Разработка и исследование компонентов программного обеспечения гибкой системы автоматизированного проектирования схем электронно-вычислительной аппаратуры

Актуальность проблемы. Электронно-вычислительная аппаратура (ЭВА) в настоящее время находит все более широкое внедрение в различных отраслях народного хозяйства. Счетно-решающие и управляющие устройства применяются в производственных процессах, в строительстве, в научных исследованиях, в сфере планирования, учета и управления, в проектно-конструкторских работах. Расширение сферы применения, повышение требований к производительности ЭВА, а также развитие технологии изготовления и элементной базы приводит к необходимости создания новых более совершенных устройств.

Наиболее важными характеристиками процесса создания новых и совершенствования известных типов ЭВА являются сроки и качество проектирования, определяющие в конечном счете технический уровень и эффективность разрабатываемой аппаратуры. Повышение сложности и расширение функций разрабатываемых устройств приводит к росту объема проектно-конструкторских работ, а, следовательно, — к увеличению сроков проектирования. При больших сроках проектирования возникает опасность быстрого морального старения технических решений. Снижение трудоемкости проектирования при одновременном повышении качества и сокращении. сроков становится возможным только благодаря автоматизации на всех этапах проектирования. В основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981;1985 годы и на период до 1990 года говорится о необходимости совершенствования вычислительной техники, ее элементной базы и математического обеспечения в области автоматизации проектно-конструкюрских и научно-исследовательских работ /I/.

Эффективность автоматизации зависит от того, насколько полно она охватывает все этапы проектирования. В связи с этим в настоящее время автоматизации отдельных процедур проектирования предпочитают создание систем автоматизированного проектирования (СШР). Согласно /2/ САПР — организационно-техническая система, состоящая из комплекса средств автоматизации проектирования, взаимосвязанного с подразделениями проектной организации, и выполняющая автоматизированное проектирование. Комплекс средств автоматизации проектирования представляет собой совокупность средств математического, лингвистического, программного, технического, информационного и организационного обеспечения /3/. Создание САПР — трудоемкая, сложная и длительная работа, для выполнения которой требуются большие коллективы высококвалифицированных разработчиков, имеющих в своем распоряжении достаточно мощный комплекс технических средств.

Развитие средств вычислительной техники и технологии изготовления ЭВА, повышение сложности объектов проектирования вызывают необходимость непрерывного совершенствования и развития САПР. Однако ввиду длительности процесса разработки САПР не представляется возможным реагировать на. изменения объектов проектирования и технологических ограничений путем создания новых систем. Поэтому актуальной становится проблема создания гибких САПР, структура которых позволяет соблюдать принципы включения, развития, совместимости и информационного единства /2/. При таком подходе становится возможной разработка подсистем или отдельных программ автоматизированного проектирования в небольших проектных организациях с применением малых ЭВМ.

Процесс проектирования ЭВА традиционно разбивается на три основных этапа: системотехнический, схемотехнический и конструкторский /4−9/. Важной задачей является автоматизация конструкторского этапа проектирования, так как именно на этом этапе выполняется большой объем рутинной работы, связанной с преобразованием информации и расчетом различных параметров.

Задачи, возникающие на этапе конструкторского проектированш относятся к классу задач многокритериальной оптимизации, и их точное решение в единой постановке весьма затруднительно /10/. Один из наиболее эффективных путей упрощения решения заключается в применении. принципа организации подсистем сразбиением задач на подзадачи на основе метода последовательной субоптимизации /11,12/. При этом в пределах каждой подзадачи отыскивается оптимальное решение по некоторому локальному критерию.

К основным задачам конструкторского этапа проектирования традиционно относятся /13−17/: распределение элементов схемы по конструктивно-функциональным узлам различного уровня сложности (компоновка узлов) — размещение узлов низшего уровня в узлах высшего уровнятрассировка межсоединений на всех уровняхполучение конструкторско-технологической документации. Указанные задачи тесно связаны между собой и отличаются большой трудоемкостью решения. Результат решения отдельной задачи в большой степени зависит от оптимальности решений, полученных на цредшествугощих этапах. Кроме того, критерии и ограничения, используемые цри решении, существенно зависят от конкретной конструкторско-технологической базы /6/.

Большой вклад в разработку теоретических основ и методов автоматизации конструкторского цроектирования внесли: Л. Б. Абрайтис /18/, В. И. Анисимов /19/, Р. П. Базилевич /20/, Б. В. Баталов /21,22/, А. М. Бершадский /23/, Д. И. Батшцев /24,25/, Ю. Х. Вермишев /26/, Б. Ф. Высоцкий /27/, В. М. Глушков /4/,.

Б.Н.Деньдобренько /28/, А. М. Карапетян /29/, В. М. Курейчик /30/, С. А. Майоров /31,32/, Н. А. Матюхин /33,34/, А. Н. Мелихов /35/, К. К. Морозов /36/, И. П. Норенков /37,38/, Г. В. Орловский /39/, М. И. Песков /40/, А. И. Петренко /41/,.

Г. Г.Рябов /42/, Л. П. Рябов /43/, В. А. Селютин /6,44/, М. Е. Штейн /45/ и другие, а также многие зарубежные ученые и специалисты /5,46−49/.

На основе разработанных методов был создан ряд САПР печатного монтажа и БИС. К САПР первого поколения можно отнести «Автограф», «АСП-1», «ЕСАП ЭВМ» и др. Эти системы использовали в качестве центрального процессора ЭВМ второго поколения, отличагощиеся низким быстродействием, малым объемом оперативной памяти и отсутствием возможности организации мультипрограммного режима. Поэтому проектирование производилось в автоматическом режиме, при котором конструктор практически лишен возможности участвовать в процессе проектирования. САПР первого поколения были достаточно эффективны в масштабах небольших про —. ектных и научно-исследовательских организаций. Однако возросший объем проектных работ и сложность объектов проектирования, совершенствование технологии изготовления ЭВА привели к необходимости разработки новых более современных САПР, ориентированных на использование современных средств вычислительной техники. Повышение быстродействия ЭВМ и увеличение объема оперативной памяти позволили использовать более эффективные алгоритмы, применять новые модели объектов и критерии оценки качества решения как отдельных задач, так и всей проблемы в целом. Появление современных операционных систем, совершенствование и расширение номенклатуры внешних устройств позволило наряду с автоматическим широко применять интерактивный режим проектирования. При этом появилась возможность использовать в процессе проектирования опыт и интуицию конструктора, которые невозможно в полной мере учесть даже в самых совершенных алгоритмах.

В настоящее время у нас в стране разработаны и успешно эксплуатируются следующие САПР электронных схем: «Рапира», «Прам», САТОП, система интерактивного проектирования на базе ЭВМ М-6000, интерактивная система проектирования 15УТ-4−017, АСП-5, ПЛАТА, АЛПАР и др. /50−55/. Из зарубежных САПР наиболее известны: система фирмы.

Motorola CLIO фирмы «ЯМ1 «CfiLMOS, система фирмы «IBM «, система фирмы 'Mi Tete phone Ca i» (США) — OflL MA, ROBIA/, L I LAC, MIRAGE, MIL D (Япония) — система GPL DI фирмы «Philips «(Голландия);

ДУЕЗТЯ фирмы «fie mens «(ФРГ) — ЦМО} POLIZON (Англия) — STfiJOS (франция) и др. /50,56−64/.

Для перечисленных САПР характерно наличие банка данных, сочетание автоматического и интерактивного режимов проектирования, возможность выбора программных средств для решения основных задач проектирования, иерархическая структура проектирования на основе фрагментации. Применение современных САПР позволило существенно сократить сроки и повысить качество проектирования.

Однако несмотря на возросшую эффективность САПР, полученные с их помощью решения лишь приближаются по качеству к результатам проектирования, выполняемого опытными конструкторами. Это объясняется прежде всего высокой сложностью основных задач проектирования в их традиционной постановке. Большинство задач конструкторского этапа проектирования, как известно /15,20/, относится к классу HPполных задач, точное решение которых может быть получено только путем полного перебора /65/. Кроме того, критерии, применяемые при автоматизированном проектировании, не позволяют в полной мере учитывать вза имосвязь между отдельными задачами.

Следует отметить, что при проектировании конструктор не в состоянии воспользоваться ни одним из известных алгоритмов автоматизированного проектирования, так как для человека не представляется возможным выполнить вручную соответствующий объем вычислений. Отметим также, что при решении какой-либо частной задачи проектирования конструктор не стремится достичь глобального оптимума по некоторому критерию, а добивается получения условий, достаточных по его мнению для успешного решения последующих задач. Исследование методов, используемых конструктором, позволяет выявить следующие характерные для них особенности: предварительный анализ конструктивно-технологических параметров и схемы проектируемого устройствадекомпозиция схемы на основе выделения функциональных узловразбиение общей задачи проектирования на ряд подзадач и установление приоритета критериевпрогнозирование сложностей, возникающих при решении подзадач, на основе анализа промежуточных результатов проектированияиспользование метода фрагментации на всех этапах проектирования.

Анализ исходного задания имеет своей целью классификацию схем и выбор соответствующих методов и критериев проектирования. Декомпозиция схемы позволяет существенно снизить размерность задачи и, следовательно, упростить ее решение. Отметим, что метод декомпозиции широко применяется в автоматизированном проектировании /20,36/. Анализ промежуточных результатов позволяет конструктору оценить условия, созданные на некоторой предварительной стадии проектирования для решения задач последующих этапов. Использование метода фрагментации позволяет сократить объем информации, обрабатываемой конструктором в процесс решения различных задач проектирования. Метод фрагментации также широко применяется в автоматизированном проектировании, особенно при проектировании БИС /44,50/.

Структура и организация программного обеспечения (ПО) современных САПР позволяют применять различные методы решения отдельных задач проектирования /66−68/. Как правило, для решения каждой подзадачи имеется несколько программных модулей, отличающихся друг от друга как быстродействием и требуемым объемом оперативной памяти, так и точностью получаемых решений. Таким образом конструктору предоставляется возможность составлять с помощью управляющей программы различные маршруты проектирования, то есть выбирать те или иные программные модули для решения различных подзадач в зависимости от сложности объекта проектирования, требуемой точности решения, имеющихся ресурсов оперативной памяти и быстродействия используемой ЭВМ.

В связи с продолжающимся ростом объема проектных работ и сложности объектов проектирования, совершенствованием технологии производства ЭВА задача повышения эффективности САПР и качества получаемых решений сохраняет свою актуальность. Один из путей решения этой задачи заключается в разработке и включении в ПО САПР программных модулей, представляющих собой реализацию отдельных приемов проектирования, используемых опытным конструк тором.

Цель работы. Основная цель диссертационной работы состоит в создании и исследовании комплекса программ автоматизированного проектирования, представляющих собой реализацию неформальных приемов проектирования, используемых .-.'опытным конструкторомобеспечении интерактивного режима автоматизированного проектирования на основе анализа особенностей схем проектируемых устройств, предназначенного для выбора оптимальных маршрутов про ектированиясокращении времени решения и требуемого объема оперативной памяти ЭВМ, повышении качества проектирования за счет применения новых моделей и алгоритмов, основанных на декомпозиции схемы и анализе промежуточных результатов.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи: исследовать принципы построения САПР ЭВА и определить состав программного и информационного обеспеченияразработать методику анализа схем ЭВА и определения оптимального маршрута проектированияразработать новый критерий и на его основе алгоритмы и программы размещения элементов, позволяющие создать оптимальные условия для трассировки канальными методамиразработать алгоритм трассировки, позволяющий получать более высокий процент реализованных соединений на этапе канальной трассировкипостроить компактные модели коммутационного поля, позволяющие упростить алгоритмы формирования трасс, минимизации число пересечений, размещения межслойных переходовразработать методику контроля соответствия полученной трассировки исходной схеме проектируемого устройства.

Методы исследования. Методика исследований основывается на использовании теории множеств, теории графов, методов кодирования информации, проверке теоретических результатов путем реализации разработанных алгоритмов на ЭВМ и решения реальных примеров проектирования ЭВА.

Научная новизна. Научная новизна работы заключается в исследовании и разработке специальных методов автоматизированного проектирования, цредставлящих собой реализацию неформальных приемов проектирования и позволяющих сократить время и повысить качество проектирования схем ЭВА определенного класса. В диссертации получены новые научные результаты в области автоматизации конструкторского этапа проектирования схем ЭВА: предложена методика анализа исходной схемы проектируемого устройства, основанная на вычислении значений ряда параметров, определяющих классификацию схем ЭВА и методы решения основных задач проектированиявведен новый критерий оценки качества размещения, учитывающий тесную связь между задачами размещения и трассировки и позволяющий определить реальные условия, созданные на этапе размещения для последующей канальной трассировкиразработан новый алгоритм размещения элементов на КП, основанный на декомпозиции схемы с учетом характера внутренних цепей. Предложена методика оценки возможности трассировки и коррекции результатов размещения элементов на КПразработан новый алгоритм канальной трассировки, использующий расплывчатое представление трасс, реализующих цепи схемы. В соответствии с принципом фрагментации разработан алгоритм минимизации числа пересечений трасс в каналах, прилегающих к линейке контактов. Предложена методика контроля соответствия полученной трассировки исходной схеме соединенийдля решения задач размещения и трассировки построены модели, отличающиеся компактностью и позволяющие упростить реализацию основных проектных процедур.

Практическая ценность. Исследования проводились в рамках госбюджетной и хоздоговорной тематики в соответствии с постановлением Госкомитета СМ СССР по науке и технике № 500 от 21. II. 1975 г., постановлением СМ РСФСР JS 610 от 12.II.1976 г., по планам секции радиоэлектроники и приборостроения «Программы САПР» Минвуза РСФСР. Кроме того, работа велась в соответствие с целевой комплексной программой 0.Ц.027, выполняемой по постановлению ГКНТ, Госплана СССР и АН СССР й 474/250/132 от 12.12.80 г. и № 492/245/164 от 8.12.81 г.

Результаты работы реализованы в виде программных модулей, вошедших в состав систем проектирования двухслойного («Граф-2Д») и многослойного («Граф-2М») печатного монтажа.

Расчеты и испытания показали, что предложенные методики и разработанные программы позволяют существенно сократить сроки и повысить качество проектирования устройств ЭВА определенного класса. Предложенные методы находят применение в проектировании БИС на основе использования типовых ячеек.

Реализация работы. Теоретические исследования, алгоритмы и программы, приведенные в диссертации, применяются и используются при проектировании двухслойного и многослойного печатного монтажа в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах завода «Электроаппарат» г. Ростов н/Д, АОМЗ г. Азов, НИИ ОМВС и КБ ТРТИ г. Таганрог и других предприятий. Ряд алгоритмов и программ зарегистрирован в Республиканском фонде алгоритмов и программ (г.Киев).

Результаты, полученные в диссертационной работе используются при подготовке и чтении лекций по курсу «Автоматизация конструирования РЭА и ЭВА», в лабораторных работах, курсовом и дипломном проектировании.

Научные и практические результаты диссертационной работы внедрены на ряде предприятий страны. Копии актов внедрения приведены в приложении. Фактический годовой экономический эффект, определенный на основании актов составляет 75,6 тыс. руб.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались, обсуждались и были одобрены на: семинаре «Микроэлектроника в вычислительной технике» (г.Ленинград, 1974 г.) — Всесоюзной научно-техничеокой конференции по цроблемам совершенствования проектирования, изготовления и контроля интегральных схем (г.Киев, 1976 г.) — Всесоюзной школе-семинаре «Современные тенденции в автоматизации конструирования радиоэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры» (Сйавское, 1978 г.) — конференциях «Автоматизация конструкторского проектирования РЭА и ЭВА» (г.Пенза, 1977, 1981, 1983 г. г.) — Ш-й Всесоюзной конференции «Автоматизация поискового конструирования и подготовки инженерных кадров» (г.Иваново, 1983 г.), а также на ряде других конференций и семинаров.

Публикации по работе. По материалам диссертации опубликовано 15 работ. Во ВНТИЦ зарегистрировано 12 отчетов по госбюджетным и хоздоговорным научно-исследовательским работам в области автоматизации проектирования ЭВА, выполненным при непосредственном участии автора.

Структура диссерталии. Диссертационная работа состоит из введения, трех разделов, заключения, списка цитируемой литературы и приложения.

3.7. Выводы.

1. Предложен подход к решению задачи трассировки соединений, основанных на применении различных по сложности и эффективности алгоритмов трассировки к разным зонам КП. Введен критерий оценки требуемой эффективности алгоритма трассировки для определенной зоны КП.

2. Разработан алгоритм трассировки канального типа, позволяющий за счет генерации нескольких вариантов трасс для каждой цепи и определения оптимальной очередности рассмотрения фрагментов трасс в процессе трассировки в каналах повысить процент реализованных соединений.

3. В соответствии с принципом декомпозиции схемы предложена модель линейки контактов и разработан алгоритм минимизации пересечений цепей инцидентных линейке. Приведен расчет необходимого объема памяти для хранения информации для работы алгоритма минимизации числа пересечений.

4. Введена новая мелкодискретная модель рабочего поля, предназначенная для волновой дотрассировки нереализованных цепей, получения эскиза трассировки, размещения межслойных переходов и разнесения фрагментов трасс по слоям, ручной дотрассировки и контроля правильности трассировки.

5. Предложена методика трассировки цепей, инцидентных внешним выводам схемы и разработан алгоритм дотрассировки внешних цепей и получения эскиза трассировки. Приведен расчет трудоемкости алгоритма и необходимого объема оперативной памяти.

6. Разработан алгоритм контроля соответствия получаемой трассировки исходной схеме соединений, позволяющий выявить все виды ошибок, допущенных разработчиком в процессе ручной корректировки.

7. Приведены данные испытаний разработанных методов, показывающие, что их применение позволяет увеличить в среднем на I % число реализованных соединений, сократить число пересечений трасс (в среднем на 7%) и количество межслойных переходов (в среднем на 3%).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации разработан комплекс алгоритмов и программ автоматизированного проектирования, основой которых являются неформальные цриемы проектирования, используемые опытным конструктором. Решена задача анализа исходной схемы проектируемого устройства и промежуточных результатов проектирования с целью выбора оптимальных маршрутов проектирования. Применение разработанных алгоритмов позволяет сократить время решения, требуемый объем оперативной памяти ЭВМ и повысить качество проектирования. На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы.

1. Исследованы принципы построения современных САПР ЭВА и произведен выбор архитектуры САПР и структуры ПО, позволяющих реализовать различные маршруты проектирования. Определена форма представления исходных данных для САПР, форма и способ хранения промежуточных результатов проектирования, отличающиеся компактностью и позволяющие проектировщику оперативно контролировать результаты и вносить соответствующие изменения на любом этапе конструкторского проектирования.

2. Разработана методика анализа исходной схемы проектируемого устройства, основанная на вычислении значений ряда параметров, определяющих плотность монтажа, однотипность элементов схемы, характер внутренних и внешних связей. Предложено производить выбор конкретного маршрута проектирования на основании данных анализа и с учетом особенностей как всей схемы в целом, так и отдельных подсхем.

3. Разработан новый метод декомпозиции схемы, основанный на ввделении связных компонент, образованных цепями определенного класса. Метод позволяет получать подсхемы малой размерности, близкие по составу к функциональным узлам схемы. Размещение выделенных компонент на КП позволяет повысить качество размещения по критерию МСД.

4. Предложен новый критерий оценки качества размещения элементов на КП, основанный на вычислении реальной площади, занимаемой элементами схемы и трассами, реализующими инцидентные им цепи. Разработана методика проверки возможности трассировки при полученном размещении и коррекции размещения на основе перераспределения ресурсов КП, направленной перестановки элементов и изменении конфигурации отдельных трасс.

5. Разработан алгоритм канальной трассировки, основанный на рассмотрении нескольких вариантов реализации каждой цепи и позволяющий повысить процент реализованных соединений, сократить число внутрисхемных пересечений и число межслойных переходов. Количество вариантов реализации цепи предложено задавать в зависимости от значения параметра, определяющего плотность трассировки в соответствующей зоне КП. Приведены оценки сложности алгоритма и требуемого объема оперативной памяти.

6. В соответствии с принципом фрагментации предложена модель линейки контактов, отличающаяся компактностью и простотой построения. Разработан алгоритм минимизации числа пересечений трасс, реализующих цепи, инцидентные контактам линейки. Алгоритм основан на простых операциях над строками модели линейки контактов. Разработан алгоритм трассировки цепей, инцидентных внешним выводам схемы, по критериям минимума числа используемых магистралей и минимума числа пересечений. Получены оценки быстродействия алгоритма и требуемого объема оперативной памяти.

7. Введена мелкодискретная модель рабочего поля, позволяющая упростить решение задач размещения межслойных переходов и разнесения фрагментов трасс по слоям, получения эскиза трасси ровки, коррекции результатов трассировки, контроля соответствия полученной трассировки исходной схеме соединений, получения управляющих перфолент для программно-управляемого оборудования. Разработан алгоритм перехода от крупнодискретной модели поля к мелкодискретной. Приведены оценки быстродействия алгоритма и объема оперативной памяти, требуемого для хранения мелкодискретной модели. Разработана методика контроля соответствия полученной трассировки исходной схеме соединений. Методика основана на анализе графовой модели трассы и позволяет выявить все виды ошибок, возникающих в процессе коррекции результатов трассировки.

8. Методы и алгоритмы, разработанные в диссертации реализованы в виде программ на языке Ф0РТРАН-1У. Испытания программ показали, что применение данных методов позволяет увеличить в среднем на I % число реализованных соединений, сократить число внутрисхемных пересечений (в среднем на 7%) и число межслойных переходов (в среднем на 3%), а также существенно сократить время проектирования схем определенного класса по сравнению с известными методами решения задач размещения и трассировки. Научные и практические результаты диссертационной работы внедрены на ряде предприятий и используются при проектировании двухслойного и многослойного печатного монтажа. Основные результаты диссертации изложены в работах /81,82,84,85,104,105,113, 123−127, 131−133/.