS-Storm

Местоположение:США.

Производительность:3,57петафлопс

Теоретический максимум производительности: 6,13 петафлопс.

Мощность: 1,4 МВт.

9. Vulcan - Blue Gene/Q.

Местоположение: США.

Производительность: 4,29 петафлопс.

Теоретический максимум производительности: 5,03 петафлопс.

Мощность:1,9МВ.

8. Juqueen - Blue Gene/Q.

Местоположение: Германия

Производительность:5петафлопс.

Теоретический максимум производительности: 5,87 петафлопс.

Мощность: 2,3 МВт.

7. Stampede - PowerEdge C8220.

Местоположение: США.

Производительность: 5,16 петафлопс.

Теоретический максимум производительности: 8,52 петафлопс.

Мощность: 4,5 МВт.

6. Piz Daint - Cray XC30.

Местоположение: Швейцария.

Производительность: 6,27 петафлопс.

Теоретический максимум производительности: 7,78 петафлопс.

Мощность: 2,3 МВт.

5. Mira - Blue Gene/Q.

Местоположение: США.

Производительность: 8,56 петафлопс.

Теоретический максимум производительности: 10,06 петафлопс.

Мощность: 3,9 МВт.

Местоположение: Япония.

Производительность: 10,51 петафлопс.

Теоретический максимум производительности: 11,28 петафлопс.

Мощность: 12,6 МВт.

3. Sequoia - Blue Gene/Q.

Местоположение: США.

Производительность: 17,17 петафлопс.

Теоретический максимум производительности: 20,13 петафлопс.

Мощность:7,8МВт.

2. Titan - Cray XK7.

Местоположение: США.

Производительность: 17,59 петафлопс.

Теоретический максимум производительности: 27,11 петафлопс.

Мощность: 8,2 МВт.

1. Tianhe-2 / Млечный путь-2.

Местоположение: Китай.

Производительность:33,86петафлопс.

Теоретический максимум производительности: 54,9 петафлопс.

Мощность: 17,6 МВт.

3. Архитектура вычислительных систем

Основным отличием ВС от компьютеров является наличие в их структурах нескольких вычислителей (компьютеров или процессоров). Поэтому они способны выполнять параллельные вычисления. Поскольку ВС появились как параллельные системы, то рассмотрим классификацию архитектур c этой точки зрения. Такая классификация архитектур была предложена М. Флинном в начале 60-х годов. В ее основу заложено два возможных вида параллелизма: независимость потоков заданий (команд), существующих в системе, и независимость (несвязанность) данных, обрабатываемых в каждом потоке. Согласно данной классификации существует четыре основных архитектуры ВС:

одиночный поток команд - одиночный поток данных (ОКОД), в английской аббревиатуре SingleInstructionSingleData, SISD - одиночный поток инструкций - одиночный поток данных;

одиночный поток команд - множественный поток данных (ОКМД), или SingleInstructionMultipleData, SIMD - одиночный поток инструкций - одиночный поток данных;

множественный поток команд - одиночный поток данных (МКОД), или MultipleInstructionSingleData, MISD - множественный поток инструкций - множественный поток данных;

множественный поток команд - множественный поток данных (МКМД), или MultipleInstructionMultipleData, MIMD -множественный поток инструкций - множественный поток данных.

Архитектура ОКОД охватывает все однопроцессорные и одномашинные варианты систем, то есть системы с одним вычислителем. Все ЭВМ классической структуры попадают в этот класс. Здесь параллелизм вычислений обеспечивается путем совмещения выполнения операций отдельными блоками АЛУ, а также параллельной работой устройств ввода-вывода информации и процессора. Закономерности организации вычислительного процесса в этих структурах достаточно хорошо изучены. Архитектура ОКМД предполагает создание структур векторной или матричной обработки. Системы этого типа обычно строятся как однородные: процессорные элементы, входящие в систему, идентичны, и все они управляются одной и той же последовательностью команд. Однако каждый процессор обрабатывает свой поток данных. Под эту схему хорошо подходят задачи обработки матриц или векторов (массивов), задачи решения систем линейных и нелинейных, алгебраических и дифференциальных уравнений, задачи теории поля и др. В структурах данной архитектуры желательно обеспечивать соединения между процессорами, соответствующие реализуемым математическим зависимостям. Как правило, эти связи напоминают матрицу, в которой каждый процессорный элемент связан с соседними. Векторный или матричный тип вычислений является необходимым атрибутом любой супер-эвм.

Заключение

Вычислительные системы, как мощные средства обработки заданий пользователей, широко используются не только автономно, но и в сетях ЭВМ в качестве серверов. С увеличением размеров сетей и их развитием возрастают плотности информационных потоков, нагрузка на средства доступа к сетевым ресурсам и на средства обработки заданий. Круг задач, решаемый серверами, постоянно расширяется, становится многообразным и сложным. Чем выше ранг сети, тем более специализированными они становятся. Администраторы сетей должны постоянно наращивать их мощь и количество, оптимизируя характеристики сети под возрастающие запросы пользователей.

Управление вычислительными процессами в ВС осуществляют операционные системы, которые являются частью общего программного обеспечения. В состав ОС включают как программы централизованного управления ресурсами системы, так и программы автономного использования вычислительных модулей. Последнее условие необходимо, поскольку в ВС обычно предусматривается более высокая надежность функционирования, например требование сохранения работоспособности при наличии в ней хотя бы одного исправного модуля.

Требование увеличения производительности также предполагает возможность параллельной и даже автономной работы модулей при обработке отдельных заданий или пакетов заданий. В зависимости от структурной организации ВС можно выявить некоторые особенности построения их операционных систем. Операционные системы многомашинных ВС являются более простыми. Обычно они создаются как надстройка автономных ОС отдельных ЭВМ, поскольку здесь каждая ЭВМ имеет большую автономию в использовании ресурсов (своя оперативная и внешняя память, свой обособленный состав внешних устройств и т.д.). В них широко используются программные методы локального (в пределах вычислительного центра) и дистанционного (сетевая обработка) комплексирования.

Современные персональные IВМ РС-совместимые компьютеры являются наиболее широко используемым видом компьютеров, их мощность постоянно увеличивается, а область применения расширяется. Эти компьютеры могут объединяться в сети, что позволяет десяткам и сотням пользователей легко обмениваться информацией и одновременно получать доступ к общим базам данных. Средства электронной почты позволяют пользователям компьютеров с помощью обычной телефонной сети посылать текстовые и факсимильные сообщения в другие города и страны и получать информацию из крупных банков данных. Глобальная система электронной связи Intеrnеt обеспечивает за крайне низкую цену возможность оперативного получения информации из всех уголков земного шара, предоставляет возможности голосовой и факсимильной связи, облегчает создание внутрикорпоративных сетей передачи информации для фирм, имеющих отделения в разных городах и странах.

Однако возможности IВМ РС-совместимых персональных компьютеров по обработке информации все же ограничены, и не во всех ситуациях их применение оправдано.

Список литературы

1. В.Н. Дацюк, А.А. Букатов, А.И. Жегуло. Методическое пособие по курсу "Многопроцессорные системы и параллельное программирование"/ Южный федеральный университет. Центр высокопроизводительных вычислений.

2. Типы вычислительных машин и систем / Бигор.

3. Автоматизация проектирования систем и средств управления /Московский государственный университет печати.

4. Техническое обеспечение автоматизированных систем / Бигор.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Характеристика систем технического и профилактического обслуживания средств вычислительной техники. Диагностические программы операционных систем. Взаимосвязь систем автоматизированного контроля. Защита компьютера от внешних неблагоприятных воздействий.

реферат , добавлен 25.03.2015

Классификация электронно-вычислительных машин по времени создания и назначению. Принципы "фон Неймана". Аппаратная реализация персонального компьютера: процессор, внутренняя и внешняя память, материнская плата. Основные периферийные устройства.

реферат , добавлен 24.05.2009

Требования, предъявляемые к техническому обеспечению систем автоматизированного проектирования. Вычислительные сети; эталонная модель взаимосвязи открытых систем. Сетевое оборудование рабочих мест в САПР. Методы доступа в локальных вычислительных сетях.

презентация , добавлен 26.12.2013

курсовая работа , добавлен 22.11.2009

История развития информатики и вычислительной техники. Общие принципы архитектуры ПЭВМ, ее внутренние интерфейсы. Базовая система ввода-вывода. Материнская плата. Технологии отображения и устройства хранения информации. Объем оперативной памяти.

презентация , добавлен 26.10.2013

Структуры вычислительных машин и систем. Фон-неймановская архитектура, перспективные направления исследований. Аналоговые вычислительные машины: наличие и функциональные возможности программного обеспечения. Совокупность свойств систем для пользователя.

курсовая работа , добавлен 05.11.2011

Архитектуры вычислительных систем сосредоточенной обработки информации. Архитектуры многопроцессорных вычислительных систем. Классификация и разновидности компьютеров по сферам применения. Особенности функциональной организации персонального компьютера.

контрольная работа , добавлен 11.11.2010

Подборка комплектующих для офисного компьютера; их технические характеристики. Установка материнской платы, системы охлаждения, оперативной памяти, жесткого диска, а также оптического привода. Расчет стоимости модернизации компьютерного оборудования.

курсовая работа , добавлен 30.04.2014

Определение перспектив, направлений и тенденций развития вычислительных систем как совокупности техники и программных средств обработки информации. Развитие специализации вычислительных систем и проблема сфер применения. Тенденции развития информатики.

реферат , добавлен 17.03.2011

Характеристика устройств базовой конфигурации персонального компьютера: компьютерный блок питания, материнская плата, процессор, звуковая карта, жесткий диск. Дополнительные внешние накопители. Принципы работы и функции лазерных дисководов и дисков.

Техническом обеспечении (ТО) САПР включает в себя вычислительный комплекс (ВК) на базе высокопроизводительной вычислительной техники с большим объемом оперативной и внешней памяти, широким набором периферийных устройств для обеспечения диалогового режима работы, выпуска текстовой и чертежной документации и создания полноценных баз данных .

Целесообразно создавать комплексные САПР на основе двухуровневой иерархической структуры с ЭВМ средней и большой производительности на верхнем уровне и сетью терминальных станций на нижнем уровне.

Выбор типового ВК для верхнего уровня производится в зависимости от сложности объекта проектирования, который определяют согласно государственным стандартам по числу составных частей.

Для верхнего уровня САПР предусмотрен выпуск различных модификаций ВК с едиными версиями операционных систем (ОС). В состав типовых ВК должны входить ОС для обработки графической информации, специальные графические процессоры, графические периферийные устройства.

За десятилетия своего развития технические средства САПР прошли несколько этапов, в значительной степени связанных со сменой поколений ЭВМ и совершенствованием периферийных устройств. Базовые ЭВМ первых поколений САПР РЭС - автоматизированное рабочее место (АРМ) - на основе универсальных ЭВМ среднего класса и мини-ЭВМ с расширенным набором периферийных устройств ввода/вывода графической информации (АРМ на базе ЭВМ IBM-360 и PDP-11 за рубежом, АРМ на базе БЭСМ-6, МИР, ЕС ЭВМ, СМ ЭВМ, "Электроника" у нас в стране).

Характерной чертой развития технических средств этих поколений было стремление максимально приблизить АРМ к проектировщику РЭС с помощью САПР. Возникшее при этом противоречие между требованием относительно низкой стоимости, габаритов и потребностью сохранения высоких технических параметров базовых ЭВМ из-за сложности решаемых задач САПР привело к созданию мощных децентрализованных систем ЭВМ, объединенных локальными вычислительными сетями (ЛВС).

К настоящему времени сложился устойчиво растущий рынок сбыта аппаратных и программных средств в области САПР, который выработал собственные требования к базовым ЭВМ, периферийным устройствам и ЛВС. В качестве эталонных базовых ЭВМ, находящихся непосредственно на столах проектировщиков РЭС, выступают в течение уже длительного времени рабочие станции (РС), связанные ЛВС между собой и другими ЭВМ.

РС имеют существенные отличия от персональных компьютеров (ПК), поскольку требования к РС формируются рынком в области САПР, а требования к ПК - в значительной степени рынком в области офисного оборудования, бытовой техники, средств связи и коммуникаций. РС развивались независимо от ПК, однако удешевление элементной базы РС и повышение требований к техническим характеристикам ПК привели к тому, что наиболее мощные модели ПК проникли на рынок средств САПР, конкурируя с недорогими РС.

Особенности архитектуры и технических характеристик РС с точки зрения их применения в качестве базовых вычислительных систем в области САПР РЭС наиболее ясно проявляются при сравнении с ПК.

1. Вычислительным ядром большинства РС является RISC-процессор, т.е. процессор с сокращенным набором команд и повышенным быстродействием - большинство его команд выполняется за один период тактового генератора частоты, синхронизирующего работу такого микропроцессора (МП). Большинство ПК имеет в качестве вычислительного ядра МП со сложным набором команд (CISC-процессор), у которого каждая команда выполняется в несколько тактов генератора частоты. При этом сравнительно более низкая производительность ПК компенсируется более простым программным обеспечением и совместимостью с более ранними моделями ПК.

2. Все современные PC имеют большой объем оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) и работают под управлением сложных многозадачных операционных систем с соответствующими аппаратными средствами поддержки. Большая часть ПК имеет несколько меньший объем ОЗУ и работает под управлением более простых однозадачных ОС типа MS-DOS, хотя и имеет средства аппаратной поддержки многозадачности ОС. Эта особенность PC обусловлена сложностью задач и иерархичностью пакетов САПР.

3. Наличие в PC мощных графических процессоров с поддержкой высокоскоростной и высококачественной графики с разрешением не менее 1000x1000 и цветовой палитрой до 1,5 млн цветовых оттенков. В большинстве ПК используется менее высококачественная графика стандарта VGA, SVGA. Эта особенность PC обусловлена тем, что большинство задач САПР требует высококачественного графического ввода/вывода информации.

4. В базовый комплект PC обязательно встраивается аппаратура высокоскоростной связи со стандартной ЛВС - сетевой адаптер. В базовом комплекте ПК обычно не предусмотрено наличие сетевого адаптера. Такая особенность PC обусловлена тем, что PC не может работать эффективно в автономном режиме, без взаимодействия с другими PC и типами ЭВМ через ЛВС. ПК спроектирован как автономное устройство, поэтому даже при объединении ПК в локальную сеть большинство операций с информацией ПК проводит автономно. Структурная схема типичной РС с подключенными к ней периферийными устройствами показана на рис. 5.4.

Рис. 5.4. Архитектура рабочей станции

Базовый набор компонентов PC составляют:

o системная плата, содержащая RISC-процессор с аппаратно реализованным сопроцессором арифметики с плавающей точкой (САПТ), оперативное и постоянное запоминающие устройства (ОЗУ и ПЗУ) и, как правило, графический адаптер с подключенным к нему монитором;

o платы сопряжения с периферийными устройствами, образующие подсистему ввода/вывода с клавиатурой, манипулятором типа "мышь", иногда с автоматическим сканером, графопостроителем или лазерной печатью;

o платы сопряжения с внешними запоминающими устройствами (ВЗУ), плата сетевого адаптера

5. Основой системной платы является базовый МП, осуществляющий арифметические и логические операции, а также управление PC. На одном кристалле современного RISC-МП расположен целочисленный процессор, часто сопроцессор арифметики с плавающей точкой, а иногда и графический процессор обработки изображений (от сотен тысяч до миллионов транзисторов на одном кристалле). В некоторых недорогих вариантах базовых ЭВМ САПР на основе ПК используются МП со сложным набором команд.

PC и ПК являются нижним уровнем технических средств САПР, непосредственно доступным проектировщикам РЭС с помощью САПР. Часть задач в САПР требует более высокой производительности, что достигается использованием ЭВМ других классов и их комплексированием вместе с PC и ПК на базе ЛВС.

Контрольные вопросы и упражнения

1. Какие требования предъявляются к техническому обеспечению САПР?

2. Что такое "мейнфрейм"?

3. Как представляется среда передачи данных?

4. Что представляет собой канал передачи данных?

5. Назовите методы разделения линии передачи данных.

6. Назовите варианты топологии локальных вычислительных сетей.

7. Что называется сервером?

8. Назовите разновидности серверов.

9. Как осуществляется передача информации в сетях с коммутацией каналов и коммутацией пакетов?

10. Что представляет собой эталонная модель взаимосвязи открытых систем (ЭМВОС)?

11. Расскажите об уровнях ЭМВОС.

12. Что называют локальной вычислительной сетью (ЛВС)?

13. Что представляет собой рабочая станция (РС)?

14. Чем отличается РС от персонального компьютера?

15. Что входит в архитектуру РС?

6. Лекция: Технические средства САПР и их развитие (продолжение)

Приводятся высокопроизводительные технические средства САПР. Рассматриваются архитектуры ЭВМ в зависимости от последовательности обработки данных. Представляются классы ЭВМ в зависимости от множественности /одиночности потоков команд и данных (ОКОД, ОКМД, МКМД). Основное назначение лекции - дать более глубокие знания по техническому обеспечению САПР: архитектуры ЭВМ в зависимости от последовательности обработки данных и классы ЭВМ в зависимости от множественности/одиночности потоков команд и данных

проектных процедур , для которых имеется соответствующее программное обеспечение;

взаимодействие между проектировщиками и ЭВМ, поддержку интерактивного режима работы;

взаимодействие между членами коллектива, работающими над общим проектом.

Второе требование относится к пользовательскому интерфейсу и выполняется за счет включения в САПР удобных средств ввода/вывода данных и, прежде всего, устройств обмена графической информацией.

Третье требование обусловливает объединение аппаратных средств САПР в вычислительную сеть .

В результате общая структура ТО САПР представляет собой сеть узлов, связанных между собой средой передачи данных ( рис. 5.1). Узлами (станциями данных) являются рабочие места проектировщиков, часто называемые автоматизированными рабочими местами (АРМ) , или рабочими станциями (WS - Workstation) ; ими могут быть также большие ЭВМ (мейнфреймы ), отдельные периферийные и измерительные устройства.

Именно в АРМ должны существовать средства для интерфейса проектировщика с ЭВМ. Что касается вычислительной мощности, то она может быть распределена между различными узлами вычислительной сети.

В каждом узле можно выделить оконечное оборудование данных (ООД) , выполняющее определенную работу по проектированию, и аппаратуру окончания канала данных (АКД) , предназначенную для связи ООД со средой передачи данных . Например, в качестве ООД можно рассматривать персональный компьютер , а в качестве АКД - вставляемую в компьютер сетевую плату.

Канал передачи данных - средство двустороннего обмена данными, включающее в себя АКД и линию связи . Линией связи называют часть физической среды, используемую для распространения сигналов в определенном направлении; примерами линий связи могут служить коаксиальный кабель , витая пара проводов, волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС).

Близким является понятие канала ( канала связи ), под которым понимают средство односторонней передачи данных. Примером канала связи может быть полоса частот, выделенная одному передатчику при радиосвязи.

Рис. 5.1.

В некоторой линии можно образовать несколько каналов связи, по каждому из которых передается своя информация . При этом говорят, что линия разделяется между несколькими каналами.

5.2. Типы сетей

Существуют два метода разделения линии передачи данных: временное мультиплексирование (иначе - разделение по времени , или TDM - Time Division Method ), при котором каждому каналу выделяется некоторый квант времени, и частотное разделение (FDM - Frequency Division Method) , при котором каналу выделяется некоторая полоса частот.

В САПР небольших проектных организаций , насчитывающих не более единиц-десятков компьютеров, которые размещены на малых расстояниях один от другого (например, в одной или нескольких соседних комнатах), объединяющая компьютеры сеть является локальной. Локальная вычислительная сеть (ЛВС) , или LAN (Local Area Network) , имеет линию связи , к которой подключаются все узлы сети. При этом топология соединений узлов ( рис. 5.2) может быть шинная ( bus ), кольцевая (ring), звездная ( star ). Протяженность линии и число подключаемых узлов в ЛВС ограничены.

Рис. 5.2.

В более крупных по масштабам проектных организациях в сеть включены десятки-сотни и более компьютеров, относящихся к разным проектным и управленческим подразделениям и размещенных в помещениях одного или нескольких зданий. Такую сеть называют корпоративной . В ее структуре можно выделить ряд ЛВС , называемых подсетями , и средства связи ЛВС между собой. В эти средства входят коммутационные серверы (блоки взаимодействия подсетей). Если коммутационные серверы объединены отделенными от ЛВС подразделений каналами передачи данных, то они образуют новую подсеть , называемую опорной (или транспортной), а вся сеть оказывается частью иерархической структуры.

Если здания проектной организации удалены друг от друга на значительные расстояния (вплоть до их расположения в разных городах), то корпоративная сеть по своим масштабам становится территориальной сетью (WAN - Wide Area Network) . В территориальной сети различают магистральные каналы передачи данных (магистральную сеть ), имеющие значительную протяженность, и каналы передачи данных , связывающие ЛВС (или совокупность ЛВС отдельного здания или кампуса) с магистральной сетью и называемые абонентской линией или соединением "последней мили" .

Обычно создание выделенной магистральной сети, т. е. сети, обслуживающей единственную организацию, обходится для этой организации слишком дорого. Поэтому чаще прибегают к услугам провайдера , т. е. фирмы, предоставляющей телекоммуникационные услуги многим пользователям. В этом случае внутри корпоративной сети связь на значительных расстояниях осуществляется через магистральную сеть общего пользования . В качестве такой сети можно использовать, например, городскую или междугородную телефонную сеть или территориальные сети передачи данных . Наиболее распространенной формой доступа к этим сетям в настоящее время является обращение к глобальной вычислительной сети Internet .

Для многих корпоративных сетей возможность выхода в Internet является желательной не только для обеспечения взаимосвязи удаленных сотрудников собственной организации, но и для получения других информационных услуг. Развитие виртуальных предприятий, работающих на основе CALS-технологий , с необходимостью подразумевает информационные обмены через территориальные сети, как правило, через Internet . Нужно, однако, отметить, что использование сетей общего пользования существенно усложняет задачу обеспечения информационной безопасности.

Структура ТО САПР для крупной организации представлена на рис. 5.3 . Здесь показана типичная структура крупных корпоративных сетей САПР , называемая архитектурой клиент-сервер . В сетях "клиент- сервер " выделяется один или несколько узлов, называемых серверами , которые выполняют в сети управляющие или общие для многих пользователей проектные функции, а остальные узлы (рабочие места) являются терминальными - их называют клиентами, в них работают пользователи. В общем случае сервером называют совокупность программных средств, ориентированных на выполнение определенных функций . Но если эти средства сосредоточены на конкретном узле вычислительной сети, то тогда понятие " сервер " относится именно к узлу сети.

Сети "клиент- одноранговые сети нашли преимущественное распространение в небольших по масштабам САПР .

В соответствии со способами коммутации различают сети с коммутацией каналов и коммутацией пакетов . В первом случае при обмене данными между узлами А и В сети создается физическое соединение между А и В, которое во время сеанса связи используется только этими абонентами. Примером сети с коммутацией каналов может служить телефонная сеть . Здесь передача информации происходит быстро, но каналы связи используются неэффективно, так как при обмене данными возможны длительные паузы и канал "простаивает". При коммутации пакетов физического соединения, которое в каждый момент сеанса связи соединяло бы абонентов А и В , не создается. Сообщения разделяются на порции, называемые пакетами , которые передаются в разветвленной сети от А к В или обратно через промежуточные узлы с возможной буферизацией (временным запоминанием) в них. Таким образом, любая линия может разделяться многими сообщениями, попеременно пропуская при этом пакеты разных сообщений с максимальным заполнением упомянутых пауз.