Тема13. Основные понятия по системам автоматизированного проектирования рэа (аСхП)

Автоматизация схемотехнического проектирования ( АСхП ) включает в себя решение задач (проектных процедур) расчёта, анализа, оптимизации и синтеза электронного устройства. Проектная процедура расчёта включает в себя определение выходных параметров и характеристик устройства при неизменных значениях его внутренних параметров и постоянной структуре. Под анализом понимается определение реакции на выходе устройства при изменении его внутренних и входных параметров (многовариантный анализ). Процедура оптимизации предусматривает определение наилучших в том или ином смысле значений выходных параметров и характеристик путем целенаправленного изменения внутренних параметров устройства ( параметрическая оптимизация ) или структуры устройства (структурная оптимизация ). Наиболее сложной задачей являются процедуры синтеза, т.е. генерации исходного варианта устройства, включая его структуру (структурный синтез ) и значения внутренних параметров ( параметрический синтез ).

При проектировании электронной аппаратуры используются различные методы:

• неавтоматизированный расчёт по известным формулам (низкая точность, громоздскость, невозможность использования для сложных многоэлементных устройств );

• физическое моделирование, т.е. исследование объектов одной физической природы с помощью объектов другой физической природы, но с одинаковым математическим описанием функционирования ( метод электрофизических аналогий ). Применяется редко, в случаях когда математическое описание процессов затруднено, например, тепловых процессов;

• натурное макетирование – наиболее старый способ, обладающий наибольшей достоверностью результатов, обусловленной работой с реальными схемами, однако, он имеет ряд крупных недостатков – высокая стоимость, длительность создания макета, ограниченные возможности макетирования;

• математическое моделирование на ЭВМ наиболее современный способ автоматизации проектирования многоэлементных схем, например, СБИС с числом элементов 10⁵ и более. В этом случае математические модели элементов используются на всех стадиях проектирования. Под математической моделью понимается любое формализованное ( записанное с помощью математических формул ) описание объекта, отражающее с заданной точностью его состояние или поведение).

Современная система АСхП представляет собой комплекс средств, включающий в себя следующие основные части:

– математическое обеспечение (теория, методы, способы, алгоритмы для организации вычислений на ЭВМ) ,

– лингвистическое обеспечение ( языковые средства),

– программное обеспечение (системные и прикладные программы),

– информационное обеспечение (база данных элементов),

– техническое обеспечение(ЭВМ, периферийные средства:устройства графического ввода, чертёжные автоматы, координатографы ),

– организационное обеспечение ( совокупность правил, инструкций по эксплуатации АСхП),

– методическое обеспечение ( описания программ, языков программирования, инструкции по использованию всех видов обеспечения АСхП ).

В связи с резким увеличением степени интеграции современных ИС методы проектирования и программы для ЭВМ, основанные на моделях конкретных элементов не обеспечивают проведение схемотехнического анализа и оптимизации параметров. Из–за большой размерности возникающих задач проектирования необходимый объём памяти и затраты времени на моделирование выходят за разумные пределы. Компромиссом между точностью моделирования и аппаратно – временными затратами в сложившейся ситуации является использование т.наз. макромоделей. Под макромоделью понимается математическая модель функционального узла (состоящего из нескольких компонент ), отражающая с достаточной для конкретного применения точностью статические и динамические характеристики на внешних выводах ИС. Макромодель описывается системой уравнений значительно меньшего размера или существенно более простым алгоритмом расчёта выходных переменных по сравнению с развёрнутым компонентным представлением той же подсхемы, что и обеспечивает уменьшение размера задачи моделирования в целом. Снижение вычислительных затрат при использовании макромоделей ИС и фрагментов БИС достигается ценой некоторого уменьшения точности моделирования. Однако время моделирования уменьшается при этом в несколько раз, тогда как точность остаётся в допустимых пределах. В настоящее время накоплен банк макромоделей для всех серийно выпускаемых ИС и для типовых функциональных узлов БИС и СБИС, кроме того хорошо отработана методика формирования макромоделей для вновь проектируемых узлов и блоков.

На этапе конструкторского проектирования функционально – логическая или принципиальная электрическая схемы преобразуются в совокупность конструктивных узлов, которые осуществляют её физическую реализацию. При этом учитываются геометрические размеры компонент, размеры и расположение проводников (трассировка), расстояния между ними, определяется число слоёв на кристалле ИС, количество контактных площадок и межслойных соединений с учётом обеспечения заданных требованиё по надёжности в условиях реальной эксплуатации изделия.

Примером современной АСхП может служить система «Or CAD» версий 7.0…9.0, разработанная фирмой Or CAD основанной в 1985г.: специализация фирмы – САПР схемотехнического проектирования. Программный продукт (ПП) OrCAD, упрощенной версией которого является распространённая в РФ система P–CAD, является наиболее функционально полным и интенсивно развивающимся. ПП OrCAD – это программное обеспечение для сквозного проектирования электронных устройств, включающее:

• OrCAD Capture – программа создания принципиальных схем проектов всех типов: синтез ПЛИС, моделирование цифровых устройств с помощью OrCAD Express, моделирование аналоговых и цифровых устройств и их параметрическая оптимизация с помощью OrCAD PSpice и PSpice Optimizer, разработка печатных плат с помощью OrCAD Layout;

• OrCAD Capture CIS (Component Information System) программа доступа к базам данных ведущих фирм–производителей электронных компонент через Интернет (более 200 тыс. элементов);

• OrCAD PSpice– моделирование аналоговых устройств: расчёты режимов и характеристик, оптимизация схемотехники в зависимости от заданных пользователем ограничений, библиотека аналоговых моделей содержит более 12 тыс. позиций (практически вся элементная база);

• OrCAD Layout Engineer^,s Edition – графический редактор (расстановка компонентов, трассировка:

• OrCAD Gerb Tool – программа создания управляющих файлов для фотоплоттера;

• OrCAD Visual – графический редактор (аналог Auto CAD).

Типовой процесс проектирования предполагает размещение и трассировку элементов на схемных страницах (физических слоях ИС) с последующим соединением страниц между собой. Система позволяет проектировать до 30 слоев печатной платы или кристалла ИС, число одновременно разводимых слоёв – до16. OrCAD работает в среде Windous 98, NT4.0, XP, необходимый объём памяти около 300 Мбайт. В схемном редакторе предусмотрено формирование и использование макрокоманд (систем команд стандартной обработки типовых узлов и/или блоков проектируемого изделия), существенно облегчающих процесс проектирования схем с большим количеством функционально одинаковых устройств.