Автоматизация проектирования

Инициатором диалога при использовании запрос-ответных языков является ЭВМ. Это накладывает определенные ограничения на их применение в САПР. Во-первых, развитие процесса проектирования осуществляется только по заложенному в системе сценарию диалога. Во-вторых, ввод информации проектировщика происходит лишь в тот момент, когда этого требует автоматизированная система. Наряду с этим запрос-ответные языки имеют и важные преимущества, обеспечивающие их широкое распространение: простота и наглядность взаимодействия, отсутствие необходимости в предварительной подготовке проектировщика для ведения диалога. Поэтому, если в процессе проектирования нет необходимости в изменении структуры проектной процедуры, такие языки являются наиболее подходящими.

Более широкими возможностями организации диалога обладают директивные языки, реализующие взаимодействие по принципу «Ведущий – проектировщик». Основной синтаксической единицей этих языков является директива, которая представляет собою управляющее предложение фиксированной структуры. Каждая директива позволяет задать определенное действие по управлению процессом проектирования. В состав директивы, как правило, входят название действия, которое должна выполнить автоматизированная система, а также параметры, устанавливающие определенный режим выполнения этого действия. Параметры директивы могут быть позиционными и ключевыми. Позиционные параметры характеризуются их позицией в синтаксической структуре директивы и должны перечисляться в определенном порядке. Каждый ключевой параметр характеризуется своим наименованием.

При использовании директивных языков инициатором диалога является проектировщик. Это предоставляет пользователю возможность оперативного управления процессом автоматизированного проектирования и гибкого многовариантного использования программно-информационных средств САПР. Однако директивным языкам присущи недостатки, обусловливающие определенные трудности их использования. Так, проектировщик должен изучить директивный язык, т. е. знать состав и назначение директив, их синтаксис и семантику. Кроме того, по сравнению с запрос-ответными языками, здесь значительно усложняется языковой процессор, реализующий директивный язык, и увеличивается время реакции автоматизированной системы на запрос пользователя. Несмотря на указанные недостатки, директивные языки широко используются в САПР.

Развитие преимуществ запрос-ответных и директивных языков осуществляется в комбинированных языках, поддерживающих диалоговое взаимодействие по принципу «Равные партнеры». Отличительной особенностью этих языков является их естественность для пользователей – приближение средств, предоставляемых в распоряжение проектировщиков, к тем языковым средствам, которыми они привыкли оперировать в процессе решения профессиональных задач, и освобождение от необходимости использования машинно-обусловленных терминов и понятий.

Использование комбинированного языка позволяет чередовать запросы со стороны проектировщика и ЭВМ. Кроме того, запросы проектировщика могут представляться в виде предложений, образующих семантически связный текст. Благодаря этому проектировщику предоставляется возможность фиксировать не только конечный результат решения задачи, но и описывать процедуру его получения. Это, в свою очередь, позволяет диагностировать ошибки на промежуточных шагах решения задачи, а также обеспечивает более гибкое управление проектированием. Однако реализация комбинированных языков требует создания достаточно сложных языковых процессоров. Это обстоятельство обусловливает сдерживание широкого распространения комбинированных языков.

Пассивные и диалоговые языки могут быть ориентированы на описание не только текстовой информации, но и графической. В последнем случае они называются графическими языками. Графические языки предназначены для задания объектов проектирования в виде схем, чертежей; графиков, рисунков, а также манипулирования данными представлениями в процессе формирования проектных решений, С этой целью в составе конструкций графических языков содержатся средства генерации изображений и различных их преобразований. Средства генерации изображений позволяют описывать простейшие геометрические фигуры – примитивы и их совокупности. Геометрическими примитивами в зависимости от проблемной ориентации языка являются элементы принципиальных электрических схем – сопротивления, конденсаторы, диоды и т. д.; элементы машиностроительных чертежей – многоугольники, окружности, эллипсы и т. д. Включение наименований этих примитивов в состав словаря является характерной особенностью графических Языков. Языковые средства преобразования изображений предназначены для задания различного рода действий над геометрическими образами: масштабирование, смещение, поворот, перекомпоновка частей изображения их слияние, удаление. Эти средства оформляются в виде операторов над геометрическими типами данных. Можно выделить четыре основные группы операторов: выполняющие общие организующие действия; строящие геометрические примитивы; выполняющие сложные построения и вычерчивания; служебные и вспомогательные операторы.

Операторы общей организации предназначены для задания страницы, т. е. размеров рабочего поля на экране графического дисплея или бумаге графопостроителя; открытия и закрытия страницы; задания наименования страницы и другой текстовой информации, сопровождающей графическое изображение.

Операторы построения примитивов позволяют указывать тип генерируемой фигуры и ее параметры.

К группе операторов, выполняющих сложные построения и вычерчивания, относятся, на пример, операторы построения графиков. Они предназначены для изображения графиков функций одной или двух переменных, задаваемых, в аналитическом или табличном виде. При табличном задании функции указываются векторы значений каждого аргумента и соответствующий им вектор значений функций.

Рассмотренные выше языковые конструкции графического взаимодействия проектировщиков с ЭВМ являются эффективным средством оформления проектных решений в виде конструкторских чертежей, схем, рисунков и т. д. Современные САПР, наряду с выпуском конструкторской документации, позволяют проектировать программы изготовления проектируемых объектов на технологическом оборудовании с числовым программным управлением (ЧПУ). Языковой основой такого проектирования являются проблемно-ориентированные технологические языки оборудования с ЧПУ.

'Технологические  языки можно рассматривать как  развитие графических. Последние  описывают движение графического  пера (в случае графопостроителя) или электронного луча (в случае  графического дисплея) в процессе  оформления проектного решения  в виде геометрического образа. Технологические языки САПР описывают, в частности, взаимное перемещение  режущего инструмента и заготовки  в процессе получения из заготовки  проектируемой детали. Для эффективного  задания этого перемещения технологические  языки содержат средства описания  геометрии изготовляемой детали, характеристик технологического  оборудования, траектории и режимов  обработки (величину, скорость и  направление перемещения режущего  инструмента).

Основным структурным элементом технологических языков является оператор. Операторы технологических языков обычно подразделяются на описывающие и выполняемые.

Описывающие операторы служат для указания вычислительных, геометрических и технологических условий. Эти операторы могут иметь ссылку, задаваемую в виде идентификатора перед записью оператора.

Выполняемые операторы предписывают движение режущего инструмента по траектории, задаваемой описывающими операторами.

3. Базовое лингвистическое  обеспечение

Базовое лингвистическое обеспечение САПР, являясь языковой основой программного обеспечения, содержит иерархию языков программирования, каждый уровень которой позволяет с различной эффективностью реализовывать автоматически исполняемые операции обобщенного алгоритма проектирования. На эффективность реализации проектных операций существенное влияние оказывают свойства выбранного языка программирования: удачный выбор языка позволяет быстро создавать качественный программный продукт. При этом важнейшими характеристиками качества отдельной программы и программного комплекса в целом являются их надежность, эффективная транслируемость в достаточно компактные и быстродействующие машинные программы, модифицируемость и мобильность.

В зависимости от требований, накладываемых на программный продукт, его исходное описание может производиться на языках программирования кодового, низкого и высокого уровня.

Языками программирования кодового уровня (или машинными языками) называются языки системы команд ЭВМ и внутримашинного представления информации. Алфавит таких языков включает только цифры (двоичные, восьмеричные или шестнадцатеричные), с помощью которых кодируются команды машины и данные, над которыми эти команды выполняются. Каждая ЭВМ имеет индивидуальную, свойственную только ей систему команд, но определенные закономерности присущи всем вычислительным системам.

В зависимости от архитектуры ЭВМ синтаксис команды, обычно называемый форматом команды, может изменяться в широких пределах. Команды могут иметь фиксированную длину (например, одно машинное слово) или переменную длину (два, три и более слов). Последнее определяется способом адресации к объекту действия команды – операнду. Машинным словом называется обычно последовательность из восьми двоичных цифр. По формату систему команд можно разделить на дно категории: безадресные команды, т. е. команды, не имеющие ссылки на данные, и адресные команды. В первом случае команда содержит только код операции, указывающий действие, которое должно быть выполнено (останов, возврат, сброс). Команды этого формата обычно образуют одно машинное слово. Во втором случае команда содержит код операции и либо операнд, либо ссылку на операнд в виде адреса машинного слова, в котором располагается операнд. Примерами являются команды засылки в регистр, сложения, умножения и т. п. В зависимости от принятых способов адресации адресные команды могут образовывать два, три и более машинных слова.

Система команд современных ЭВМ содержит несколько сотен элементов, семантика каждого из которых определяется функциональным назначением элемента: перемещения данных, преобразования данных, управления программой, ввода-вывода, специальные.

Команды перемещения данных организуют обмен информации между арифметико-логическим устройством (точнее аккумулятором) и оперативной памятью. Команды преобразования данных используются для выполнения арифметических и логических действий. Данные, над которыми эти действия совершаются, чаще всего находятся в аккумуляторе и регистре. Результат действия обычно остается в аккумуляторе. Команды управления изменяют содержимое регистра адреса следующей выполняемой команды. Команды управления могут быть условными и безусловными. Условная команда сопровождается указанием состояния, которое должно быть предварительно проверено: положительное, значение результата команды, переполнение или отсутствие его и т. д. Безусловная команда управления изменяет содержимое регистра адреса без проверки каких-либо условий. Команды ввода - вывода организуют обмен информации с внешними устройствами ЭВМ: накопителями на магнитных лентах, дисках. Специальные команды позволяют выполнять особые действия, такие, например, как разрешение прерывания выполнения программы, запрещение прерывания и т. п.

Детальное кодирование действий и объектов этих действий в терминах кодов операций, аккумулятора, регистров, машинных слов и т. п. позволяет получать компактные и быстродействующие машинные программы, полностью использующие возможности современных ЭВМ. Кроме того, программы на машинном языке не нуждаются в трансляции; после ввода в ЭВМ их можно сразу же исполнять. Однако машинные языки используются очень редко: для программного управления ЭВМ и оборудования, для которых не созданы или не реализованы языки более высокого уровня, а также для написания особо реактивных и незначительных по объему программ. Это обусловлено высокой трудоемкостью кодирования. Цифровые коды трудно воспринимаются человеком, поэтому велика вероятность указания неверного кода, т. е. надежность программ, составленных на машинных языках низкая. Кроме того, программы машинного языка немобильны: они не могут исполняться на ЭВМ, система команд и кодировка информации которых не содержат средств данного языка.

Языками программирования низкого уровня (или машинно-ориентированными языками) называются языки символического кодирования машинных и служебных команд и данных. В этих языках каждая машинная команда записывается в виде мнемонического обозначения кода операции и операнда. Каждой операции машинного языка ставится во взаимно однозначное соответствие выразительное, как правило, сокращенное наименование, называемое мнемокодом. Например, операция сложения может иметь мнемокод СЛЖ. Мнемоническое обозначение операнда представляет собой произвольную последовательность символов, выражающую либо наименование переменной, либо значение константы, участвующей в операции. Такое символическое изображение операций и операндов позволяет облегчить их запоминание, а значит и использование. Служебные команды машинно-ориентированных языков предназначены для упрощения программирования и отладки программных комплексов: команды управления трансляцией, определения адресов и идентификаторов, резервирования памяти и определения констант, управления печатью текста программы и т. д.

Поскольку система команд ЭВМ является подмножеством соответствующего машинно-ориентированного языка, последний позволяет, подобно машинным языкам, создавать компактные и быстродействующие программы, полностью использующие возможности ЭВМ. Выразительность символического представления команд и данных способствует повышению надежности создаваемых программ, удобству их записи, чтения и изменения. В то же время эти программы немобильны, поэтому на машинно-ориентированных языках в основном кодируют системные компоненты программного обеспечения САПР, к которым предъявляются высокие требования по быстродействию и потребляемой памяти ЭВМ.