2339

Е.А. Ганцева

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Конспект лекций

Воронеж 2001

УДК 681.3

Ганцева Е.А. Автоматизация проектирования вычислительных систем: Конспект лекций Воронеж: Изд-во ВГТУ, 2001. 200 с.

Рассматриваются основные вопросы проектирования сложных программных средств и средств вычислительной техники.

Конспект лекций предназначен для студентов, обучающихся по специальности 220100 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети» при изучении курса «Автоматизация проектирования вычислительных систем».

Конспект лекций подготовлен на магнитном носителе в текстовом редакторе MS Word – 97 и содержится в файле «CAD.rar».

Ил. 5. Библиогр.: 16 назв.

Научный редактор д-р техн. наук С.Л.Подвальный

Рецензенты: кафедра ПМиЭММ ВГТА (зав. кафедрой д-р техн. наук М.Г. Матвеев);

канд. техн. наук В.А. Каладзе

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного университета

©Ганцева Е.А. 2001

©Оформление. Воронежский государственный технический университет, 2001

ВВЕДЕНИЕ

Конспект лекций по курсу ‖Автоматизация проектирования вычислительных систем‖ содержит теоретические и практические сведения о технологии автоматизации разработки сложных программных систем, информационного обеспечения вычислительных систем, проектировании средств вычислительной техники. Конспект лекций ориентирован на студентов старших курсов дневной формы обучения специальности «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети» и позволит им освоить современные технологии систем автоматизированнного проектирования.

В конспекте лекций компактно изложена технология автоматизированной подготовки проектов вычислительных устройств, представлены основные приемы работы с такими пакетами программ, как PCAD. Рассмотрены вопросы схемотехнического, функционального моделирования средств вычислительной техники.

Подробно рассматриваются структура систем автоматизированного проектирования (САПР), ее компонеты и их назначение. Особое внимание уделяется математическому и программному обеспечению САПР.

Представлены сведения по современным CASE-технологиям и CASEпакетам, их назначение и характеристики.

Конспект лекций снабжен заданиями для самостоятельного изучения некоторых вопросов проектирования средств вычислительной техники, математического и программного обеспечения САПР, а также вопросами, полезными для контроля полученных знаний.

Общие сведения о системах автоматизированного проектирования (САПР), их структура. Задачи систем автоматизации проектирования и производства вычислительных систем. Основные этапы проектирования

Цели и использование автоматизации проектирования вычислительных систем

Автоматизация проектирования (АП) – это искусство использования вычислительной техники для оказания помощи разработчику в формировании, контроле, записи данных документов при разработке вычислительной системы

(ВС).

Основными задачами АП являются задачи уменьшения времени разработки. Такие трудоемкие операции, как:

формирование подробной информации о проекте и документирование

его;

внесение изменений в документацию; контроль системной разработки в части электрической логической и

физической совместимости; подготовка таблиц соединений, кабельных таблиц, схем расположения,

перечня материалов, тестов, подлежат автоматизации.

АП является связующим звеном между техническим заданием на проектирование системы и данными, необходимыми для ее промышленного изготовления. АП охватывает преобразование технического задания на проектирование в логическую структуру, размещение оборудования, конструктивные узлы и описание этого процесса применительно к изготовлению.

Если бы имелась возможность полной автоматизации процесса проектирования, то основные данные, описывающие предлагаемую ВС на языке высокого уровня, можно было бы преобразовать в набор данных, необходимых для изготовления изделия. Если же полная автоматизация невозможна, то систему АП можно использовать как базу данных, из которой по требованию извлекают необходимую информацию о проекте и получают новые детальные сведения, затем новые результаты возвращаются в базу данных. Подобная процедура допускает оперативное ручное вмешательство разработчика в процесс проектирования, внесение дополнений в проект в соответствии с изменением технических требований.

Проекты наиболее сложных объектов, к которым относятся интегральные схемы (ИС) и вычислительные системы (ВС), создаются с обязательным применением САПР. Особенностью САПР ВС заключаются в том, что ЭВМ является не только объектом, но и средством (инструментом) автоматизированного проектирования. Первые тиражируемые программы для решения задач конструирования печатных плат появились в первой половине 60-х годов. В 60-70-х годах появились программно-методические комплексы для проектирования ЭВМ и их элементной базы, т. е. появились первые САПР. В середине 70-х годов промышленность стала изготавливать программнотехнические комплексы САПР, которые назывались автоматизированными рабочими местами. К концу 80-х сформировалась концепция многоуровневых САПР, осуществляющих сквозное проектирование (т. е. проектирование на всех уровнях и этапах, взаимосвязанное, использующее одни и те же базы данных, базы знаний, информационные потоки).

Важным этапом в разработке САПР стало использование методов автоматического формирования математических моделей сложных систем, алгоритмизации процедур проектирования топологии печатных плат и БИС, методов анализа моделей, выраженных дифференциальными, алгебраическими, логическими системами уравнений высокого порядка. Сейчас ведутся исследования по алгоритмизации процедур синтеза структур проектируемых объектов, по объединению САПР и ГАП в гибкую систему проектирования и производства изделий ЭТ и РЭА.

Проектирование - это комплекс работ с целью получения описания нового модернизированного технического объекта, достаточных для его изготовления в определенных условиях.

Объекты проектирования:

-изделия (ЭВМ, его элементы)

-процессы (вычислительные, технологические).

Проектные работы включают в себя теоретические, экспериментальные исследования, расчеты, конструирование, документирование.

Получаемые при проектировании описания бывают окончательными или промежуточными.

Окончательные описания - это комплект конструкторскотехнологической документации в виде чертежей, спецификаций, пояснительных записок, схем, программ для ЭВМ и управляемого технологического оборудования.

Промежуточные описания - это эскизы, текстовые документы, описания на специальных языках, управляющих программами САПР.

Проектирование, осуществляемое при помощи ЭВМ, называется автоматизированным. Степень автоматизации оценивается δ - долей проект-

человека. При δ =0 - проектирование неавтоматизированное. При δ =1 - автоматическое.

Автоматизация проявляется в следующих аспектах:

1.Автоматизация проектирования трудоемких рутинных работ, не требующих творческого подхода для своего выполнения. К таким работам можно отнести коммутационно-монтажное проектирование, оформление конструкторской документации. Однако, формализация подобных работ отнюдь не тривиальна. Поэтому одно из возможных направлений дальнейшего развития САПР - создание и совершенствование математического и программного обеспечения.

2.Вместо дорогостоящих и длительных экспериментальных отработках конструкций на макетах используются исследования математической модели объекта на ЭВМ. Но важно подчеркнуть, что остаются актуальными ориентировочные "расчеты", которые нужны для оценки параметров в математических моделях, исследуемых на ЭВМ. Возможное направление работы в области САПР - развитие аппарата математического моделирования, исследования соответствующих математических моделей, создание адекватного программного обеспечения.

3.Многие задачи не могут быть полностью формализованы. В этом случае данные работы выполняются наиболее квалифицированными специалистами. К подобным задачам относятся задачи выбора структуры и принципов организации проектируемых систем. В этом случае целесообразно применение экспертных систем.

В процессе проектирования сложной системы формируются представления о системе, отражающие с определенной степенью подробности. Т. е. происходит разделение на иерархические уровни, или горизонтальные уровни проектирования. Уровни отличаются степенью детализации, рассмотрения системы и ее элементов. Каждый элемент из высшего уровня является элементом на более низком уровне.

По характеру учитываемых свойств объекта различаются вертикальные уровни.

1.ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ УРОВЕНЬ отражает физические и информационные процессы, протекающие в объекте при его функционировании. Например, это принципы функционирования, особенности структуры, важнейшие параметры и характеристики объекта.

2.АЛГОРИТМИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ связан с разработкой алгоритмов функционирования ЭВМ и ВС, с созданием их мат. обеспечения.

3.КОНСТРУКТОРСКИЙ УРОВЕНЬ связан со структурой, расположением в пространстве, формой элементов объекта.

4.ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ связан с вопросами реализации конструкторского уровня, т.е. с возможностями и способами изготовления объекта в заданных условиях.

В свою очередь каждый из уровней можно разделить на подуровни. Типичными уровнями функционального проектирования БИС и СБИС являются:

-функционально-логический (проектируются функциональные и логические схемы);

-схемотехнические (разрабатываются принципиальные электрические схемы функциональных узлов и ячеек);

-компонентный (проектируются схемы ИС ).

Типичные уровни функционального проектирования ЭВМ:

-системный;

-функционально-логический.

Иерархические уровни конструкторского проектирования ЭВМ связаны с разработкой стоек, рам, панелей, типовых элементов замены (ТЭЗ).

ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

1.Этап НИР - этап предварительного проектирования. Сюда относятся предпроектные исследования, технические задания, техническое предложение. Здесь подробно изучаются потребности в получении новых изделий с заданными качествами, исследуются физические, информационные, конструктивные и технологические возможности построения изделий, прогнозируются возможные значения их параметров. На этом этапе необходимы научные разработки, исследования. Результатом НИР является формулировка технического задания (ТЗ) на разработку нового объекта.

2.Этап опытно-конструкторских работ (ОКР) характеризуется разработкой эскизного проекта, проверкой и корректировкой результатов НИР.

3.Этап технического проекта содержит работы по подробным техническим решениям и всем частям проекта.

4.Этап испытания опытного образца заключается в получении результатов, позволяющих выяснить недоработки и возможные ошибки, принять меры к их устранению.

На любом этапе можно выявить ошибку, неоптимальность принятых ранее решений, что требует возврата на предыдущие этапы и проведения итерационного проектирования.

Различают нисходящие (сверху вниз) и восходящие (снизу вверх) проектирования.

При нисходящем проектировании решаются сначала задачи более высокого уровня иерархии. При восходящем - наоборот. Функциональное проектирование чаще всего бывает нисходящим. Конструкторское - восходящим.

Маршрутом проектирования называется последовательность проектных процедур (т.е. частей, ведущих к принятию проектных решений), ведущая к получению требуемых проектных решений.

Пример типового маршрута: 1. разрезание принципиальной схемы устройства на части; 2. размещение микросхем на плате; 3. расслоение мест соединений; 4. трассировка; 5. оформление конструкторской документации и управляющей информации для программно-управляемого технологического оборудования.

Различают проектные процедуры синтеза, анализа и верификации. Синтез - это создание описаний объекта, т. е. его структуры и

параметров. Структура объекта характеризуется составом его элементов и способом их связи между собой. Параметр объекта - некоторая величина, численно отражающая свойство объекта или его функционирования. Синтезом является создание логической схемы, алгоритма и расчет значений параметров элементов схемы.

Анализ - состоит в исследовании проектируемого объекта и его описания, направленном на получение полезной информации о составах объекта. Цель анализа - проверка работоспособности.

Сопоставление различных описаний объекта с целью выяснения правильности описания называется верификацией. Существует два подхода к верификации: аналитический и численный. Аналитический подход заключается в использовании формальных методов доказательства соответствия двух сравнительных описаний. Круг задач, в которых применяется данный метод, весьма ограничен, т.к. метод требует специального языка описания проектных предложений и конструкций этого языка, алгоритмов сравнения вариантов в соответствии с языком.

Численный подход применяется гораздо чаще. Он основан на использовании математических моделей используемых объектов.

Математическая модель отражает свойства объекта, интересующие инженерапроектировщика. Она может быть представлена с помощью чисел, переменных, векторов, матриц, графиков и т.п. Существуют также имитационные математические модели. Они характеризуются тем, что отражают поведение объекта при заданных изменениях во времени внешних воздействий. Имитационные модели строятся на вероятностной основе.

При функциональном проектировании моделируют состояние объекта или процессы, описывающие последовательность состояний объекта. В этом случае мат. модель может представляется в виде системы уравнений

V = F(Z) = F(t,q,x),

где V - вектор фазовых переменных, t - время, q -возмущения, х - вектор координат, F - некоторая функциональная зависимость.

Подобная запись называется аналитической моделью. Очень часто вид F неизвестен аналитически, и взаимосвязь V и Z ищется по какому-то алгоритму. В этом случае речь идет об алгоритмических моделях.

Верификация заключается в установлении соответствия математической модели, полученной в результате проектного решения, и эталонной модели, определенной в ТЗ или в другом иерархическом уровне. Модели могут иметь разные размерности и состав фазовых переменных. Соответствие состоит в том, что при одинаковых внешних воздействиях зависимости V(Z) должны совпадать в пределах заданной точности. Такое соответствие моделей называется функциональной эквивалентностью.

Типовыми проектными процедурами являются:

1.Структурный синтез, который включает в себя синтез схем, конструкций (т.е. определение форм, взаимного расположения элементов), процессов (технологических, вычислительных), документации.

2.Параметрический синтез (т. е. оптимизация параметров и их допусков). Он включает

-оптимизацию параметров;

-оптимизацию допусков;

-идентификацию моделей;

-расчет по упрощенным методикам.

3.Детерминированная верификация (структурная и параметрическая) направлена на определение соответствия.

4.Статистический анализ - дает статические сведения о выходных параметрах при заданных законах распределения параметров элементов.

5.Анализ чувствительности, т.е. расчет чувствительности коэффициентов

кизменению параметров элементов или внешних параметров.