Материал: Тема Сущность процесса проектирования

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 областиСАПР, 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 недорогимиРС.

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.

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.

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 ПКимеет 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.

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.

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. ПКспроектирован 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. 10.




Рис. 10. Архитектура рабочей станции

Базовый набор компонентов PC составляют:

• 
  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;
  
• 
  платы сопряжения с периферийными устройствами, образующие подсистему ввода/вывода с клавиатурой, манипулятором типа "мышь", иногда с автоматическим сканером, графопостроителем или лазерной печатью;
  
• 
  платы сопряжения с внешними запоминающими устройствами (ВЗУ), плата сетевого адаптера.
  

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?
    

6.1. Высокопроизводительные технические средства САПР и их комплексирование

Рабочие станции (PC) и персональные компьютеры (ПК) имеют традиционную архитектуру, ориентированную на последовательные вычисления, т.е. одним потоком команд они обрабатывают один поток данных. Такая организация вычислений была предложена фон-Нейманом и названа его именем. Усложнение решаемых задач и вычислительных алгоритмов САПР привело к внедрению в эту область более высокопроизводительных ЭВМ, организация вычислений в которых основана на множественности потоков команд, обрабатывающих множество потоков данных. Архитектура этих ЭВМ называется параллельной — "не фон-неймановской". Помножественности/одиночности потоков команд и данных ЭВМ можно разделить на четыре класса, но на практике используются ЭВМ трех классов. На рис. 11 показаны упрощенные структурные схемы трех классов ЭВМ, включающие в себя следующие блоки: ОЗУ команд (ОЗУк), ОЗУ данных (ОЗУд), устройство управления (УУ), центральный процессор (ЦП), а также потоки команд (К) и потоки данных (Д) [7, 16].

ЭВМ класса ОКОД — это традиционные "фон-неймановские" машины с одиночным потоком команд и одиночным потоком данных. К ним относятся PC и ПК. ОКМД ЭВМ — это параллельные компьютеры с одиночным потоком команд и множественными потоками данных. МКМД ЭВМ — это многопроцессорные ЭВМ с множественными потоками команд и множественными потоками данных.

На рис. 11 а, б, в показаны также соответствующие трем классам ЭВМ алгоритмы организации вычислений. Стрелками в них обозначены потоки команд и данных, кружками — выполняемые операторы. В случае ОКОД ЭВМ используется обычный последовательный алгоритм вычислений.

Для организации вычислений в ЭВМ класса ОКМД применяется последовательно-групповой алгоритм. В этом случае группе выполняемых операторов соответствуют операции над векторными и матричными данными. ОКМД ЭВМ реализуются в виде векторных и матричных ЭВМ. Поскольку производительность таких машин велика, их называют суперЭВМ.

Матричная супер-ЭВМ представляет собой матрицу одинаковых процессорных элементов с собственными локальными ОЗУ, причем каждый из процессоров матрицы выполняет в каждый момент времени одну и ту же команду над разными элементами векторных (матричных) данных. Недостаток матричных ЭВМ — ограниченное количество процессорных элементов в матрице ограничивает

производительность ЭВМ: чем длиннее векторы обрабатываемых данных, тем ниже выигрыш в производительности такой матричной супер-ЭВМ перед обычной ОКОД ЭВМ, называемой скалярной машиной.

От этого недостатка свободны векторные супер-ЭВМ класса ОКМД. В отличие от матричной, векторная супер-ЭВМ имеет одинпроцессор, но его аппаратура разбита на отдельные секции. При этом каждая секция обрабатывает элемент векторных данных за один и тот же такт времени своей логической подфункцией, на которые разбивается общая логическая функция, описывающая работу векторного процессора. Элементы векторов передаются от секции к секции с каждым новым тактом времени, формируя таким образом непрерывный конвейер обработки векторов. Секции конвейера называют его ступенями. Такие векторныеконвейерные супер-ЭВМ оказываются тем более производительнее по сравнению со скалярными, чем длиннее обрабатываемые векторы. Существенный недостаток векторных супер-ЭВМ — резкое снижение производительности при нарушении непрерывногопотока данных, поступающих на вход конвейера.

Поскольку алгоритм организации вычислений для ОКМД ЭВМ имеет специальный вид — последовательно-групповой. ЭВМ этого класса называют специализированными, так как они достигают своей пиковой производительности лишь на определенного класса задачах. В области САПР такие супер-ЭВМ успешно применяются для формирования реалистичных трехмерных графических изображений и решения ряда задач конструкторского проектирования сложных изделий, где требуется обработка векторов и матриц.




Рис. 11. Классификация параллельных ЭВМ: а) ЭВМ класса ОКМД; алгоритм последовательно-групповой, в) ЭВМ класса МКМД; алгоритм параллельный, слабосвязанный

Супер-ЭВМ класса МКМД называют суперскалярными высокопараллельными многопроцессорными системами. Поскольку эти ЭВМ реализуют алгоритм вычислений со слабосвязанными множественными потоками команд и данных общего вида, они являются универсальными и обеспечивают выигрыш в производительности по сравнению со скалярными на большинстве задач, решаемых в области САПР. Супер-ЭВМ этого класса имеют множество процессоров, причем каждый из процессоров обрабатывает свои данные под управлением своего потока команд

. Наиболее сложной проблемой для таких супер-ЭВМ является синхронизация обмена данными между задачами, запущенными на нескольких процессорах, и синхронизация ожидания одних запущенных задач (процессов) другими.

Аппаратная связь между процессорами МКМД ЭВМ осуществляется тремя способами:

• 
  использование общей шины, соединяющей несколько процессоров;
  
• 
  использование общего многопортового ОЗУ, доступного для всех МП;
  
• 
  использование микросхем коммутации перекрестных связей, осуществляющих переключения информационных связей МП между собой по принципу "каждый с каждым".
  

При наличии общей шины, соединяющей несколько МП, возникают конфликты между МП за право монопольного обмена по шине, что снижает эффективность такой ЭВМ. Этот недостаток привел к тому, что в настоящее время такой вид связи между МП почти не применяется.

Использование общего многопортового ОЗУ предъявляет очень жесткие требования к устройству управления ОЗУ и к надежности самой памяти. Несмотря на этот недостаток, МКМД супер-ЭВМ с общей многопортовой памятью довольно широко используются в САПР.

Наиболее перспективны многопроцессорные комплексы, в которых отдельные МП соединяются друг с другом с помощью коммутаторов перекрестных связей на основе быстро развивающихся КМОП-переключателей.

Поскольку в параллельных ЭВМ трудно теоретически оценить производительность для решения различного класса задач, ихпроизводительность оценивается экспериментально с использованием текстовых пакетов и выражается в миллионах операций с плавающей точкой в секунду — Мфлопс.

Параллельные супер-ЭВМ — это уникальные дорогие компьютеры, поэтому они являются ЭВМ коллективного пользования, работающими под управлением ОС с разделением времени. Они оснащены высокоскоростными адаптерами связи с региональными и глобальными вычислительными сетями и связаны с PC разработчиков РЭС с помощью САПР через сетевые каналы связи.

Промежуточным уровнем технических средств САПР между супер-ЭВМ и PC, ПК выступает ЭВМ среднего класса: типа ЕСЭВМ у нас в стране и ES-9000 за рубежом, — либо супермини-ЭВМ типа "Электроника-82" у нас в стране и VAX, MicroVAX — за рубежом. Эти ЭВМ обладают производительностью выше, чем PC и ПК (свыше 5...10 Мфлопс), требуют существенных эксплуатационных расходов, являются компьютерами коллективного пользования с ОС разделения времени и выполняют функции обслуживания внутренних