2. Программное обеспечение

Программное обеспечение (ПО) САПР представляет собой совокупность всех программ и эксплуатационной документации к ним, необходимых для выполнения автоматизированного проектирования. Программное обеспечение делится на общесистемное, системные среды САПР и прикладное (специальное) ПО.

Общесистемное ПО предназначено для организации функционирования технических средств, т. е. для планирования и управления вычислительным процессом, распределения имеющихся ресурсов. Общесистемное ПО обычно создается для многих приложений и специфику САПР не отражает. К обще­системному ПО относят: операционные системы компьютеров, сетевое ПО и программное обеспечение типовых коммуникационных услуг.

Операционные системы. С развитием и совершенствованием ЭВМ все большее значение приобретает такой компонент общесистемного ПО, как операционные системы (ОС). Возможности, предоставляемые пользователям современными вычислительными системами, в большей степени определяются их операционными системами, чем техническими устройствами. ОС организует одновременное решение различных задач на компьютере, динамическое распределение каналов передачи данных и внешних устройств между задачами, планирование потоков задач и последовательность их решения с учетом установленных критериев, динамическое распределение памяти вычислительного комплекса. Однако ОС требует для своей работы определенных ресурсов: процессора, внешней и основной памяти. Чем большими возможностями обладает ОС, тем больше требуется для нее ресурсов. Операционные системы можно генерировать применительно к определенным конфигурациям технических средств вычислительного комплекса и кругу решаемых задач. При этом параметры и состав технических средств ограничивают возможности ОС.

Важным компонентом общесистемного ПО является базовое ПО. Базовое ПО не является объектом разработки при создании программного обеспечения САПР. Примером может служить базовое ПО для обработки геометрической и графической информации, для формирования и использования баз данных.

Сетевые операционные системы. Различают ОС со встроенными сетевыми функциями и оболочки над локальными ОС. В соответствии с другим признаком классификации сетевые ОС подразделяют на одноранговые и функционально несимметричные (ОС для систем клиент-сервер).

Основные функции сетевой ОС:

• управление каталогами и файлами;

• управление ресурсами;

• коммуникационные функции;

• защита от несанкционированного доступа;

• обеспечение отказоустойчивости;

• управление сетью.

Управление каталогами и файлами является одной из первоочередных функций сетевой ОС, обслуживаемых специальной сетевой файловой под­системой. Пользователь получает от этой подсистемы возможность обращаться к файлам, физически расположенным в сервере или в другой станции данных, применяя привычные для локальной работы языковые средства

Управление ресурсами включает в себя функции запроса и предоставления ресурсов. Управление удаленными ресурсами выполняется программами,

называемыми сетевыми службами.

Коммуникационные функции обеспечивают адресацию, буферизацию, маршрутизацию сообщений.

Защита от несанкционированного доступа возможна на любом из следующих уровней: ограничение доступа в определенное время, и (или) для определенных станций, и (или) заданное число раз; ограничение совокупности доступных конкретному пользователю директорий; ограничение для конкретного пользователя списка возможных действий (например, только чтение файлов); пометка файлов символами типа «только чтение», «скрытность при просмотре списка файлов».

Отказоустойчивость определяется наличием у серверов автономных источников питания, отображением или дублированием информации в дисковых накопителях. Отображение заключается в хранении двух копий данных на двух дисках, подключенных к одному контроллеру, а дублирование означает подключение каждого из этих двух дисков к разным контроллерам. Сетевая ОС, реализующая дублирование дисков, обеспечивает более высокий уровень отказоустойчивости. Дальнейшее повышение отказоустойчивости связано с дублированием серверов.

Чем сложнее сеть, тем острее встают вопросы управления сетью. Основные функции управления сетью реализуются в ПО, поддерживающем протоколы. Это ПО представлено менеджерами и агентами. Менеджер — прикладная программа, выдающая сетевые команды. Агенты доводят эти команды до исполнительных устройств и сигнализируют о состоянии устройств, следят за трафиком и фиксируют аномалии, помогают восстановлению информации после сбоев, борются с вирусамии.

В сетевых ОС обычно выделяют ядро, реализующее большинство из перечисленных функций и {гад дополнительных программ (служб), ориентированных на реализацию протоколов верхних уровней, организацию распределенных вычислений и т. п. К сетевому ПО относятся также драйверы сетевых плат.

В настоящее время выбор среди ОС происходит преимущественно между тремя основными операционными системами: UNIX (LINUX), Windows NT/X%Novell Netware.

Областью применения ОС UNIX остаются крупные корпоративные сети. Отличительные свойства UNIX - высокая надежность, возможность легкого масштабирования сети.

Windows NTГХР/7предназначена для работы в сетях клиент-сервер, ориен­тирована преимущественно на рабочие группы и средние по своим масштабам сети. Эта ОС асимметрична и включает серверную (Windows NT/XP Server) и

клиентскую (Windows NT/XP Workstation) части.

Novell Netware пока сохраняет свои позиции в небольших сетях. Состоит из серверной части и оболочек Shell, размещаемых в клиентских узлах.

Прикладные протоколы информационных услуг. Основные услуги телекоммуникационных технологий: электронная почта, передача файлов, теле и видеоконференции, справочные службы (доски объявлений), доступ к информационным ресурсам (информационным базам) сетевых серверов и др. Эти услуги обеспечиваются соответствующими прикладными протоколами.

Среди прикладных протоколов наиболее известны протоколы, связанные с Internet. К важным прикладным протоколам Internet относятся следующие:

Telnet — протокол реализации дистанционного управления, он используется для подключения клиента к серверу при их размещении на разных компьютерах, пользователь через свой терминал имеет доступ к компьютеру-серверу;

FTP - протокол файлового обмена (реализуется режим удаленного_узла), клиент может запрашивать и получать файлы с сервера, адрес которого указан в запросе;

SMTP, IMAP, POP3 — протоколы электронной почты;

HTTP (Hypertext Transmission Protocol) - протокол для связи Web-серверов и Web-клиентов.

Указанные протоколы поддерживаются с помшцью соответствующего ПО. Как правило, прикладной протокол реализуется серверной и клиентской программами. Клиентская программа запрашивает информационную услугу, серверная программа выполняет запрос^

С помощью протокола эмуляции терминала Telnet пользователь сети Internet может работать на удаленном компьютере. После установления связи все данные, торые пользователь набирает на клавиатуре своего компьютера, передаются на сервер, а содержимое экрана последнего отображается на экране пользователя,. Telnet должен обеспечивать возможность работы в условиях разных аппаратных платформ клиента и сервера. Это требование выполняется с помощью промежуточного виртуального терминала.

Файловый обмен - доступ к файлам, распределенным по различным компьютерам. Доступ возможен в режимах off-line и on-line. В режиме off-line посылается запрос к FTP-серверу, сервер формирует и посылает ответ на запрос. В режиме on-line осуществляется интерактивный просмотр каталогов FTP-сервера, выбор и передача нужных файлов. На компьютере пользователя устанавливается ГТР-ющент. При запросе файла по протоколу FTP пользователь должен знать, где находится нужный ему файл. В большинстве серверов Internet для входа по FTP- КОМанде нужны предварительная регистрация пользователя и указание пароля. Однако это не требуется при обращениях к общедоступным серверам.

Электронная почта - средство обмена сообщениями по электронным коммуникациям (в режиме off-line). Посылка сообщения осуществляется по инициативе отправителя. Можно пересылать текстовые сообщения и архи­вированные файлы. В последних могут содержаться данные (например, тексты программ, графические данные) в различных форматах. Письма в E-mail состоят из заголовка и тела (текста). В заголовке указывается кому предназначено письмо, от кого оно поступило, кому посланы копии, дата отправки, указатель ключа, по которому пользователь может определить ключ для декодирования текста.

На компьютере пользователя должна быть установлена програмт^ поддерживающая функции создания, передачи и приема сообщений. На почтовом сервере, выделяемом в корпоративной или локальной сети, организуется промежуточное хранение поступающих сообщений. Связь индивидуальных пользователей с почтовым сервером осуществляется по протоколам ТМАР или POP3. В протоколе IMAP (Internet Message Access Protocol) сначала клиенту передается заголовок, а текст остается на сервере, затем пользователь при желании может получить и весь текст. В протоколе POP3 при обращении к почтовому серверу на клиентский узел переписывается все сообщение.

В территориальных сетях почтовые сообщения проходят через ряд промежуточных федеральных или региональных узлов; В таких узлах уста­навливают ПО (так называемый агент передачи сообщений), выполняющее функции сортировки и маршрутизации сообщений.

Разработан ряд альтернативных. протоколов электронной почты для прикладного уровня. Расширение числа возможных кодировок и форматов данных по сравнению с SMTP сделано в MIME (Multipurpose Internet Mail Extensions). Применение MIME упрощает пересылку графических и звуковых файлов, реализацию шифрования и электронной подписи.

Примерами программ электронной почты могут служить Lotus сс: mail, Microsoft Mail, Outlook Express и др. Они позволяют посылать сообщения индивидуальному пользователю, на доску объявлений, последовательный просмотр несколькими исполнителями с возможностями коррекции сообщения; осуществляют поиск сообщений, пришедших в почтовый сервер, по контексту, адресу, времени отправки.

В настоящее время при разработке многих программных систем предусматривают интерфейс со средствами электронной почты, клиентские программы E-mail стараются включать в Web-браузеры сети Internet, а также во многие прикладные программные системы САПР, документооборота.

Телеконференции - доступ к информации, выделенной для группового использования. Телеконференции могут быть глобальными или локальными. Включение материалов в телеконференцию, рассылка извещений о новых посту­пивших материалах, выполнение заказов — основные функции программного обеспечения телеконференций. Возможны режимы E-mail и on-line.

Программное обеспечение телеконференций включает в себя серверную и клиентскую части.

В клиентской программе должны быть, как минимум, средства E-mail, многооконный текстовый редактор, средства файлового обмена. Наиболее известными клиентскими программами являются ProShare (Intel) и NetMeeting (Microsoft). Серверная часть служит для распределения потока данных между пользователями с согласованием форматов окон с видеоинформацией, способов сжатия данных, скоростей потоков, идущих от разных сетей (пользователей).

Видеоконференция - способ связи, при котором осуществляется передача ви- видеоизображений по телекоммуникационным каналам связи с возможностями интерактивного общения (в режиме on-line). Очевидно, что требование к пропускной способности каналов передачи данных в видеоконференциях существенно выше, чем в обычных телеконференциях. Видеоконференции стали доступными после развития высокоскоростных каналов связи и эффективных алгоритмов сжатия данных при их передаче.

В настоящее время интенсивно развиваются технологии настольной конференц- связи в реальном масштабе времени. В зависимости от вида разделяемой пользователями информации различают уровни этой связи: простая E-mail сессия, ' чместная работа над проектом без голосовой связи, то же с голосовой связью (разновидность аудиоконференций), видеоконференция.

Очевидно, что применение настольной конференц-связи в проектных организациях повышает эффективность работы, поскольку упрощает процесс принятия и согласования проектных решений, сокращает непроизводительные затраты времени на организацию совещаний, консультаций.

Информационная система WWW (World Wide Web — всемирная паутина) - гипертекстовая информационная система сети Internet. Другое ее краткое название

• Web. Информация, доступная в Internet по Web-технологии, хранится в Web- серверах (сайтах). Сервер имеет программу, постоянно отслеживающую приход на определенный порт запросов от клиентов. Сервер удовлетворяет запросы, посылая клиенту содержимое запрошенных Web-страниц или результаты выполненных процедур.

~ Клиентские программы WWW называют браузерами (brousers). Имеются текстовые (например, Lynx) и графические (наиболее известны Netscape Navigator и MS Explorer) браузеры. Фирма Sun Microsystems разработала браузер HotJava. В браузерах имеются команды листания, перехода к предыдущему или последующему документу, печати, перехода по гипертекстовой ссылке и т. п. Из браузеров доступны различные сервисы, например, FTP, E-mail. Для подготовки материалов к их выключению в базу WWW разработаны специальный язык HTML (Hypertext Markup Language) и реализующие его программные редакторы, подготовка документов предусмотрена и в составе большинства браузеров.

Для связи Web-серверов и клиентов разработан протокол HTTP. Web-сервер получает запрос от браузера, находит соответствующий запросу файл и передает его для просмотра в браузер.

Системные среды автоматизированных систем. Системы автоматизированного проектирования относятся к числу наиболее сложных и наукоемких автоматизированных систем. Наряду с выполнением собственно проектных процедур необходимо автоматизировать также управление проектированием, поскольку:

• сам процесс проектирования становится все более сложным и зачастую приобретает распределенный характер;

• заметна тенденция к интеграции САПР с системами управления предприятием и документооборота.

Для управления столь сложными интегрированными системами проектирования в их составе имеется специальное ПО — системная среда САПР.

Первые системные среды САПР, называющиеся мониторными подсистемами или Framework (FW), появились на рубеже 80-90-х годов. В настоящее время основными функциями системных сред САПР являются управление данными, управление проектированием, интеграция ПО, реализация интерфейса с пользователем САПР, помощь в разработке и сопровождении ПО САПР.

^ В типичной структуре ПО системных сред современных САПР можно выделить следующие подсистемы.

Ядро отвечает за взаимодействие компонентов системной среды, доступ к ресурсам ОС и сети, возможность работы в гетерогенной среде, настройку на конкретную САПР (конфигурирование) с помощью специальных языков.

Подсистема управления проектом, называемая также подсистемой сквозного параллельного проектирования CAPE (Concurrent Art-to-Product Enveronment), в некоторых системах обозначается как DesPM; выполняет функции слежения за состоянием проекта, координации и синхронизации параллельно выполняемых процедур разными исполнителями. Примерами подсистем управления проектами в машиностроении могут служить Design Manager в САПР Euclid, UG/Manager в Unigraphics.

В зависимости от степени автоматизации управляющих функций можно оделить несколько уровней управления проектированием:

• компонентный; на этом уровне пользователь должен знать специфические особенности каждой конкретной программы, используемой в маршруте проектирования; при организации маршрута он должен позаботиться об информационных интерфейсах используемых программ;

• ресурсный; пользователь оперирует программами при компиляции маршрута проектирования, но системная среда позволяет скрыть специфику каждой программы, так как общение унифицировано;

• задачный; пользователь составляет маршрут проектирования не из отдельных программ, а из отдельных проектных процедур; покрытие маршрута программами выполняет системная среда;

• проблемный; пользователь формулирует задания в форме «что нужно сделать», а не «как это сделать», т.е. не определяет маршрут проектирования, а ставит проектную проблему.

Подсистема управления проектом должна включать в себя компоненты: комплексы базовых знаний по предметным областям, а также знаний о языках представления характеристик и ограничений; средства для генерации маршрута проектирования, определения наличия средств и ресурсов для его реализации; средства выполнения и оценки результатов. Она позволяет выбирать объекты проектирования, проводить декомпозицию моделей, для каждого компонента выбирать проектные процедуры из имеющего набора.

Расширение возможностей управления проектированием и адаптация системной среды к конкретным САПР связано с применением языков расширения. Язык расширения - это язык программирования, позволяющий адаптировать и настраивать системную среду САПР на выполнение новых проектов. Язык расширения должен обеспечивать доступ к различным компонентам системной среды, объединять возможности базового языка программирования и командного языка, включать средства процедурного программирования. Для большинства языков расширения базовыми являются ЛИСП или С.

Иногда в отдельную подсистему выделяют управление методологией проектирования. При этом под методологией понимают совокупность методов и средств образования маршрутов проектирования - последовательностей проектных операций и процедур, ведущих к цели проектирования. Подсистема управления методологией проектирования представлена в виде базы знаний. В этой базе содержатся такие сведения о предметной области, как информационная модель, иерархическая структура проектируемых объектов, описания типовых проектных процедур, типовые фрагменты маршрутов проектирования, ограничения на их применение и т. д. Часто такую БЗ дополняют обучающей подсистемой, используемой для подготовки специалистов к использованию САПР.

Подсистемы управления проектными данными называют PDM (Product Data Manager). PDM предназначены для информационного обеспечения проектирования и выполняют следующие функции:

• хранение проектных данных и доступ к ним, в том числе ведение распределенных архивов документов, их поиск, редактирование, маршрутизация и визуализация;

• управление конфигурацией изделия, т. е. ведение версий проекта, управление внесением изменений;

• создание спецификаций;

• защита информации;

• интеграция данных (поддержка типовых форматов, конвертирование данных).

Основной компонент PDM - банк данных (БнД). Он состоит из системы

управления базами данных (СУБД) и баз данных (БД). Межпрограммный интерфейс в значительной мере реализуется через информационный обмен с помощью банка данных. PDM отличает легкость доступа к иерархически организованным данным, обслуживание запросов, выдача ответов в текстовой и графической форме.

Подсистема интеграции ПО предназначена для организации взаимодействия программ в маршрутах проектирования. Она состоит из ядра и оболочек процедур, согласующих конкретные программы со средой проектирования.

Подсистема пользовательского интерфейса включает в себя текстовый и графический редакторы и поддерживается системами многооконного интерфейса типа Window System или Open Look.

Подсистема CASE предназначена для адаптации САПР к нуждам конкретных пользователей, разработки и сопровождения прикладного ПО. Ее можно рассматривать как специализированную САПР, в которой объектом проектирования являются новые системы и версии, адаптированные к требованиям конкретного заказчика. CASE - подсистемы позволяют пользователям формировать варианты прикладных САПР из имеющегося базового набора модулей под конкретные условия проектирования. В таких случаях CASE-подсистемы называют инструментальными средами.

САПР Спрут (российская фирма Sprut Technologies) вообще создана как инструментальная среда для разработки пользователем программ ’ инструкторского и технологического проектирования в машиностроении с последующим возможным оформлением в виде пользовательских версий САПР.

Наиболее известной CASE-системой в настоящее время является система С AS.CADE фирмы MartaDatavision, с ее помощью фирма разработала очередную версию Euclid Quantum своей САПР Euclid.

Прикладное программное обеспечение. Основными компонентами САПР являются проектирующие подсистемы. Различают объектно-независимые (инвариантные) и объектно-ориентированные подсистемы САПР.

Инвариантные подсистемы выполняют функции управления и обработки информации, не зависящие от особенностей проектируемого объекта, часто рассчитаны на выполнение типовых проектных процедур и, следовательно, могут использоваться для широкого класса объектов. Например, подсистемы вправления диалоговыми процедурами, обработки и вывода графической *хлформации и т. д.

Объектно-ориентированные подсистемы ориентированы на конкретную предметную область и предназначены для выполнения проектных процедур специфических для некоторого класса объектов.

Проектирующие подсистемы САПР состоят из компонентов, объединенных общей для конкретной подсистемы целевой функцией и обеспечивающих функционирование подсистемы. Такими компонентами подсистемы могут быть проектно-конструкторские задачи.

Прикладное ПО часто имеет вид пакетов прикладных программ (ППШ. каждый из которых имеет ориентацию на определенную подсистему САПР. Так, известны пакеты программ геометрического моделирования; оформления конструкторской документации, синтеза маршрутной технологии; проектирования штампов; выбора установочных баз в подсистемах технологического проектирования; расчетов на прочность.

Пакеты прикладных программ, в свою очередь, могут иметь достаточно сложную структуру с выделением управляющей и обрабатывающей частей. К управляющей части 111111 сложной структуры относится модуль, фунмщонирующий под управлением системы САПР. Часто для управления пакетом достаточно возможностей ОС и управляющих функций САПР, тогда в ППП управляющая часть не выделяется и его называют библиотекой программ или пакетом простой (библиотечной) структуры. В пакетах простой структуры в качестве языка используется язык управления заданиями. Возможности организации рабочих программ из различных сочетаний библиотечных программ ограничены. Поэтому в САПР чаще используют пакеты сложной структуры, отличающиеся наличием проблемно-ориентированного входного языка и собственного блока управления.

Непосредственное выполнение проектных операций и процедур в маршрутах проектирования происходит по генерируемым рабочим программам. Для каждого нового проектируемого объекта и каждого нового маршрута создается своя оригинальная рабочая программу |Забочая программа будет случена с помощью средств ППП, заранее разработанных и составляющих дорабатывающую часть 111111. Обрабатывающая часть ППП представлена группой программ, среди которых выделяют функциональные модули и языковые процессоры. Иногда языковые процессоры выделяют в самостоятельную часть ППП, называемую языковой подсистемой. Функциональные модули реализуют типовые элементы математического обеспечения, которые предназначены для многократного использования в различных рабочих программах. Такими элементами математического обеспечения, порождающими функциональные модули, являются математические модели элементов, проектируемых объектов, описания типовых графических изображений, численные методы и алгоритмы решения систем алгебраических уравнений, алгоритмы выполнения эле­ментарных графических операций и т. д. Эти функциональные модели обычно объединяют в одну или несколько библиотек программ. Языковые процессоры служат для организации оригинальных частей рабочих программ. Различают два *._жпа организации рабочих программ: интерпретацию и трансляцию. Соответственно языковой процессор может быть либо интерпретатором, либо транслятором. Интерпретатор при своем исполнении выбирает очередную директиву задания, выражаемую пользователем на входном языке, и организует ее исполнение путем обращения к имеющимся функциональным модулям. Далее выбирается следующая директива и т. д. Транслятор сначала полностью генерирует рабочую программу и только после этого передает ее на исполнение т. е, транслятор создает оригинальные модули, отражающие специфи­ку конкретного задания и конкретного проектируемого объекта, а объединение оригинальных модулей с библиотечными и последующее исполнение полученной рабочей программы осуществляются с помощью средств операционной системы компьютера и средств управления ППП или САПР. Пакеты прикладных программ, предназначенные для образования рабочих программ из библиотечных и оригинальных модулей часто называют программными системами.