计算机辅助机械产品设计0901-3.1

1、第三章 计算机及软件应用与开发技术引子机械产品辅助设计的工具是计算机，计算机又是一个简单而复杂的机器，简单在于其硬件构造，复杂在于其软件描述。对于计算机辅助来说，最关心的是软件，软件又不得不和硬件特性相关，谈一点硬件，更要谈在硬件上运行的软件的基本原理，可提高对软件应用与开发的本质的理解，对计算机语言及其表征的理解，从而更深刻的理解计算机辅助技术及未来发展。本章论述的中心内容是计算机知识，而落脚点却是关于计算机在机械产品设计中的运用，也就是软件应用。由于软件开发（软件设计与制造）与机械产品开发相当，也就是说会设计制造机械产品的人员，对于其应用自然简单。为此分三个层次阐述，一是对计算机硬件构造及

2、其工作原理的简述，以便获得计算机处理信息的基本原理，从而理解计算机语言的本质及其人机交互方式。二是对计算机软件应用的计算机基础进行简述，从一般原理说明软件操作的人机交互形式与思想，从而掌握各种软件操作的基本原理及该软件的机械设计方式基础。三是对计算机软件开发的计算机基础进行简述，从一般原理说明软件开发的思想与方式，从而掌握机械产品设计软件开发的基本原理及实现基础。总之，本章围绕计算机阐述，其它问题后续章节阐述。通过以上简述，把握计算机的基本构造与工作原理、计算机对机械产品及其设计过程涉及到的内容的表达方式与转换、计算机处理对象的特性、辅助方法与技术等，仅而对问题作一个整体的了解。起步在硬件，落

3、脚在软件。应用有助理解开发，开发促进软件的零活应用。机械设计的计算机辅助问题涉及到：1) 计算机是什么？它是怎样工作的？这是所有问题的出发点。2) 作为一种信息处理和表达工具，计算机是怎样转换信息的？3) 自然表述与大脑内的描述和表达，是怎样被用计算机语言转换的？4) 机械产品设计者认为计算机是什么？在机械产品形成中起什么作用？怎样起作用？5) 如何通过软件应用了解软件开发，通过软件开发了解软件应用？ 回答这些问题的知识架构如下：1) 计算机与软件技术概要：硬件与显示、输入输出、内部处理与人的认知的关系。2) 计算机的程序指令与语言表达：机器、汇编、高级、语言构造事实与人的自然语言的关系。3)

4、 计算机的输入与输出、管理与运行：操作方式与界面、人机会话、输出形式与目的。4) 产品与设计过程的计算机表征：数学基础-逻辑与构造、图形与非图形、2D-3D、静态与动画。5) 软件应用与开发：问题性质、转换、软件特点、应用，开发目标。计算机技术及其应用已经在许多课程中反复讨论过。各个科目都有自己的讲述目的、内容、方法与知识（概念）架构。通过电子数字计算机器的内外表达方式，强调计算机的数字化特征；强调计算机的电子设备特点；强调计算机的电子数字化计算机器的本质。尤其是关于运算器、控制器、存储器“三器”为基础的软件语言表征基础。以消息机制为基础的操纵与控制原理及其对软件使用和开发架构的影响。通过对电

5、子数字计算机基本构造与工作原理的简述，加深对机械产品计算机辅助设计问题数字化、软件化本质的认识；加深对问题转换为计算机语言本质的认识与理解；加深对问题模型化及其转换方法的理解；对工程数据库、数据仓库等问题的认识。出于对机械设计问题的关注，此处并没有用严格科学的计算机专业方式论述问题，以利于机械工程专业的读者理解、掌握和应用。计算机辅助使用者要清醒的认识到，想把机械设计工作交给这个高级机器，首先必须进行至关重要的、恰当的前期准备工作（前处理），进行必要的信息表征的转换工作等。31 计算机与软件基础概要本节主要论述硬件组成与显示技术、输入输出目的与形式和方法、内部处理方式与软件的关系、计算机与人的

6、认知的关系及其交互问题等。硬件阐述是为了加深对软件的理解。1 电子数字计算机基本构造人类在生存和发展的过程中，通过蒸汽机和电动机的应用，制造出机械替代自身进行体力劳动，又探索出替代脑力劳动的电子计算机这个机器。随着生产力的发展需求，尤其是计算机应用领域的扩展,信息成了一刻也离不开的东西。信息向人们提供着有关现实世界新的事实的知识，信息可从历史中挖掘出新的经验与知识。人们通过感觉系统从环境、情景、现象、言语、图像、文字诸多方面的形式中获得信息。现代社会势如潮涌的信息，浩如烟海的信息量。人类穷于应付那些历史的东西，难于抽身对未来进行研究。必须制造更为先进的信息处理机器来承担这些任务，使人类能集中精

7、力处理更有挑战性的创造性工作。从1946年为了弹道的设计需要而研制的第一台计算机至今，计算机已发展到具有自学习功能、可部分替代人的思维的智能型计算机。在硬件高度集成化的同时，软件更加自然化。尤其是与计算机相适应、相配套的外围设备更趋多样化，人开始为计算机的应用寻找更广阔的天地,让计算机为人们做更多的工作。计算机由处理数据发展到处理文字（尤其是中文象形文字）、处理图形、图像等。尤其是图形处理技术，使计算机的应用进入到机械工程中来。计算机功能强大，体系多样，构造复杂，而其用数字式电子线路、通过（开关、高低电平）二进制运算来实现各种数据计算的本质没有任何改变。由初期的数字运算工具到具有一定“智能”的

8、自动化机器，使得人们可以处理具有模拟大脑功能的本领。电子数字计算机的构造与工作原理（可以在单片机构造与原理中得到这些知识）是以处理二进制数字的晶体管集成电路为基础的（参见图3-1）。首先是由工作在截止状态与饱和状态下的晶体管构成的逻辑电路（门电路等），再由基本的逻辑电路经过组合构成计数器、寄存器、译码器、算术逻辑运算单元、控制器等数字电路（逻辑电路）。其构成方法有多种形式。例如：已知逻辑要求绘制逻辑图：确定的逻辑要求、列真值表、写逻辑式、运用布尔代数化简或变换、绘制逻辑图、设计门电路、获得满足功能的集成化的元器件。具有记忆功能的双稳 A B C F1 F2D1 D2 D3 A B C F R

9、+v A1 B1 A2 B2 F图3-1 二极管“与”门电路 图3-2 场效应管“与非”门电路组成的触发器态触发器就是由若干个门电路构成的。例如R-S触发器就是由两个“与非”门电路交叉连接而成的，如图3-2所示。这也是半导体存储器的基本电路，计算机将各种数据以有无电压（高低电压）的形式存储在门电路中。微处理器CPU是整个计算机系统的核心，它是由算术逻辑运算单元（ALU）和控制器组CPU结构内总线控制器ALUCPU内存储器输入输出接口键盘、显示器、绘图机等外存储器图3-3 CPU与计算机的工作原理图成的。参见图3-3所示。它的功能是进行数据处理，并且控制数据和指令在计算机中运行。实质上，所有的工

10、作都是进行算术逻辑运算，使得计算机根据给定的要求进行操作（所谓的操作实质上还是算术逻辑运算）。将逻辑电路组成的具有某种计算或说处理信息功能的电路，隐藏其电路的物理结构，用抽象的逻辑符号来表达其工作原理，即一个用方框和连线表述工作原理的符号组合，这就是计算机的工作原理图。输入设备运算器存储器控制器输出设备图3-4 冯诺伊曼型计算机组成与工作原理高速自动化的计算机器的发展和演变，可以从机械产品的自动化进程中获得许多启发。自动化由机器的手动、按键控制、单命令控制到半自动的连锁控制、多命令控制，再到全自动控制，这些都依赖于指令存储功能。按照1946年冯诺伊曼等提出的自动化的计算机器的设计方案，计算机至

11、少应由五个部分组成，即运算器、控制器（逻辑控制装置）、存储器、输入设备、输出设备。这五部分的职能和关系如图3-4所示。迄今为止的各类计算机（单片机、单板机、PC机、大型机、工作站等）的基本组成仍没有根本改变，都属于冯诺伊曼型计算机，也就是由运算器、控制器、存储器这“三器”构成的。三器的关系对计算机辅助设计的软件操作、软件开发架构、语言编程等问题的概念定位与思考作用是非常重要的。稍后会看到这一点。2 电子数字计算机的工作原理如前所述，迄今为止的各类计算机在工作前，都必须首先在存储器中装入为所需功能而编制的程序（机器指令序列）。为了完成某项工作，应该将一系列有序组合的指令，或说要求计算机执行某种操

12、作（运算）的有效命令汇集在一起，以便计算机可以高效工作。将一系列有序组合的指令，或说要求计算机执行某种操作（运算）的命令有效的汇集在一起的工作便是程序编制。计算机操作指令的发展，随着机器性能与结构的改变而进步，从半自动化到自动化。可以利用自动控制系统知识来理解这一点。硬件控制可以借鉴分离元件式（电磁开关、电磁阀、按钮开关、限位开关、各种电子元器件、电子管、继电器、晶体管、集成电路）、控制指令从手动控制指令、机械式控制指令等到预设置指令、预存储指令、软件控制等来理解。软件控制是将一系列的运行指令（二进制代码，0或1），用高级语言编写，经编译程序转换来的二进制指令预先存放，按预定顺序执行。参见图3

13、-3。在预先存入计算机的有序指令的控制下，计算机逐条运行而完成规定的作业。计算机要完成每一项工作，必须有序的执行一系列的指令。指令分为操作码和地址码两部分。操作码规定了计算机操作的类型，地址码（操作数）直接或间接的给出参与操作的数据的存放地址。计算机先从存储器中取出指令，并把指令译码，以便明确该指令执行的具体操作工作以及操作数的存放地址（操作数存放在存储器中的具体单元位置），由这个地址获取操作数。经过取指令阶段后，计算机按照操作码指明的操作类型对获取的操作数进行操作（实质是计算或运算），命令便得到执行。完成一条指令后，程序计数器自动增1指向下一条指令地址，准备取出和执行下一条指令，逐条进行，直

14、至程序运行终结。实际上，在程序运行中，还有重要的或突发事件的中断要求，有给计算机提供按照节拍工作的专用时钟振荡器控制电路等。总之，计算机的工作过程表明了它的数字化本质和电子元器件构成的电路的运行实质，这对于理解机械产品的建模、软件设计、数据构造与管理等抽象问题，都可以提供形象而具体的理解途径。预存储思想是高速全自动化运行的计算机实现的里程碑。存储包括存储和外存，内存储器简称内存或主存，通常由半导体存储器具有记忆功能的触发器二极或三极晶体管组成。它用来存放直接与CPU通讯的指令、数据及运算结果（包括运算的中间结果）。内存一般包括：随机读写存储器（RAM：Random Access Memory）

15、存放各种输入、输出数据及运算的中间结果，并与外存储器交换信息。只读存储器（ROM：Read Only Memory）中信息只能读出，不可写入，故ROM中的信息是固化的，即使断电也不会丢失。一般用来存放固定程序，如计算机的管理、监控、汇编、诊断程序等。 外存储器主要有硬盘（磁介质）、软盘（磁介质）、光盘、优盘（半导体）、磁带机等，长久存放数据，存取速度慢，容量大（海量），容易交换信息等。通常以文件的形式（各种格式）存放和管理。而操作系统的作用是专门用于帮助使用者管理、运行计算机硬件及其应用软件的。进行机械CAD作业时，大都要占很大的存储空间。这是因为在机械CAD中使用的软件，所要处理的字符、图形

16、量大，速度快。要求计算机内部字长（数字位数）要大，计算机每次处理的信息量则大，速度快，精度高。相应的软件指令多，操作方便。其次是时钟频率（震荡晶体）要高。内存容量是表征计算机大小的标记。而今，由于微电子技术的进步，微型机与小型机，乃至大型机的分级有了很大的变化。如PC机（Personal Computer ）的内存已达GB级以上，这为机械CAD的普及提供了良好的硬件基础。在弄清楚计算机工作原理的基础上，问题会转向为完成机械设计工作而编制的指令序列的编排方面，为此应该回顾计算机指令的发展过程。由极少数人使用的仅用于特定计算机工作的机器指令到使用助记符的汇编语言，进而演变成不依赖于机器又便于人们理

17、解、交流、转换的高级语言。机器与人之间交流的鸿沟在逐步缩小。当前仍需要人的思维建立软件模型，以便转化和填补当前计算机语言所存在的语言鸿沟。因此要将注意力转向软件化模型的建立和应用高级语言对软件的实现方面。如从面向数据与过程的结构化设计模式转向面向问题域的类与对象的设计模式。这些程序指令集的组织方式，体现了软件开发方式向人的思维方式靠拢的基本原则，软件架构及其描述的表达方式向人可以高效理解的层面发展的必然趋势。3 CAD外围设备的工作原理重述这个问题，目的是通过对CAD外围设备的工作原理简述，再次加深对机械产品计算机辅助设计问题数字化本质的认识；加深对机械产品设计问题软件化本质的认识与理解；加深

18、对机械产品计算机辅助设计问题模型化本质的认识；加深对机械产品计算机辅助设计问题工程数据库问题的认识；加深对计算机输出表征方式的认识与理解。实际上熟悉机械行业的人们，可以将其理解为：都是利用电子技术进行工作的机器，而且也都开始带有微处理器和存储器，以便使主机工作效率大大提高。这里简述的CAD外围设备是为了帮助理解机械产品设计的数字化机输出表征方式的，因此主要包括显示器和绘图机等输出设备。1）显示器显示设备是CAD系统中必不可少的核心装置，主要用于人机对话时的信息输出，调试、更改非常方便。通常分为字符显示和图形显示，如图形、文字、数据、仿真过程与试验结果等。目前主要使用的是阴极射线管（CRT Ca

19、thode Ray Tube）图3-5所示。它利用电磁场产生高速的、经过聚焦的电子束，偏转到屏幕的不同位置，轰击屏幕表面的萤光材料，产生可见信息。在屏幕内部涂有许多组成三角形形状的荧光材料，每一组有三个荧光点，在受到各自的电子束激发时，分别发出红、绿、蓝三中光的强度，混合成各种色彩的颜色。主要参数是用以确定象素位置的计算机的字长、存储像素信息的介质、数模转换的精度和速度。主要组成部分有：灯丝，用于加热阴极。阴极，当阴极被加热时，便发射电子。控制栅，控制由阴极发射处的电子构成的电子束的偏转方向和电子的运动速度（速度影响亮度）。加速电极，用来提高的电子束运动加速度。聚焦系统，电子束在轰击荧光屏时，

20、它能保证控制电子束汇聚成很细的点。偏转系统，控制电子束在轰击荧光屏时的运动轨迹。衡量显示器性能的重要指标是分辨率和显示速度。分辨率指显示器所能表示的象素个数（参见图3-6），或说在荧光屏的单位长度上能识别的最大光点个数。象素个数则是屏幕水平方向分辨线的数目与每条分辩线上的扫描点数的乘积。象素越多，分辨率越高，显示的图形越清晰。分辨率主要有640×480、800×600×、1024×768、1280×1024、1600×1280、1800×1440等。CRT的显示速度通常用每秒显示矢量线段的条数来衡量。显示速度取决于偏转系统的

21、速度、矢量发生器的速度、计算机发送显示命令的速度等。参见图3-7。通常CRT所用荧光材料的刷新频率在2030帧/秒。 加速电极 聚焦系统 萤光层 灯丝 阴极 控制栅 偏转系统图3-5 阴极射线管（CRT） 图3-6 CRT荧光屏的光栅（点阵、象素）指令寄存器控制器件指令计数器X寄存器Y寄存器X向偏转Y向偏转CRT矢量字符发生器 来自CPU返回CPU 亮度控制图3-7 随机扫描式显示器的工作过程显示器除阴极射线管以外，还有液晶显示器、激光显示器、等离子显示器等。其中液晶显示器已经快速取代阴极射线管显示器。阴极射线管显示器又有随机扫描式、存储管式、光栅扫描式等。前两者为线段显示形式，显示一条直线，

22、则是从屏幕上的一个可编地址点直接画到另一个可编地址点。后一个则是点显示形式，显示一条直线，对于从屏幕上的一个可编地址点画到另一个可编地址点的直线，采用两点连线上的象素点集来显示，自然就有一个象素点的确定问题。就是必须计算最接近这条直线的象素点是那个。这样就出现了直线走样问题，水平直线与铅直直线时准确的，其它直线就要采用反走样技术。2）绘图机与打印机绘图机主要有：平板式、卷筒式、喷墨式、激光式等。基本原理是计算机将指令发送给驱动程序，再转换成输出电脉冲，控制牵引电机驱动图纸运动；同时，用类似的方式驱动画笔或喷头动作，描绘出连续、光滑的线条。打印机是把计算机内的信息转换成字符打印在纸上，变换成可读

23、的材料。主要有：针式打印机、喷墨机、激光打印机等硬拷贝设备等。图纸扫描输入机，也是一种光学设备，利用光点阵列将图纸光强信号转换为计算机输入数据，再转换成文件存入计算机中。绘图机与打印机的基本工作原理来自于数控机械（数控机床、数控切割机等）。它们将电子线路中存储和表述的数据信息转换为脉冲信号，由各种步进电机或其它脉冲信号转换设备驱动运动系统准确运行。计算机中处理的数据，通过绘图机与打印机的驱动程序，将点阵信号转换成各自运动部件的驱动元件的运动信号，使得计算机内的信息的以转换为在纸介质上表达的形式。了解以上这些知识，有助于读者直观形象的理解机械设计工作的软件化问题。尤其对数据库问题的理解会有极大的好处。计算机表达语言、文字、符号、图形的数字化方法基础，ASCII码、美国信息交换用标准代码集，信息交换用汉字编码字符集基本及GB2312-804 计算机的程序指令与软件的作用计算机硬件靠指令来达到使用者的目的，指令集合就是软件构成的主体。由于计算机程序指令在运行时的隐蔽性，使用者往往只感觉到软件的交互界面的变化，就像人们的大脑思考一样，思考者只有说出来，表达出来，听众才能猜测思考者的意图。也就是说，听众得到的是诉说者的结论，而不是信息处理的过程。人与人的交互，方能感觉到对方的思维过