CAD系统的组成及类型

出处：按学科分类—工业技术 北京理工大学出版社《新编液压工程手册上册》第180页（6969字）

(1)CAD系统的组成

CAD系统由设计人员、硬件系统和软件系统组成。其中硬件系统包含计算机及其外围设备。软件系统由系统软件、支持软件和应用软件组成。下面将分别简要介绍CAD的硬件系统及软件系统。

A．CAD硬件系统

CAD硬件系统与通用计算机的硬件系统略有差别。其主要不同之处是在CAD硬件系统中配置有较强的人机交互设备及图形系统。典型的CAD硬件系统如图6．1－1所示。

图6．1－1 计算机辅助设计硬件构成图

(A)主机

主机是指挥整个系统并执行实际运算、逻辑分析的装置，是系统的核心部分，包括中央处理器(CPU)和主存贮器两部分。

中央处理器(CPU) CPU包括控制器和运算器两部分。

控制器是计算机的“大脑”，它指挥和协调整个计算机系统有条理地工作。具体功能是读取存在存储器内的指令，分析指令的操作类型，然后产生与操作类型相应的控制信号序列，控制各有关电路协调地工作。它包括输入和输出设备的起动、停止，控制数据在各部分之间的传送。

运算器执行控制器指令要求的计算和逻辑操作，对信息进行加工，完成加、减、乘、除等算术运算和逻辑运算(逻辑判断、比较等)，提供用于完成各种数据处理与计算的电路。

在运算器和控制器中都使用寄存器来完成它们的功能。寄存器是一种接收存储与传送数据的小存储器，用来暂时存放信息。向寄存器写入和取出信息的速度都比主存储器存取速度要快。

主存储器 主存储器简称内存。主机中的内存用来直接存放指令、数据、中间结果和最终结果。它可以直接和运算器及控制器交换信息，存取速度快。内存的存储容量大小是以KB(千字节)为单位来表示的，内存容量越大，主机能够容纳和处理的信息量就越大。微机的内存容量一般在512KB～64MB(MB：百万字节)。

(B)外存储器

计算机的主存储器虽然能够快速直接存取，但是价格高昂，配置主存储器容量直接影响价格。为了保存程序和数据信息，大多数计算机配置了外存储器。外存储器是主存储器的补充存储装置，外存的存储速度较慢，但存储量可以很大，设计者把信息分为常用和缓用的两类，把缓用的信息存放在外存储器中，当程序执行到某一语句需要外存中的信息时，计算机中的操作系统及时地把它们从外存储器调入内存。当外存中的程序和数据需要输出时，也必须将它们从外存调入内存，才能输出。常用的外存储器有磁盘、磁带、磁鼓。目前的微机上主要配备了磁盘，磁盘有硬盘和软盘之分。硬盘的容量已由早期的10MB发展到540MB或4G以上。硬盘采用磁盘和磁头一体化的结构，可靠性高，硬盘存取速度虽不及内存，但比磁带快得多。软盘使用方便、价格低廉。目前常用的规格是3．5英寸盘和5．25英寸盘两种，前者容量为360KB或1．2MB，后者则是1．44MB。目前586的主机上已配置了光驱，所以外存储器是光盘，其容量已极大增加。

(C)输入设备

输入设备是把外界的信息变成计算机能识别的信号，实现输入的装置。

键盘 从键盘上输入源程序或数据，立即在显示器上显示相应的数据或指令。这是一种最直接的输入装置，也可以用键盘输入绘图指令，立即可以在显示器上显示绘图结果。

磁盘机(磁盘驱动器) 实现程序、数据的写入或读出。

字符图形显示器 通过主机将键盘的输入指令或软盘上的信息显示在屏幕上。这种显示器将完成图形及字符输入、输出的显示功能。

图形输入设备 在CAD过程中不仅要求快速输入图形，还要求对已输入图形进行图形变换(旋转、平移、缩放)。通过人和计算机的交互作用，将人的思维、判断和计算机的高速运行有机结合起来，将确认的图形输出或存储在外存储器中。仅以键盘方式输入图形是不能满足CAD高速设计要求的，理想的交互图形系统还应包括使用方便、质量可靠的图形输入设备。目前常用的有以下几种：

光笔——一种检测光信号的装置，外形象一支圆珠笔。光笔能接受屏幕上显示的光信号，通过光电元件转变为电信号，输入到计算机中去。利用光笔可以完成“点”操作，将光笔指定的点以坐标值的方式输入到计算机或完成点菜单的工作。也可以徒手作图，当光笔对准屏幕上的光标时，光标随光笔移动，光笔在屏幕上移动的轨迹显示输入信号，在计算机中完成作图。其价格低、使用方便，但受到图形显示器分辨率的影响及垂直屏幕作图范围的限制，应用受到了限制。

数字化仪(图形输入板)——由一块图形输入板及电笔组成。应用电磁感应、静电耦合的工作原理。使用时将电笔对准图形板移动即可将所绘图形输入计算机，也可采用点菜单及徒手作图方式进行工作，由于在水平板上作图，使用方便，提高绘图精度，是目前使用较广泛的输入设备之一。

扫描仪——在80年代初期出现的一种新型图形输入设备。它利用电子束扫描原理，将大量图片或图纸的图形输入到计算机中并显示在屏幕上。在屏幕上，可根据需要对图形进行修改编辑。扫描仪已由初期小型、手持式发展到台式甚至大幅面的扫描仪，形成并举的场面。其中大幅面扫描仪可达A0的宽度而长度不受限制。在CAD设计中，扫描仪由于分辨率高、图象清晰、性能价格比合适，已在一些大、中型企业中率先得到使用。

鼠标器——一种用于屏幕显示的输入装置。当它在平面上移动时，显示在屏幕上的鼠标也随之移动，它只能针对屏幕上指示的输入及点菜单进行选择、操作。

(D)图形输出装置

绘图仪和打印机是常用的输出装置。

绘图仪与计算机RS一232C接口连接实现数据通讯，绘图软件均有专门的打印驱动程序支持。绘图仪外观结构型式有平板式和滚筒式，又有采用喷墨和机笔式两种绘图方式之别。绘图仪已成为CAD设计系统必备的硬件。

打印机也是常用的输出图形装置，一些通用绘图软件也配置打印机输出软件。打印机有针式、喷墨、及激光式。打印效果以激光最好，但是激光打印机的输出幅面有限，且价格较高。针对针式效果较差的情况，已开发仿绘图仪的打印机绘图软件，打印效果有了改善。

B．软件系统

CAD系统的软件系统包括系统软件、支撑软件和应用软件三大类。某些场合也可将支持软件和应用软件归属于应用软件。

系统软件是与计算机硬件直接关联的。一般是由专业软件工作者研制，它起着扩充计算机的功能和合理调度与运用计算机的作用。系统软件有两个特点：一是通用性，不同领域的用户都可以应用它；二是基础性，系统软件提供了支撑软件和应用软件的基础。应用软件借助于系统软件和支撑软件来编制和实现。支撑软件则是应用软件二次开发的基础。对于使用者更为关心的是研制和选用好的支撑软件和应用软件。

(A)系统软件主要应用于计算机管理、维护、控制及运行，以及计算机程序的翻译、装入、管理控制和运行。系统软件可分为下面几种软件。

操作系统 操作系统软件是计算机系统中最主要的软件。它起着对计算机的软件、硬件资源进行统一的管理和控制的作用，控制数据的存储、指令的运行及输入、输出动作。其功能是过程管理、内存管理、外部设备管理和文件管理，如管理计算机的输入、输出设备如键盘、显示器、打印机等，操作系统是用户与计算机之间的桥梁。

微机上的操作系统的发展与CPU发展基本上同步。我国微机上常用的操作系统在80年代末期是以286CPU及DOS为代表的DOS操作系统，多用户则是UNIX系统。随着CPU的发展，我国微机上常用的操作系统增加了WINDOWS操作系统，据统计在94年DOS，WINDOWS操作系统的市场占有率，分别为百分之七十和百分之四十(有的微机装有两套操作系统)。随着486CPU在国内占有率上升，WINDOWS操作系统具有良好的图形界面，不仅易于使用，且能与其他已有的系统进行互操作，还可让用户自由选择应用程序而且具有丰富的可选择硬件的支撑程序。所以在95年国内市场占有率已达到66%，而DOS系统则下降到40%。

编译系统 编译系统是把高级语言编写的程序翻译成机器指令(目的程序)，并经链接后由计算机直接执行这些指令。目前广为流行的编译系统有FORTRAN，BASIC，BORLANDC++，TURBOC等各种编译系统。随着操作系统的发展，一些编译系统均可由WINDOWS或DOS系统支撑。

数据库管理系统 它是在操作系统基础上建立的操作管理数据库的软件。这种系统除了保证数据资料共享、信息保密安全之外，还能尽量减少数据库内数据的重复，是用户和数据库之间的接口。目前的数据库管理系统有DBASE Ⅲ，FoxDbase，FoxPro等多种软件。

通讯软件 完成数台微机经网络相连而成的CAD系统。可以共享网络中包括软件、数据库、硬件在内的各种资源。网络内各计算机终端之间通讯需要的软件即是通讯软件。

(B)支撑软件是以系统软件为基础，用来开发CAD系统之间应用所需的一切通用软件，支撑软件是CAD系统中的核心软件。这一类软件大多由软件开发公司开发或用户自行开发，作为商品化软件提供。支撑软件系统主要包括设计、分析、绘图和数据库方面的软件，可供CAD系统在设计过程中选用。较常用的支撑软件有下面几种。

设计计算软件 这类软件可以用来解决各种数值计算，如常用数值分析软件用来解微分方程、线性代数方程、数值积分、有限差分及曲线曲面拟合等数学问题；工程设计用的几何建模软件能描述物体的几何形状，建立相应的数学模型，并把相应的结构类型数据存储在数据库中；结构分析用有限元结构分析软件和优化设计方法软件。

图形处理软件 图形处理软件包括图形软件包及交互式绘图系统软件。图形软件包一般以子程序形式提供一系列绘图或显示指令，为编制CAD图形程序提供方便，使用时，受到硬件的限制，通用性不强。交互式绘图系统可以用人机交互方式(如菜单系统)生成图形、进行图形编辑、标注尺寸、拼图等图形处理工作。AutoDesk公司的AutoCAD绘图软件就是其中的代表，在我国应用较为普遍。

(C)应用软件。应用软件是以支撑软件为基础，针对各自领域的不同需要进行二次开发的软件。

CAD系统的应用软件采用模块化结构，在已有的交互式绘图系统支撑下编制高级语言与该系统接口，实现参数设计、结构设计、绘图、优化一体化的结构。如利用AutoCAD本身支撑的AutoLISP开发的CAD程序；采用AutoCAD支撑开发的AutoCAD与FORTRAN，C接口的包括标准图形库及参数化设计软件；也有一些独立用C语言编制的图形系统软件包，在国内CAD中属于新兴开发的事业。

(2)CAD系统类型

CAD系统的具体结构往往取决于应用的领域或使用者的环境条件，因此CAD系统类型有下面几类。

根据计算机辅助设计中所用计算机及外围设备的配置，可分为独立式和分布式CAD系统两种型式。根据系统工作方式有非人机交互及人机交互式两种型式。

A．独立式CAD系统

·具有一台主机、多个图形终端的、有公用数据库，可以资源共享的多用户CAD系统。当CPU有故障会影响所有用户，一个终端运行程序影响其他用户的速度。

·工作站形式的单用户CAD系统，这是一种拥有32位微机工作站、有网络功能的计算机CAD系统，以SUN和APOLLO为代表，但投资成本大。

这类CAD系统配备大容量内存和外存以及图形交互设备，具有交互作用，响应时间短，联网后共享资源，具有便于逐步投资、逐步发展的优点。

·微型机的CAD系统。由于微机的性能不断提高，功能日益扩展，价格逐步下降，以微机PC为基础的CAD系统得到广泛应用。当前微机CAD系统硬件的基本配置为：486CPU、彩色图形显示器(分辨率1024×768)、双软驱(1．44MB及1．2MB)、硬盘容量210MB以上，4～8MB内存、时钟频率50～100MHz、鼠标、数字化仪、绘图仪。

软件配备有DOS高版本(6．0以上)及WINDOWS3．1以上版本的操作系统，以及AutoCAD12．0以上版本或其他绘图软件。

B．分布式系统

将各独立式系统联网成一个多处理机系统，可以成为独立的操作系统，各机之间资源共享，提高了CAD系统的性能，有利于多专业同时进行复杂的、需要大量信息的工程设计，但费用较大。

C．非人机交互式CAD系统

CAD过程中，由计算机根据用户编制的程序自动完成设计、计算与绘图，适用于能够用明确的目标函数定量描述设计目标的设计问题。

信息检索型CAD系统 信息检索型CAD系统适用于标准化，系列化的设计。把已定型的产品资料(数据及图纸)变成一定的信息存入计算机内，在给定初始参数后，计算机可根据要求选定对应产品、给出图形及有关信息，这种系统只适宜于定型产品的信息输出，不具有修改功能，所以适用性差。

计算型CAD系统 计算型CAD系统由设计者根据设计要求找到目标函数，编成程序输入计算机，运行后得到结果。运行过程中不需人的介入自动进行寻优，作出决策，全过程由计算机自身完成，只适用于事先能够用数学形式描述的设计问题，对于不能用数学描述的设计就无法应用，所需硬件容量大，软件庞大，人机脱开，不能发挥人的作用。

D．人机交互式CAD系统

通过人机对话方式实现交互方式，在系统进行了初步设计后，通过人机对话方式进行图形编辑以得到满意的结果。

这种方式是CAD系统的主要方式。在系统作业过程中，设计者可以随时对计算机设计的每一阶段提供的信息和图形进行分析、判断，提出要求，可使计算机再作修正，并显示新的信息和图形，经多次反复，直到满意为止。

交互式设计系统是把设计者的创造性活动、计算机的高速运算和处理机能有机地组合起来，以达到理想的最佳结果。

作为CAD系统的发展期望，还应加入智能化，目前正在一些CAD系统中开展。