《计算机辅助技术基础》第二章

第二章CAD系统的硬件与软件第一节CAD系统的硬件一、CAD系统的硬件构成CAD系统的硬件主要由主机及外存储器、输入装置、图形显示装置和图形输出装置组成。

CAD系统的硬件构成如图2-1所示。

图2-1 CAD系统的硬件构成1．主机及外存储器（1）主机：主机是系统的核心，用来控制和指挥整个系统，并进行数学运算和逻辑分析。

主机由中央处理机（CPU：Centeral Processing Unit）和内存储器组成。

计算机一般分为大（巨）型机、小型机、工作站和微型机。

CAD 主要采用工作站和微型机。

微型计算机CPU的发展趋势如表2-1所示。

从中可见，随着集成电路和计算机系统结构的改进，目前微型机已达到过去大型计算机的性能指标，而其价格却下降了几个数量级。

CPU包括运算器和控制器。

●运算器主要进行算术运算、逻辑运算及比较，输出计算的结果及逻辑操作的结果等。

●控制器指挥和协调整个计算机的工作，具体功能是提取主存储器内的指令，分析指令的操作类型，然后接通各有关电路，实现各种动作，控制数据在各部分之间的传送。

在运算器和控制器中都有寄存器作为暂时的信息写入与写出的地方，存取速度均比从主存储器中存取要快。

表2-1 微机CPU发展趋势其中，MIPS为每秒处理一百条指令；GIPS为每秒处理10亿条指令。

存储器用来存放运算过程、原始数据和计算结果等。

存储器分为主存储器（也叫内存储器）和外存储器。

以前的内存储器多用磁芯存储器，现在多由半导体大规模集成电路LSI和超大规模集成电路VLSI 组成，内存储器与主机直接相连。

●内存储器一般包括随机读写存储器（RAM：Random Access Memory）和只读存储器（ROM：Read Only Memory）。

▲随机读写存储器用来存放各种输入、输出数据及中间结果，与外存储器交换信息，RAM中信息即可读出也可写入；▲只读存储器中信息是不变的，即断电后不会消失，只能读出，不可写入，一般用来存放固定程序，如管理、监控、汇编及诊断程序等。

速度是表示主机性能的重要指标。

一般用时钟频率（即主频）来表示，是计算机通过一电子钟发出的有规律的脉冲，单位是MHz（兆赫）。

由此确定的一个脉冲周期称为T周期，某个操作指令由若干个周期T组成。

因此，频率越高，周期T越短，执行指令所花时间就越少，速度就越快。

（2）外存储器外存储器用来存放暂时不用或等待调用的程序、数据等信息。

当使用这些信息时，由操作系统根据命令调入内存。

外存储器的特点是容量大，可达到数千个MB，但存取速度慢。

常见种类如下：1）磁盘：用户使用计算机处理的信息绝大多数存储在磁盘上，即磁介质上。

磁盘分软磁盘和硬磁盘两种。

软磁盘是一张胶片，直径规格有3.5，5.25及8英寸三种。

硬磁盘直径有5.25，8或14英寸。

它们分别由软盘驱动器及硬盘驱动器驱动并进行随机存取。

目前全球磁盘驱动器（HDD）年产销量上亿台，盘径130mm（5.25英寸）的单台最高容量已超过45GB，90mm（3.5英寸）产品已达18GB，65mm（2.5英寸）产品已达9GB。

主轴马达转速为7200r/min，最高已达12000r/min。

这对提高存取速度、盘片数据传输率均有重要作用。

随着网络多媒体应用的需求，磁盘接口除了EIDE，Ultra，SCSI外，高速光纤通道IEEE1394等产品也已广泛应用。

2）光盘：采用激光技术进行海量存储，单片双面光盘存储量达2000MB，并象软盘一样可更换，其存取速度与硬盘相当，现已得到广泛应用。

按其传输速率分为第一代光盘CD-ROM 1X（150KB/s），第二代光盘CD-ROM 2X（300KB/s），第三代光盘CD-ROM24X （3600KB/s），目前已有CD-ROM 50X。

2．输入装置输入装置是向计算机送入数据和各种字符信息及程序的设备，即用它们输入操作者（用户）对CAD系统进行作业的操作指令。

输入装置是人与CAD系统进行信息交互的主要工具。

常见的输入装置有键盘、鼠标器、光笔、轨迹球和操纵杆、图形输入板、数字化仪、工程扫描仪、光电式纸带输入机、卡片式输入机、磁盘磁带输入机、信号采集设备及声音信息输入设备等。

（1）键盘（Keyboard）键盘是最常用的输入设备之一。

通过键盘可以输入文字、确定屏幕上几何图形的坐标位置。

键盘上设字符键、功能键及控制键等。

字符键用来输入数据和程序；功能键用来输入一个命令或执行一个程序；控制键用来对屏幕和程序进行特殊处理。

（2）鼠标器（Mouse）鼠标器作为定位输入装置在60年代后期才出现，它能十分方便地操纵图标菜单、弹出菜单及下拉菜单，而且体积小，使用灵活，价格低廉，使得鼠标器的应用十分普遍。

鼠标器有如下两种类型：1）机械式鼠标它的底部装有一对轴线相互垂直的金属滚轮，当在桌面上移动鼠标器时，滚轮的转动转化成x、y方向的数值被记录下来，并相应地移动屏幕上的光标。

2）光电式鼠标器它的底部有一光源，当鼠标在专用的鼠标板上移动时，采用光束调制及光学编码技术，测出鼠标移动量。

随之驱动屏幕光标作相应移动。

（3）光笔（Light Pen）光笔是一种通过缆线与计算机主机相连且直接作用于显示屏幕的输入设备。

它适用于随机扫描式和光栅扫描式显示屏幕。

光笔有两个基本功能：●拾取，即能够取出光笔在屏幕上所指的那个点的所有状态参数；●跟踪，即能使屏幕上光标（由硬件或软件产生）跟着光笔一起移动。

这些功能使它能增、删图形元素，拾取菜单，以及在屏幕上自由作图等。

光笔的结构如图2-2所示。

工作原理是：当具有光敏端的笔尖接触屏幕时，产生的光电信号经过计算机的放大、整形，转变成标准的脉冲信号，并进入显示控制器，便可确定它在屏幕上的位置，再配合使用按键，可以对光笔所指点的位置进行增删、修改，因此光笔可以用来在屏幕上指点和画圆，从用户的角度看，就相当于在屏幕上作图，既方便又直观。

光笔的优点是价格低廉，可直接利用屏幕，无需另加输入板。

其缺点是分辨率低，精度差；且长时间在屏幕上作近距离操作，容易疲劳，射线对人体也有害，因此它的应用已逐渐减少。

（4） 数字化仪（Digitizer ） 数字化仪是一种常用的独立于显示屏 幕的将图形信息及其它信息转换成数字信息并输入计算机的输入装置。

1）结构 数字化仪由面板、模/数转换装置、控制器件及电子 感应笔（或盘状指示器）组成，面板是由一系列X 方向和Y 方向的细导线组成的精密网状薄膜。

数字化仪结构如图2-3所示。

2）工作原理 利用了电 磁感应原理。

即用开关技术把脉冲源顺次施加于组成网状薄膜的细导线上，各导线用不同数码标出它们所在的位置，当用电子感应笔压向（触及）面板上某点时（实际是指压在X ，Y 两个方向的某导线上），由电磁感应，它从最靠近的导线上检测出脉冲信号，由于每个导线代表不同的坐标位置，因此，就检测出感应笔的坐标位置。

然后通过数/模转换装置，输给计算机，计算机控制显示器，在其屏幕上显示出亮点（坐标）。

就是说把这点位置映射在显示器屏幕的某一点上，这个光标就是感应笔当前位置的反馈信息，实现了信息的输入功能。

3）功能：a. 定位功能（Locator Function ） 根据感应笔所在位置，控制显示器屏幕上光标的位置，感应笔触及到不同位置，光标就在不同的地方出现。

例如：确定画圆起点。

b. 画笔功能（Stroke Function）当笔触及画板后，并连续移动时，屏幕上也相应出现笔移动的轨迹，这就是笔划功能。

用于手工画图或描图，可实现将一个完整图形输入到计算机中去, 并在屏幕上显示出来。

c. 选择功能（Pick Function）选择功能有两个：一是若想对屏幕上的图形进行修改，可用此移动光标，选择图形上相应部分，然后由键盘输入有关修改、删除命令；二是在面板上建立一个特征码区域（菜单区），在这个区域内再划分一个个小区域，每个区域定义一种功能，对应每一种功能编制一段相应的程序存入计算机。

当感应笔触及到某一小区域就得到一个数字信息，通过这个数字信息，调用相应的程序段，完成绘图或其他功能。

4）主要性能指标工作幅面大小。

常见尺寸为900X1200（mm）及1200X1800（mm）；分辨率和精度可达0.025mm和0.076mm。

（5）图形输入板（Digitizing Tablet）图形输入板的工作原理与数字化仪相同，主要完成图形的反输入。

所谓反输入是指将已经绘制在图纸上的图形信息重新输入到CAD系统。

图形输入板的作用类似于扫描设备。

这种方法常用于对已有图纸的局部修改或内容临时的变动。

常见尺寸为280X280（mm）到900X900（mm），分辨率较低，一般为0.13mm。

（6）扫描仪（Scanner）扫描仪是CAD系统非常重要的图形输入装置。

扫描仪的主要技术指标有：扫描幅面，最大可达A0；扫描分辨率，指每英寸能分辨的象素点，如400象素/英寸；扫描速度，如3页/min；图形灰度级，如16或64等。

目前有各种各样的扫描输入系统。

根据所输出的图形性质可分为两大类：矢量化图形和光栅图形。

矢量化扫描输入系统的工作流程如图2-4所示。

系统工作时，首先用扫描仪扫描图纸，得到一个光栅文件，接着进行矢量化处理，变成一种格式紧凑的二进制矢量文件，即MIB格式文件，然后再针对CAD系统，进行矢量文件的格式转换，变成该CAD 系统可接受的文件格式，最后输出矢量图。

显然采用这种系统可以快速地将大量图纸输入计算机，比其它录入方法节省了大量人力与时间。

2．显示装置图形显示器是CAD系统中不可缺少的核心装置，是CAD系统实时的输入输出装置。

作为系统的输入设备，显示器可以随时对用户的操作作出及时的响应；作为输出设备，又可以将设计过程的中间结果从屏幕上提供给用户，以便不断编辑、修改。

因此显示器是人机交互必不可少的工具。

（1）图形显示器的基本原理大多数图形设备中的监视器采用标准的阴极射线管（CRT：Cathode Ray Tube）结构，也有采用其它技术的显示器，如液晶显示器、激光显示器、光二极管显示器及等离子体显示器等。

CRT结构如图2-5所示，它主要由电子枪、加速机构、聚焦机构、偏转机构及荧光屏组成。

CRT能够将计算机的电信号高速地转换成可见图像，当阴极被加热极加热到一定的温度之后，就会发射出电子，电子在高压作用下高速运动，通过聚焦机构，发散的电子就汇集成一股很细的电子束，电子束撞击到荧光屏上，荧光粉被轰击（2） CRT 显示器的类型 显示器的类型有三种，即刷新式显示 器、存储管式显示器及光栅扫描显示器。

前两种采用随机扫描方式，第三种采用光栅扫描方式。

刷新式显示器除CRT 之外，还包括显示缓冲器和显示控制器。

显 示缓冲器用来存储显示文件的内容，即屏幕上所画图形必须的信息；显示控制器是以一定的刷新频率周期性地扫描缓冲器的内容，一般是每秒25次到30如图2-6所示，电子束不是直接撞击在荧光屏上，而是存储在此栅极上，形成正电荷的图案。