 |
Информационное обеспечение САПР
|
|
|
|
Для эффективного функционирования ПО САПР необходима соответствующая организация данных, которая основана на модели объекта проектирования (внутримашинное представление) и может быть реализована средствами банка данных.
Под организацией данных в САПР в широком смысле понимают управление данными в процессе проектирования, а в узком смысле – моделирование структур данных и организацию их хранения.
Проблематика моделирования данных предполагает такое представление данных, которое наиболее адекватно отражает реальный мир, причем, только те характерные признаки и состояния объекта, которые существенны для процесса проектирования. Это позволяет выбрать формальные объекты, характеризующие организацию данных и их обработку. Под моделью данных понимают логическую связь собственно данных и алгоритмов их обработки.
Данные – это сведения о некоторых фактах, позволяющие делать определенные выводы. Синонимами понятия «данные» служат термины «информация», «сведения». Взаимосвязанные данные часто называют системой данных, а хранимые данные – информационным фондом. Основное назначение ИО – предоставлять пользователям САПР достоверную информацию в определенном виде.
Объектом считают любой предмет, событие или понятие, о которых приводятся данные. Все объекты характеризуются атрибутами. Например, такой объект как ЭВМ, можно характеризовать следующими атрибутами – скорость вычислений, емкость оперативной памяти, емкость жесткого диска числом процессоров, габаритами и т.п. Сведения, содержащиеся в каждом атрибуте, называют значениями данных.
Традиционно выделяют следующие уровни организации данных: бит, знак, поле, сегмент, запись, файл, база данных (БД).
|
|
|
Поле – это упорядоченная последовательность знаков. Поле имеет имя и значение определенной длины, причем имя может косвенно указывать на тип содержащегося в поле значения.
Сегмент состоит из нескольких полей, связанных логической зависимостью и имеет уникальное имя.
Запись состоит из нескольких полей или сегментов, число которых определяет размер записи, а состав – тип записи.
Файл или совокупность данных – это множество данных, упорядоченных по определенному признаку. Признак упорядочивания (ключ) служит для идентификации и структуризации записей массива. Каждый массив должен иметь уникальное имя. Тогда организация данных будет отражать связи между массивами или соответственно между типами записей данных. Ключ данных позволит осуществить прямую переадресацию в среде хранения данных.
Как правило, организация хранения данных сводиться к какой-либо структуре хранения данных – БД. БД – это совокупность специально организованных данных, рассчитанных на применение в большом количестве прикладных программ.
Основные требования к БД:
· Целостность данных – их непротиворечивость и достоверность.
· Организация БД должна обеспечивать согласование времени выборки данных прикладными программами с частотой их использования прикладными программами САПР.
· Универсальность, т.е. наличие в БД всех необходимых данных и возможности доступа к ним в процессе решения проектной задачи.
· Открытость БД для внесения в нее новой информации.
· Наличие языков высокого уровня взаимодействия пользователей с БД.
· Защищенность от взлома, т.е. невозможность несанкционированного доступа к информации и ее изменение.
· Оптимизация организации БД – минимизация избыточности данных.
Избыточность БД вызывается наличием разных форм представления одних и тех же данных, размножением части данных для дальнейшего использования прикладными программами, повторными записями одинаковых данных на различных физических носителях.
|
|
|
В зависимости от объема описываемой информации на логическом уровне различают внешнюю и внутреннюю модель данных.
Внешняя модель данных (логическая подсхема) – описывает структуру информации, относящейся к некоторой конкретной процедуре или к группе родственных проектных процедур.
Внутренняя логическая модель данных (логическая схема) объединяет все подсхемы БД.
По способам отражения связей между данными на логическом уровне различают модели – иерархическую, сетевую и реляционную.
Модель называют сетевой, если данные и их связи имеют структуру графа. Если структура отражаемых связей представляется в виде дерева, то модель называется иерархической. Представление данных в виде таблицы соответствует реляционной модели данных.
Одним из принципов построения САПР является информационная согласованность частей ее ПО, т.е. пригодность результатов выполнения одной проектной процедуры для использования другой проектной процедурой без трудоемкого преобразования пользователем. Отсюда вытекают следующие условия информационной согласованности:
· Использование программами одной и той же подсистемы САПР единой БД.
· Использование единого внутреннего языка для представления данных.
Программное обеспечение, которое позволяет прикладным программам работать с БД без знания конкретного способа размещения данных в памяти ЭВМ, называю СУБД. Эти методы работы с данными реализованы с помощью алгоритмов доступа, обработки и управления. Также СУБД представляет язык определения данных (ЯОД) и язык манипулирования данными (ЯМД). Под ЯМД понимают языки, определенные как расширение конкретного языка программирования или как самостоятельные языки, позволяющие обрабатывать прикладные данные путем включения в программы специальных команд.
ЯОД разделяются на языки, описывающие логическую и физическую структуры данных. С помощью физического ЯОД описывают размещение файлов в физической среде хранения, называемое описанием физической базы данных. Отображение логической структуры данных на физическую среду хранения достигается сопоставлением имен записей и полей данных, используемых в схеме БД с именами, описывающими физическую БД.
|
|
|
СУБД должна обеспечивать простоту физической реализации БД; возможность централизованного и децентрализованного управления БД; минимизацию избыточности хранимых данных; предоставление пользователю по запросам непротиворечивой информации; простоту разработки, ведение и совершенствования прикладных программ; выполнение различных функций.
СУБД реализует два интерфейса:
· между логическими структурами данных в программах и БД;
· между логической и физической структурами БД.
Тип организации СУБД определяется так же степенью структурированности записей в составе БД. Сильноструктурированная запись – запись, построенная в соответствии с фиксированным, заранее определенным форматом всех элементов описания. К таким данным, например, относятся сведения о микросхемах.
Фактографические СУБД – СУДБ, предназначенные для хранения сильноструктурированных записей. Однако не все данные могут быть сильноструктурированными. Например, в ТЗ на проектирование могут быть выделены лишь те элементы, соответствующие заголовку, году издания, организации-разработчику и т.п. такие записи называют слабоструктурированными, а соответствующие СУБД – документальными или информационно-поисковыми. В САПР находят применение СУБД обоих типов.
Модели данных
Современные СУБД основываются на использовании моделей данных (МД), позволяющих описывать объекты предметных областей и взаимосвязи между ними. Существуют три основные МД и их комбинации, на которых основываются СУБД: реляционная модель данных (РМД), сетевая модель данных (СМД), иерархическая модель данных (ИМД).
Основное различие между этими МД состоит в способах описания взаимодействий между объектами и атрибутами. Взаимосвязь выражает отношение между множествами данных. Используют взаимосвязи «один к одному», «один ко многим», «многие ко многим».
«Один к одному» – это взаимно однозначное соответствие, которое устанавливается между одним объектом и одним атрибутом.
|
|
|
«Один ко многим» – это соответствие между одним объектом и многими атрибутами.
«Многие ко многим» – это соответствие между многими объектами и многими атрибутами.
Реляционная МД. РМД в последнее время получили широкое распространение вследствие простой формы представления данных, а также развитому теоретическому аппарату, позволяющему описывать различные преобразования реляционных данных. В РМД объекты и взаимосвязи между ними представляют в виде таблиц. Такая форма представления очень удобна для специалистов, использующих много справочной литературы. Таблица, состоящая из строк и столбцов, называется отношением. Каждый столбец в таблице является атрибутом. Строки таблицы являются картежами, т.е. упорядоченными множествами. Значения в столбце определяют из множества значений, которые принимает атрибут. Столбцы таблицы – это элементы данных, а строки – записи.
Основное достоинство реляционного подхода – его простота и доступность. Пользователи абстрагированы от физической структуры памяти. Это позволяет эксплуатировать БД без знания методов и способов ее построения. Основные достоинства РМД следующие: простота, независимость данных, гибкость, непроцедурные запросы, теоретическое обоснование на основе теории отношений.
Основные недостатки РМД: низкая производительность, по сравнения с СМД и ИМД, сложность ПО, избыточность.
Иерархическая МД. Она основана на понятии деревьев, состоящих из вершин и ребер. Вершина дерева ставится в соответствие совокупности атрибутов данных, характеризующих некоторый объект. Вершины и ребра дерева как бы образуют иерархическую древовидную структуру (ИДС), состоящую из n-уровней.
Первую вершину в дереве называют корневой вершиной ИДС. Она удовлетворяет семи условиям:
1. Иерархия начинается с корневой вершины.
2. Каждая вершина соответствует одному или нескольким атрибутам.
3. На уровнях с большим номером находятся зависимые вершины. Вершина предшествующего уровня является начальной для новых зависимых вершин.
4. Каждая вершина, находящаяся на уровне і, соединена с одной и только одной вершиной уровня і -1, за исключением корневой вершины.
5. Корневая вершина может быть связана с одной или несколькими зависимыми вершинами.
6. Доступ к каждой вершине происходит через корневую, по единственному пути.
7. Существует произвольное количество вершин каждого уровня.
ИМД состоит из нескольких деревьев, т.е. является лесом.
Древовидные иерархические структуры используются в человеком ежедневно. Примером может служить телефонный справочник или любой другой классификатор. В графической диаграмме БД вершины используются для интерпретации типов сущностей, а дуги – связей между ними. Однако в ИМД действуют строгие ограничения на представление связей между сущностями:
|
|
|
· Все типы связей должны быть функциональными.
· Структура связей должна быть древовидной.
Выбор ИМД осуществляет администратор БД на основе операционных характеристик. Введение двух ИМД, связанных между собой, позволяет решать вопросы удаления и добавления данных.
Достоинства ИМД – простота построения и использования, обеспечение определенного уровня независимости данных, наличие существующих СУБД, простота оценки операционных характеристик.
Недостатки – отношение «многие ко многим» реализуется очень сложно, дает громоздкую структуру и требует хранения избыточных данных, что особенно нежелательно на физическом уровне; иерархическая структура усложняет операции удаления и добавления; доступ к любой вершине возможен только через корневую, что увеличивает время доступа.
Сетевые МД. В СМД элементарные данные и отношения между ними представляются в виде ориентированной сети (вершины – данные, дуги – отношения). БД, описываемая сетевой моделью, состоит из нескольких областей. Область содержит записи. Одна запись состоит из нескольких полей. Набор, состоящий из записей, может размещаться в одной или нескольких областях. В СМД объекты предметной области объединяются в сеть. Графическая сетевая модель представляется в виде графа, содержащего прямоугольники и стрелки. Каждый тип записи может содержать множество атрибутов. Все записи, принадлежащие одному типу, объединяются в массив и упорядочиваются. Таким образом, полная идентификация записи в БД определяется именем массива (файла), типом записи и системным идентификатором, который уникален для каждой записи. Важным отличием СМД от ИМД состоит в том, что в СМД каждая запись может быть в любом числе наборов и может находиться на любом иерархическом уровне. Следовательно любая запись может быть задана как точка входа.
Достоинства СМД – наличие реализованных СУБД, обеспечивающих эту модель, простота реализация отношений «многие ко многим».
Недостаток СМД – сложность. При реорганизации БД возможна потеря независимых данных. Банки данных
Банки данных предназначены для хранения структурированных данных и использования их при решении широкого спектра задач. Пользователи при решении своих задач реализуют доступ к данным не простой адресацией, а через описание данных на более высоком логическом уровне, поскольку функции организации, хранения и управления данными на физических носителях возложены на банк данных.
Банк данных представляет собой совокупность БД и СУБД. БД содержит все необходимые прикладные и управляющие данные, которые могут быть использованы в процессах накопления, хранения и поиска информации. Банк данных может содержать одну или несколько БД, используемых в процессах автоматизированного проектирования.
В системах автоматизированного проектирования необходимо иметь по крайней мере четыре типа баз данных: административная база данных; технологическая база данных; база данных описания объекта проектирования; рабочая база данных.
Административная база данных – это, в общем случае, архив, в котором хранятся различные документы, такие, как описания чертежей, технологические карты, спецификации. Она заменяет обычный архив и реализует функции накопления, хранения, поиска и репродуцирования документов.
Технологическая база данных содержит данные, относящиеся к описанию технологических процессов и их поддержке. К ним можно отнести данные по нормированию технологических процессов, национальные и международные стандарты, инструкции, ведомости расхода сырья и материалов, другие технологические документы.
База данных описания объекта проектирования содержит все данные, необходимые для его полного отражения в памяти ЭВМ. К таким данным относятся идентификационные, классификационные, данные о пространственном положении объекта, технологические данные. Данные о пространственном положении объекта включают геометрические и размерные данные. Технологические данные в этом случае - это характеристики изготовления, сопоставленные с геометрическими параметрами объекта. Оперативная обработка БД объекта осуществляется с помощью внутримашинного представления, а ведение – с помощью СУБД.
Рабочая БД содержит временные промежуточные данные, которые вырабатываются в процессе выполнения программных модулей САПР.
Основой для многоаспектной обработки одних и тех же данных в различных процессах, защиты их от несанкционированного доступа и накопления больших объемов информации является структуризация данных в проблемно-независимых моделях данных и организация гибкого инвариантного интёрфейса между банком данных и прикладными задачами.
|
|
|
