2. Лингвистическое обеспечение

Лингвистическое обеспечение - совокупность научно-технических терминов, и других языковых средств, применяемых для описания процедур автоматизированного проектирования и проектных решений, а также правил формализации естественного языка, включая методы сжатия и развертывания текстов, в целях повышения эффективности компьютерной обработки ^формации.

В соответствии с классификацией языков САПР, представленной на рис. 2.4, различают языки программирования и проектирования.

Языки программирования. Это языки, предназначенные для написания программного обеспечения. Являются cpe^zjcra^ .

Языки программированй^о^Й^^т следующими свойствами: сокращают время программирования, имеют сходство с обычным человеческим языком, совместимы с математическими обозначениями и легки для прочтения и понимания.

К языкам программирования предъявляют требования удобства использования, универсальности и эффективности объектных программ (т.е. программ, полученных после трансляции на машинный язык). Удобство использования выражается в затратах времени программиста на освоение языка и явным образом на написание программ на этом языке. Универсальность определяется возможностями языка для описания разнообразных алгоритмов, характерных для программного обеспечения САПР, а эффективность объектных программ — свойствами используемого транслятора, которые, в свою очередь, зависят от свойств языка. Эффективность оценивается затратами машинных времени и памяти на исполнение программ.

В настоящее время используется множество различима: языков программирования, предназначенных для решения различных задач, которые можно разбить на четыре уровня (рис. 2.5).

Первый уровень - использование кодов конкретной, данной машины для написания программы. Каждой машинной операции присвоен определенный код.

Второй уровень - использования автокода, символических языков, сходных с машинными командами, но выраженных в более привычной для человека форме.

В автокодах некоторые простейшие последовательности машинных команд объединены в микрокоманды, что укрупняет и упрощает процесс программирования. Языки первого и второго уровней с т. зрения программирования малоэффективны. Но с позиций универсальности и эффективности объектных программ наилучшими свойствами обладают как раз машинно-ориентированные языки. Близость к машинным языкам (языкам машинных команд) обуславливает простоту и эффективность трансляторов на машинный язык, называемых ассемблерами. Однако языки ассемблера неудобны для человека, их использование снижает производительность труда программистов. Поэтому их применяют для разработки лишь тех модулей программного обеспечения САПР, которые требуют для своего исполнения больших вычислительных ресурсов.

Третий уровень — проблемно-ориентированные языки. Они предназначены для решения определенного класса задач и не зависят от конкретного типа ЭВМ. Их можно разделить на 5 групп: языки математических вычислений; для обработки экономической информации; для решения информационно-логических задач; для автоматизации алгоритмирования производственных процессов (описание алгоритмов управления, моделирование производственных процессов); для автоматизации процесса составления трансляторов.

Исходные программы составленные на языках этого уровня необходимо переводить (транслировать) на машинный язык, т.к. аппаратными средствами управляют только машинные коды. Трансляторы хранятся во внешней памяти ЭВМ и при необходимости вызываются в ОЗУ. Возможны два режима работы трансляторов: компиляция и интерпретация. При компиляции полный перевод программы с АЯ в машинные коды осуществляется до начала ее При

интерпретации перевод программы на язык машины и ее выполнение осуществляется поэтапно. Как правило, трансляция приводит к меньшим затратам вычислительного времени на решение, задачи, но большим затратам памяти.

Языки четвертого уровня максимально приближены к естественному языку. В настоящее время ведутся исследования, цель которых установить специфические зависимости между структурой и частями предложений, используемыми в естественной речи, с одной стороны, и способами их обработки программными средствами - с другой.

При выборе языка кодирования нужно взвесить удобства написания программы и эффективности ее использования (табл. 2.2).

Таблица 2.2

Оценка эффективности применения алгоритмических языков

Характеристика программы	Уровни языков
	1-й	2-й	3-й	4-й
Эффективность программы, %	95	90	60-85	45-65
Затраты на программирование,%	100	90	40-60	20-40

Языки проектирования. Предназначены^ для описания информации об объектах и задачах проектирования. Большинство этих языков относится к средствам пользовател я САПР.

Среди языков проектирования выделяют языки входные, выходные, сопровождения, управления, промежуточные и внутренние(£я-put-, 2М).

Входные языки служат для задания исходной информации об объектах и задачах проектирования и включают в себя языки описания объектов и языки описания заданий. Первые служат для описания свойств, проектируемых объектов, а вторые - для описания заданий на выполнение проектных операций и процедур. Первые, в свою очередь, делятся на языки схемные графические и моделирования. Эти языки используются для описания исходной информации, представленной в виде схемы, конструкторского чертежа, алгоритма функцио­нирования. Схемные языки применяют при описании принципиальных и функциональных схем; графические языки — основа лингвистического обеспечения в подсистемах геометрического моделирования и компьютерной графики; языки моделирования развиты в соответствующих подсистемах.

Выходные языки используются для выражения результатов выполнения проектных процедур.

Языки управления служат для представления управляющей информации для программно-управляемого исполнительного оборудования, например устройств документирования и технологического оборудования с ЧПУ.

Промежуточные и внутренние языки предназначены для представления информации на определенных стадиях ее программной переработки. Достоинство этих языков в том, что в отличие от входных языков, ха­рактеризующихся большим разнообразием, узкой проблемной ориентацией и изменчивостью при адаптации САПР к изменяющимся условиям, они

и более универсальными. Недостаток, узко специализированных языков - в необходимости существенной перестройки связанной с ними программы при изменении условий проектирования. Недостаток универсальных языков связан с их громоздкостью и, следовательно, с неудобствами применения конечным пользователем. Устранение указанных выше недостатков выполняется в программных системах, структура которых приведена на рис. 2.6. При этом вводятся у н и вере ал ь н ый промежуточный язык, отражающий особенности широкого класса проектируемых объектов, и узкоспециализированные входные языки, ориентированные на разработку объе{стов'нё^{Юторь1х гтодкл accoB^poelclTip^MbiX объектов.

Пользователь составляет описание на входном языке, это описание с помощью специальной транслирующей программы называемой конвертором, переводится на промежуточный язык. Далее работает основной транслятор, переводящий описание задачи с промежуточного языка в объектную рабочую программу. Преимущества двухуровневого лингвистического обеспечения по схеме (рис. 2.6), заключаются в том, что программная система сравнительно легко настраивается на новые подклассы объектов. Для включения в систему нового

входного языка достаточно разработать только конвертор с этого языка на промежуточный язык. Наиболее сложная часть системы — основной языковой процессор - при этом остается без изменений.

Рис. 2.6. Схема двухуровневого лингвистического обеспечения

Языки процедурные и непроцедурные. Языки проектирования, предназначенные для описания развивающихся во времени процессов, обычно оказываются близкими к языкам описания алгоритмов и называются про­цедурными языками. Языки проектирования, предназначенные для описания структур проектируемых объектов, называются непроцедурными языками. Примерами процедурных языков служит большинство языков заданий и языков моделирования систем на метауровне, непроцедурных языков - схемные языки.

Как правило, для пользователя САПР непроцедурные языки более удобные. С помощью непроцедурных языков непосредственно описывается исходная схема или чертеж, пользователю нужно лишь соблюдать правила языка, не заботясь о разработке моделирующего алгоритма. Формальный характер перевода исходного .... рисунка схемы в текст на непроцедурном^языке облегчает разработку программного у обеспечения интерактивных графических систем, в которых исходная информация об объекте формируется пользователем, непосредственно в виде рисунка на экране дисплея. Кодирование изображения в соответствии с правилами непроцедурного языка осуществляется автоматически.

Диалоговые языки. Важное значение для САПР имеют диалоговые режимы работы пользователя с САПР. Лингвистическое обеспечение таких режимов представляется диа^юговыми языками. Фактически диалоговый язык объединяет в себе средства языков входного, выходного и сопровождения и служит Щя" оперативного обмена информацией между человеком и прираммой. Различают пассивный и активный диалоговые режимы.

В пассивном режиме инициатива диалога принадлежит компьютерной программе. Прерывание вычислительного процесса в нужных местах выполнения маршрута проектирования, обращение к пользователю осуществляются

с помощью диалоговых программных средств. Обращения к пользователю могут быть следующих типов: запрос, информационное сообщение, подсказка.

В активном диалоговом режиме инициатива начала диалога может быть двусторонней - возможности прерываний вычислительного процесса имеются как у программы, так и у пользователя. Активные диалоговые языки могут быть близкими к естественному языку человека, но с ограниченным набором возможных слов и фраз. Для активного диалога требуется существенно более_ сложное программное обеспечение, чем для пассивного.

2.5.5. Техническое обеспечение

Техническое обеспечение (ТО) САПР включает в себя различные техниче­ские средства (hardware), используемые для выполнения автоматизированного проектирования, а именно: вычислительные и периферийные устройства, сетевое оборудование, а также вспомогательное оборудование, поддерживающие проектирование.

Используемые в САПР технические средства должны обеспечивать:

• выполнение всех необходимых проектных 1троцедур, для которых имеется соответствующее ПО;

• взаимодействие между проектировщиками и САПР, поддержку интер­активного режима работы;

• 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 вычислительную сеть.

В результате общая структура ТО САПР представляет собой сеть узлов, связанных между собой средой передачи данных (рис. 2?7)Г~

Рис. 2.7. Структура технического обеспечения САПР

т

Узлами (станциями данных) являются рабочие места проектировщиков, часто называемые автоматизированными рабочими местами (АРМ) или рабочими станциями (WS - Workstation). Вычислительные ресурсы могут быть распре­делены 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 (BOJIC). Близким является понятие канала (канала связи), под которым понимают средство односторонней передачи данных. 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. 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 - Local Area Network) имеет линию связи, к которой подключаются все узлы сети. При этом тбпология соединений узлов (рис. 2.8) может быть шинная (bus), кольцевая (ring), звездная (star). Протяженность линии и число подключаемых узлов в ЛВС ограничены.

В более крупных по масштабам проектных организациях в сеть включены десятки и сотни компьютеров, относящихся к разным проектным и управленческим подразделениям, размещенных в помещениях одного или нескольких зданий. Такую сеть называют корпоративной. В её структуре можно выделить ряд ЛВС, называемых подсетями, и средства связи ЛВС между собой. 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.

Структура ТО САПР для крупной организации представлена на рис. 2.9. 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, коммутационные серверы (серверы доступа) для взаимосвязи сетей и подсетей, специализированные серверы для выполнения определенных телекоммуникационных услуг, например, серверы электронной почты. ^

В случае специализации серверов по определенным положениям сеть I/ 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. 2.9.)

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.

Если здания проектной организации удалены друг от друга на значительные расстояния (вплоть до их расположения в разных городах), то корпоративная сеть|ю 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) с магистральной сетью и называемые абонентской линией.

Обычно создание выделенной магистральной сети, т.е. сети, обслуживающей единственную организацию, обходится для нее дорого. Поэтому чаще прибегают к услугам провайдера, т. е. организации, предоставляющей телекоммуникацион- ные услуги многим пользователям. В этом случае внутри корпоративной сети связьна 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 этйм^сётям^£гв 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.

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.

Распределенные вычисления^ При выполнении проектных процедур с -\/ использованием более чем одногокузла сети различают режимы удаленного узла и дистанционного управления (рис. 2.10).

В режиме удаленного узла основные процедуры приложения исполняются на терминальном узле. Связь с удаленным узлом используется для пересылки файлов. В большинстве случаев режим удаленного узла приводит к более заметной инерционности, чем режим дистанционного управления.

Дистанционное управление обеспечивает передачу клавишных команд в прямом направлении и экранных изображений (обычно лишь изменений в них) в сжатом виде в обратном направлении, поэтому задержки меньше.

Системы распределенных вычислений основаны на режиме дистанционного управления, при котором терминальный узел используется преимущественно для интерфейса с пользователем и передачи команд управления, а основные процедуры приложения исполнятся на удаленном узле (сервере).

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 супер-компьютеры 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 АРМы. Типичный состав устройств АРМ: компьютер 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 компьютера 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. Для связи наиболее быстродействующих устройств (процессора, оперативной и кэш-памяти, видеокарты) используется системная шина. Кроме системной шины на материнской плате компьютера имеются шина расширения для подключения сетевого контроллера и быстрых внешних устройств и шина медленных внешних устройств, таких как клавиатура, мышь, принтер

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 10⁴. С другой стороны, для удобства работы проектировщика в интерактивном режиме задержка при выполнении команд указанных выше операций не должна превышать нескольких секунд. 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. Графические процессоры выполняют такие операции, как, например, растеризация - представление изображения в растровой форме для визуализации, перемещения, вращения, масштабирования, удаления скрытых линий.

В наиболее мощных рабочих стациях в качестве основных обычно используют высокопроизводительные микропроцессоры с сокращенной системой команд (с RISC-архитектурой), работающие под управлением ОС Unix. В менее мощных все чаще используют технологию Wintel (т.е. микропроцессоры с Intel и операционные системы Windows).

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

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

Для автоматического ввода информации с имеющихся текстовых или графических документов используют сканеры планшетного или протяжного типа. Способ считывания - оптический. В сканирующей головке размещаются оптоволоконные самофокусирующиеся линзы и фотоэлементы. Разрешающая способность в разных моделях составляет от 100 до 800 точек на дюйм (этот параметр часто обозначают dpi). Считанная информация имеет растровую форму, программное обеспечение сканера представляет её в одном из стандартных форматов, например 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 (АЗ, А4), вторые - для вывода графической информации на широкоформатные носители. В этих устройствах преимущественно используется растровый (т. е. построчный) способ вывода со струйной технологией печати. В современных устройствах управление осуществляется встроенными микропроцессорами.

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