автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Исследования и разработка систем машинной графики для комплексов численного моделирования нестационарных процессов механики сплошной среды

в г гГОСШРСТВЕШШ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ г I Ь им ПО ВНСКМЗ ОБРАЗОВАНИИ

2 (1 ИЮ№°ЮТСШ госзлйрстВЕннь

ш УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 831.3.08

Вельтмандер Петр Вильгелькович

ИССЛЕДОВАНИЯ И РйЗРйБОТКП СИСТЕМ НОВИНКОЙ ГРАФИКИ ДЛЯ КОМПЛЕКСОВ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ПРОЦЕССА МЕХАНИКИ СПЯОЯНОЯ СРЕДИ

05.13.16 - применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук (в форме научного доклада)

Новосибирск - 1994

Работа выполнена в Институте прикладной физики.

Научный руководитель: академик ЙТН РФ. д.т.н.. профессор В.Ф.Минин.

Официальные оппоненты: чл.-кор. ЙТН РФ. д.т.н.. профессор В.И. Нифонтов д.Ф.-м.н., профессор С.Б. Клименко

Ведущая организация: БИ СО РЙН

Ш Залита диссертации состоится 1994 г. в .часов на заседании специализированного совета Д 083.98.01 в

Новосибирском государственном университете по адресу: 630090. Новосибирск, 90, ул. Пирогова. 2,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного университета.

Доклад разослан "Л___1994г.

Ученый секретарь специализированного совета к.т.н.

Ю.И.Еремин

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Современные комплексы моделирования развертываются на вычислительной сети, включающей в себя специализированные процессоры для кассового счета, универсальные ЗБМ общего назначения и персональные рабочие станции. При этом различные комплексы и этапы моделирования предъявляют существенно отличающиеся, противоречивые требования к вычислительным ресурсам, графическому оборудовании и поддерживающему его программному обеспечению. При развертывании таких систем должны быть проработаны проблемы создания и разделения графического программного обеспечения между ЗВН сети, проблемы обеспечения графического взаимодействия и, наконец, проблемы построения функционально- и проблемно-ориентированных модулей. Решению этих актуальных задач и посвящена настоящая диссертация.

Исследования и разработки, полоненные в основу диссертации, проводились в Институте прикладной физики в рамках 15 НИР и ОКР ("Контур". N ГР Х-23178; "Обь". Н ГР Х-63290; "Черта", N ГР Я-65442; "Топаз", N ГР Х-67849: "Яхонт". N ГР Х-31187; "Сеть-2", N ГР Х-89172; "Мальта", N ГР Я-66673; "Призма". N ГР Х-29719; "Фасад"; "Радуга", N ГР Х-33305; "Заводило-ЙН", К ГР Х-33595; "Гамма"; "Гамма-7.1": "Озон". "Гамма-Т").

Цель работы заключалась в исследовании способов создания распределенных систем интерактивной машинной графики; Формулировании рекомендаций по построении компонент систем; выработке критериев оценки их эффективности и способов оптимизации; практической реализации систем, включающих в себя базовое, функционально-ориентированное и прикладное программное обеспечение главных и терминальных ЗВН сети, предназначенное для использования в комплексах численного моделирования и выполнения научно-технических и проектировочных расчетов. Основкые задачи исследований;

1. Разработка многоуровневого сетевого графического протокола, обеспечивающего как эффективную работу графического оборудования, подключенного к различным терминальным ЭВМ, так и высокую эффективность программ конечных пользователей.

2. Исследования методов построения и оптимизации показателей распределенных систем интерактивной машинной графики, удовлетворяющих экстремальным требованиям приложений.

3. Исследования и разработка Форм и методов представления графической информации для растровых устройств.

4. Разработка программного обеспечения машинной графики главных и терминальных ЭВМ сети, включающего в себя аппаратно-ориен-тированные и переносимые, аппаратно-независимые пакеты графических подпрограмм (графпзкеты).

5. Разработка средств графического взаимодействия с системами численного моделирования нестационарных процессов механики

сплошной среды.

Научная новизна состоит в разработке оригинальной организации распределенных систем интерактивной машинной графики, базирующихся на иерархических управляемых сетевых графических протоколах; разработке архитектура и реализации системы ДИГРАФ. состоящей из логически связанных многоязыковых оригинальных граопа-кетов и локального программного обеспечения терминальных ЭВМ сети. -впервые в стране предоставившей возможности работы с растровыми графическими устройствами; в разработке состава и средств системы массовой интерактивной машинной графики; в разработке инструментальных сервисных средств поддержки систем математического моделирования, обеспечивающих широкое внедрение вычислительной технологии в процессы исследований и разработки новых изделий.

Практическая ценность, йвторо:: предложены и обоснованы архитектура и состав распределенных систем интерактивной машинной графики комплексов численного моделирования нестационарных процессов механики сплошной среди, базирующихся на иерархических управляемых сетевых графических протоколах; исследована передача данных результатов численного моделирования в сети, предложены, обоснованы и экспериментально подтверждены способы повышения скоростей передачи; предложено и обосновано использование методов поэлементного снатия для представления результатов моделирования: предлоаен способ построения функционально-ориентированных средств ввода, базирующихся на процедурном расширении входного языка с независимостью построения и исполнения сценария диалога. На основе исследований, выводов и рекомендаций, представленных в диссертации, автором создано и внедрено программное обеспечение интерактивной машинной графики, служащее основой для создания комплексов математического моделирования и включающее в себя иерархии графпакетов системы ДИГРАФ, управляющие программы терминальных комплексов, систему массовой интерактивной машинной графики, функционально-ориентированные средства, прикладные графические системы.

Графпакеты системы ДИГРАФ обеспечивают работу с графическим оборудованием из задач пользователей с выбором наиболее эффективной границы разделения функций между главными и терминальными ЗБМ сети и поддержкой аппаратной независимости и переносимости прикладных программ.

Управляющие программы терминальных комплексов поддерживают использование самых различных графических устройств ввода, вывода и документирования на терминальных ЭВМ сети.

Система массовой интерактивной графики предоставляет средства графического взаимодействия в обычной терминальной сети, использующей алфавитно-цифровые дисплеи.

Функционально-ориентированные средства ввода позволяют строить диалоговые программы с языком диалога в виде иерархичес-

кого меню директив с предоставлением средств диалогового, диало-гово-пакетного и пакетного исполнения программ.

Прикладные графические системы обеспечивают формирование, сохранение, оперативное отображение и документирование машинных фильмов, подготовку различного рода иллюстративных материалов.

Создание и внедрение указанного программного обеспечения позволило развернуть целый ряд систем математического моделирования, в том числе и систему на мультипроцессорном вычислительном комплексе ПС-2000, более чем на два порядка сокращавшую время решения Физических задач.

Различные компоненты разработанного программного обеспечения внедрены во многих организациях различных отраслей и ведомств и широко используются в системах математического моделирования, автоматизации научных исследований и проектирования, в задачах анализа и обработки экспериментальной информации и способствуют решении важных народнохозяйственных задач. Как указанное программное обеспечение (в составе комплекса ГАММА), так и одна из прикладных систем, использующих его с расчет защиты космических аппаратов БЕГА), были отмечены наградами ВДНХ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуядались на семинарах ИПФ, ВЦ СО РАН, Новосибирского филиала ИТМ и ВТ. ИПУ (Москва), ИППИ (Москва). ИПН (Тбилиси). СЗИ СО РАН (Иркутск), ИйиПУ (Владивосток), ИЙЭ (Москва), ИФВЭ .(Протвино); докладывались на Всесоюзных научно-технических конференциях по автоматизации проектирования: АСП-75 (Новосибирск, 1975), ДСП-77 (Пермь, 1977), АСП-79 (Мелезнодорожный, 1979); на Всесоюзных конференциях "Диалог человек - ЭВМ": "Диалог-82" (Ленинград,

1982), "Диалог 82-микро" (Пущино, 1982), "Дналог-83" (Протвино,

1983); на Всесоюзной конференции по проблемам машинной графики, (Новосибирск, 1982); на 7-й Всесоюзной тсколе-семинаре по вычислительным сетям, (Цахкадзор, 1982); на семинаре "Графические диалоговые система" (Киев, 1983); на 5-й школе-семинаре "Интерактивные системы" (Кутаиси, 1983); на региональной научно-технической конференции "Комплексные аэрокосмические и наземные исследования динамики природных ресурсов Сибири" (Иркутск, 1983); на школе-семинаре "Создание программного обесп?чения вычислительных комплексов и систем новой архитектурьг" (Новосибирск,

1984); на 3-й Всесоюзной конференции по проблемам машинной графики и цифровой'обработки изображений (Владивосток, 1985); на межотраслевой конференции "Математическое моделирование нестационарных процессов механики сплошной среды" (Новосибирск, 1986): на семинаре "Проблемы автоматизации проектно-конструкторских работ" (Сетунь, 1986); на Всесоюзной школе-семинаре "Информатика и интерактивная компьютерная графика" (Цахкадзор, 1987); на Всесоюзной научно-технической конференции "Микропроцессорные системы автоматизации технологических процессов" (Новосибирск, 1987); на 4-й Всесоюзной конференции по проблемам машинной графики С Прот-

вино, 1987); на 5-й Всесоюзной конференции по машинной гргфике (Новосибирск, 1989 ): на 1-й Всесоюзной школе. "Автоматизация исследований, конструирования и производства (Обнинск, 1991).

На основе исследований и разработок диссертационной работы автором были подготовлены и прочитан« лекции: на школе "Автоматизация и эффективность научных исследований" (Протвино, 1983): на школе-семинаре "Создание программного обеспечения вычислительных комплексов и систем новой архитектуры" (Новосибирск. 1984); на Всесоюзной школе-семинаре "Информатика и интерактивная компьютерная графика" (Цахкадзор, 198?): на ряде скол ИГУ для преподавателей вузов, начиная с 198? г.; на 1-й Всесоюзной школе "Автоматизация исследований, конструирования и производства (Обнинск. 1991); на летней школе ВКИ Ю в 1993 г.

За работы, имевшие ваяное народнохозяйственное значение, автор в 1988 г. был награжден бронзовой медалью ВДНХ, а в 1990 г. э составе коллектива отмечен Премией Совета Министров СССР в области механики.

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 29 основных работах.

г. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

2.1. Параметры задач численного моделирования и требования к средствам машинной графики

В настоящее время преобладающим является решение двумерных нестационарных задач механики сплошной среды. Задачи решаются шагами по времени методом сквозного счета. Количественные параметры типичных двумерных задач приведены в табл. 1. Переход к производственному -счету трехмерных задач, кроме прочего, тормозится и существенным усложнением проблем, связанных с

Количественные параметры задач Таблица 1

Параметры Вид задачи

Тестовая Малая Средняя Большая

Расчетное поле, ячеек 256x128 256x128 512x128 1024x256

Рассчитываемых параметров 5-15 5 15 15

Объем данных на яаге, Кбайт 540-1320 640 3840 15360

Шагов по времени <-100 2048 2048 2048

Сумнарн. объем данных, Мбайт 63-188 1280 7680 30720

lilar вывода кадров изображен. 1 10 10 10

Объем одного кадра, Кбайт 32 32 64 256

Суммарный объем кадров,Мбайт 3.1 6.4 12.8 51.2

визуализацией трехмерных полей рассчитываемых величин.

В решении таких задач автор предлагает выделить четыре этапа [1-3,5,18], требующих различных средств машинной графики:

Постановка задачи и задание исходных данных

Счет, накопление и отображение результатов

Формирование машинных Фильмов, документирование

Анализ результатов

Рис. 1. Этапы численного моделирования и требуемые средства машинной графики

Комплекс численного моделирования, ориентированный на использование не разработчиками, а конечными пользователями, может рассматриваться как уникальная экспериментальная установка, имеющая. как всякое промышленное изделие, три различных стадии своего жизненного цикла:

1. На стадии разработки комплекса преобладающее значение имеют этапы исследований, программирования и анализа. От средств машинной графики требуется обеспечение переносимости и легкой адаптируемости к различным ЭВМ и техническим средствам. Основной показатель эффективности здесь - легкость и простота использования разработчиками.

2. На стадии эксплуатации, характеризующейся массовым счетом, наиболее вакны этапы постановки задач, расчета, документирования и анализа. Основные показатели эффективности средств машинной графики здесь - минимальные накладные расходы; ■ поддержка комфортных средств взаимодействия конечных пользователей с комплексом: простота адаптации к новым техническим средствам.

3. На стадии снятия с эксплуатации от средств мааинной графики требуется обеспечение сохранения я переноса в новую среду накопленных результатов.

В зависимости от моцности и возмоаностей средств визуализации и конфигурации вычислительной системы комплексы численного

моделирования ножно разбить на следующие три типа: 1) с низкпин-теллектуальным дисплеев (ранние комплексы 1970-1975 гг.). основной процессор выполняет расчеты, формирование и вывод изобраке-ний; 2) с рабочей станцией средней мощности (1976-1990 гг.). имевшей сродства по автономному манипулированию изобракениями, их сохранений и документированию, основной процессор (процессоры) выполняет вычислительную работу и фориирует данные для визуализации: 3) с суперстанцнгй (90-е гг.. за рубежом), основной процессор (суперкомпьютер) выполняет моделирование и "сбрасывает" весь числовой материал на рабочая станцию для визуализации, за счет чего расчеты наиболее полно отделяются от визуализации. Обобщенная конфигурация комплексов численйого моделирования может быть представлена схемой :

ППП расчета

> Система визуализации <

Аппаратура

|<-----Главная ЭВМ-----> <--- Терминальная ЭВМ —>|

Рис. 2. Конфигурация комплексов численного моделирования

Основная задача машинной графики - предоставление средств построения эффективной системы визуализации, которая должна оптимальным образом распределяться между различными процессорами вычислительной системы и поддерживать набор функций ввода/вывода, адекватный потребностям. Проанализируем подходы к построению систем машинкой графики.

2.2. Концепции построения систем машинной графики

В построении графических систем подавляющее применение получил подход, основанный на семантическом расширении существующего языка пакетом графических подпрограмм. На этом пути достигнуты основные успехи в использовании и развитии средств машинной графики, в том числе связанные с: 1) обеспечением аппаратной независимости прикладных программ от используемых графических устройств; 2) обеспечением адаптируемости прикладных программ, т.е. легкости приспособления к новым Функциональным требованиям; 3) обеспечением ыобкдьности прикладных программ, т.е. легкости их переноса в иное окружение.

Аппаратная независимость средств отображения обеспечивается их построением по иерархическому принципу в биде набора фиксированных уровней с четким соблюдением интерфейсов между ними. Каждый уровень является для последующего некоторым виртуальным графическим устройством. Сложилось разбиение на три уровня; 1) на никнем уровне располагаются аппаратно-зависимые драйверы, формирующие файлы вывода на графические устройства; 2) на среднем

уровне находится аппаратно-независимый графпакет общего тзначе-ния: 3) на верхнем уровне находятся функционально- и проблемно-ориентированные графпакеты.

Реализация системы машинной графики на той или иной конфигурации технических средств пороадает проблему распределения Функций ввода/вывода меяду компонентами графической системы, размещенными в различных ЭВМ. Можно выделить два основных типа распределенных графических систем: системн с жестко заданным распределением функций и системы с изменяемым распределением.

Системн с жестко заданным распределением Функций используют терминальный комплекс как некоторый виртуальный графический терминал ("черный ящик"). Распределение функций устанавливается и фиксируется на этапе проектирования графической системы. Такие системы просты в разработке, высокоэффективны, но перераспределение функций трейуат перепроектирования в том числе и прикладных программ.

Системы с изменяемым (программируемым) распределением функций позволяют менять его в процессе эксплуатации графической системы за счет предоставления прикладному программисту средств написания для сателлита собственной программы. В этом случае требуется решить слоншую проблему взаимодействия модулей прикладной программа, размещенных в разных ЭВМ в общем случае с отличающимися системами программирования и команд.

Для достижения необходимых скоростных показателей в сочетании с достаточной, но не излишней гибкостью использования в гетерогенной вычислительной сети автором предлокен подход с управляемым распределением, заключающийся в организации средств машинной графики в виде некоторой иерархии "черных ящиков" с предоставлением прикладному программисту средств выбора того или иного "черного яцика". Модификация же его "начинки" в процессе эксплуатации системы требуется сравнительно-редко и выполняется как отдельная системная работа.

Принципиальным моментом в разработке распределенной системы является выбор оптимального разделения Функций вывода/ввпда между терминальной и главной ЭВХ. Проанализируем возможные границы разделения Функций меаду главной ЭВМ (ГМ) и терминальной ЭВМ (ТН), используя общепринятую модель вывода в графической системе (сн. рис. 3). На этом рисунке: структурированный дисплейный Файл - описание изображения в виде иерархии вложенных объектов; линейный дисплейный Файл - описание изобра&ения в виде последовательности примитивов, возмовно разбитых на отдельные поименованные сегменты.

ВИВ1. ГН готовит высокоуровневую информацию для построения структурированного дисплейного Файла. ТМ формирует его и поддерживает работу с таким файлом, т.е. обмен информацией производится на наиболее высоком семантическом уровне.

ВИ2. ГН формирует структурированный дисплейный ф?йл и пе-

редает его на хранение и интерпретации в ТМ. В этом случае возрастает разнообразие и сложность передаваемы^ данных, так как кроме информации по построению изображения в сетя должна циркулировать информация, связанная с управлением структурой данных.

БД

ПП

ВЫВ 1

ВЫБ4

>

Рис. 3. Модель процесса вывода

БД - база данных прикладной программы: ПП - прикладная программа; ГСДФ - генератор структурированного дисплейного файла; СДФ -структурированный дисплейный файл; ГЛДФ - генератор линейного дисплейного Файла; ЛДФ - линейный дисплейный Файл; ДК - дисплейный контроллер: ВНВ1, ВНВ2, ВНВЗ, ВНВ4 - возможные границы разделения функций вывода между главной и терминальной ЭВМ.

ВКВЗ. ГМ Формирует информацию для построения линейного (сегментированного) дисплейного файла. ТМ формирует его и поддерживает работу с ним.

ВЫВ4. ГМ формирует линейный (сегментированный) дисплейный Файл к в виде команд сетевого протокола передает его на ТМ, задачами которой являются лишь поддержка приема и интерпретация Файла в изобракение. Требования к ТМ в данном случае минимальны.

В соответствии со сказанным выие в системах машинной графики для комплексов численного моделировайия предлагается разделение функций вывода между терминальной и главной ЭВМ по границам ВЫВ1, ВЫВЗ и БЫБ4. Первые две обеспечивают аппаратную независимость, а последняя соответствует минимальным требованиям к терминальной ЭВМ и максимальному быстродействию. В последнем случае, с целью минимизации затрат на интерпретацию при отображении на наиболее интенсивно используемые устройства, в качестве протоколов передачи автором были выбраны протоколы векторного и растрового дисплеев. Работа с другими устройствами обеспечивается с помощью набора интерпретирующих программ.

Проанализируем функционирование системы 'ввода при выборе различных границ разделения функций между главной и терминальной ЭВМ, используя общепринятую модель Формирования данных логических устройств ввода (рис. 4).

ВВ01. ТМ выполняет обработку прерываний только на Физическом уровне. Информация о прерывании передается на ГМ, которая проводит всю дальнейшую работу. Такое распределение Функций естественно при использовании алфавитно-цифровых терминалов, для которых уже на этом уровне обеспечивается аппаратная независимость.

ВВ02. ТМ выполняет все работы по вводу, включая лексическую

обработку драйзераии устройств (редактирование, эхо-отобраяе-ние). Для части логических устройств ввода, таких как клавиатура, датчик и выбор, информации на рассматриваемой границе достаточно для формирования выходных аппаратно-независимнх данных.

Усг-ва

ввода

Г оп - — ло —,

Обра- Лекси-

бот- ческая

ка обра-

пре- ботка

рыва- драй-

ний верами

В, 01 Е

ОВ

Очередь ввода

I I

Г ЛА И г СЙ — г— СО —,

Лекси- Синтак- Семан-

ческий сичес- тичес-

анализ кий кая об-

в прик анализ работка

ладной в прикл в прикл

прогр. прогр. прогр.

В 04 05

В 8 02 ввоз

Рис. 4. Модель процесса ввода

ВВ01,ВВ02.ВВ03.ВВ04.ВВ05 - возмонные границы разделения ввода меяду главной и терминальной ЭВМ.

Функций

ВВОЗ. ТМ. дополнительно к БВО2. ведет очередь ввода, которая читается и обрабатывается ГМ. На этой границе раздела уровень аппаратной независимости сохраняется, но несколько упрощается взаимодействие частей графической системы, размещенных на разных ЭВМ. при использовании метода ввода по событиям. В данном случае от программного обеспечения ГМ не требуется поддернка работы нескольких асинхронных процессов.

ВВ04. ТМ ведет контроль использования лексем входного языка диалога во вводимых данных. Так как построение входного языка -Функция уже прикладной программы, то разделение по этой границе предполагает размещение части прикладной программы в ТМ, т.е. ее программное обеспечение становится проблемно-ориентированным. С необходимостью в сторону проблемной ориентации доляен меняется и протокол связи.

ВВ05. ТМ выполняет все работы вплоть до анализа синтаксиса предложений входного языка. Т.е. программное обеспечение ТМ и протокол связи становятся еще более проблемно-ориентированными.

В системах маиинкой графики для комплексов численного моделирования разделение Функций ввода между терминальной и главной ЭВМ автор предлонил проводить по границам ВВ01 - ВВОЗ, так как:

- разделение по границе- ЁВ01 целесообразно при использовании диалога. ориентированного на ввод с клавиатур:

- разделение по границам ВВ02, ВВОЗ целесообразно как при диалоге с помощью клавиатур, так и при использовании средств графического ввода, причем кроме достаточного быстродействия и разгрдшенности ГМ на этих границах раздела, и особенно кз ВВОЗ, обеспечивается максимальная функциональная независимость программного обеспечения ГМ и ТИ.

Разделение ве по границам ВВ04 - ВВ05 требует предостагле-ния средств размещения части прикладной программы в ТИ. что для комплексов численного моделирования нецелесообразно в связи с их экстремальными требованиями к вычислительной мощности.

В соответствии с изловенным выше автором предлояена и реализована структура средств вывода (см. рис. 5), обеспечивающая возыонности как аппаратно-ориентурованного вывода, отличающегося минимальными требованиями к терминальной ЭВМ при максимальном быстродействии (левая часть рис.), так и аппаратно-независимого вывода (правая часть рис.), обеспечивавшего простоту адаптации к новым техническим средствам и мобильность прикладных пакетов.

l

1

Функции вывода

^Преобразования и отсечения-'

I— J —v-

Генер. диспл. '— файла 1 —

Генер. диспл7|

Файла М

^-"дисплейный файл 1 J [-Дисплей 1-|

Г 2 -

Структуриров. дисплейный файл

I—Преобразования и

отсечения-1

Генератор псевдодисплейного - файла -

Ясевдодисплейный файл

-I 1 Интерпретаторы в дис-I-' лейные файлы

->L- Дисплейный файл N \ Дисплей N |

2

7

Рис. 5. Предлагаемая структура системы вывода |{ - отделяет аппаратно-ориентированные от

аппаратно-неэависимых средств —- Границы разделения функций: 1 - соответствует грани'ие"разде-ления Функций ВЫВ 1 в модели процесса вывода (см. рис. 3): 2 соответствует ВНВЗ; 3 соответствует ВЫВ4.

Для наилучшего удовлетворения потребностей конкретных прилоае-ний предоставлена возмояность динамического выбора протокола работы. Выбор осуществляется назначением требуемой библиотеки на главной ЭВМ и определяет комбинацию способа разбиения изображения на отдельные поименованные подкартины (сегменты) и границы

разделения функций вывода изображений между главной и терминальной ЭВМ. Предусмотрены три границы разделения Функций, соответствующих предложениям по модели вывода (си. рис. 3).

Структура средств ввода, предлоненная и реализованная автором для систем машинной графики комплексов численного моделирования. показана на рис. 6. Предусмотрены два типа средств ввода. Первый имеет аппаратно-ориентированный характер. При этом часть обслуживающей работы выполняет главная, а часть - терминальная ЭВМ. Разделение функций ввода идет по границе I (см. рис. б), которая соответствует границе 8В01 в модели ввода на рис. 4. Второй тип средств ввода поддеряивает реализацию синхронного и асинхронного ввода. При этом все обслуяивание выполняет терминальная ЭВМ с передачей в главную ЭВМ готовых сообщений. Разделение функций системы ввода между главной и терминальной ЭВМ идет по границе 3 (см. рис. 6). которая соответствует границе ВВОЗ в модели ввода на рис. 4. Разделение по границе 2 (см. рис. 6), которой соответствует граница ВВОЗ в модели ввода на рис. 4, обеспечивается механизмом запроса последнего сообщения иэ буфера на терминальной ЭВМ.

Терминальная ЭВМ 12 3 Главная ЭВМ

Диалого- _ Обраб. _ Буфера _ _ Формир. 1 1 Буфера —. Функции

вые уст- преры- преры- сообще- 1 сооб-

ройства — ваний — ваний — ний 1 щений — — ввода

Рис. б. Предлагаемая структура системы ввода

2.3. Оптимизация обработки и передачи данных в распределенных графических системах

2.3.1. On-line вывод. Иэ количественных параметров задач, приведенных в табл. 1, и требуемых средств машинной графики, показанных на рис. 1. ясно, что наиболее тщательного проектирования и оптимизации требует тракт вывода изображения в процессе счета задач (on-line вывод), схема выполнения которого приведена на рис. ?. Затраты времени при последовательной обработке составляют:

Тс = ТФ + Тг + Тв + Тп + Тч + Ти + То

где: Тс - суммарное время, включающее затраты времени :

Тф - на формирование изображения. Тг - на генерацию команд протокола, Тв - на выполнение вывода. Тп - на передачу данных каналом связи, Тч - на чтение данных из канала, Ти - на интерпретацию. То - на отображение.

Рис. 7. Выполнение on-line вывода

БФ - блок формирования изобрааения; БГ - блок генерации команд протокола: БЧ - блок чтения; БИ - блок интерпретации протокола; БО - блок отображения: БЗВ - блок записи/воспроизведения.

Исследуем скоростные характеристики и факторы, их определяющие и регулирующие для рассматриваемой схемы вывода.

Блоки формирования изобраяений. С учетом того, что доля растровых примитивов подавляюща, основной задачей таких блоков является операция нормировки, при которой расчетной величине ставится в соответствие значение кода пиксела изобравения. Суммарные вычислительние затраты линейно зависят от числа генерируемых пикселов и достигают заметных значений Сем. табл. 1). В этой связи необходимо параллельное выполнение расчетов и отобра-яения. Процессор расчетов формирует временную базу данных (см. рис. 1). интерпретируемую процессором визуализации. Суммарный временной выигрыш моает быть получен только при их отдельной аппаратной реализации. Тем не менее для обеспечения независимости расчетов и визуализации это полезно и на однопроцессорных главных ЭВМ, когда распараллеливание достигается разделением времени ее ЦП менду указанными (программно реализованными) процессорами.

Один из простых вариантов такого разделения - организация процессоров счета и визуализации в виде модулей, вызываемых монитором комплекса моделирования, был реализован автором в [1,2]. Реализационно более слокный, ко технологически более удобный вариант. обеспечивающий независимость разработки этих процессоров и пригодный в многопроцессной операционной среде, заключается в параллельном исполнении процессов счета и визуализации как отдельных задач с "подсматриванием" за решением из параллельно запускаемого процесса визуализации. Он был использован в 151. Вариант с аппаратно разделенной реализацией процессоров счета и визуализации исследовался на мультипроцессорном вычислительном комплексе ПС—2000 на системе "СТЕРЕО ПС". В последнем случае затраты мультипроцессора на шаг расчета составляют 1-4 с. Исследования показали, что нормировка на управляющей ЭВМ ПС-2000 -мини-ЗВМ СМ-2 требовала 20 с. Предложенное автором перераспределение нормировки между мультипроцессором и СМ-2 обеспечило ее выполнение за 2.5 с. В СМ-2 исполнялся параллельный процесс чтения результатов с суммарными-затратами в 5.5 с. Полные затраты

при двойной буферизации буферов составили около 5.5 с.

Из анализа работы блока Формирования изображения мояно сделать следующие выводы:

- для исследовательских расчетов наиболее удобная и гибкая Форма организации этого блока - в виде программного процесса, исполняющегося параллельно со счетным:

- для повышения скоростных характеристик этого блока, требуемого при производственном счете, необходима его реализация в виде самостоятельного процессора с соотношением скоростей процессоров счета и визуализации: Ув= Ур*Кр*5в/Кв. Где Ур - скорость процессора счета, Ир - число операций, выполняемое 'на рассчитываемую ячейку, 5в - иаг визуализации, Кв - число операций, требуемое для визуализации.

Блоки генерации команд протокола. Задачей этих блоков является формирование описания изображения и передача его на вывод. Сокращение временных затрат здесь может достигаться тремя способами: 1) повышением быстродействия программно-технических средств: 2) .распараллеливанием работы; 3) уменьшением объема передаваемых данных за счет повышения их семантического уровня. Автором были исследованы все эти способа. Возможности повышения быстродействия при заданных аппаратных средствах и операционной окрунении довольно ограничены. Здесь использовалось и монет быть рекомендовано снятие временной профилеграммы с последующей оптимизацией структуры блока и тщательным программированием критичных Фрагментов. Возможности распараллеливания так ае регламентируются аппаратурой и операционной средой. Здесь нонет быть рекомендована двойная буферизация менду блоками формирования и генерации. Наибольшие возможности по оптимизации оставляет третий способ. Здесь исследовались три возмояности: 1) предоставление пользователю примитивов различного семантического уровня (однотонно закрашенные области, массивы пикселов, фрагменты строк и просто отдельные пикселы): 2) автоматическое повыаение семантики за счет выявления Фрагментов строк и закрашенных областей: 3) выбор протокола работы в зависимости от используемых каналов связи, характеристик и загрузки взаимодействующих ЭВМ. Первая возможность предполагает хорошее знание разработчиком комплекса моделирования особенностей и логики работы программно-технических средств визуализации. Такая возможность реализована автором в графпакете ДИГРАФ.Р. В частности, при этом достигались затраты на формирование команд протокола для средней задачи в 1.25 с -при использовании массивов пикселов, в 3 с - при использовании последовательно формируемых фрагментов строк и в ?.б с при использовании неупорядоченных пикселов. Вторая возмоишость наряду с первой реализована автором в аппаратно-независимом графпакете ДИГРАФ.ГКС и, вообще говоря, не обеспечивает эффективности, достигаемой при "ручном" повыиении семантики, но менее требовательна к пользователю. Третья возмокность, дающая наибольший эф-

Фект, реализована автором за счет общей организации системы вывода в виде иерархии управляемых протоколов (см. выше п. 2.2).

Блоки вывода и чтения. Параметры этих блоков определяются сетевыми интерфейсами и дисциплиной обслуживания. Для исследования характеристик средств вывода/чтения автором предложено описывать затраты времени на обработку п элементов данных каналами простыми линейными моделями вида;

Тв(п) = Тнв + п * Ъэв - для блока вывода

Тч(п) = Тнч + п * Ьзч - для блока чтения здесь Тв и Тч - суммарные затраты: Тнв и Тнч - накладные расходы на организацию обмена; 1эв и t34 - затраты на обработку одного элемента данных.

Оптимальное значение п. соответствующее равенству затрат вывода и чтения: п = (Тнч - Тнв) / (tae - t$4)

Оптимального значения п не существует, если:

1) скорости интерфейсов равны Шв = Ьэч). но накладные расходы различны (Тнч « Тнв):

2) накладные расходы равны (Тнч = Тнв), но различны скорости интерфейсов (tsB я Ьэч):

3) различны знаки разностей в выражении для п, т.е. если один канал имеет меньшие накладные расходы при меньших же затратах на обработку элемента.

В оставшихся случаях оптимум возможен.

Существенным критерием для выбора значения п является суммарное время обмена. Полные затраты на обмен L элементами блоками с Фиксированной длиной в п элементов данных:

Тс = К * (Тн + n * ts) у

где К = Int ((L-i)/n) + 1 - число блоков в обмене и может быть оценено значением L/n. Отсюда следует, что сокращение затрат при заданных накладных расходах достигается при увеличении длины обмена. Увеличение se п ограничено тем, что: 1) с увеличением длины блока возрастает вероятность искажения при передаче; 2) ограничены ресурсы для выделения буферов обменов.

Наконец, длину обмена целесообразно выбирать "естественной", соответствующей структуре генерируемого описания изображения. Такими длинами могут быть длины записей дисплейных файлов, длины строк растрового представления решения и т.д. При выборе "естественной" длины облегчается распараллеливание.

Важное значение имеет организация работы с интерфейсом связи. Возможно использование каналов прямого доступа к памяти и программных каналов, работающих по опросам или прерываниям.

Блок записи/воспроизведения. Сохранение изображений на рабочей станции целесообразно осуществлять на двухуровневой внешней памяти. Оперативное хранение - на жестком диске, долговременное - на магнитной ленте. При последовательной записи на жесткий диск время записи кадра, изображения средней задачи составляет в зависимости от типа винчестера от 0.1 до I с (от 1.4

до 11.5 мкс на байт). При использовании накопителей на магнитной ленте типа СИ 5300.01 и последовательной не записи блоками длиной 512 байт ьремя записи кадра изобраяения средней задачи занимает не менее 59 с (898 мкс на байт).

Блоки интерпретации и отображения. Назначение этих блоков, образующих графический процессор (см. рис. 7). в общем случае заключается в собственно интерпретации команд протокола в изображение: возможной записи принятых данных на внешние устройства; формировании или воспроизведении ыаиинных фильмов.

Затраты на интерпретацию протокола зависят, кроме прочего, от типа протокола и его представления.

При использовании аппаратно-ориентированных протоколов их интерпретация заключается в анализе блока данных и переписи соответствующей его части в устройство. Затраты времени на интерпретацию протокола при передаче растровых данных существенно меньше затрат на ввод, так как на одну растровую строку требуется до 8 байт командных данных протокола, т.е. около 1.5% суммарного объема, а их обработка Фактически состоит в исполнении нескольких команд передачи управления и запуске переписи данннх в дисплей. Векторные дисплеи обычно используют дисплейный Файл, разбитый на небольшие сегменты, и подключаются к терминальной ЭВМ по прямому доступу, поэтому их вкладом в затраты на интерпретацию по сравнению с растровыми дисплеями моано пренебречь. В зависимости от соотноыения скоростей приема данных из канала и переписи в устройство целесообразны конфигурации с одинарной или двойной буферизацией. Если Тч << Ти + То или Тч >> Ти + То, то полные скоростные параметры определяет графический процессор или блок ввода, соответственно. В этом случае достаточно однократной буферизации. Если ве эти времена одного порядка, то целесообразна двойная буферизация принимаемых данных (рис. 8).

-Граф. процессор-

П

2 буфер ввода

Блок ОТО 1 1 Блок

бражения 1 е 1 чтения

1 — — .1 1 -V-

и___}

а) одинарный буфер Тч << Ти + То Тч >> Ти + То

1 буфер ввода

Интерпретатор

1

5лок ото бражения

__J

—и-

Видеопамять

или

____1

б) двойной буфер -

= - текущие потоки данных -- последующие потоки данных

Рис. 8. Отображение при аппаратно-ориентированном протоколе

При использовании аппаратно-независимого протокола услорня-ется структура графического процессора. Заметный, а иногда и подавляющий вклад вносит процесс интерпретации. В реализации графического процессора такяе мокет быть целесообразно использование двойной буферизации, если времена интерпретации и переписи в видеопамять одного порядка сем. рис. 9а. 96). Частный случай реализации графического процессора с записью в видеопамять непосредственно из интерпретатора показан на рис. 9в.

2.3.2. Представление данных. Ванное влияние на скоростные характеристики тракта вывода и объем описания изображения, кроме условий и параметров рассмотренных выше, оказывает и выбор представлений данных. Проанализируем возмояности повышения эффективности за счет выбора подходящих представлений.

Предметная область. Влияние графической системы на представление данных предметной области носит характер рекомендаций, которые учитываются пользователями только в случаях экстремальных требований прилояений.

Графическая система. Внутреннее представление данных в графической системе практически предопределено. Здесь имеется всего две возиокности повышения эффективности: 1) отказаться от представления изобранения в мировых вещественных координатах Смегаба-ры, парсеки и т.п.), что не только избавляет от обычно единичного геометрического преобразования, но и позволяет избавиться от вещественной арифметики; 2) повысить семантический уровень передаваемых данных эа счет введения соответствующих примитивов. Оба эти способа реализованы в графпакетах представляемой системы ДИГРАФ и в определенной мере повышают эффективность.

> Интерпретатор

П

—V-1

Буфер |=>

Блок ото-бракения

~П-

Видеопамять

а) однократная буферизация Ти « То или Ти >> То

Буфер 2 А__ :

> Интерпретатор Блок отображения «=*> Интерпретатор

1 Буфер 1 ii -v- Видеопамять п., Видеопамять;

б) двойная буферизация = - текущие данные -- последующие данные

в) простой ■ процессор

Рис.9. Графический процессор при аппаратно-незлвисимом протоколе

Каналы связи. Основная и не зависящая от пользователя воз-кокность управления эффективностью заключается в выборе подходящих представлений для запоминания и передачи информации.

Здесь мояно выделить 4 способа представления данных:

- внутреннее двоичное, обычно аппаратно-ориентированное, представление служит для достижения максимального быстродействия и использует все биты элемента данных;

- унифицированное двоичное представление основано на плотной упаковке различных полей команды сетевого графического протокола в слово ЭВМ, используется при аппаратно-незаэисином протоколе и допустимости фиксированного размера поля координатных данных, также занимает все биты элемента данных;

- символьное представление используется при аппаратно-независи-мом протоколе, целесообразности плавающего размера поля координатных данных и при необходимости работы с операционными системами и средствами связи, налагающими ограничения на использование всех 8 бит байтов данных; достигаемая скорость обработки меньше чем в унифицированном двоичном представлении, но компактность монет 6birь выше за счет почти двухкратного снатия некоторых видов двоичных данных (291;

- явное текстовое представление используется при необходимости манипулирования данными непосредственно человеком, когда под эффективностью понимается удобство работы человека.

Автором в 1975-1983 гг. были предложены и1 реализованы [3-7,10,13,171 внутреннее и унифицированное двоичные и явное текстовое представления, символьное представление было реализовано в 1985 г. [221. В 1984-1987 гг. появились проекты международные стандартов на синтаксис и семантику такого сорта представлений.

2.3.3, Кодирование растровых изображений. Ясно, что для сокращения объемов маиинных Фильмов необходимо использовать упаковку. Сравнительный анализ методов показал, что наиболее удобны методы с поэлементной обработкой, основанные на кодировании либо каждого, либо совокупности пикселов. Их отличительные свойства: хорошее соответствие структуре решения; возмокно кодирование без потерь информации: при кодировании цветных изображений не требуются разделение цветов. Практический интерес среди таких методов представляют: кодирование с учетом предшествующего пиксела, кодирование серий пикселов строки, кодирование соседних строк, меякадровое кодирование, которые и были реализованы как в составе графпакетов, так и в автононной прикладной системе ФИЛЬМ.

Совокупность указанных выие способов кодирования позволяет в среднем сжимать изображение в 10-20 раз. Средствами, реализованными автором, кадр средней задачи кодируется за время порядка 5-16 с на Гамме-4.2. 1-3 с на IBM PC AT и 3-15 с на БЗСМ-6. т.е. с затратами в 76-244, 15-46 и 46-229 мкс на упаковку Сайта.

Соответствующие средние времена распаковки кадра: 1.2-8.4 с, 0.3-1.7 и 0.2-11 с, т.е. 18-128, 5-26 и 3-168.икс на байт.

Значительный интерес» особенно для больших задач, монет иметь сжатие данных перед выводом в канал с целью общего повышения быстродействия. Определим критерии целесообразности использования упаковки для сокращения времени на передачу данных. Бремя передачи N байт блоками данных длиной L равно:

Тпо = N/L * (То + L * tn)

где: То - время обработки одного обмена операционной системой, tn - время передачи каналом одного байта, L - длина блока данных.

При использовании упаковки время передачи:

Tnl = Н * ty + N/K/L * (То + L * tn) + N/K * tp

где: ty - время на упаковку одного байта, К > 1 - коэффициент упаковки, tp - время на распаковку байта.

Зспо, что использование упаковки целесообразно при :

K/L * (To+L*tn) >= N * ty + H/K/L * (To+L*tn) + N/K * tp

Разрешая относительно. К получим:

К >= Сts + tp) / (ts - ty)

где ts = tn + To/L - полное время на вывод одного байта блока.

Отсюда видно, что для сокращения полных затрат на передачу время упаковки байта должно быть меньше суммарных затрат на его вывод. Таким образом, использование описанной выше упаковки может повысить скорость вывода для каналов связи с временем передачи байта большим чем 244, 46 и 229 мкс в зависимости от выбора ЭВМ, генерирующей изображение (см. выше). В иной форме критерий целесообразности:

(ty + tp/K) / ts <= (К - 1) / К

Пренебрегая tp/K, получаем критерий неэффективности упаковки:

ty/ts > (К - 1)/К

Полагая ty = tp (на самом же деле всегда ty > tp), получаем критерий безусловной эффективности упаковки:

ty/ts <= (К - l)/(H + 1)

Определим теперь критерии целесообразности использования упаковки для ускорения вывода готовых машинных фильмов. Время воспроизведения кадра Фильма без упаковки:

Твн = Тчн + Тмн

где: Тчн - время на чтение неупакованного кадра фильма, Тмн - время на модификации изображения.

Время на воспроизведение кадра Фильма с упаковкой:

Тву = Тчу + Тр + Тму

где: Тчу - время чтения, Тр - время распаковки. Тму - время на модификацию изображения.

Так как Тмн. как правило, совпадает с Тму, то критерий гф-Фективйости использования упаковки при воспроизведении:

Тчн >= Тчу + Тр

или

Н * Ьч >= N/K * tn + N * Ьр

где : N - количество байт е исходно« кадре, t4 - время чтения байта с устройства внешней памяти, К > 1 - коэффициент упаковки, Ьр - время на получение очередного распакованного байта.

Отсюда условие эффективности использования упаковки при воспроизведении Фильмов:

Ьр / 1ч <= (К - 1) / К

Как показано выше, значение t4 для жесткого диска 1.4-11.5 мкс и 838 икс для для накопителя на магнитной ленте, а средние значения коэффициента снатия не хуже 10. т.е. использование упаковки в этом случае всегда целесообразно при применении магнитофона и позволяет оптимизировать суммарные показатели варьированием степени саатия в зависимости от типа винчестера.

Сфсрмулированные требования к средствам машинной графики, результаты анализа концепций построения графических систем, исследования скоростных характеристик компонент сквозного тракта вывода, предложения по методам кодирования растровых изображений и использованию различных представлений данных определили реализацию распределенных графических систем, которой посвящен следующий раздел.

2.4. Реализация распределенных систем интерактивной машинной графики для комплексов численного моделирования

2.4.1. Общее описание реализации. Структура разработанного графического программного обеспечения и соотношение его компонент показаны на рис. 10. Из соображений эффективности нарушено строгое следование иерархическому принципу, когда на каадом уровне доступен только непосредственно предшествующий. Задаче пользователя равнодоступны все уровни кроме устройств.

Аппаратно-ориентированнае и аппаратно-независимые графпаке-ты. а также подпрограммы работы с каналами связи составляют на главных ЭВМ базовые средства, предоставляющие элементарные возможности управления, ввода, вывода и запросов к обстановке. На терминальных ЭВМ базовые средства организованы в виде управляющих программ, поддерживающих взаимодействий прикладной программы главной ЭВМ с графические оборудованием.

Функционально-ориентированные

средства

Аппаратно-ориентированние графпакеты

Драйверы

Графические устройства

устройств

Аппаратно-независимые графпакеты

Проблем-но-ори-ентиро-ванние

средства

Рис. 10

Структура системы ДИГРАФ

Функционально-ориентированные средства предназначены для повыиения содержательного уровня взаимодействия пользователя с аппаратурой за счет предоставления типовых возмояиостей ввода/вывода более сложных. чем элементарные базовые.

Проблемно-ориентированные средства представляют собой прикладные графические системы конкретной проблемной ориентации, например графические редакторы, системы мп.пава фильмов и т.п.

Большое разнообразие типов ЗВМ, существенно отличающихся по возмоаностям, большое разнообразие графических устройств, перспективы оснащения более совершенными графическими устройствами остро ставят вопрос унификации срсдсть мошшпй графики.

Первый шаг по унификации графических, в определенной мере мере аппаратно-ориентированных средств. С;ыл сделан при разработке многоя-зыковых графпакетов ДИГРАФ.К и ЛИГРД?.Р 16,101.

Второй шаг - достижение' аппаратной независимости был выполнен путем разработки распределенных графических систем на базе аппаратно-независимых графпакетов ДИГРАФ.К [6,7,11,13] и ДИГРАФ.ГКС [24.261, реализующих предложения графических стандартов СОИЕ-БУБТЕМ и ЬКБ. соответственно.

Третий иаг на пути стандартизации - достижение терминальной независимости осуществлен использованием-для обмена между главными и терминальными ЭВМ сетевого графического протокола [7,171, представляющего собой комплект из аппаратно-независимых и аппа-ратно-ориентированных протоколов.

Наилучшие параметры по объему дисплейного файла и времени ответа системы достигаатся, естественно, при использовании аппа-ратно-ориентированных протоколов, а более простое наш'^ание прикладной программа и облегчение переноса на другие ЭВМ - при использовании аппаратно-независимых.

2.4.2. Среда реализации. Система ДИГРАФ разворачивалась на гетерогенной локальной вычислительной сети, обобщенная структура которой показана на рис. 11,

Символьные ----1 Терминалы, мини-ЭВМ,

терминалы Станции ряда ГАММА микроЭВМ.ПЭВМ,ГйММА-5

Рис. 11. Обобщенная структура технических средств моделирования Штриховой линией выделен подсистема на базе ПС-2000

В качестве терминальных комплексов распределенных систем машинной графики использовались станции ГйММА-1 (АРМ-Э), ГАММА-2 (ЙРИ-РОР). Г1ША-4.2. АРМ-Р и ПЭВМ, которые кроме штатной периферии оснащены растровыми и векторными дисплеями, графопостроителями. цветными поточечными принтерами и другим оборудованием.

Потребности в сравнительно низкоскоросгной графике для научно-технических и проектировочных задач обеспечиваются система:'! массовой интерактивной машинной графики [22], развернутой на ЭВМ./к которым аисплси подключается по последовательному каналу.

И^ анализа ^тлппв р.кчетпв и требуемых средств машинной

графики, анализа стадий кизненного цикла и показателей эффективности. рассмотрения архитектур построения и представленной конкретной конфигурации технических средств можно сформулировать следующие основные требования к реализации распределенных систем машинной графики:

1. Программное обеспечение маыинной графики должно разворачиваться на одно-, двух- или трехуровневой конфигурации технических средств и Функционировать в различных операционных системах и языках программирования главных и терминальных ЭВМ.

2. Должна быть поддеркана работа с самым различным графически« оборудованием, начиная от пассивных устройств вывода и кончая внсокоинтерактивными дисплеями.

3. ЭВМ, рабочие станции и различное оборудование подключаются через интерфейсы с быстродействием от 1200 бод до 200 Кбайт/с. В следствие этого для достижения оптимальных общих показателей распределенных систем долины иметься средства адаптации к конкретным используемым средствам межмашинной связи.

Интерфейсные средства. В гетерогенной вычислительной сети комплексов численного моделирования используется большое количество различных средств каналообразования (см. рис. 11). Как было показано ранее, параметры каналов связи оказывают определяющее влияние не только на скоростные характеристики, но и на архитектуру распределенных графических систем.

Для принятия обоснованных решений о дисциплине обслуживания, параметрах обменов, представлении данных, распределении и составе Функций с целью оптимизации трактов вывода автором были проведены исследования средств связи и построены их модели. Основные результаты приведены в табл. 2. в которой приняты следующие обозначения: Тс - суммарное время обмена, N - число байт данных, п - число элементов данных (байт/слов), 16 - время в мкс на обработку байта, иэ=1/Чб - эффективная скорость обмена._

Модели интерфейсов. Таблица 2

Интерфейс Модель интерфейса

БВ Кн1 Тс= 2014 + 30.а * И:

Б6 Нн2 Тс= 18127 + 6.7 * И:

Б6 Терм Тс; 2429400 при N-1024 Ьб - 2372. при N=192 16-2505

ЕС Кн Тс = 113778 при N=1024 16 - 111

ПС Кн Тс-- 105472 при N=1024 16 = 103

Г1 ПДП Тс< 10.3 * N

Г2 ПДП Тс* 5.7 * N

Г4 ПДП Тс* 2.56 * п

Г4 Пре Тс= п*(189 + К*23) К=0, кроме 1-2 раз на прием

Г4 Опр Тс= 78 + п*< И.6*К+16.2) блока данных, когда К = 1

Часть возможных решений предопределена аппаратной конфигурацией, а именно: в каналах связи Г1 № -- Б6 Кн1 и Г2 ЛДП - Бб Кн2 интерфейсы Г1 ПДП и Г2 ПДП работают в прямом доступе и быстродействие канала со стороны рабочих станций не лимитируется (см. табл. 3 и 4). Таким образом, необходимо проанализировать затраты только станции ГША-4.2, которая подключается к интерфейсам Бб Терм, ЕС Кн, ПС Кн главных ЭВМ и терминальным линиям мини-ЭВМ и ПЭВМ. Интерес при этом представляют только программные каналы, так как прямой доступ (Г4 ПДП) на этой станции реально используется для работы с внешними устройствами (ленты, диски и т.п.).

На основании этих исследований была выбрана дисциплина обслуживания с обменами задаваемой Фиксированной длины. В качестве основной принята длина блока данных в 1024 байта, при которой эффективные скорости каналов вывода и ввода достаточно близки (см. табл. 3 и 4). Дополнительно используются длины обменов: для канала Бб Нн1 — Г1 ПДП - 192 байта, для канала Бб Кн2 — Г2 ПДП

- 6144 байта и для каналов станции ГйММй-4.2 с мини- и микроЭВМ

- 128 и 1024 байта. Некоторые полученные результаты представлены в табл. 5. В дальнейшей были оптимизированы тракты вывода для главных ЭВМ. в том числе и для ПС-2000, результаты для последней можно подытожить следующим образом: 0) В исходной последовательной схеме затраты составляли 32.2 с. Б) Благодаря распараллеливанию формирования и вывода кадров фильма за счет двойной буферизации в графпакете суммарные затраты упали до 20 с. Эта схема обычно использузтся при исследовательских расчетах. В) Наконец, дополнительно к Б), блок Формирования результатов был разделен на параллельно выполняющиеся блоки в мультипроцессоре и СМ-2 также с двойной буферизацией. Эта схема используется для производственного счета, когда формирование фильма задается на этапе постановки задачи. Суммарные здесь затраты - 6.8 с. Таким образом, удалось сократить затраты в 4.7 раза. Результаты оптимизаций тракта вывода представлены в табл. 6-7.

Параметры каналов вывода главных ЭВМ. Таблица 3

Дл. Параметр Бб Нн1 Бб Кн2 56 Терм ЕС Кн ПС Кн

1Л,Кбайт/с 66 200 4800 бод 22 66.7

Тс.мкс 33309 24937 2429400 113778 105472

1024 из,байт/с 30740 41060 422 9000 9170

16,мкс 32.5 24.4 2372 111 103

Параметры каналов ввода терминальных ЭВМ. Таблица 4

Дл. Параметр П ПДП Г2 ПДП Г 4 ПДП Г4 Пре Г4 Опр

слова байты слова байты

VI.Кбайт/с > 9? > 175 > 780 _ _ _ _

Тс,мкс 96768 193536 8372 1666?

1024 Из.байт/с 10582 5291 122307 61440

16,МКС 94.5 189 8.2 16.3

Затраты станции ГАММА-4.2 на среднюю задачу. Таблица 5

Вид работы Опр( Слова )СЫ Байты Прерш Слова гания Байты

Прием, с 0.9 1.8 3 6-

Перепись в видеопамять, с 1

Суммарные затраты, с 1.9 I со 4 7

Затраты главных ЭВМ на среднюю задачу. Таблица 6

БЭСМ-8 ЕС—1045 ПС-2000

Расчет одного шага Формирование изображения Генерация команд протокола Вывод изобраяения 60-300 с ~ 1 1 - 7 с ~ 3 с 60-300 с < 1 с < 1 с ~ 7 с 1-4 с 5.5-20 с 9 с < 7 с

Затраты терминальных комплексов на среднюв задачу. Таблица 7

Тч + То + Ти + Тв ГПММЙ-1 ГЙММЙ-2 ГШП-4.2

Работа в ПДП Работа по опросам Работа по прерываниям Сохранение изображения ~ 1 с < 1 с < 0.1 с 0.9-2.8 с 3-7 с 59 с

Средства работы с каналами связи являются одной трех основных компонент базового уровня распределенных графических систем. Следующей компонентой являются аппаратно-ориентированные и аппа-ратно-независимме графпакеты. к рассмотрению которых и перейдем.

2.4.3. Графпакет ДИГРАФ.К. Структура графической системы при использовании графпакета ДИГРАФ.К, ориентированного на работу с координатными устройствами, представлена на рис. 12.

При разработке этого графпакета, в частности, исследовались возможности создания многоязыкового интерфейса в технологии с единственной точкой входа и наиболее удобные методы выполнения преобразований влояенных вызовов подкартин. Графпакет разделен на 2 типа уровней: пользовательские и исполнительный. Пользовательские уровни имеются для нескольких систем программирования и служат лишь для передачи параметров и управления между задачей пользователя и единственной точкой входа исполнительного уровня, который и проводит всю работу.

Рис. 12. Структура графической системы при работе с графпакетом ДИГРАФ.К

С точки зрения пользователя, в графпакете ДИГРАФ.К имеется весть групп процедур:

1. Процедуры структурирования изображения, которые дают средства разбиения изображения на двух логических уровнях - на уровне сегментов (подкартин) дисплейного файла и на уровне файла готовых команд, который разделяется на физические записи, группируемые в кадри изображения.

2. Процедуры построения изображения, которые позволяют строить изображения из общепринятых векторных примитивов с заданием требуемых атрибутов построений. Дополнительно в графпакет встроены средства по форматному отображению чисел и средства непосредственной сставки в дисплейный файл команд устройства,

3. Процедуры установления преобразований, которые слуяат для задания входного преобразования и преобразования отобраяе-

ния. Поддерживается ведение стека входных преобразований для обеспечения вложенных вызовов независимо преобразуемых сегментов. Преобразование отображения задается окном во входных координатах и портом отображения на экране. При выполнении преобразований используется техника однородных координат.

4. Процедуры управления и обслуживания, которые используются для инициализации и завершения работы с графпакетом, а также для установления и опроса режимов работы.

5. Процедуры организации диалога, которые позволяют определить причину прерывания терминальной ЭВМ. считать информацию о состоянии того или иного устройства, назначить метод ввода и считать координаты с устройства ввода графической информации, синхронизировать ввод данных от различных устройств.

6. Процедуры ведения протокола работы, которые позволяют сохранить и/или интерпретирозать последовательность вызовов Функций системы.

Графпакет ДИГРАФ.К был сдан в эксплуатацию в 1975 г. На его базе была развернута первая из распределенных систем. В качестве терминальных комплексов использовались автоматизированные рабочие места [4,6,7] АРМ-Э, АРМ-РВР. АРН-Р и дисплей ГАШ-5.

2.4.4. Графпакет ДИГРАФ.Р. Обобщенная структура графической системы при работе с графпакетом ДИГРАФ.Р. ориентированным на работу с растровыми устройствами, показана на рис. 13.

Основными задачами при разработке этого графпакета были исследования наиболее приемлемых Форм и методов представления растровых данных и манипулирования ими, поддержки модификаций и обработки растровых изображений, компактного сохранения и воспроизведения машинных фильмов, обеспечения многооконного режима работы, а также отработка технологии создания многоязыкового интерфейса с многоточечным входом в графическую систему.

Так же как и при использовании графпакета ДИГРАФ.К основная работа выполняется на главной ЭВМ. но только в среде мониторной системы ДУБНА.

С точки зрения пользователя в графпакете ДИГРАФ.Р имеется шесть групп процедур: 1) генерации изображения: 2) установления преобразований; 3) управления и обслуживания; 4) организации диалога: 5) работы с машинными фильмами; 6) обработки изображений.

Процедуры генерации изображения позволяют строить его из общепринятых векторных и растровых примитивов с заданием требуемых атрибутов построений.

Процедуры установления преобразований, управления и обслуживания и диалога в основном соответствуют таковым для графпакета ДИГРР.Ф.К.

Процедуры работы с машинными фильмами обеспечивают выполнение упаковки изображений, ведение банка готовых решений и выполнение монтажных операций над кадрами накопленных фильмов.

Рис. 13. Структура графической системы при работе с графпакетом ДИГРАФ. Р

Процедуры обработки изображений базируются на наличии средств задания необходимой передаточной функции системы вывода и средств работ^ с поименованными Фрагментами изображения. Первое основано на использовании таблицы цветности, второе - на наличии средств работы с прямоугольными массивами пикселов. Граф-пакет поддераивает работу с одной системной таблицей цветности и произвольным количеством пользовательских таблиц. При работе с массивами пикселов предусмотрены процедуры описания массивов, занесения в них данных, использования массивов, их сохранения и воспроизведения. Поддерживается работа с пикселами различной разрядности, в том числе и с представленными вещественным числом. Для обеспечения многооконного режима предусмотрена одновременная работа с несколькими массивами пикселов размером в экран дисплея и работа с логическими растровыми устройствами. Каждое такое устройство характеризуется размером и расположением изображения на экране, разрядностью пиксела и таблицей цветности.

Графпакет ДИГРАФ.Р реализован и эксплуатировался на ЭВМ БЭСМ-6 с 1979 г. На его базе была развернута распределенная система. впервые в стране предоставившая возможности цветной полутоновой растровой графики в виде пакета общего применения. На ней были получены первые впечатляющие результаты по визуализации результатов численного моделирования [18], реализованы формирование и просмотр машинных фильмов [201, обработка изображений [16], подготовка иллюстративных материалов 119), Формирование и вывод стереоизображений [121 и многое другое. В качестве терминальных комплексов использовались АРМ-3. АРМ-РОР. станция ГАМ-МА-4.2 и дисплей ГАММА-5. Для мини-ЗВМ Р0Р-8/Е была реализована

урезанная версия данного графпакета [6,7,14].

Развертывание рассмотренных выше первых распределенных систем совпало с началом быстрого расширения состава и возможностей графического оборудования, что с необходимостью привело к стремлению обеспечить аппаратную независимость средств машинной графики. Это было достигнуто разработкой граФпакетов, соответствующих международным предложениям по стандартизации.

2.4.5. Аппаратно-независиыые графпакеты. Основными задачами при разработке этих графпакетов были исследования методов работы с многими устройствами и технологии создания мобильного обеспечения машинной графики, переносимого на различные ЭВМ.

Публикации проектов стандартов CORE-SYSTEM в 1977 и 1979 гг. и GKS 1985 г. вызвали реализацию стандартов и за рубежом и у нас в стране. В работах [6.?,13] описана реализация графпакета ДИГРАФ.Н. представляющего собой расширенное подмножество 2D предложений CORE-SYSTEM. На базе рассмотренного графпакета была развернута аппаратно-независимая распределенная система машинной графики [6,7], использующая для обмена информацией с терминальной ЭВМ, как правило, аппаратно-независиыый протокол.

После утверждения в качестве международного стандарта системы &KS было реализовано семейство графпакетов ДИГРАФ.ГКС для всех типов ЭВМ нашей сети [24,26]. Для переносимости графпакет почти исключительно реализован на языке FORTRAN-IU. Машинно-эа-висиыая часть программного кода сосредоточена в 17 подпрограммах. написанных на языке ассемблера соответствующей ЭВМ.

Реализована.модифицированная версия стандарта. Модификации состояли: в исключении большинства Функций опроса, совершенно излишних в условиях локальной сети; в расширении набора растровых примитивов: во введении дополнительного Формата метафайла для долговременного сохранения команд сетевого графического протокола. Структура системы ДИГРАФ.ГНС приведена на рис. 14.

Библиотеки Ядро Рабочие Драйверы Устрой-

подпрограмм —>— GKS —>- станции —>— устройств —>— ства

Рис. 14. Структура Графпакетов ДИГРАФ.ГКС

Ваяным при реализации обоих графических стандартов являлось то, что они предусматривают возможность работы со многими графическими устройствами. Автором были предложены и реализованы три способа поддержки такой работы:

1) Ветвление по активным устройствам осуществляется на уровне драйверов, т.е. при исполнении очередной функции графической системы при необходимости выполняются последовательные

вызовы драйверов всех активных устройств.

2) Ветвление по активным устройствам осуществляется на уровне Функций, т.е. выделяются кластеры однотипных функций и в ядро графпакета выносятся общие части выделенных Функций. В исполнителе функции вначале выполняются действия, неспецифичные для драйверов устройств, а затем вызываются соответствующие компоненты драйверов активных устройств.

3) Компромиссный вариант, при котором ветвление по устройствам ведется на уровне функций, но с динамическим определением исполнителя данной Функции для данного устройства.

При реализации ДИГРАФ.Н был выбран первый способ, так как работа преимущественно велась с одним устройством. При реализации ДИГРАФ.ГКС, в связи с расширением номенклатуры и достугюсти графического оборудования, были реализованы второй и третий способы. Специально для вычислительного комплекса ПС—2000 был отдельно предложен и реализован вариант с единственным устройством - станцией ГАММЯ-4.2, программно совместимый с остальными реализациями GKS, но наиболее быстрый и компактный.

На базе гзафпакетов ДИГРАФ.ГКС развернуты распределенные системы интерактивной машинной графики для всех типов главных ЗВЙ нашей сети, а также для мини-ЭВМ класса PDP-11. В качестве терминальных комплексов использовались АРМ-Э, APM-PDP, станция ГАММА-4.2 и дисплей ГША-5.

2.4.6. Управляющие программы терминальных комплексов. Последней компонентой базового уровня распределенных систем машинной графики являются управляющие программы терминальных ЭВМ, которые поддерживают их работу в основном в качестве абонента вычислительной сети, выполняют (по потребности) интерпретацию сетевого графического протокола, обслуживают работу графических устройств, обеспечивают диалог оператора терминальной ЭВМ с прикладной программой, реализуют требуемое разделение функций мекду главной и терминальной ЭВМ.

Главные вицы работы управляющей программы - поддержка вывода и ввода (см. рис. 5, 7). Как показано в 2.3.1, обязательными частями любой управляющей программы при on-line выводе являются блоки чтения данных из канала связи и графический процессор, обеспечивающий отображение принятых данных (см. рис. 7-9).

В этой связи основными задачами при разработках управляющих программ были исследования и практическая реализация эффективных блоков чтения и графических процессоров для поддержки вывода, а такяе блоков ввода, обеспечивающих требуемые реактивность и разделение Функций.

В общем юяно предложить три типа управляющих программ: полностью автономная программа, работающая на "голой" машине без операционной системы: автономная программа, реализующая Функции специализированной операционной системы для терминальной ЭВМ;

программы, работающие в среде операционной системы достаточно оснащенной терминальной ЭВМ. Управляющие программы первого типа характерны для терминальных ЭВМ, вырожденных в программируемый микропроцессор, обслуживающий единственный дисплей. К этому типу относится реализованная автором управляющая программа дисплея ГАММА-5 (22,281, рассмотренная далее в пп. 2.4.7. Ко второму типу относятся ранние управляющие программы ОС ДМ—100 и ТОС-ЮО для станции ГАММА-1 [4.61. Основной тип современных управляющих программ, обеспечивающих наибольшие гибкость и полноту при достаточно простой адаптации к новому оборудованию, - третий. Автором были реализованы управляющие программы данного типа для станций ГАММА-2 и ГАММА-4.2 [7.8.21]. Рассмотрение будет вестись на примере программы для станции ГАММА-2 (см. рис. 15).

После инициации управляющая программа переводит терминальный комплекс в состояние интеллектуального сателлита и ожидает либо директив оператора, либо установления связи по инициативе той или иной главной ЭВМ.

Для обеспечения параллельности и независимости работы внешних устройств и исключения "завешиваний" до завершения работы медленных устройств (принтер, графопостроитель и т.п.) все устройства делятся на два класса: "быстрые", успевающие отработать блок данных за время порядка его приема по каналу: "медленные" -все остальные. Драйверы "быстрых" устройств работают непосредственно с одним из буферов обмена, в то время как во второй буфер идет обмен из канала. Данные, переданные для "медленных" устройств. переписываются в буфер соответствующего драйвера, если он свободен, иначе абоненту отправляется сообщение "жди".

Для прикладной программы в главной ЭВМ управляющая программа поддерживает функции: ЗАПРОС. УПРАВЛЕНИЕ, ВЫВОД, ВВОД.

ЗАПРОС. В канал выдаются данные о состоянии управляющей программы и устройств, составе и возможностях станции.

УПРАВЛЕНИЕ. Обеспечивается управление: конфигурацией системы; состояниями и режимами работы внешних устройств и каналов связи; изменениями изображений на устройствах; выдачей сообщений об ошибках.

ВЫВОД. Функции данной группы реализуют предложенный иерархический сетевой графический протокол вывода с поддержкой требуемых границ раздела Функций вывода (см. рис. 3, 5 и 7). Переход от одного разделения к другому осуществляется динамически по инициативе главной ЭВМ. Интерпретация аппаратно-ориентированного и аппаратно-независимого протоколов исполняется модулями со структурой показанной на рис. 86 и 96. соответственно.

ВВОД. Функции данной группы поддерживают аппаратно-незави-симый и аппаратно-ориентированный ввод с требуемыми границами раздела (см. рис. 6). В случае аппаратно-ориентированного ввода прикладная программа может либо считать состояние устройства ввода, либо опросить причину прерывания терминальной ЭВМ и

считать состояние устройства, вызвавшего прерывание, йппаратно--независимый ввод базируется на концепции логических устройств ввода двух классов - событийных и опрашиваемых. К событийным устройствам относятся: указка, клавиатуры, кнопки. К опрашиваемым устройствам относятся: устройства ввода координат: датчики, выдающие числовые значения; устройства времени с квантами в 10, 20, 40, 80 и 160 мс.

Блок работы с каналом

Монитор

Блоки Блоки ин- Блоки

поддержки терпретации — >~ отобра-

"медленных" протоколов жения на

устройств вывода ДИСП/1И

л А А

-V-

Блоки интерпретации протоколов

Блоки поддержки устройств ввода

Рис. 15. Логиче:кая структура управляющей программы

2.4.7. Система "массовой" интерактивной машинной графики. Для доведения сэедств машинной графики до рабочего стола разработчиков и пользователей комплексов численного моделирования была создана система "массовой" интерактивной графики [221, архитектура которой показана на рис. 16. Система базируется на использовании дисплей ГАММй-5 [28]. представляющего собой одноплатную микроЗВМ, служащую графическим расаирением алфавитно-цифровых терминалов и обеспечивающую как штатные символьные возможности, так и возможности построения и просмотра изображения (512x256x1 бит) и графического ввода.

Главные ЭВМ

Каналы связи от 9600 бод до 115 Кбод

Каналы связи до 9600 бод

Алфавитно-цифровые терминалы, и дисплеи ГйММй-5

Рис. 16. Архитектура системы "массовой" интерактивной графики

Дисплей работает в двух состояниях: "прозрачности", когда без интерпретации пропускает все коды от ЭВМ к терминалу и

наоборот, и "непрозрачности", когда дисплей интерпретирует аппа-ратно-независимый протокол, представляющий собой расширенный протокол графического дисплея ТЕКТР0И1Х-4010. Предусмотрены возможности построения отрезков прямых, дуг окружностей и строк графических символов нескольких размеров и ориентации с обычными векторными атрибутами построений. Точность задания координат -,10 разрядов. Генерируемые изображения поточечно заносятся в видеопамять либо по операции 01? либо ХОР и схемами видеовывода выдаются на экран совместно с изображениями символов исходного терминала. Кроме этого, в состоянии непрозрачности поддерживается ввод координат перекрестия. Переключение дисплея из одного состояния в другое осуществляется уникальной последовательностью байт, передаваемых главной ЭВМ. Описание организации обмена с использованием такого сорта.протокола приведено в [291.

Обобщенная структура управляющей программы дисплея ГАММЙ-5 приведена на рис. 1?.

к ЭВМ

Г

Обработчик прерываний

Интерпретатор буфера

Клавиатура

Буфер ввода

Генератор изображений

И

Видео вывод

Символьный терминал

Диспл. Файл

Видеопамять

Рис. 17. Структура управляющей программы дисплея ГША-5

Работа с дисплеем ГША-5 поддерживается графпакетами системы ДИГРАФ, кроме этого отдельно был разработан компактный пакет. ориентированный на поддержку элементарных графических построений и расширенных потребностей по организации диалога [22,26,281 для комплексов выполнения научно-технических расчетов, автоматизации конструирования и обучения информатике.

2.4.8. Функционально-ориентированные средства. Как уже отмечалось. назначением Функционально-ориентированных средств является повышение содержательного уровня взаимодействия пользователя с аппаратурой за.счет предоставления типовых общеупотреби-мых средств ввода/вывода (графики, изолинии, организация диалогового режима работы и т.п.).

Функционально-ориентированные средства вывода, требуемые для поддержки комплексов численного моделирования и выполнения научно-технических расчетов, хорошо проработаны, доступны их многочисленные реализации. По сути требуется только выбрать подходящие. В части же функционально-ориентированных средств ввода

нет столь широкого выбора готовых решений.

Для построения диалоговых программ требуются два типа средств: 1) обеспечивающие задание последовательности и правил прохождения диалоговой программы через отдельные состояния под воздействием оператора (сценарий диалога); 2) обеспечивающие анализ отдельного воздействия оператора.

Исполнение диалоговой программы удобно описывать в терминах воздействий и реакций. Наглядным средством представления сценария диалога является диаграмма состояний, которой соответствует конечный автомат, т.е. сценарий диалога может быть описан в терминах автоматной грамматики.

Трансляций с языка описания сценария выполняется с помощью синтаксически ориентированного транслятора, анализирующая часть которого настроена на грамматические правила, а описание языка представляется тремя таблицами: 1) синтаксиса языка, состоящей из строк описания отдельных правил; 2) семантики, содержащей номера семантических правил (программ), соответствующих переходам из состояния в состояние; 3) сообщений.

Основные проблемы реализации транслятора с такого языка Фактически состоят в увязывании семантической программы и ее параметров с описанием языка, так как построение таблиц и собственно написаше диалоговой программы из-за отсутствия необходимых языковых средств являются самостоятельными процессами. В рамках какой-лкбо единой специализированной системы программирования эта проблема может быть адекватно разрешена как, например, в ЯРМО, где имеется удобный механизм построения и использования транслирующих таблиц. Известно и иное решение - встраивание описания сценария и директив диалога непосредственно в прикладную программу с последующим препроцессированием.

Из-за невозможности ориентации на единственную систему программирования был предложен и реализован подход [26], в котором Функционально-ориентированные средства ввода организуются в виде библиотеки подпрограмм. Исполнение сценария диалога ведется под управление!! диалогового монитора, который выдает номер очередной семачтической программы. Организация яе ее вызова и исполнения возлагается на прикладную программу. При этом предполагается, что язык диалога может быть представлен в виде иерархии меню директив.

Предусмотрены средства динамического описания сценария диалога как непосредственным занесением текстовых констант в массивы, например с помощью операторов присвоения или ПЙТА. а также с помощью процедур чтения, модификации и записи элементов таблиц.

Одной их существенных компонент транслятора директив является лексический анализатор, в котором предусмотрены возможности работы в пакетном режиме (режиме исполнения командного файла), диалоговом режиме и смешанном диалогово-пакетном режиме. Для этого транслятора не возникает проблем связи с семантическими

программами по обработке воздействий оператора, но возникает проблема передачи введенной информации в прикладную программу. Эта проблема решается либо путей передачи данных через массивы различных типов конечной длины, либо за счет динамического увязывания имени, переменной с данными вводимыми с того или иного устройства.

2.4.9. Проблемно-ориентированные средства. Будут рассмотрены две прикладных системы - система ФИЛЬМ, исполняющаяся на ЭВМ БЗВИ-6 и обеспечивающая компактное сохранение и воспроизведение результатов численного моделирования в виде машинных фильмов (Функционально аналогичный пакет разработан и для ПС-2000). и система ОФОРИС, автономно работающая на станции ГЙМЙЙ-Т и предназначенная для дооформления результатов расчетов. Кроме этих систем для повышения наглядности результатов моделирования разработаны средства по Формировании стереоизображений [121. средс-. тва по качественному документировании результатов расчетов в том числе и с формированием комплекта негативов для цветной офсетной печати [8,12] и ряд других.

Система ФИЛЬМ. Для решения уве упомянутых проблем сокращения объема, занимаемого изображением, и сокращения времени его отобрааения до приемлемых времен порядка 1 с было разработано инструментальное программное обеспечение, дополняющее базовые средства растровой графики и состоящее из следующих частей [20]:

- комплекса процедур по кодированию изображений на главной ЭВМ рассмотренными методами и передачи их на терминальную ЭВМ:

- Файловой фильмовой архивной системы для главной ЭВМ;

- комплекса процедур по приему, декодированию и управлению отображением для терминальной ЭВМ.

На базе описанных средств разработана система ФИЛЬМ (см. рис. 18), использование которой приводит к сокращению объема памяти, занимаемого кадром фильма в 20-30 раз (в среднем 0.2 бита на пиксел), и темпу отобрааения порядка 1-2 с на кадр.

Система ОФОРИС. Прикладная графическая система ОФОРИС 1271 предназначена для оперативной подготовки, редактирования и документирования различных иллюстративных материалов; задания сценария показа; исполнения показа подготовленных материалов. Изображения редактируются за пультом станции ГАММЙ-4.2 и могут содержать плоские и псевдообъемные геометрические элементы, сохраняемые на внешней памяти станции в базе данных в поименованных сегментах. Суммарное изображение на экране формируется из изображений вызванных сегментов и не входящих в их состав отдельных примитивов.

Построенные изображения могут подвергаться динамическим геометрическим и цветовым преобразованиям. При этом могут меняться

как сегментн целиком, так и отдельные составляющие их примитивы. Предоставлены средства стирания отдельных примитивов, и (или) сегментов и всего изображения целиком. У ломаных можно стирать отдельные звенья.

Главная ЭВМ

Прием и разбор директив

Структуры дан- = ных на дисках =

Управление

Кодирование/ декодирование Фильмов

архивные работы

Терминальная •36Н

Управляющая программа

Структуры данных на дисках

Терминал оператора

Дисплей Гамма

Рис. 13. Структура системы ФИЛЬМ

Сценарий показа формируется заданием требуемой последовательности вызозов сегментов и индивидуальным установлением (опросом, заменой) времени высвечивания сегмента на экране. Полученное изображение может документироваться как в растровой форме. так и интерпретироваться в Файл для графопостроителей.

По Функциональному признаку директивы управления системой разбиты на пять групп: управления, построения примитивов, задания атрибутов построений, преобразования изображений и дополнительные.

3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Сформулированы требования, предъявляемые к программному обеспечению интерактивной машинной графики комплексами численного моделирования, техническими средствами и операционным окружением.

2, Предложены структура и состав распределенных систем интерактивной машинной графики, удовлетворяющие сформулированным требованиям.

. 3. Проанализированы подходы к построению графических систем и предложена концепция построения систем с использованием иерархических, управляемых сетевых графических протоколов.

4. Исслепована передача графических данных в неоднородной вычислительно!'! сети, используемой в комплексах численного моделирования. предложены и обоснованы способы повышения скоростей передачи.

5. Предложено и обосновано использование методов сжатия для

представления результатов численного моделирования, определены критерии целесообразности упаковки для передачи, сохранения и воспроизведения результатов.

6. Предложена структура подсистем визуализации для комплексов математического моделирования, обеспечивающая гибкую адаптацию к изменению загрузки сети.

7. Разработаны распределенные системы интерактивной машинной графики сети, включающие в себя базовые. Функционально и проблемно-ориентированные средства, которые используются в комплексах численного моделирования процессов механики сплошной среды; в программах выполнения научно-технических расчетов; в системах автоматизации проектирования и конструирования; в системах автоматизации технологической подготовки производства; в системах обработки экспериментально полученных данных, представленных в виде изображений.

Основные положения, выводы и результаты диссертации отражены в следующих работах:

1. Отчет о НИР НВ11-130-72/ йн-т прикладной физики: Руководитель темы В.Ф. Минин; Авторы: П.В. Вельтмандер. В.Л.Трунов, В.П.Шкляр. Чифр темы "Контур"; N ГР Х-23178; Инв. N 4337. Новосибирск. 1973. Т. 9. 244 с.

2. Отчет о НИР НВ1-002-?4/Ин-т прикладной физики; Руководитель темы В.Ф.Минин. Отв. исполн. П.В. Вельтмандер. Шифр темы "Черта". N ГР Я-65442. Инв. К 4182. Новосибирск. 1975. 170 с.

3. Отчет о НИР НБН-121—75/ Ин-т прикладной Физики; Руководитель темы Б.О.Минин. Отв. исполн. П.С.Вельтмандер. ¡Цифр темы "Обь"; К ГР X—04151. Новосибирск. 1975. 160 с.

4. Системы автоматизированного проектирования на базе М-220. М—222 (БЭСМ-4). БЭСМ-6 и комплексов АРМ: Технорабочий проект по теме НВУ-981-76/ Ин-т прикладной физики; Руководитель темы В.Ф.Минин. Авторы: В.М.Фомичев, П.В.Вельтмандер, В.Г.Сизых. Шифр темы "Яхонт"; N ГР Х-31187. Новосибирск, 1977. 204 с.

5. Краткое описание комплекса для решения двумерных задач механики сплошной среды: 0тче\ о НИР НВУ-915-76/ Ин-т прикладной Физики; Руководитель темы В.Ф.Минин. Отв. исполн. П.В.Вельтмандер, А.И.Селезнев. Шифр темы "Топаз"; N ГР Х-67849. Новосибирск, 1977. 53 с.

6. Отчет о НИР "НВ1—201 -78/ Ин-т прикладной физики; Руководитель темы В.Ф.Минин. Отв. исполн. П.В. Вельтмандер. Шифр темы "Сеть-2"; N ГР Х-69172; Инв. N 0-266. Новосибирск, 1979. Т. 2. 336 с.

7. Разработка комплекса технических средств и . базового программного обеспечения системы автоматизированного проектирования на базе ЭВМ БЭСМ-6 и АРМ-Р (АРМ-М): Т.З. Специальное программное обеспечение: Отчет о НИР НВУ-775-79/ Ин-т прикладной физики; Руководитель темы В.Г.Сизых. Отв. исполн. П.В.Вельтмандер.

Шифр теми "Мальта": N ГР Я-66673; Инв. N 0-397. Новосибирск, 1980. Т. 3. 102 с.

8. Вельтмандер П.В., Минин В.Ф. Программно-технические средства вычислительного комплекса научно-исследовательского центра// Сборник "ННИЦММНДСС" ИПФ. Новосибирск: НПФ, 1982. Вып. 1(3). С. 3 - 12. Инв. N 9554.

9. Бучнев A.A., Вельтмандер П.В., Аппаратно-независимое программное обеспечение научно-исследовательского центра// Сборник "МНИЦММНДСС" ИПФ. Новосибирск: ИПФ. 1982. Вып. 1(3). С. 24 -35. Инв. N 9554.

10. Вельтмандер П.В. Аппаратно-ориентированные графпакеты// Проблемы машинной графики /Под ред. А.М.Мацокина. Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 1982. С. 32 - 38.

И. Бучнез A.A.. Вельтмандер П.В., Кудряков В.Ф. Базовое программное обеспечение обработки изображений// Тез. докл. Все-союз. конф. 'Диалог человек - ЭВМ". Л.: /1ИАП, 1982. Ч. 2. С. 118.

12. Вельтмандер П.В., Кривошеев В.А., Прошкин A.A., Сизых В.Г. Построение стереоизображений// Тез. докл. Всесошз. конф. "Диалог человек - ЭВМ". Д.: ЛИАП, 1982. Ч. 2. С. 187 - 189.

13. Бучнеп A.A., Вельтмандер П.В. Аппаратно-независимые графпакеты// Тез. докл. Всесоюз. конф. "Диалог человек - ЭВМ". Л.: ЛИАП, 1982. Ч. 2. С. 189 - 192.

14. Бучнеп A.A., Вельтмандер П.В., Панкратов С.А. Программное обеспечение интерактивной машинной графики персонального компьютера// Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. по проблемам создания индивидуальных диалоговых систем на базе микроЭВМ "Диа-лог-82-микро". Пуцино. 1982. С. 33 - 36.

15. Вельтмандер П.В. Распределенная система интерактивной машинной графики локальной вычислительной сети// Материалы 5 школы-семинара "Интерактивные системы". Тбилиси: Мецниереба, 1983. С. 158 - 160.

16. Вельтмандер П.В., Куликов Г.Г., Прошкин A.A., Сизых

B.Г. Программно-технический комплекс обработки изображений// Материалы реглональной науч.-техн. конф. "Комплексные аэрокосмические и наземные исследования динамику природных ресурсов Сибири". Иркутск. 1983. С. 19 - 22.

1?. Бучнев A.A., Вельтмандер П.В. Сетевой графический протокол общего назначения//Тез. докл. 7 Всесоюз. школы-семинара по вычислительным сетям. М.; Ереван, 1983. Ч. 3. С. 20 - 25.

18. Вельтмандер П.В. Интерактивная машинная графика в пакетах прикладных программ// Материалы 3 Всесоюз. конф. "Диалог человек - ЭВМ". Протвино, 5-7 июля 1983. Серпухов: ИФВЭ. 1984.

C. 23 - 38.

19. Бучнев A.A., Вельтмандер П.В., Кудряков В.Ф., Силкин В.А. Вывод из ЗВМ с полиграфическим качеством// Материалы 3 Всесоюз. конф. "Диалог человек - ЗВМ". Протвино, 5-7 июля 1983.

Серпухов: ИВФЗ. 1984. С. 131. .

20. Бучнев А.А., Вельтмандер П.В., Кудряков В.Ф., Малярчук А.Н. Интерактивная система формирования и оперативного отображения машинных фильмов// Материалы 3 Всесоюэ. конф. "Диалог человек - ЭВМ". Протвино, 5-7 июля 1983. Серпухов: ИФВЭ. 1984. С. 132.

21. Система эксплуатации специального программного обеспечения: Отчет о НИР НВ11-158-81/ Ин-т прикладной физики: Руководитель тема В.Ф. Минин. Отв. исполн. П.В. Вельтмандер. Шифр темы "Призма": N ГР Х-29719: Инв. К 0-398. Новосибирск, 1983. 217 Р.

22. Вельтмандер П.В., Прошкин А.А., Сизых В.Г. Система "массовой" интерактивной машинной графики основные принципы и архитектура // Тез. докл. Всесоюэ. конф. по проблемам машинной графики и цифровой обработки изображений. Владивосток. 24 - 26 сентября 1985. Владивосток: ИАиПУ ДВНЦ АН СССР. 1985. С. 75 -76.

23. йгурейкин В.А., Бучнев А.А., Вельтмандер П.В. и др. Программно-аппаратный комплекс математического моделирования нестационарных процессов механики сплошной среды// Проблемы автоматизации проектно-конструкторских работ. М.: ВИМИ, 1986. С. 31 - 33.

24. Вельтмандер П.В. Реализация ГНС для ЭВМ БЭСМ-6, ЕС-1045, СМ-4, СН-2// Тез. докл. Всесоюз. школы-семинара "Информатика и интерактивная компьютерная графика". Цахкадзор, 16 - 20 марта 1987. М.: Ереван. С. 39 - 40.

25. Отчет о НИР НВ11-164-85/ Ин-т прикладной Физики: Руководитель темы В.Ф,Минин. Отв. исполн. Агурейкин В.А., Вельтмандер П.В., Горбачев В.М., Сизых В.Г. Шифр темы "Радуга": N ГР Х-33305: Инв. N 12238. Новосибирск, 1987. 36 с.

26. Программное обеспечение визуализации результатов расчетов и ведения диалога: Т.З. Самостоятельный раздел отчета: Отчет о НИР НВ11-190-86/ Ин-т прикладной физики: Руководитель темы П.В. Вельтмандер. Шифр темы "Заводило-ММ": N ГР Х-33595 (Для служебного пользования). Новосибирск, 1988. 290 с.

27. Вельтмандер П.В., Власов С.И. 0Ф0РИС - прикладная графическая система формирования иллюстративных материалов// Микропроцессорные средства и системы. 1989. N. 1. С. 58 - 60.

28. Брызгалова М.Г.. Вельтмандер П.В. Программное обеспечение интеллектуального графического терминала "Гамма-5"// Микропроцессорные средства и системы. 1990. N 4. С. 45 - 48.

29. Вельтмандер П.В. Обмен данными в гетерогенной локальной сети ЭВМ// Информатизация образования: Межвуз. сб. науч. тр. Но-