Пильов В.О., Шеховцов А.Ф. Двигуни внутрішнього згоряння: Серія підручників. Том 4. Основи САПР ДВЗ

Подождите немного. Документ загружается.

1. Розвиток – можливість доповнення ПЗ САПР новими програмами

і ППП, що розширюють можливості системи.

2. Адаптованість – можливість функціонування розробленого ПЗ у

складі з іншим ПЗ САПР.

3. Мобільність – можливість функціонування ПЗ САПР з викорис-

танням різної ОТ.

4. Гнучкість – можливість введення до програм змін і доповнень при

збереженні незмінними інших компонентів

системи.

5. Надійність – забезпечення достовірних результатів проектування.

6. Реактивність – забезпечення швидкого розв’язання задачі з ураху-

ванням її орієнтації на використання спеціалістом-проектувальником.

7. Компактність – використання мінімальних ресурсів ЕОМ (пам’яті,

часу роботи процесора і зовнішніх пристроїв).

Забезпечення цих вимог дозволяє зберігати ефективність системи в

процесі її експлуатації з урахуванням

об’єктивної появи нових знань в тео-

рії ДВЗ та в суміжних областях. З цього приводу удосконалення ПЗ САПР

в процесі експлуатації системи є одним з головних факторів створення зра-

зків техніки, що перевищують кращі світові аналоги за вибраним комплек-

сом критеріїв її якості

Слід відрізняти класифікацію ПЗ за основними функціями та класи-

фікацією підсистем САПР за функціональним призначенням. Ці відміни

подані в табл.3.1. Видно, що БПЗ ЗОТ не залучається до підсистем САПР

та несе функції забезпечення процесу проектування. Водночас БПЗ САПР

виконує функції користування в процесі проектування та залучається до

підсистем обслуговування. І,

нарешті, ППЗ САПР реалізує функції корис-

тування та є програмним компонентом підсистем проектування.

Таблиця 3.1 – Відповідність класифікації функцій ПЗ

до класифікації функцій підсистем САПР

Вид ПЗ

Функції ПЗ Функції підсистем САПР

БПЗ ЗОТ Забезпечення –

БПЗ САПР Користування Обслуговування

ППЗ САПР Користування Проектування

100

3.2. Базове програмне забезпечення засобів

обчислювальної техніки

3.2.1. Операційні системи

Операційні системи є основою БПЗ ЗОТ. Вони віддаляють інші класи

програм від безпосередньої взаємодії з апаратурою, забезпечують керуван-

ня апаратними компонентами ОТ.

ОС – це комплекс програм, що забезпечує розподіл ресурсів ЕОМ,

автоматизацію розробки прикладних програм і їх виконання,

керування роботою апаратних пристроїв.

ОС призначені для виконання двох головних задач:

 підтримки роботи усіх програм;

 надання користувачу можливості керування ЕОМ за допомогою

командної мови.

В процесі виконання цих задач до ОС ставляться вимоги ефективно-

сті і надійності.

Основними критеріями оцінки ефективності ОС є:

• витрати оперативної пам’яті для функціонування самої ОС;

•

пропускна спроможність ОС, що позначає обсяг виконаної роботи

в одиницю часу;

• можливість виконання користувачем будь-яких необхідних опе-

рацій по керуванню ОС і процесом обчислень;

• підвищення продуктивності праці програмістів і проектувальни-

ків;

• швидкість опанування і зручність використання.

Підвищена надійність ОС передбачає:

d наявність засобів забезпечення достовірності результатів;

d зменшення негативного впливу збоїв в роботі ОТ;

d скорочення часу непрацездатності системи після збоїв;

d наявність засобів резервування програм і даних, створення конт-

рольних точок для повтору операцій після збоїв тощо.

З урахуванням вказаних задач і вимог операційні системи наділяють

сукупністю функціональних можливостей, основні з яких подані на

рис.3.3.

101

На перший план тут висувається функція розподілу ресурсів. В її

основу закладають певну модель обчислювального процесу, в якому пара-

лельно діють декілька учасників (задач, завдань, користувачів тощо) та які

потребують цих ресурсів. Класифікацію ресурсів, що розподіляє ОС, пода-

но на рис.3.4.

Організації

режимів

роботи

Керування

Завантаження

і виконання

програм

Розподілу

ресурсів

Основні функції ОС

Рисунок 3.3 – Класифікація основних функцій ОС

Пам’ять

Файлова

система

Час роботи

окремих

пристроїв

Ресурси

окремих

програм і

ППП

Функції

окремих

пристроїв

Взаємодія з

користувачем

Основні ресурси ОТ

Рисунок 3.4 – Класифікація ресурсів ОТ, що розподіляє ОС

За допомогою розподілу ресурсів забезпечується робота

вибраних

програм, їх взаємодія з зовнішніми пристроями і одна з одною, викорис-

тання пам’яті, виявлення характерних подій, що виникають в процесі ро-

боти, формування реакцій на них.

102

Ефективний розподіл ресурсів ОТ направлено на ефективність фун-

кціонування усієї сукупності учасників обчислювального процесу.

Функція організації режимів роботи (рис.3.5) реалізує взаємодію

користувача з системою та різні способи функціонування програм.

Робота користувача в середовищі ОС здійснюється на основі викори-

стання мови команд (директив). Ця мова дозволяє виконувати широкий

клас завдань: здійснювати конфігурацію ОС, організацію доступу до фай-

лової системи, запуск програм і взаємодію з ними, керування зовнішніми

пристроями тощо. Знання командної мови ОС є обов’язковою умовою по-

дальшого ефективного використання

САПР. Особливості діалогового і ін-

терактивного режимів взаємодії користувачів з програмними засобами

розглядатимуться під час аналізу лінгвістичного забезпечення САПР в гл.4

(п.4.2.2). Колективний режим роботи реалізується за рахунок розподілу

ресурсів між користувачами наданої ЕОМ. При цьому може бути дозволе-

но колективну роботу з певними даними та апаратними пристроями або

встановлено

обмеження доступу до них.

Доступ до даних та пристроїв у САПР здійснюють на основі системи

паролів. Приклад вікна ОС, що встановлює доступ до даних, подано на

Рисунок 3.5 – Класифікація режимів роботи в середовищі ОС

Користувача

Діалоговий

Колективний

Паралельний

Конвеєрний

Пакетної об-

робки

Реального

часу

Розподілу

часу

Програм

Інтерактивний

Організація режимів роботи

103

рис.3.6, з якого бачимо, що в за-

гальному випадку доступ може

бути заборонено (тоді ці дані є

локальним ресурсом), він може

бути тільки для читання інфор-

мації або повним. В останньому

випадку розуміють можливість

читання даних, їх редагування

або знищення. Аналогічно вста-

новлюють доступ до пристроїв.

Режим пакетної обробки

програм передбачає

виконання

завдань зі сформованого пакета

в порядку встановленої черги.

Після того, як певне завдання

починає виконуватись, воно по-

вністю займає ресурси ЕОМ до

ервано. В цілому черга завдань

утворює їх потік, який виконується автоматично. Наочним прикладом па-

кета завдань є зміст довільного пакетного

програмного файла з розширен-

ням ВАТ.

пер

исунок 3.6 – Вікно конфігурації доступу

до спільного ресурсу даних DATA

того часу, поки не буде виконано чи

Важливо, що використання режиму пакетної обробки програм зме-

ншує до мінімуму втручання користувача в процес проектування. Іншою

перевагою цього режиму є максимальне завантаження центрального про-

цесора (ЦП) і відповідно найвища швидкодія розв’язання задач за ліній-

ною стратегією. З іншого боку, повне завантаження ЦП виконанням

певної

програми створює труднощі у випадках організації розгалуженої обчислю-

вальної стратегії, коли в системі повинні паралельно виконуватись декіль-

ка завдань.

У процесах з розподілом часу ресурси ЕОМ розподіляються між за-

вданнями. В такому випадку в пам’яті ЕОМ одночасно знаходиться

декілька програм, а ЦП в кожний момент часу виконує алгоритм

лише од-

нієї з них. Процес циклічного розподілу ресурсів ЦП здійснюється зі знач-

ною швидкістю, тому у користувачів виникає ілюзія одночасного обслуго-

вування завдань. Такий спосіб обслуговування зветься мультипрограму-

104

ванням. Окрім цього існують ОС реального часу. Їх використовують, коли

обробка даних повинна проводитись в реальному масштабі часу.

Паралельне і конвеєрне обслуговування завдань передбачає викорис-

тання багатопроцесорних ЕОМ. Для багатопроцесорної ОТ кількість про-

грам, що “одночасно” виконується, може перебільшувати кількість проце-

сорів. Водночас для задач, що потребують значного ресурсу часу

, усі про-

цесори можуть працювати над однією задачею. Такий підхід до викорис-

тання ОТ розглядатиметься в п.6.2.

Основна функція ОС – завантаження і виконання програм. Ясно,

що ОС розміщує вказану програму у вільній частині пам’яті ЕОМ та пере-

дає їй керування для виконання заданого алгоритму. Коли в процесі своєї

роботи

певна програма повинна звертатись до апаратних засобів або зов-

нішніх пристроїв ЕОМ, то ці дії виконуються через посередництво ОС.

Для можливості їх виконання ОС повинна бути розширена шляхом під-

ключення програми-драйвера потрібного пристрою. Коли драйвер нового

пристрою підключено, усі програми можуть працювати з останнім.

Вказана можливість розширення ОС дозволяє залучати

до складу

САПР нові зовнішні пристрої та здійснювати керування ними з ППП. Та-

ким чином, підтримка роботи зовнішніх пристроїв значно спрощує розроб-

ку і використання ПЗ САПР.

Приклад вікна ОС, що здійснює підключення драйвера нового прин-

тера подано на рис.3.7. Тут достатньо вибрати назву фірми-виробника та

марку принтера і

на-

тиснути клавіш “Да-

лее >”. Драйвер пот-

рібного принтера буде

залучено до опера-

ційної системи.

В процесі роз-

поділу ресурсів, орга-

нізації режимів робо-

ти, завантаження і ви-

конання програм ОС

виконує функції ке-

рування, п ік яких

исунок 3.7 – Вікно майстра установки драйвера

инте

ерел

105

подано на рис.3.8.

Основними одиницями робіт обчис-

лювальної системи є завдання, пункт за-

вдання і задача.

Завдання є зовнішньою одиницею ро-

боти ЕОМ. Із завданнями пов’язані пункти

завдань. В термінах завдань або пунктів за-

вдань користувач формує потрібний пере-

лік робіт обчислювальної системи. Надалі

для реалізації встановленої сукупності за-

вдань

і пунктів завдань ОС утворює задачі

(або процеси).

Задача є внутрішньою одиницею ро-

боти ЕОМ. Задачі не можуть бути

зв’язаними між собою. Тому окремі задачі

можуть виконуватись паралельно, в режимі

мультипрограмування.

Відповідно до завдань на проекту-

вання двигуна результат виконання певного пункту завдання може вплива-

ти на вибір наступних

пунктів, у тому числі розгалужувати процес обчис-

лень на вирішальній операції. З цього приводу рівень мультипрограму-

вання повинен змінюватись в процесі виконання завдань. В цьому полягає

смисл ефективного керування задачами.

При розгляді питань управління процесорами і пристроями вводять

поняття активної задачі. Активною є та задача, яка в поточний момент

часу

володіє центральним процесором. Активна задача виконується до то-

го часу, поки не перейде в стан очікування певної події (наприклад, завер-

шення операції введення-виведення) або не буде перервана операційною

системою (наприклад, по контролю відведеного часу для часткового її ви-

конання). Інші задачі, крім активної, знаходяться в стані готовності вико-

ристання

ЦП або в стані очікування своїх особистих подій (завершення

операцій введення-виведення, завершення роботи певної програми, закін-

чення заданого інтервалу часу тощо). Після переводу активної задачі в

стан очікування активною вибирається інша задача з програм, що знахо-

дяться в стані готовності.

Задачами

Процесорами

Пристроями

Даними

Пам’яттю

Відновленням

Функції керування ОС

исунок 3.8 – Перелік функцій

керування ОС

106

Програми, що одночасно претендують на володіння ЦП в мульти-

програмному процесі упорядковуються за пріоритетами. Тому певна про-

грама, що знаходиться в стані готовності, стає активною тільки тоді, коли

програми з більш високими пріоритетами опиняться в стані очікування.

Важливо, що при такій організації виконання задач ЦП не займається

здійсненням операцій введення-виведення

. Ці операції контролюються

відповідним процесором введення-виведення як самостійні задачі, парале-

льно з роботою ЦП. Таким чином, особливістю мультипрограмування є

одночасне виконання операцій центрального процесора з операціями вве-

дення-виведення.

Керування даними – наступна важливіша функція ОС. Саме вона

здійснює зв’язок обчислювальної системи із зовнішнім середовищем. Ке-

рування даними реалізується

за допомогою операцій введення-виведення.

При цьому методи доступу до даних розподіляють на логічні і фізичні. Ло-

гічні методи доступу є базовими для прикладних програм, фізичні – для

операційної системи. Тут логічна структура довільного файлу з даними

передбачає наявність певної послідовності розміщення інформації в цьому

файлі. Надалі, за допомогою ОС вказаний файл

записується на фізичний

диск ЕОМ, по-можливості – безперервним блоком. У кінець створеного

файла може бути записано інший файл, в кінець останнього – ще один і

т.д. Таким чином буде утворено ланцюг файлів, наприклад 1 – 2 – 3, що

подано на рис.3.9, а. Звернемо увагу на те, що після знищення інформації

довільного файла ОС фіксує

факт появи вільного місця на диску. Результат

знищення другого файлу подано на рис.3.9, б.

4 1

исунок 3.9 – Управління фізичним розміщенням файлів

на диску ЕОМ:

а – початкове розміщення трьох файлів;

б – знищення другого файлу;

в – запис четвертого файлу

107

Надалі, після знищення другого файла запишемо на диск новий, чет-

вертий файл, розмір якого перевищує розмір знищеного другого файла.

Під керуванням ОС його фізично буде розміщено частинами (див.

рис.3.9,в). Тепер видно, що фізично інформація записується на вільні місця

диска. При цьому це розміщення даних ніяким чином не впливає на їх

ло-

гічну організацію. Приклад можливого реального заповнення диска пода-

но на рис.3.10.

В результаті такого підходу до керування даними розробка приклад-

них програм суттєво спрощується і не потребує контролю фізичного опра-

цювання файлів. Водночас необхідно вказати, що запис окремих частин

файла фрагментами збільшує час звертання до даних та період відгуку сис-

теми на запит користувача. З цієї причини за допомогою відповідних сер-

вісних

програм (Disk Defragmenter, Norton Speed Disk) періодично вико-

нують дефрагментацію диску, тобто перезапис інформації суцільними фі-

зичними файлами (див. рис.3.10).

Керування пам’яттю в ОС передбачає обов’язковий її розподіл на

частини. Тоді до основних системних функцій керування пам’яттю відно-

сять:

исунок 3.10 – Приклад фізичного розміщення інформації на диску ЕОМ

1) облік вільних частин пам’яті (основа керування пам’яттю);

2) надання частини

пам’яті за певними запитами на неї;

3) звільнення частин пам’яті, що були раніше виділені за запитом;

4) підвищення рівня мультипрограмування.

108

Вимога підвищення рівня мультипрограмування передбачає збіль-

шення кількості задач, що виконуються одночасно. При цьому усі задачі в

процесі свого виконання повинні знаходитись в основній (робочій) пам’яті

ЕОМ. Тому збільшення об’єму основної пам’яті завжди сприяє підвищен-

ню рівня мультипрограмування і, як правило, приводить до зростання за-

вантаженості ЦП та

ефективності функціонування ПЗ САПР.

Розрізняють два види основної пам’яті. Це фізична оперативна

пам’ять (рис.3.11, а) та віртуальна пам’ять (рис.3.11, б).

В останньому випадку основна віртуальна пам’ять моделюється на

диску ЕОМ у, так званому, “файлі підкачки” та використовується сторін-

ково-сегментна організація обміну інформацією між основною та реаль-

ною оперативною пам’яттю (див. рис.3.11, б). Тут сторінки (або частини

програм), які використовує ЦП, завантажуються в оперативну пам’ять з ві-

ртуальної

і, тим самим, “витісняють” ті сторінки, які зараз не використо-

вуються.

Основна пам’ять

Оперативна

пам’ять

ОС

Програма 1

Програма 2

Програма N

ЦП

Віртуальна

пам’ять

ОС

Програма 1

Програма 2

Програма N

Програма М

Сторінки

програм,

що

використо-

вуються

ОС

Оперативна

пам’ять

ЦП

исунок 3.11 – Можливі схеми керування пам’яттю в ОС:

а – без віртуальної пам’яті;

б – з віртуальною пам’яттю

109