книги из ГПНТБ / Ландау И.Я. Применение ЦВМ для проектирования ЦВМ

Ё микроэлектронных модулях в большинстве случаев используются элементы, реализующие логические функ­

дули, как правило, выпускаются сериями; каждая серия содержит модули нескольких типов; все модули серии имеют одинаковые геометрические размеры, число и рас­ положение выводов, но различаются количеством, чис­ лом входов и типом элементов, а также их нагрузочной способностью.

Базовые элементы, используемые иа этапе логиче­ ского проектирования, могут и не совпадать с реальны­ ми элементами, входящими в состав модулей.

Для примера рассмотрим две системы базовых эле­ ментов, основанные на микросхемах различных типов

(рис. 1-2).

Модули первого типа (рис. 1-2,а) состоят из одного или более независимых элементов (триггер и элементы, реализующие логическую функцию И-— НЕ). Число вхо­ дов каждого элемента для разных модулей меняется от 2 до 8. В качестве базовых элементов для этой серии целесообразно выбрать сами физические элементы (как показано на рис. 1-2,6). При необходимости могут'быть введены в качестве базовых элементов еще несколько типовых схем триггеров, компонуемых из отдельных эле­ ментов И — НЕ.

Модули второго типа (рис. 1-2,а) содержат различ­ ные логические элементы с разным числом входов. Базо­ выми элементами здесь также являются физические эле­ менты и триггеры, построенные из нескольких физиче­ ских элементов (стандартного триггера в серии нет).

Назовем модули конструктивными элементами (или просто элементами) ранга 2, а входящие в них логиче­ ские элементы— элементами ранга 0*. Из модулей ком­ понуются элементы ранга 3, из элементов ранга 3— эле­ менты ранга 4 и т. д.; количество рангов и способы сое­ динения между собой элементов каждого ранга зависят от назначения и конструкции ЦВМ и значительно разли­ чаются для разных машин. Существенно здесь то, что для некоторой конкретной ЦВМ все элементы одного ранга имеют одинаковые геометрические размеры, оди-

* Таким образом, базовые элементы — это либо элементы нуле­ вого ранга, либо некоторые их комбинации; будем называть базовые элементы элементами первого ранга.

10

■ М М М

наковое число и расположение выводов, а также один и тот же способ связи с элементами следующего ранга. В большинстве современных конструкций (для универ­ сальных ЦВМ) используются конструктивные элементы

11

логической схеме), то при конструкторском проектиро­ вании производится последовательное укрупнение этих описаний в соответствии с принятой иерархией конст­ руктивных элементов. При этом конструктивное деление машины может быть (и часто бывает) ие связано с ее логическим делением на функциональные узлы, посколь­ ку иерархия конструктивных элементов определяется существующими технологическими и производственными возможностями (типы разъемов, способ выполнения мон­ тажа), которые не всегда соответствуют логической структуре устройства.

1-2. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ПРОЕКТИРОВАНИЯ С ПОМОЩЬЮ ЦВМ

Практическая ценность работ по автоматизации про­ ектирования ЦВМ в значительной степени зависит от выбора этапов проектирования, выполняемых машиной, и от необходимой степени вмешательства человека на промежуточных стадиях работы. При автоматизации от­ дельных, не связанных между собой этапов проектирова­ ния общие сроки разработки сокращаются, но требу­ ется большое количество ручного труда для подготовки исходной информации и обработки получаемых резуль­ татов, причем не исключается возможность появления ошибок в документации. Поэтому желательно выполнять с помощью машины ряд последовательных этапов про­ ектирования; конечный результат должен иметь вид до­ кументов, пригодных для использования на производст­ ве и не требующих дополнительной ручной обработки.

Первый из этих этапов должен быть выбран таким образом, чтобы объем входной информации был возмож­ но меньше и эту информацию можно было представить на удобном и привычном для разработчиков ЦВМ языке (в противном случае трудоемкость подготовки исходных данных может свести на нет преимущества автоматиза­ ции) и в виде, пригодном для ввода в машину. При этом должна быть обеспечена возможность автоматической проверки исходной информации, — иначе ошибки, допу­ щенные человеком на ранних стадиях работы, попадут в выпускаемую документацию.

Таким образом, наиболее эффективный способ исполь­ зования ЦВМ для проектирования ЦВМ — разработка автоматизированной (еще лучше — автоматической) сис­ темы проектирования. Какие же работы может выпол­

нять такая система?

"Ц

Очевидно, что разработку технического задания дол­ жен выполнять человек. Основные работы логического проектирования в настоящее время также приходится оставить человеку (во всяком случае при проектирова­ нии универсальных ЦВМ). Это вызвано тем, что методы блочного синтеза пока еще только разрабатываются; в области логического синтеза цифровых автоматов хоть и получено много ценных результатов, однако известные

внастоящее время алгоритмы логического синтеза сложны и недостаточно универсальны [Л. 1].

Сдругой стороны, логическое проектирование — ра­ бота творческая п хорошо выполняется человекош/На ранних стадиях логического проектирования (выбор структуры машины, системы команд, разработка блоксхем) работа выполняется небольшим коллективом вы­ сококвалифицированных разработчиков. Однако по мере детализации описания машины объем работ возрастает, п на завершающих стадиях логического проектирования

вработе участвует значительное количество людей Расчленение работы между отдельными исполнителями приводит к появлению ошибок как из-за небрежности, так и из-за различного толкования разными исполните­ лями одних и тех же пунктов задания.

Ошибки при проектировании сложных вычислитель­ ных комплексов, включающих большое число одновре­

менно работающих асинхронных устройств, возникают и на ранних стадиях логического проектирования. Про­ исходит это потому, что чисто умозрительно («на бума­ ге») невозможно просмотреть все варианты работы та­ кой сложной системы. Не всегда удается сделать это и на макете машины (не говоря уже о том, что создание и наладка макета требуют много времени и средств). Та­ ким образом, необходимы средства для анализа резуль­ татов логического проектирования (блок-схем, логиче­ ских схем), которые обеспечивали бы объективную и воз­ можно более полную их проверку. Такими средствами являются специальные языки для формального описа­ ния схем и программы моделирования работы логиче­ ских схем.

Обычные методы описания структуры и работы логи­ ческих схем (чертежи, временные диаграммы, словесные1

1 Эти работы могут быть выполнены машиной (см. гл. 2), одна' ко в существующих АСП логические схемы разрабатываются «вруч­ ную».

15

описания), как правило, бывают не полны и неоднознач­ ны. Формализация описания схемы с помощью специаль­ ного языка (подобного языкам программирования) уст­ раняет эти недостатки, что облегчает связь между раз­ работчиками и способствует сокращению числа ошибок. Здесь можно провести аналогию с положением в обла­ сти программирования в то время, когда программы со­ ставлялись в машинных командах. Появление алгорит­ мических языков (АЛГОЛ, ФОРТРАН, КОБОЛ) облег­ чило как сам процесс программирования, так и обмен информацией между программистами. Синтез логиче­ ской схемы имеет много общего с разработкой програм­ мы, поэтому использование языка высшего уровня для проектирования логических схем дает такой же эффект.

схем управления и регистры запоминающих устройств), между которыми при выполнении определенных логиче­ ских условий происходит передача информации, и выде­ ленных переменных — входных и выходных сигналов. Операторы языка определяют действия над переменны­ ми (конъюнкция, дизъюнкция, отрицание, пересылка и т. д.), составляющие набор элементарных операций, вы­ полняемых в ЦВМ. На таких языках возможно компакт­ ное и точное описание алгоритмов работы любого функ­ ционального блока ЦВМ; это описание может быть использовано для проверки блока путем моделирования его работы на универсальной ЦВМ. С помощью модели­ рования можно получить различные сведения о работе устройства: временные диаграммы в заданных точках схемы; задержки прохождения сигналов в разных цепях; данные об относительном использовании отдельных бло­ ков при решении заданных задач. Таким образом, моде­ лирование позволяет полностью проверить схему без ее изготовления (причем эта проверка может дать больше сведений, чем работа с макетом). Простота изменения модели (т. е. описания схемы) и легкость проведения таких «машинных экспериментов» с ней позволяют использовать моделирование не только для проверки схем, но н для других целей: выбора оптимальных вари­ антов решения (например, варианта блок-схемы), отра­ ботки системы команд, отладки микропрограммного управления, автоматизации построения тестов.

16

Таким образом, на этапе логического проектирования ЦВМ применяется главным образом для анализа и конт­ роля выполненной человеком работы.

На этапе конструкторского проектирования решают­ ся следующие задачи:'

1.Компоновка конструктивных элементов (модулей из базовых элементов, ячеек из модулей и т! д.)\

2.Размещение элементов (модулей на ячейке, ячеек на плате п т. д .).

3.Составление и выпуск монтажной документации

(трассировка соединений, составление таблиц проводов

ичертежей печатного монтажа).

4.Составление п выпуск тёкстовой документации (спецификаций, ведомостей покупных деталей).

5. Построение тестов.

Все эти работы могут быть выполнены машиной, однако при решении ряда задач конструкторского про­ ектирования встречаются противоречивые требования, и это не всегда позволяет построить пригодные для ЦВМ критерии выбора оптимального решения. Так, например, при компоновке ячеек из модулей желательно реализо­ вать возможно большее число связей между модулями внутри ячейки (это улучшает электрические характери­ стики схемы) и одновременно иметь возможно меньше разнотипных ячеек (это диктуется интересами производ­ ства и эксплуатации). В этом случае поиск оптимально­ го решения задачи приводит к полному перебору всех вариантов компоновки, что практически невозможно, так как требует слишком много машинного времени. При машинном проектировании печатного монтажа обычно удается развести не более 90% соединений (для слож­ ных плат), остальные соединения выходят на перемычки.

В таких случаях целесообразно допустить вмеша­ тельство разработчика в работу системы. Он может оп­ ределить типовые ячейки, реализующие (с некоторой избыточностью) стандартные устройства (регистр, раз­ ряд арифметики), скорректировать разработанный ма­ шиной чертеж печатной платы и т. д.; результаты вме­ шательства должны каждый раз контролироваться машиной. Необходимость вмешательства человека в ра­ боту системы на различных этапах проектирования вы­ двигает определенные ■требования к характеристикам используемой в АСП машины. Если вычислительная машина, на которой проводится проектирование, рабо-

2— 504

taeT в режиме последовательной обработки информаций, каждое вмешательство потребует много времени: маши­ на печатает результаты проделанных расчетов, они пере­ даются разработчику, указания разработчика наносятся на перфокарты или перфоленту и вводятся в машину. Поэтому разработчик должен иметь возможность непо­ средственного общения с машиной. Для того чтобы при этом не было непроизводительных потерь машинного времени, желательно, чтобы машина в системе проекти­ рования работала в режиме разделения времени.

На различных этапах проектирования входная ин­ формация и результаты работы машины имеют разную форму (записи на языке проектирования, схемы разме­ щения элементов, таблицы, чертежи печатных плат). Пульт разработчика должен обеспечивать быстрый ввод и вывод как алфавитно-цифровой, так и графической информации. /Наиболее удобен для этого пульт с инди­ катором на электронно-лучевой трубке и световым пе­ ром.

Исходной информацией для программ конструктор­ ского проектирования служит детальная логическая схе­ ма в базовых элементах. В машине она обычно пред­ ставляется в виде списка элементов и списка связей меж­ ду их выводами. По мере компоновки конструктивных элементов старших рангов (модулей, ячеек и т. д.) вы­ рабатываются новые версии описания схемы: перечень ячеек и список связей между контактами разъемов; пере­ чень панелей п т. д. После решения задачи размещения описания дополняются сведениями о местоположении элементов, затем решается задача трассировки и появ­ ляются данные о способах реализации соединений.

Отдельные задачи проектирования решаются разны­ ми программами и в разное время; в процессе проекти­ рования иногда приходится менять ранее принятые ре­ шения, что требует корректировки результатов выполне­ ния некоторых работ. Поэтому результаты выполнения каждого этапа конструкторского проектирования долж­ ны постоянно храниться на машинных носителях (маг­ нитных лентах, магнитных дисках) и должны быть обес­ печены средства для поиска и изменения этих данных. Иными словами, в состав АСП должен входить архив,

18

Техническое Л ( з а д а н и е )

Текстовые Документы документы для ручного {изготовления^

Документы на машинных носителях для управления станками-автоматами

Рис. 1-4. рдрк-с*ема АСП,