Программное обеспечение САПР ТП

Программное обеспечение САПР ТП – совокупность программ на носителях данных и программных документов, предназначен­ных для ее отладки, эксплуатации и проверки работоспособности . Программное обеспечение включает все программы и эксплуата­ционную документацию к ним, необходимые для автоматизиро­ванного проектирования ТП.

Программойназывают данные, предназначенные для управле­ния конкретными компонентами САПР ТП, реализующие опре­деленный алгоритм.

Физически в состав программного обеспечения входят доку­менты с текстами программ; программы, записанные на машин­ных носителях информации; эксплуатационные документы. Про­граммы и документы предназначены для всех средств вычисли­тельной техники, эксплуатирующейся в составе САПР ТП. Состав­ляющие программного обеспечения САПР, а также требования к его разработке и документированию регламентированы ГОСТ 23501.101 – 87 «Системы автоматизированного проектирования. Основные положения».

Различают системное и прикладное (специализированное) про­граммное обеспечение. Системной называют программу, предназна­ченную для поддержания работоспособности системы обработки информации или повышения эффективности ее использования. Системное программное обеспечение содержит набор программных средств, способствующих повышению эффективности использо­вания вычислительных комплексов САПР ТП и производительно­сти труда персонала, обслуживающего эти комплексы.

К основным функциям системного программного обеспечения относят:

· управление процессом вычислений;

· ввод, вывод и частично обработка информации;

· диалоговая взаимосвязь с пользователем в процессе проекти­рования;

· решение общематематических задач;

· хранение, поиск, сортировка и модификация данных, необ­ходимых при проектировании, защита их целостности и защита от несанкционированного доступа;

· контроль и диагностика вычислительного комплекса.

Три первых и последнюю из указанных функций реализуют в современных вычислительных комплексах операционные си­стемы.

Операционная система –совокупность программ, управляю­щих ходом выполнения рабочих программ и использованием всех ресурсов вычислительного комплекса.

Для решения общематематических задач (например, решения алгебраических или дифференциальных уравнений, преобразова­ния матриц, задач оптимизации и т.д.) в состав системного про­граммного обеспечения включают соответствующие библиотеки стандартных программ. Для хранения и использования различных данных применяют СУБД.

Прикладное (специализированное) программное обеспечение включает прикладные программы и пакеты прикладных программ, основной функцией которых является формирование проектных решений. Прикладной называют программу, предназначенную для решения задачи или класса задач, в определенной области приме­нения системы обработки информации.

Систему прикладных программ, предназначенную для реше­ния задач определенного класса называют пакетом прикладных программ.

В САПР ТП пакеты прикладных программ, как правило, при­меняют для выполнения конкретных проектных процедур, напри­мер, выбора оборудования, инструмента; определения режимов обработки и т.д. Прикладное программное обеспечение создают с учетом возможностей системного.

В целом состав и структура программного обеспечения опре­деляются составом и структурой САПР ТП и ее подсистем. Про­граммное обеспечение – столь же важное и необходимое средство автоматизации проектирования как и технические (аппаратные) средства (вычислительная техника, сетевое и периферийное обо­рудование). Однако, в отличие от технических средств, являющих­ся универсальным инструментарием, используемым в одинаковом или почти одинаковом составе в различных видах САПР, при­кладное программное обеспечение является оригинальным инст­рументом автоматизации и отражает всю специфику конкретной системы.

При создании программного обеспечения САПР ТП учитыва­ют факторы, влияющие на выбор структуры и эффективность систе­мы в целом: стоимость разработки и развития в процессе эксплуата­ции программного обеспечения САПР ТП; параметры технического комплекса САПР ТП и системного программного обеспечения; круг пользователей САПР ТП и др. Учитывают требования адапти­руемости компонентов программного обеспечения к различным конфигурациям компьютеров и их операционным системам; рас­ширение и обновление; обеспечение контроля и диагностики; обес­печение различных режимов работы системы.

Программное обеспечение –основной и по значимости, и по трудоемкости разработки объект при создании САПР ТП. Большое значение для организации эффективной работы и определения возможностей, предоставленных вычислительным комплексом пользователю, имеет операционная система.

Операционные системы обеспечивают высокий уровень производительности вычислительного комплекса, позволяя програм­мисту:

· делить задачу на части, кодировать каждую часть на языке, наиболее для нее подходящем, и затем объединить их в готовую к выполнению программу;

· делить большую программу на секции с тем, чтобы умень­шить потребность в основной памяти;

· автоматизировать процесс отладки программ;

· помещать готовые к выполнению программы в системную библиотеку и получать доступ к этим программам с помощью сим­волических запросов;

· выполнять программу непосредственно после ее трансляции либо запоминать результат трансляции;

· использовать стандартные процедуры ввода-вывода для рабо­ты с данными.

Основными компонентами операционных систем являются уп­равляющие и обрабатывающие программы, а также сервисные (обеспечивающие и тестово-диагностические) программы (рисунок 5.4).

Рисунок 5.4 – Структура программного обеспечения САПР ТП

Управляющие программы реализуют функции управления за­даниями, ходом выполнения программ и данными. Они следят за выполнением обрабатывающих и прикладных программ, состав­ленных пользователем. В состав управляющих программ входят про­граммы управления:

· задачами (супервизор), управляет всем ходом вычислительно­го процесса;

· заданиями, подготавливает систему для выполнения пакета заданий;

· данными, осуществляет передачу данных между основной па­мятью и внешними устройствами;

· восстановлением системы, используется при переходе систе­мы от одних режимов работы к другим.

Управляющие программы осуществляют первоначальную за­грузку оперативной памяти и управление всей работой системы.

К обрабатывающим программам относят трансляторы с алго­ритмических языков (Object Pascal, C++ и др.).

В операционной системе программа, написанная на алгорит­мическом языке, транслируется в объектный модуль, поэтому спе­цифика исходного языка программирования после трансляции теряется. Для того чтобы получить программу, готовую к выполне­нию, объектный модуль должен быть обработан редактором свя­зей. Результат работы редактора связей называется абсолютным, или загрузочным модулем. Загрузочный модуль может собираться из независимо протранслированных частей (объектных модулей) и подпрограмм, хранящихся в библиотеках.

Операционная система содержит следующие сервисные про­граммы: редактор связей – обеспечивает получение программы, готовой к исполнению компьютером; сортировка-объединение (библиотекарь) – обеспечивает корректировку и обслуживание библиотек системы; программы проверки внешних устройств, ко­пирования информации с носителя на носитель, перегруппиров­ки и упорядочения записи, составления отчетов на ПОЯ и др.

Операционная система имеет модульную структуру, позволяю­щую приспосабливать ее к конкретным конфигурациям техниче­ских средств в САПР ТП. Отдельные программные компоненты операционной системы, а также конкретные функции управляю­щей программы могут включаться в систему по желанию пользо­вателя. Процесс создания конкретной структуры операционной системы, учитывающей особенности технических средств и задач пользователя, называют генерацией системы. Средства генерации системы представляют собой совокупность программы и правил, позволяющих пользователю сгенерировать операционную систему для своих конкретных целей.

Наиболее распространенными семействами современных опе­рационных систем являются Windows, Windows NT, UNIX/Linux.

Семейство Windows представляет распространенные пользова­тельские операционные системы (Windows 95/98/ME). Они соче­тают в себе удобство, простоту и скорость работы. Вместе с тем надежность этих операционных систем не всегда удовлетворитель­на, что недопустимо при эксплуатации программных комплексов промышленного назначения, реализуемых на их основе. В связи с этим указанные операционные системы постепенно вытесняются системами других семейств.

Операционные системы Windows NT сочетают в себе удобство и простоту использования Windows и стабильность серверных опе­рационных систем. Представителями этого семейства являются Windows NT 4.0, Windows 2000, Windows XP, Windows NET Server.

Существуют и различные версии операционных систем. В част­ности, Windows XP выпущена в нескольких модификациях, на­пример, Windows XP Home Edition, Windows XP Professional и Windows XP 64-Bit Edition. Windows XP Home предназначена для пользователей Windows 2000 или Windows NT. Хотя Windows XP Home Edition и Windows XP Professional базируются на одном и том же ядре, ориентированная на применение в сфере бизнеса Windows XP Professional обладает более расширенной функцио­нальностью и надежностью.

UNIX–одна из наиболее старых, и тем не менее, очень про­изводительная и надежная система. Для персональных компьюте­ров используют ее варианты Linux, FreeBSD, OpenBSD, которые становятся все более популярными благодаря традиционной для UNIX скорости и отказоустойчивости, а также дешевизне и от­крытости исходных текстов программ, составляющих систему. Ва­рианты UNIXприменяются чаще всего для больших машин, сер­веров, и популярны среди системных администраторов и разра­ботчиков программного обеспечения.

Как и любая другая программа, операционная система, написан­ная для одной аппаратной платформы компьютера, не может быть непосредственно запущена на компьютере аппаратно несовмести­мой платформы. Программа, разработанная для операционной си­стемы одного семейства, довольно часто не может быть непосред­ственно запушена в операционной системе другого семейства. Опе­рационные системы программно совместимы в общем случае лишь частично.

Пакеты прикладных программ САПР ТП реализуются как над­стройка над операционной системой. Основу пакета составляет конечное множество программных модулей, каждый из которых является узкоспециализированной программой некоторого алго­ритма или даже его фрагмента. При этом легко проследить следую­щую аналогию процедур проектирования и программирования:

Проектирование объекта Программирование

Структурное описание объекта Структуры алгоритма

Логическое описание объекта Структурная схема программы

Детальное описание Программа

Техническое решение Программное решение

Проверка Отладка

Состав компонентов Алгоритмический язык

Компонент объекта Оператор языка

Методы решения инженерных задач Методы программирования

Технология проектирования Технология программирования

Из множества программных модулей выделяется подмножество управляющих модулей, составляющих универсальный или специализированный монитор САПР ТП. Программа-монитор САПР ТП организует вычислительный процесс в соответствии с принятым алгоритмом управления.

Применяют два способа организации вычислительного процес­са в САПР ТП:

· описание пользователем алгоритма решения прикладной за­дачи проектирования с помощью специальных языковых средств;

· наличие в САПР ТП средств автоматизированной или авто­матической генерации цепочки программных модулей, соответ­ствующей алгоритму решения выбранной прикладной задачи.

При проблемной ориентации САПР ТП проектировщику необ­ходимо определить лишь исходные данные, задать вид их обработ­ки и указать форму представления результатов. Для обеспечения этих функций в состав системы должны быть включены: входной язык и транслятор с него, прикладные программы проектирования заданного объекта, программы обработки и вывода результатов в форме, удобной и привычной проектировщику – пользователю САПР. Широта круга пользователей является следствием доступ­ности САПР, которая, главным образом, зависит от возможностей языка взаимодействия (его связи с «профессиональным» языком пользователя), легкости организации вычислительного процесса, наличия вспомогательных сервисных операций, автоматизирую­щих процедуры накопления и редактирования библиотек.

Одним из направлений современного развития САПР и, в частности, САПР ТП является создание специализированных про­граммно-технических комплексов, предназначенных для автома­тизированной деятельности определенного вида, например, АРМ. Программное обеспечение АРМ, в особенности, его прикладная часть определяется специализацией АРМ, то есть видом той деятель­ности, которой на данном рабочем месте будет заниматься поль­зователь.

Прикладное программное обеспечение АРМтехнолога, какправило, включает средства обработки и визуализации текстовой и графической информации, в том числе средства плоского и объем­ного моделирования предмета производства, а также средства фор­мирования и использования необходимых баз данных с соответ­ствующими СУБД.

С углублением автоматизации процесса технологического проектирования сложность и трудоемкость разработки программного обеспечения САПР ТП непрерывно растут. Для уменьшения тру­доемкости программирования и повышения качества и произво­дительности труда программистов разработаны технологии про­граммирования, как комплекса специальных средств и методов. Используют алгоритмические языки, упрощающие запись про­грамм и позволяющие автоматизировать процесс их отладки. При­меняют специальные среды и средства автоматизации программирования.

Среда программирования –интегрированная система подготовки программ, в которой все использующиеся для этого программные средства имеют единый пользовательский интерфейс, общую базу данных и не требуют специального вызова.

Средствами автоматизации программирования называют комп­лекс языков программирования и программных средств, обеспе­чивающих автоматизацию разработки и отладки программ. К этим средствам относят трансляторы, интерпретаторы, редакторы свя­зей, библиотеку программ, сервисные программы, средства рабо­ты с символьными библиотеками (отладчики, текстовые редакто­ры, архиваторы и т.д.).

Наиболее известны следующие технологии программирования: модульное, структурное, программирование «сверху вниз», про­граммирование на основе специальных диаграмм, объектно-ори­ентированное программирование.

Модульное программирование предусматривает разделение про­граммы на функциональные модули. Каждый модуль оформляется как самостоятельная программная единица, способная решать воз­ложенные на нее задачи, выполняя при этом соответствующие функции. Модульное представление программ облегчает их отладку и особенно удобно при необходимости модернизации программного обеспечения, так как оно позволяет изменять только часть програм­мы, нуждающуюся в модернизации, то есть отдельный программный модуль (или группу модулей). Программное обеспечение большин­ства современных САПР построено по модульному принципу. Модульное программирование существенно сокращает время раз­работки сложных программных комплексов, так как создание от­дельных модулей может быть поручено разным группам програм­мистов, работающих одновременно.

Структурное программирование основано на применении огра­ниченного ряда структур построения программ, например, линей­ной, циклической, структуры выбора и т.д. Основная идея структур­ного программирования заключается в том, что структура програм­мы должна отражать структуру решаемой задачи, чтобы алгоритм решения был ясно виден из исходного текста. Структурные про­граммы имеют четкую древовидную архитектуру, легко читаются и модифицируются. Облегчена проверка правильности формиро­вании программного обеспечения, сокращается время на подго­товку и отладку программы.

Основой программирования «сверху вниз» является многоуров­невое написание программ. На верхнем уровне в первую очередь формируют исходный алгоритм в виде соответствующей вычисли­тельной схемы, элементы которой описывают на естественном для данной проблемы языке. Далее выполняют написание для элемен­тов каждого уровня алгоритмической схемы «сверху вниз». Каж­дый последующий уровень отлаживают на тестах, полученных из предыдущего уровня. В отличие от обычного программирования по блок-схемам каждый уровень оформляют как законченную про­грамму и могут отлаживать до окончательной разработки алгорит­ма. Эта технология сокращает общую продолжительность решения задачи за счет выполнения работ по программированию парал­лельно с разработкой алгоритма. По ходу работ возможна и кор­ректировка последнего.

Программирование на основе специальных диаграмм – HIPO-технология (Hierarchical Input Process Output Diagrams) обеспечивает многоуровневое составление и документирование программного обеспечения. Применяют три типа диаграмм. Диаграммы первого типа – вспомогательные – предназначены для окончательного оформления документации на программное обеспечение. Диаграм­мы второго типа задают связи и правила сборки диаграмм третьего типа, содержащих собственно процедуры обработки информации. Во всех диаграммах выделяют три части (колонки): для записи вход­ной информации и описания процесса преобразования информа­ции. Главным достоинством этой технологии программирования является явное описание всей информации, связанной с процес­сом создания программного обеспечения.

Объектно-ориентированное программирование – современная методология программирования, основанная на представлении программы в виде совокупности объектов, каждый из которых является реализацией определенного класса, а классы образуют иерархию на принципах наследуемости.

Объект обладает состоянием, поведением и индивидуально­стью. Структура и поведение схожих объектов определяют общий для них класс. Термины «экземпляр класса» и «объект» взаимозаме­няемы. Состояние объекта характеризуется перечнем всех возмож­ных (обычно статических) свойств данного объекта и текущими зна­чениями (обычно динамическими) каждого из этих свойств. Поведе­ние характеризует то, как объект воздействует или подвергается воздействию других объектов с точки зрения изменения состояния этих объектов и передачи сообщений. Индивидуальностью называ­ют свойства объекта, которые отличают его от всех других объектов.

Класс обозначает множество объектов, имеющих общую струк­туру и общее поведение. Объектные и объектно-ориентированные языки программирования (Object Pascal, C++, Java и др.) реализу­ют в разных комбинациях следующие механизмы отношения клас­сов: наследование; использование; представление; метаклассы.

Наследование – отношение между классами, когда один класс повторяет структуру и поведение другого (простое наследование) или других (множественное наследование) классов. Класс, струк­тура и поведение которого наследуется, называют суперклассом.

Методология объектно-ориентированного программирования, использование объектно-ориентированных языков позволяют зна­чительно ускорить создание больших промышленных программных систем [14].

В последнее время широкое распространение получил визуаль­ный подход к программированию. Все необходимые элементы оформления и управления создаются и обслуживаются не путем ручного программирования, а с помощью готовых визуальных компонен­тов. Этот процесс автоматизирован в средах быстрого проектиро­вания (Rapid Application Development, RAD-среды). Весь вспомо­гательный исходный код среда генерирует сама, позволяя программисту сосредоточиться только на реализации алгоритма.

В рассмотренных и в других (менее распространенных) техно­логиях программирования большое внимание уделено документи­рованию этапов и результатов программирования. Это объясняется тем, что программные средства стали программным продуктом и могут использоваться без привлечения их разработчиков только при условии их тщательного документирования.

Программным называют документ, содержащий в зависимости от назначения данные, необходимые для разработки, производ­ства, эксплуатации и сопровождения программы или программ­ного средства. Основными видами программных документов явля­ются спецификация, ведомость держателей подлинников, текст программы, описание программы, методика и программа испыта­ний, техническое задание, пояснительная записка и эксплуатаци­онные документы.

Программным средством называют комплекс программ на но­сителе данных и соответствующей документации, а также данных, предназначенных для поставки пользователю.

Программное средство, предназначенное для поставки, переда­чи, продажи пользователю, называют программным продуктом. Ры­нок программных продуктов является одним из наиболее динамично развивающихся рынков. Программное обеспечение САПР ТП с соответствующей документацией также является программным продуктом, занимающим на этом рынке свою устойчивую «нишу».

Контрольные вопросы

1. Что называют лингвистическим обеспечением САПР ТП и для чего его используют?

2. Что такое язык проектирования? Чем входной язык проектирования отличается от выходного?

3. Что называют ПОЯ?

4. Что называют машинным языком?

5. Какие подходы к созданию ПОЯ вы знаете? Поясните их сущность.

6. Какие основные требования предъявляют к ПОЯ?

7. Что включает в себя ПОЯ? Как взаимодействуют его компоненты?

8. Для чего используют ПОЯ в системах автоматизированной подготов­ки управляющих программ для станков с ЧПУ?

9. Что такое язык описания детали в САПР ТП? Что включает полное формализованное описание детали?

10. Что называют процедурным, декларативным, объектно-ориентированным языками программирования?

11. Что называют программным обеспечением САПР ТП? Что оно включает в себя?

12. Из каких частей состоит программное обеспечение САПР ТП? Что включает и для чего используется каждая часть?

13. Что такое прикладная программа, пакет прикладных программ? Для чего их применяют в САПР ТП?

14. Что такое операционная система? Как возможности САПР ТП связаны с возможностями операционной системы?

15. Что называют программным документом, средством, продуктом?

ГЛАВА 6