книги из ГПНТБ / Штейн М.Е. Методы машинного проектирования цифровой аппаратуры

ШТЕЙН м. Е., ШТЕЙН Б. Е.

МЕ Т О Д Ы

МА Ш И Н Н О Г О

ПР О Е К Т И Р О В А Н И Я

ЦИ Ф Р О В О Й

АП П А Р А Т У Р Ы

Москва, «Советское радио» 1973

ПРЕДИСЛОВИЕ

Всего лишь несколько лет назад в инженерном лек­ сиконе появился новый термин «автоматизация проекти-

-рования», обозначивший новое, бурно развивающееся во многих промышленных отраслях направление.

По существу автоматизация проектирования явилась третьим и последним компонентом последствий научнотехнической революции любой промышленной отрасли,

И точно так же, как автоматизация производства и автоматизация управления, автоматизация проектирова­ ния должна вызвать (или уже вызывает) целый ряд необратимых превращений как профессионального, так и социального плана, выходящих за рамки узкоспеци­ альных вопросов повышения технико-экономической эффективности процессов проектирования новых техни­ ческих средств. Что же определяет этот термин и какова история его появления, как бы коротка она ни была?

Хотя главным инструментом в автоматизации про­ цессов проектирования является универсальная цифро­ вая вычислительная машина (ЦВМ), не следует отож­

Одним из важнейших элементов, отличающих авто­ матизацию проектирования как самостоятельное на­ правление, является системный подход к процессу про­ ектирования. Процесс проектирования любого комплек­ са технических средств состоит, с точки зрения инженера, в создании комплекта документов, обеспечивающих изготовление, проверку и эксплуатацию этих средств потребителем.

в основе которой лежит использование универсальной

3

лизованы в виде алгоритмов и программ для универ­ сальной ЦВМ.

Организация процесса в целом существенно зависит от достигнутого уровня автоматизации и, как правило, заметно отличается от традиционной организации руч­ ного проектирования.

Комплекс методов проектирования для отдельных этапов, формализованный в виде соответствующих про­ грамм и включающий в себя организационную схему процесса проектирования, вместе с соответствующими техническими средствами принято называть теперь авто­ матизированной системой проектирования (АСП). По­ явление первых АСП связано прежде всего с историей развития вычислительной техники, а точнее с началом создания вычислительных средств третьего поколения.

систем. Можно без преувеличения сказать, что крупней­

уровнем стандартизации и унификации схемных и кон­ структивных компонентов. Все многочисленное оборудо­ вание вычислительной системы (за исключением пери­ ферийных средств) складывается всего из нескольких классов конструктивов (ячеек, блоков, шкафов и т. п.), документация внутри которых идентична по форме и составу и может разрабатываться по единой методике.

Таким образом, собственно структура технической документации вычислительной системы (большой объем при малой номенклатуре) предопределяет высокую эф­ фективность применения механизации и автоматизации при ее создании, как это имеет место при промышленном производстве крупносерийных изделий.

Во-вторых, ручным методам проектирования слож­ ных систем объективно присущи (даже при правильном

4

техническом замысле) случайные ошибки, вызванные участием в процессе проектирования большого количе­ ства исполнителей, объективный контроль работы кото­ рых практически невозможен. Вместе с тем. технология производства систем третьего поколения (прежде всего

щенных при проектировании, стали чрезмерными, и пе­ реход к автоматизированному проектированию оказался единственным радикальным средством для существенно­ го их сокращения.

В-третьих, специалисты по .проектированию вычисли­ тельных систем профессионально и психологически были наиболее подготовлены к использованию ЦВМ для автоматизации своего труда. В результате именно в об­ ласти автоматизации проектирования вычислительных систем наиболее глубоко и всесторонне развивался про­ цесс формализации и алгоритмизации методов проекти­ рования технических средств на различных этапах этого процесса, начиная от разработки и последовательной детализации идеологических основ проекта (функцио­ нальный этап) и кончая выпуском комплекта конструк­ торской документации (этап технического или конст­ рукторского проектирования).

Можно считать, что в настоящее время созданы и практически применяются эффективные методы анализа (моделирования) вычислительных систем и цифровых устройств, обеспечивающие возможность проверки соот­ ветствия замыслов разработчика результатам функцио­ нального ( в широком смысле этого слова) этапа про­ ектирования. (Упоминание о «возможности» не случай­ но: степень проверки существенно зависит от того объ­ ема «испытаний» модели системы, который способен задать и реализовать разработчик.)

Известные сегодня алгоритмические методы техниче­ ского проектирования позволяют практически полностью автоматизировать процесс разработки документации для конструктива любого уровня, использующего интеграль­ ные элементы малого и среднего уровня интеграции.

5

Д ля основных задач этого этапа: размещения конст­

вполне удовлетворительные методы построения прове­ рочных тестов, обнаруживающих любые одиночные не­ исправности при заводском контроле или ремонте тако­ го устройства.

Однако методы построения проверочных и диагно­ стических тестов для устройств большой сложности, в том числе вычислительных машин, пока еще далеки от

ной. К сожалению, разрыв между реальными потребно­ стями и возможностями известных методов пока не со­ кращается.

Одним из важных дискуссионных вопросов и сегод­ ня, как и на первых шагах в области автоматизации проектирования, является вопрос о месте методов син­ теза устройств на этапе функционального проектирова­ ния вычислительных систем — наиболее «интеллектуаль­ ного» звена процесса проектирования. По различным причинам это многообещающее направление пока не принесло реальных плодов, видимо, еще и потому, что ему приходится конкурировать с наиболее творческой и квалифицированной частью коллектива разработчиков.

Возможно, однако, что по мере усложнения проекти­ руемых вычислительных средств, дальнейшего снижения «цены» логических элементов в критериях эффективно­ сти проектов и развития технологии производства мик­ росхем с большим уровнем интеграции разработчик предпочтет поручить логическое проектирование таких микросхем универсальной ЦВМ, и большой научный за­ дел, созданный в этом направлении, получит широкое практическое применение.

В этом кратком обзоре проблем мы опустили такие важные моменты, как взаимосвязь автоматизации про­ ектирования и автоматизации производственных про­ цессов, переход к автоматизации управления подготов-

6

кой и запуском в производство спроектированных систем. Однако и того, что перечислено, достаточно, что­ бы заметить, что проблемы, возникающие при автома­ тизации проектирования цифровых систем, во многом аналогичны проблемам проектирования многих систем, относящихся к самым различным отраслям техники.

Рассматривая принципы функционирования иных технических систем, можно заметить, что их структура имеет формальное сходство со структурой сложных циф­ ровых систем и складывается из:

— функциональных элементов, осуществляющих ка­ чественное и количественное преобразование поступа­ ющих на вход элемента продуктов (например, металло­

чивающих перемещение продуктов от одного функцио­ нального элемента к другому (транспортер, трубопро­ вод, транспортное средство любого вида и т. д.), и уп­ равление, контроль и сигнализацию о состоянии элемен­ тов системы. (С этой точки зрения вычислительная система также оперирует с некоторым специфическим «продуктом» — информацией.)

Если эти преобразования с достаточной точностью могут быть формализованы и представлены некоторой автоматной или алгоритмической моделью, то хорошо развитые методы моделирования цифровых устройств найдут применение в проектировании систем многих отраслей техники (химического производства, машино­ строения и т. п.). С помощью этих методов, очевидно,' можно воспроизвести с достаточной точностью течение всего технологического процесса проектируемой систе­ мы, вскрыть упущения проектировщиков при согласова­ нии режимов отдельных установок, пропускных способ­ ностей коммуникаций и т. п. Особенно важно, что на такой модели, очевидно, возможно воспроизвести раз­ личные аварийные режимы, выявить эффективность различных предохранительных средств и т. п.

Аналогии, отмеченные для функционального этапа проектирования, можно развить и для последующих этапов.

Задачи конструкторского этапа — компоновка и раз­ мещение функциональных и конструктивных элементов

7

—организация машинного архива технической доку­ ментации и соответствующих методов и средств ее уче­ та, хранения и изменения;

—создание специализированных операционных си­ стем для управления комплексом программ проектиро­ вания;

—рациональное распределение задач проектирова­ ния между системой пакетной обработки и системой индивидуального проектирования (с помощью средств оперативной связи проектировщик — ЦВМ) .

Центральным среди этих вопросов является органи­ зация машинного архива и автоматизированного веде­ ния документации в течение всего времени разработки. Практически все работающие системы обеспечивают лишь разовый выпуск документов, дальнейшее обраще­ ние которых происходит обычным путем. Сейчас уже ясны основные проблемы, затрудняющие решение этого вопроса:

—значительные организационные трудности автома­ тизации документирования разработок (использование машинных носителей документации, организация взаи­ модействия разрабатывающих предприятий и заводовизготовителей и т. п.);

—вопросы юридической ответственности за выпус­ каемую документацию;

—высокие требования к параметрам используемых технических средств, которым удовлетворяют, пожалуй, лишь ЦВМ Единой Серии и современные прецизионные чертежные автоматы;

—и, наконец, сочетание большой трудоемкости про­ граммирования задач документирования и незначитель­ ное их научное содержание, что не способствует привле­ чению к этой работе квалифицированных специалистов.

Заметное опережение в создании и внедрении авто­ матизированных систем проектирования цифровых си­

стем по сравнению с другими техническими системами и общность многих принципиальных вопросов, часть ко­ торых отмечена выше, 'придают практическим и теоре­ тическим результатам, получаемым в этом направлении, более широкое значение. Важно заметить, что автомати­ зация проектирования создает принципиально новую

9