Методы автоматизации проектирования неоднородных вычислительных систем и информационных моделей объектов
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Системы автоматического проектирования
Издательство:
Сибирский федеральный университет
Автор:
Борде Бернгард Исаакович
Год издания: 2020
Кол-во страниц: 212
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
ВО - Магистратура
ISBN: 978-5-7638-4097-1
Артикул: 765932.01.99
Представлена открытая САПР, позволяющая из концептуального описания вариантов проекта в виде формализованного задания (ФЗ-FZ) получить проект или командный файл для автоматического выполнения. Время выполнения командного файла уменьшается на порядок по сравнению с ручным набором команд. Изложена технология, обобщающая проектирование на разных уровнях абстракции и развивающая комплексный подход STEM.
Предназначена для специалистов по комплексному проектированию объектов, управляемых вычислительными системами.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Магистратура
- 09.04.01: Информатика и вычислительная техника
- 09.04.02: Информационные системы и технологии
- 09.04.03: Прикладная информатика
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Б. И. Борде Методы автоматизации проектирования неоднородных вычислительных систем и информационных моделей объектов Представлена открытая САПР, позволяющая из концептуального описания вариантов проекта в виде формализованного задания (ФЗ-FZ) получить проект или командный файл для автоматического выполнения. Время выполнения командного файла уменьшается на порядок по сравнению с ручным набором команд. Изложена технология, обобщающая проектирование на разных уровнях абстракции и развивающая комплексный подход STEM. Предназначена для специалистов по комплексному проектированию объектов, управляемых вычислительными системами. ISBN 978-5-7638-4097-1
1 Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Сибирский федеральный университет Б. И. Борде МЕТОДЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ НЕОДНОРОДНЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ И ИНФОРМАЦИОННЫХ МОДЕЛЕЙ ОБЪЕКТОВ Монография Красноярск СФУ 2020
Оглавление 2 УДК 004.41'22 ББК 32.97-02 Б820 Р е ц е н з е н т ы: В. В. Шайдуров, доктор физико-математических наук, профессор, член-корреспондент РАН, руководитель научного направления ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН»; А. П. Корпенко, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой САПР МГТУ им. Н. Э. Баумана; Г. А. Доррер, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры информационно-управляющих систем СибГУ им. М. Ф. Решетнёва Борде, Б. И. Б820 Методы автоматизации проектирования неоднородных вычислительных систем и информационных моделей объектов : монография / Б. И. Борде. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2020. – 212 с. ISBN 978-5-7638-4097-1 Представлена открытая САПР, позволяющая из концептуального описания вариантов проекта в виде формализованного задания (ФЗ-FZ) получить проект или командный файл для автоматического выполнения. Время выполнения командного файла уменьшается на порядок по сравнению с ручным набором команд. Изложена технология, обобщающая проектирование на разных уровнях абстракции и развивающая комплексный подход STEM. Предназначена для специалистов по комплексному проектированию объектов, управляемых вычислительными системами. Электронный вариант издания см.: http://catalog.sfu-kras.ru УДК 004.41'22 ББК 32.97-02 ISBN 978-5-7638-4097-1 © Сибирский федеральный университет, 2020
3 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................... 5 1. РАЗВИТИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ И СРЕДСТВ ИХ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ .......................................... 10 1.1. Развитие неоднородных вычислительных систем ........................................ 10 1.2. Уровни абстракции вычислительных систем ................................................ 12 1.3. Развитие структур неоднородных вычислительных систем ........................ 16 1.4. Комплексы моделирования и проектирования неоднородных вычислительных систем ........................................................ 19 2. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МНОГОУРОВНЕВЫХ СИСТЕМ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ НЕОДНОРОДНЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ......................................................................... 22 2.1. Описание проектных решений вычислительных систем ............................ 22 2.2. Структурный синтез вычислительных устройств и систем ........................ 29 2.3. Аналого-цифровые устройства вычислительных систем ............................ 32 2.4. Неоднородные вычислительные cиcтeмы нa бaзe микpoЭBM ................... 36 2.5. Вычислительные системы из сетевых устройств и вычислительных машин ............................................................................... 45 2.6. Процессы синтеза и анализа неоднородных вычислительных систем ........................................................ 47 2.7. Принципы построения многоуровневых систем моделирования и проектирования вычислительных систем ....................... 49 2.8. Информационные основы преобразования описаний в многоуровневых САПР ................................................................................ 52 2.9. Формализованное задание и алгоритмы для автоматизированного анализа ................................................................. 58 3. МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МОДЕЛИ КОМПОНЕНТОВ ........................ 64 3.1. Уровни абстракции компонентов .................................................................. 64 3.2. Модели компонентов ...................................................................................... 65 3.3. Представление моделей в САПР COD .......................................................... 71 3.4. Модели компонентов обеспечения интерфейсов САПР COD с системой PCAD ................................................ 72 3.5. Автоматизация формирования моделей компонентов САПР PCAD .............................................................. 83 3.6. Автоматизация формирования моделей текстовых описаний информационной поддержки жизненного цикла вычислительных систем ................................................. 91
Оглавление 4 3.7. Модели компонентов обеспечения интерфейса САПР COD с САПР CATIA ................................................................................................ 96 3.8. Модели компонентов обеспечения интерфейса САПР COD со средой виртуальной реальности .............................................................. 100 3.9. Синтез модели и алгоритмов работы аналого-цифровой подсистемы с USB интерфейсом ................................ 101 4. РЕАЛИЗАЦИЯ МНОГОУРОВНЕВОЙ СИСТЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ НЕОДНОРОДНЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ................................... 109 4.1. Структура и функции программного комплекса ........................................ 109 4.2. Информационное обеспечение моделирования и проектирования вычислительных устройств и систем ........................... 120 4.3. Формализованное задание для автоматизированного анализа ................. 121 4.4. Параметры САПР и структуры данных ....................................................... 126 4.5. Интерфейсы исследовательской САПР COD с системой автоматизации проектирования PCAD .................................... 134 4.6. Маршруты проектирования модулей ЭВМ в системе PCAD200x ........... 141 4.7. Результаты выполнения формализованных заданий ................................. 144 5. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ МОДЕЛЕЙ ОБЪЕКТОВ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ..................... 155 5.1. Информационные модели объектов в САПР .............................................. 155 5.2. Проектирование информационных моделей объектов на различных уровнях иерархии .................................................................. 161 5.3. Создание объекта в САПР REVIT ............................................................... 162 5.4. Проектирование кампуса в INFRAWORKS ................................................ 166 6. ЛОКАЛЬНОЕ ВЫПОЛНЕНИЕ И СЕТЕВЫЕ СЕРВИСЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ НЕОДНОРОДНЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ................................... 169 6.1. Программно-аппаратные комплексы САПР ............................................... 169 6.2. Локальное выполнение формализованного задания на персональных ЭВМ в средах Windows, Linux и OS/2 ........................... 171 6.3. Сетевые сервисы и выполнение формализованных заданий в среде Internet ................................................................................................. 182 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......................................................................................................... 188 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ....................................................................................... 190 ПРИЛОЖЕНИЯ ........................................................................................................ 203
Введение 5 BBEДEHИE Развитие вычислительной техники сопровождается увеличением сложности и разнообразия машин [1, 4, 6, 91] при снижении энергии переключения и стоимости выполнения вычислительных операций. Осуществление этих требований возможно только в условиях комплексной автоматизации производства средств вычислительной техники и компонент. Сложность компонент непрерывно возрастает, поэтому автоматизация проектирования средств вычислительной техники и компонент является актуальной задачей. Известны различные системы автоматизированного проектирования (CAПP): промышленные, учeбнo-исследовательские и экспериментальные перспективные системы для проверки принципов действия. За короткий срок в 60 лет (1956–2016) пройден путь от первых транзисторов НПО «Светлана» для макета ЭВМ и настольных аналоговых машин МН-7 на лампах до мобильных устройств и крупных дата-центров Сбербанка в Сколково [166, 168, 184], спроектированных в САПР REVIT [161]. Во всех машинах с индексом МН (модель нелинейная) использовались диоды на наборном поле для операций непрерывной логики и в блоках нелинейности [140, 141]. Промышленные САПР относятся к хорошо формализованным техническим этапам проектирования и подразделяются на специализированные и комплексные. Комплексные САПР отличаются расширенным множеством компонент и множеством соединителей и портов с различными принципами действия. Первой специализированной САПР вычислительных машин была САПР КАСПИ [9], созданная в ИТМиВТ РАН под руководством акад. С. А. Лебедева. В качестве специализированных промышленных САПР вычислительных систем используются отечественная система Пpам5.3, ГРИФ4 [78] и зарубежные САПР для персональных ЭВМ: PCAD, ALTIUM, ORCAD, CADDY, PADS, EAGLE, CADSTAR. В качестве комплексных промышленных САПР стационарных объектов рассмотрим САПР фирм Autodesk Revit и Infra Works, АСКОН Renga, работающие с информационной моделью объекта BIM, в соответствии с ГОСТ и международными стандартами ISO [188–190]. В качестве комплексных промышленных САПР мобильных объектов рассмотрим САПР CATIA. Появление комплексных САПР для проектирования неподвижных и мобильных объектов, и стандартов их представления привело к созданию новых инст
Введение 6 рументальных средств и возможности реализации STEM образования: учебный план, основанный на идее обучения четырём конкретным дисциплинам одновременно – науке (Science), технологии (Technology), инженерному искусству (Engineering) и математике (Math). STEM образование предполагает многовариантное проектирование и командную работу. Важным является утверждение профессиональных стандартов для подготовки специалистов по созданию и модификации интеграционных решений, код 06.041, Минтруда РФ в 2017 году [191]. Целью подготовки является интеграция информационных систем и облачных сервисов. Работы должны проводиться с помощью автоматизированных систем. Профессиональные стандарты должны соответствовать потребностям промышленности в специалистах. Учебно-исследовательские САПР (УИ САПР) соответствуют ранним слабоформализованным этапам проектирования. На ранних этапах проектирования желателен синтез и анализ множества вариантов вычислительных устройств и систем. Целью создания программно-методического комплекса COD (Conceptual Object Design) является повышение уровня сложности задач проектирования неоднородных вычислительных устройств и систем [12–15] и улучшение производительности труда инженера. Для описаний проектируемых объектов на языке низкого уровня, используемых в промышленных САПР, объем описания пропорционален количеству вариантов. Описание объектов на языке высокого уровня позволяет приблизить объем описания множества объектов одного класса к объему описания одного объекта. С целью снижения объемов описаний используются многоуровневые модели вычислительных систем. Уровням моделей вычислительных систем соответствуют различные инструментальные средства, комплекс которых реализован в системах автоматизированного проектирования. Различают САПР высокого и низкого уровней. САПР низкого уровня соответствуют нижним уровням абстракции моделей и служат для функционально-логического и конструкторского проектирования. САПР высокого уровня обеспечивают описание множества вариантов технических решений при системном и структурноалгоритмическом проектировании. Процесс проектирования сложных систем и ЭВМ в частности представляет итерационный процесс нисходящего и частично восходящего проектирования на нижних уровнях. САПР высокого уровня эффективны для автоматизации преобразования проектных решений при переходе к различным САПР низкого уровня. Комплекс инструментальных средств автоматизации преобразования проектных решений между САПР различных уровней назван в работе интерфейсом.
Введение 7 Проектное решение, воспринимаемое формальной системой, называется формализованным заданием, которое состоит из различных разделов описания проектных решений. Желателен однократный ввод формализованных заданий независимо от числа приложений. Преобразование единого формализованного задания в формат различных САПР обеспечивается интерфейсом между САПР высокого уровня и конкретной САПР низкого уровня. Стандарты на описание электронной аппаратуры EDIF (Electronic Data Interchange Format) и STEP (Standard for Exchange of Product data) ISO 10303 лишь частично обеспечивают преобразование, так как используются только для внешнего представления формализованных заданий. Монография дополняет учебники [101–103, 110], и в ней рассматриваются многоуровневая модель вычислительной системы, особенности синтеза и анализа. Основное внимание уделено автоматизированному анализу неоднородных вычислительных систем с цифровыми и аналоговыми сигналами на различных уровнях абстракции с пpoцeдуpнo-ориентированным покомпонентным описанием множества технических решений на базе стандартных универсальных языков программирования высокого уровня и непроцедурными описаниями вариантов проектных решений на нижних уровнях. Для автоматизированного проектирования, начиная с ранних этапов, под руководством автора разработана учебно-исследовательская САПР высокого уровня для автоматизации анализа работы вычислительных устройств и систем и автоматического преобразования формализованных заданий в формат САПР низкого уровня. Отличительной особенностью УИ САПР являются многократные использования единого формализованного задания для различных приложений и многофункциональные модели компонент с общим интерфейсом. Основным приложением является автоматизированный анализ работы устройства или системы, описанных в формализованном задании. В формализованном задании описываются структура устройства или системы и внешние воздействия. Основными результатами анализа являются временные диаграммы и оценка ресурсов, а дополнительными приложениями – преобразование формализованного задания в формат одной из промышленных САПР или язык виртуальной реальности. Автоматизация преобразования формализованного задания в формат конкретной САПР названа интерфейсом с этой САПР. Использование единого формализованного задания для различных приложений обеспечивается многофункциональными моделями компонент с общим интерфейсом. Интерфейс определяется таблицами синтаксиса и семантики для каждого типа компонент. Модели всех типов компонент для каждого приложения объединяются в статические или динамические библиотеки. Диалоговая оболочка обеспечивает соответствие приложения и библиотек моделей
Введение 8 компонент. Автоматизация анализа и оценка ресурсов позволяет инженеру или студенту сосредоточиться на творческих проектных процедурах синтеза описаний, а автоматическая оценка ресурсов облегчает выбор оптимального решения. Учебно-исследовательская САПР имеет интерфейс с промышленными САПР для импорта и экспорта описаний. Программное обеспечение реализовано для персональных ЭВМ и серверов, что позволяет использовать программно-методический комплекс для локального и дистанционного обучения. На персональных ЭВМ комплекс реализован в средах Windows, LINUX и OS/2. Серверная часть комплекса выполнена в средах Windows, LINUX, OS/2, в подсистеме диалоговой обработки (ПДО или PTS) системы виртуальных машин S390 (VM/ESA, zVM). Формализованные задания могут быть выполнены на персональной ЭВМ или переданы для выполнения на серверы приложений по сети Интернет. В настоящее время все серверы размещаются на виртуальных машинах дата-центра СФУ и составляют основу системы дистанционных образовательных технологий (ДОТ) СФУ. Сетевые сервисы для обучения размещаются на e.sfu-kras.ru, а выполнение формализованных заданий проектов осуществляется на УИ САПР на серверах приложений. Множество примеров проектов размещены на серверах приложений. Серверы приложений могут сопрягаться с реальной аппаратурой. Серверы приложений и методический сервер размещены на виртуальных машинах дата-центра СФУ и доступны по сети Интернет. Таким образом обеспечивается среда для интерактивного онлайн-обучения. Результаты отсылаются пользователям по электронной почте или принимаются пользователем. В облачных структурах САПР размещается на дата-центре, и результаты хранятся там же. Пользователю разрешается скачать результаты или сделать их общедоступными. Облачные структуры более эффективны благодаря отсутствию необходимости приобретения и установки САПР на рабочих местах, доступу из браузера или сетевого устройства, но у пользователей возникают вопросы безопасности. Программно-методический комплекс позволяет описывать множество технических решений в виде формализованных заданий на различных уровнях абстракции. Формализованные задания на универсальных языках высокого уровня унифицированы в различных синтаксических средах C++, ADA, PLI, JAVA. Обеспечивается диалоговая отладка формализованных заданий, автоматизированный анализ со сравнением предполагаемых и фактических результатов, а также автоматическая оценка ресурсов и документирование результатов. При удовлетворительных результатах анализа множество технических решений или оптимальные структуры могут быть переданы в промышленные САПР PCAD, ALTIUM, (PADS Mentor Graphics), ORCAD, CADDY, EAGLE, REVIT Autodesk, CADSTAR Zuken,
Введение 9 CATIA и PRAM 5.3. Примерами специализированных облачных САПР являются EasyEDA; комплексных Autodesk InfraWorks, Autocad 360, Fusion 360, Onshape [115]. Отраслевые нормы и правила используются в специализированных САПР по отраслям несмотря на их изменения во времени из-за развития материалов и технологий. В комплексных САПР все гораздо сложнее, и требуется большее время для реального использования систем правил (свода правил – СП). Развитие интернет-устройств (IOT) на базе систем на кристалле должно облегчить оценку состояний всех компонент и использование систем правил в САПР. Примерами энергоэффективной системы передачи данных для IOT являются LPWAN и NB (teleofis.ru). Программно-методический комплекс УИ САПР <COD> представлен на оптическом диске (DVD-ROM), на серверах университета с сетевым доступом (e.sfu-kras.ru), содержит клиентские и серверные версии для операционных систем Windows, Linux, OS/2 и размещен в свободном доступе в библиотеке СФУ (bik.sfu-kras.ru). Работы проведены в лаборатории неоднородных вычислительных систем кафедры вычислительной техники ИКИТ СФУ, используются в классах и в вычислительном центре Института космических и информационных технологий (ИКИТ) СФУ, а также в вычислительном дата-центре Сибирского Федерального университета. На виртуальных машинах дата- центра размещены методические материалы (e.sfu-kras.ru) и личные кабинеты сотрудников и студентов, а также серверы приложений для выполнения формализованных заданий проектов в различных средах с большим количеством примеров: CODWIN для Windows, CODLIN для Linux, CODOS для OS/2-EcomStation [50–57]. Работа выполнена при поддержке Министерства образования России по приказу № 195 от 16.03.1987 «Создание и развитие учебно-исследовательских программно-методических комплексов САПР (УИ ПМК САПР) в вузах». Пункт 3.2.17 приказа 195 утвердил работу автора по ПМК УИ САПР неоднородных вычислительных систем (ПМК УИ САПР НВС). Комплекс непрерывно развивается автором и дополняется лучшими проектами студентов ИКИТ СФУ, выполненными под руководством автора. Пожелания по содержанию книги и комплекса можно направить профессору Б. И. Борде по электронной почте: bborde@sfu-kras.ru.
1. Развитие вычислительных систем и средств их моделирования и проектирования 10 1. РАЗВИТИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ И СРЕДСТВ ИХ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ 1.1. Развитие неоднородных вычислительных систем Рассмотрим основные виды вычислительных машин и этапы развития информационных технологий. По способам представления информации вычислительные машины подразделяются [1, 2, 6, 140] на аналоговые (АВМ) [140], цифровые (ЦВМ) [91] и аналого-цифровые (АЦВМ) [53, 111, 129, 141]. При аналоговом представлении результату соответствует значение сигнала, погрешность определяется компонентами и уровнем помех и возрастает в процессе вычислений, а также при хранении и передаче информации в аналоговой форме по линиям связи. Поэтому при аналоговом представлении все операции выполняются одновременно и ограничены в пространстве, время решения задачи не зависит от ее сложности. Однако количество аппаратуры и стоимость пропорциональны сложности задачи. При цифровом представлении результату соответствует состояние множества элементов; каждый элемент может находиться в различных, устойчивых к помехам, состояниях. Элементы с двумя устойчивыми состояниями обеспечивают наибольшую помехоустойчивость и малую энергию переключения [35, 36, 125, 142, 144, 148]. Величина порогового сигнала и напряжение источника энергии определяются уровнем помех. В цифровых вычислительных машинах реализуются элементы выполнения логических операций и хранение информации. Однако погрешность выполнения вычислений и хранения данных снижается с ростом количества разрядных элементов. Передача информации в цифровой форме не приводит к увеличению погрешности. Поэтому в ЦВМ производится последовательное выполнение операций над хранимыми данными. Однако одновременное выполнение операций над потоком данных производится только в конвейерных ЦВМ. Цифровая форма представления информации позволила создать развивающуюся глобальную сеть вычислительных машин и центров сетевых сервисов (ЦСС) или центров обработки данных (ЦОД) [4, 5, 157–159]. На первом этапе из-за отсутствия общих коммуникационных подсистем группы пользователей работали на одной машине. Система виртуаль
1.1. Развитие неоднородных вычислительных систем 11 ных машин [5, 28–33, 86, 92] позволила обеспечить индивидуальную среду на рабочем месте за счет специализированной коммуникационной подсистемы с возможностью обмена сообщениями. Специализированные сетевые услуги стали доступны с появлением комплексов обработки и передачи данных на базе системы виртуальных машин. Комплексы, связанные сетью передачи данных, позволяли сотрудникам получать специализированные вычислительные и образовательные услуги [86]. Персональные вычислительные машины с локальными коммуникационными подсистемами позволили на рабочем месте устанавливать программное обеспечение и решать требуемые задачи. Эффективность персональных вычислительных систем ограничивалась квалификацией пользователей, большим расходом энергии и высокой ценой владения. Сочетание персональных вычислительных машин с глобальными коммуникационными системами [91, 100, 107, 157] и сервисными центрами позволило поднять качество информационных систем. На рабочем месте устанавливается программное обеспечение для решения основных задач, а дополнительные задачи и поиск информации выполняются в виде сетевых услуг. Цена владения сократилась при повышении качества, но для управления необходим квалифицированный специалист. Рост количества и сложности вычислительных и коммуникационных систем во всех сферах деятельности стал ограничиваться количеством и квалификацией персонала. Персональные вычислительные средства подразделяются на стационарные и мобильные [4]. Стационарные находятся на рабочих местах и имеют проводное соединение с сетью, их быстродействие и потребляемая мощность постоянно возрастают, они необходимы разработчикам и профессиональным пользователям. Несмотря на эффективность стационарных терминальных машин (тонких клиентов), они не получили распространения. Мобильные персональные средства представлены компьютерами переносными – МПК (англ. MPC), планшетными – ППК (англ. TPC), телефонами и коммуникаторами с беспроводным соединением с сетью передачи данных. Повышение степени интеграции основных компонент обработки и передачи данных позволило создать мобильные интернет-устройства (MID) и ультрамобильные персональные компьютеры – УМПК (англ. UMPC), например Computer Card фирмы Intel. Мобильные сетевые устройства и компьютеры программно совместимы с персональными компьютерами, а размеры монитора – среднее между мониторами планшетных компьютеров и коммуникаторов. Мобильные средства оптимизированы не только по стоимости единицы производительности, но и по расходу энергии. Одним из основных параметров является время работы от автономного источника