книги / Основы построения САПР и АСТПП

дующих программ (на примере ОС ЕС ЭВМ): загрузки, управле­ ния заданием, супервизора задач, супервизора ввода — вывода, логической системы управления вводом — выводом.

Маршрут прохождения программы от загрузки до исполнения определяется типом мультипрограммирования. Существует три типа мультипрограммирования, которые определяют основные конфигурации с первичной управляющей программой (РСР), с мультипрограммированием фиксированного числа задач (MFT), с мультипрограммированием переменного числа задач (MVT). Маршруты прохождения программы составляются системой пла­ нирования. В зависимости от организации планирования разли­ чают две системы планирования: последовательную и приоритет­ ную. Последняя система реализована только для ОС MVT. Система последовательного планирования состоит из следующих программ: ввода заданий, планирования, главного планировщи­ ка. Система приоритетного планирования состоит из следующих программ: ввода заданий, планировщика, главного планировщи­ ка, распределителя, перераспределителя, системного вывода.

Часть управляющей программы, контролирующая выполнение задач на всех этапах от момента формирования задачи из зада­ ния до получения результатов, называется управлением задача­ ми. Управление задачами, выполняющимися индивидуально или одновременно, осуществляет супервизор задач. Чтобы привести ОС в действие, на дисковод ставится том с резидентом системы. Далее по команде оператора в основную память из резидентного тома вызывается программа загрузки. Эта программа руководит загрузкой ядра супервизора в область управляющей программы. После этого ОС готова к функционированию, которое осущест­ вляется под управлением супервизора задач. Супервизор вво­ да—вывода загружает в область проблемных программ основной памяти программу управления заданиями, которая вводит из пакета заданий управляющие операторы очередного задания. На основании информации, поставляемой этими операторами, программа управления заданиями формирует задачу. Завершив свои действия, программа управления заданиями обращается к супервизору ввода — вывода с требованием вызвать в основную память программу, указанную в принятом задании. Супервизор делает это и передает указание на ее выполнение; после этого управление возвращается супервизору, который вновь вызыва­ ет в область проблемных программ управляющие операторы следующего задания.

Выше была рассмотрена структура ОС общего назначения, предназначенной для использования в широком спектре при­ кладных задач. В определенных пределах данная операционная система допускает изменения индивидуальных характеристик, т. е. могут быть назначены те или другие хранящиеся в основной памяти транзиты, заново определены приоритеты, распределена

101

память. Однако проектирование математического обеспечения для обслуживания широкого класса прикладных задач и различ­ ных наборов заданий означает, что во многих случаях в условиях работы конкретного пользователя определенные функции такой ОС используются редко. Например, при управлении процессом промышленного производства ИЭТ ущерб от производственных простоев, связанный с неадекватностью функций, выполняемых

ЭВМ, может значительно превысить стои­ мость самой ЭВМ. В этом случае надеж­ ность, время ответа и доступность ока­ зываются более важными критериями по сравнению с обычными показателями эф­ фективности. Функция управления произ­ водственным процессом не требует выпол­ нения длинных заданий вычислительного характера или заданий, характерных для режима пакетной обработки. В этих слу­ чаях требуется функционально упрощен­ ный вариант ОС, содержащий лишь абсо­ лютно необходимые средства. Это полно­ стью относится к разработке програм­ мной среды для функционирования САПР. Еще раз напомним, что назначение ОС состоит в том, чтобы максимизировать

использование системных аппаратных средств, математического обеспечения и данных. Мультипрограммирование, динамическое распределение памяти и виртуальная память предназначены максимизировать использование ЦП за счет размещения в ос­ новной памяти большего числа программ и передачи управления ЦП от одной программы к другой.

Рассмотрим пример использования ПО в промышленном производстве ИЭТ. Возьмем печатные платы (ПП), как наиболее массовые изделия элек­ тронной техники. Отметим особенность управления производственным процес­ сом— потери из-за простоев технологической линии значительно превышают стоимость ЭВМ, поэтому важнейшими критериями эффективности ЭВМ ока­ зываются надежность, доступность и время ответа. Маршрут изготовления ПП показан на рис. 4.3.

Подробное описание технологии изготовления ПП опускаем, хотя отме­ тим важность задачи дифференциации элементов различных партий деталей. Проанализируем особенности применения ЭВМ на четырех этапах изготовле­

зуется минн-ЭВМ, которая в каждый момент времени контролирует значения температуры, скорости движения, готовность исходного материала и т. д. В этом случае время ответа является критическим фактором, и здесь доволь­ но сложно применить ОС общего назначения, так как длительность периода прерывания может превысить разрешимый отрезок времени выработки от­ клика на изменения параметров технологического процесса. Последнее может привести к браку, поэтому ОС должна быть упрощенной и специализирован­ ной. Кроме того, данная минн-ЭВМ не будет выполнять другие задания.

102

Н а в т о р о м э т а п е меняются условия задачи для ЭВМ. Здесь четко прослеживается дифференциация производственной продукции. Оператор дол­ жен подобрать необходимую по номенклатуре перфокарту или перфоленту или магнитную ленту для управления специальными станками. Основное со­ держание этих носителей составляют наборы цифр, определяющие X- и К-ко- ординаты точек, в которых должны быть просверлены отверстия. Например, в случае сверловки ПП механизм числового управления считывает первый набор значений координат, перемещает сверло в определяемую точку и начи­ нает сверление. На данном этапе быстрая обработка ответа на каждое сооб­ щение составляет важное условие использования ЭВМ в этой операции.

между которыми обеспечивается цепями печатной схемы. Данный этап харак­ теризуется косвенным применением ЭВМ, которая подготавливает, хранит и размножает спецификацию и маршрутную карту. Спецификация представ­ ляет собой перечень элементов, которые используются в монтаже; маршрут­ ная карта содержит упорядоченный перечень шагов (отдельных операций), которые необходимы для изготовления изделия. Указанный пакетдокументов сопровождает движение партии деталей на всех этапах технологического цик­ ла производства. В этом применении ЭВМ чаще всего используется в пакет­ ном режиме. Оно значительно отличается от непрерывного управления тех­ нологическими процессами (первый этап) и централизованного обеспечения данными (второй этап). Требования к ОС также разные.

Н а ч е т в е р т о м э т а п е изготовления ПП (тестирование) выполняе­ мая ЭВМ функция аналогична рассмотренной выше функции централизован­ ного обеспечения данными. Отличие в том, что на запрос, определяемый содер­ жанием карты партии деталей, данные посылаются не в механизм цифрового управления, а в память некоторого устройства, реализующего межсоедине­ ния. Здесь нецелесообразно применять универсальные ОС, требующие боль­ ших ЭВМ и не столь эффективных, как узкоспециализированные ОС. Причем экономически обосновано применение последних на мини- и мнкроЭВМ, так как ЭВМ и ее операционная система используются как средство минимиза­ ции стоимости производства.

Практические операционные системы. Рассмотрим операцион­ ные системы мини- и микроЭВМ. Отметим, что принципы их по­ строения те же, что и для ОС универсального применения.

Появление магнитных дисков (сменных и постоянных, гибких и жестких) в системах с мини-ЭВМ дало возможность создать дисковую операционную систему (ДОС) для мини-ЭВМ. Приме­ ром ДОС может быть операционная система RT-11, которая ши­

RT-11 и выполняемые ими функции.

Приведенные команды представляют собой внешнее проявле­ ние операционной системы.

Термин «файл» обозначает базовую единицу хранения инфор­ мации в системе и является ключевым, основным в ОС, так как одной из наиболее важных функций ОС является эффективное управление информационными структурами (данными и про­ граммами). Файл является набором связанных записей или эле­ ментов данных, с которым можно работать как с одним инфор-

103

мационным модулем. Для работы с файлами в ОС RT-11 исполь­ зуются специальные системные директивы, приведенные' в табл. 4.2.

Приведенная ОС RT-11 не оптимальная и ее необходимо при­ спосабливать для обслуживания частных задач САПР, т. е. гене­ рации ОС в каждом конкретном случае. Пользователь САПР может организовать свою работу в различных режимах: пакет­ ном, разделения времени, реального времени, обслуживания баз

104

данных, обслуживания сети ЭВМ. Рассмотрим подробнее указан­ ные режимы работы.

П а к е т н ы й р е ж и м . Обеспечение данного режима — наи­ более простая задача ОС для разработки и выполнения про­ грамм. Для ОС типа RT-11 допускается возможность последова­ тельного выполнения большого числа заданий без внешнего вме­ шательства. Для организации пакетного режима работы используются следующие команды: войти в пакетный режим, определить и разделить задания, задать данные, указать конец задания, выйти из пакетного режима. Эти команды образуют

рованных и требующих значительных вычислительных ре­ сурсов задач во вторую и третью смену, когда изменяются только исходные данные. К указанным задачам относятся размещение микросхем на печатных платах, проведение межсоединений на печатных платах, проведение многовариантного анализа принци­ пиальных схем, решение задачи о допусках и т. д.

Р е ж и м р а з д е л е н и я в р е м е н и . В этом случае ОС обес­ печивает работу нескольким пользователям одновременно, в ос­ нове режима лежит мультипрограммирование. При этом вычис­ лительные ресурсы распределены между различными пользова­ телями таким образом, что у каждого из них создается впечатле­ ние непрерывной работы. Каждая программа получает свою порцию времени, называемую квантом времени. После оконча­ ния кванта времени вычислительные ресурсы передаются другой программе, если она уже находится в оперативной памяти ЭВМ. Для обеспечения данного режима работы в ОС добавляется спе­ циальная управляющая программа-планировщик, отвечающая за выделение требуемых вычислительных ресурсов, в основном памяти и кванта времени. Ограничения на количество одновре­ менно работающих пользователей накладываются чаще всего размерами оперативной памяти.

Р е ж и м р е а л ь н о г о в р е м е н и . Данный режим предна­ значен для обработки информации в темпе реального процесса, например в масштабе реального переходного процесса моделиру­ емой радиоэлектронной схемы. В этом случае ОС оперирует в режиме мультипрограммирования. Последовательность выполне­ ния большего числа задач определяется их приоритетами, аппа­ ратными прерываниями, алгоритмами распределения времени и запросами от других задач. Разработчики режима реального времени отмечают, что оптимальные программы в этом случае

лей с текстовой информацией. В этом режиме организуется рабо­ та различных информационно-справочных служб, автоматиче­

105

ских библиотек документации, например система сбора в цехе первичной информации пооперационного контроля при создании ИЭТ. Данная информация позволяет после каждой операции оценить качество изделия, вовремя выявить нарушения техноло­ гического процесса и предсказать процент выхода годных изде­ лий. Кроме того, системы с базами данных служат основой для создания АСУ, АСУТП, АСТПП. Основные требования в этом случае предъявляются не к вычислительным возможностям ЭВМ, а к возможностям памяти, т. е. система (ЭВМ и ОС) при малом ЦП может обслуживать большое число пользователей. Операци­ онная система позволяет строить оптимальную структуру хране­ ния данных; одновременно восстанавливать и модернизировать информацию; динамически изменять структуру данных; опти­ мально отображать структуру данных на внешних устройствах памяти; строить систему обслуживания баз данных, инвариант­ ную к ТС; минимизировать число обменов с внешними устройст­ вами; гарантировать защиту и секретность информации и т. д.

Р е ж и м о б с л у ж и в а н и я с е т и ЭВМ. На вычислитель­ ных сетях, как правило, работают ЭВМ разного уровня. МиниЭВМ выполняет функции связного процессора: пересылает со­ общения по сети; формирует и транслирует сообщения; осуще­ ствляет дистанционное управление. В случае предварительного накопления информации мини-ЭВМ служит мультиплексором для обслуживания низкоскоростных локальных терминалов, контроллеров линий связи, средством для сборки сообщений. Использование мини-ЭВМ в сетях для взаимосвязи больших ЭВМ и разработчика с ЭВМ в значительной степени облегчает путем обычного программирования инициацию следующих дей­ ствий: выбор маршрута сообщений; преобразование кодов; об­ работку ошибок и прерываний; сжатие данных; назначение ме­ ток; автоматическое включение связи; предварительный анализ сообщений; редактирование сообщений.

Кроме указанной ОС RT-11, ориентированной на мини-ЭВМ, широко распространены и другие. В рамках RT-11 можно поль­ зоваться Ассемблером MACRO-11, алгоритмическими языками APL, БЕЙСИК, ФОКАЛ, КОБОЛ; из других ОС отметим RSTS|E, RSX, IAS, DSM-II и UNIX.

Операционная система RSTS|E разделения времени и ресур­ сов предназначена для обслуживания многих пользователей (до 64). Может работать в интерактивном и пакетном режимах. В рамках данной ОС эффективнее всего применение алгоритми­ ческого языка (АЯ) БЕЙСИК—ПЛЮС, хотя можно использо­ вать все ранее приведенные языки. Эта ОС не предназначена для работы в режиме реального времени.

Операционная система RSX предназначена для работы в ре­ жиме реального времени. Она является также многопользова­ тельской и обеспечивает возможность интерактивной работы

106

пользователей одновременно с выполнением программ в режиме реального времени. В рассматриваемой ОС можно программиро­ вать на вышеперечисленных АЯ, а также на языке ФОРТРАН-77. Эта ОС содержит эффективные средства динамического распре­ деления оперативной памяти, удачную файловую систему и обес­ печивает поддержку работы с различными базами данных.

Интерактивная ОС IAS обеспечивает многопользовательский режим работы. Она обладает по сравнению с RT-11, RSTS|E и RSX более совершенными средствами защиты программ и дан­ ных.

Специальная ОС DSM-II предназначена для обработки боль­ ших массивов текстовой информации. В состав ОС входят язы­ ковой процессор интерактивного типа и средства организации базы данных. Она позволяет подключать до 60 пользователей, работающих одновременно.

Операционная система UNIX является одной из самых совре­ менных ОС для 16- и 32-разрядных мини- и микроЭВМ, повы­ шенный интерес к ней обусловлен следующими причинами. Во-первых, ОС реализована на языке программирования СИ, что обеспечивает ей мобильность. Во-вторых, она имеет очень широ­ кое распространение, так как обеспечивает простой интерфейс с пользователем и представляет последнему большой выбор инст­ рументальных средств. Основными рабочими версиями ОС UNIX являются UNIX.7, System V и для ЭВМ типа VAX-11 — версия UNIX|BSD4.2. В нашей стране также разработаны версии этой ОС, так для ЭВМ типа СМ-4, СМ-1420, СМ-1644, «Электроника 100/25» применяется ОС ИНМОС, программно совместимая с ОС UNIX.6.

$ 4.Э. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ САПР

Данные или информация являются важнейшими ресурсами любой системы (АСУ, САПР, АСУТП, АСНИ, АСТПП), деятель­ ность которой связана с обоснованным принятием решений; ЭВМ предназначены для обработки и хранения информации, которая в перечисленных системах должна быть легкодоступной.

По структуре информационное обеспечение (ИО) САПР пред­ ставляет собой сложный комплекс средств, обеспечивающих свое­ временную, полную и достоверную информацию всем этапам проектирования (от учета технических требований до выдачи проектной документации), а также управление процессом про­ ектирования, связь по данным между подсистемами и внутри подсистем САПР.

Структура информационного обеспечения. Ядром ИО служит банк данных, содержащий одну или несколько баз данных и систему управления базами данных.

107

Основные задачи ИО САПР: преобразование входной инфор­ мации в требуемую выходную, формирование и преобразование массивов к виду, удобному для хранения, поиска и выдачи дан­ ных. Поэтому система ИО должна строиться так, чтобы обеспе­ чивалось поэтапное увеличение емкости информационной базы и коллективное обслуживание проектировщиков.

Функции, реализуемые ИО САПР: эксплуатация информа­ ционных файлов баз данных САПР; сбор и хранение данных, вводимых пользователем и прикладными программами; работа в автономном режиме в качестве информационной справочной системы; выдача информации пользователю и передача инфор­ мации между прикладными программами.

Обратимся к терминологии, которую будем использовать в дальнейшем. Под данными в конечном виде подразумевают циф­ ры и символы естественного языка или их кодированное пред­ ставление в виде строки двоичных единиц (битов). Наименьшей семантически значимой поименованной единицей данных являет­ ся элемент данных. Совокупность взаимосвязанных элементов данных, рассматриваемая в прикладной программе как целое, называется логической записью, а набор записей одного типа — файлом. Запись — это набор данных, описывающих один объект или класс информационных объектов. Наборы файлов, содержа­ щие данные и используемые функциональными подсистемами САПР для формирования исходной информации, пользователями для поиска нужной информации в автономном режиме, являются базовыми файлами. Наборы файлов, образованные временно ОС или являющиеся промежуточными результатами прикладных программ, — это рабочие файлы. Набор файлов, содержащих ссылки друг на друга, составляет базу данных, в которую вклю­ чается различная справочная информация, а также необходимые результаты моделирования и проектирования. Система управле­ ния файлами (сформированная из программ ОС, обслуживаю­ щих различные библиотеки программ, и программных средств, обеспечивающих интерактивный режим) называется системой управления базами данных (СУБД). Система управления БД представляет собой обобщенный инструмент для манипулирова­ ния базами данных с помощью программных средств с целью удовлетворения запросов, поддержания и анализа данных.

Первый вид данных, составляющих базовые или справочные файлы, — данные, описывающие каждый компонент проектируе­ мой системы. Эти файлы в зависимости от конкретного содержа­ ния могут иметь различные имена, например файл комплектую­ щих изделий, файл типов микросхем, файл параметров и т. д. Их основная особенность заключается в том, что они редко меняют­ ся и что к ним обращаются все пользователи системы.

Второй вид данных, составляющих рабочие или проектные данные, описывающие промежуточную информацию после рабо­

108

ты каждого модуля и относящиеся к определенному проекту. Эти данные характеризуются частыми изменениями в процессе про­ ектирования аппаратуры. Обычно они содержат информацию о функционально-структурном описании, о размещении микросхем на платах, таблицы соединений, тестовые наборы и т. д.

Для интегрированных САПР (см. § 3.2) характерно совмест­ ное использование данных различными программными модулями,

Рис 4.4. Интегрированная САПР с параллельной структурой обслу­ живания прикладных модулей

что приводит к появлению общей базы данных. Например, для программ функционально-логического моделирования и для обес­ печения совместимости между этими программами и программа­ ми анализа и топологического проектирования важное значение приобрела автоматическая взаимосвязь между ними. Пример интегрированной САПР с параллельной структурой обслужива­ ния прикладных модулей показан на рис. 4.4.

Доступность данных более чем одной программе стимулиро­ вала развитие стандартов на данные для всех программных мо­ дулей, т. е. было реализовано унифицированное внутреннее представление данных (УВПД). Обеспечение расширенного доступа к данным справочного и проектного вида стимулирова­ ло построение эффективных структур данных. Обращение к данным со стороны нескольких пользователей или в режиме реального времени, или в мультипрограммном режиме сделало

109