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 (либо графический планшет) - это устройство, которое является кодирующим преобразователем, тот, что применяется для перевода в цифровой формат технических чертежей и схем, а также всевозможных карт. В состав дигитайзера, помимо самого планшета, входит особый указатель с датчиком, напоминающим увеличительное стекло (лупу) с черным перекрестьем в центре, 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. 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 мегабайт 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 APМ 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, cepвep 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.