Текст книги "Разработка САПР электронной аппаратуры"

1.8. Организация разработки программного обеспечения САПР

Объем программно-информационного обеспечения (ПИО) современных САПР составляет сотни тысяч операторов. Создать их за приемлемые сроки может только коллектив специалистов, но при этом длительность разработки даже за счет увеличения числа разработчиков ограничивается некоторой предельной величиной.

Эффективным методом сокращения сроков разработки и повышения качества САПР является обоснованная специализация разработчиков и создание рационального аппарата управления ими. Одной из основных функций этого аппарата является своевременное представление необходимых ресурсов (машинных, финансовых, человеческих и др.). Второй важнейшей функцией управления является контроль исполнения и координация хода работы.

Углублённая специализация труда разработчиков ПИО дает положительный эффект только при её умелом использовании. Известна зависимость (рис. 1.8) эффективности Э умственного труда от глубины его разделения Р.

Рис. 1.8. Зависимость эффективности умственного труда от глубины его разделения

Из графика видно, что очень узкая специализация (мелкое разделение работ), приводит к дополнительным затратам и снижению её эффективности.

Эффективность труда без специализации исполнителей определяется величиной Эmin. С ростом разделения труда эта величина растет до Э_max при оптимальном разделении Р_о, после чего при дальнейшем углублении специализации падает.

На крупных предприятиях специализированные подразделения САПР, как правило, ведут одновременно или адаптацию сразу нескольких САПР. В этом случае возможна специализация разработчиков по однотипным операциям, а наиболее подходящим является следующий вариант специализации разработчиков:

• алгоритмисты – обеспечение принципиальной реализуемости и концептуальной целостности системы, а также разработка алгоритмов математического обеспечения;

• программисты – разработка и отладка программ;

• отладчики – генерация тестов и проверка системы;

• технологи – изготовление и обеспечение эффективной работы инструментального программного обеспечения;

• контрологи – обеспечение однозначности толкования исходных спецификаций и входных данных, а также контроль алгоритма разработки;

• документологи – контроль документирования системы, редактирование и выпуск программной документации;

• интерологи – обеспечение проведения опытной эксплуатации и тиражирования системы.

Подобный способ организации труда позволяет разработчикам с максимальной эффективностью выполнять закрепленные за ними операции, и при этом легче достигается полная и равномерная загрузка разработчиков. Недостатком такой организации является некоторое обезличивание труда разработчиков и, как следствие, недостаточная их заинтересованность в конечном продукте – САПР.

Рассмотренная специализация труда разработчиков привела к возникновению методики разработки ПИО крупных систем, в которой выделяют следующие этапы: проектирование, кодирование, отладка и испытание.

В основе лучших методик разработки ПИО САПР лежат следующие принципы: использование аналитического подхода (сверху–вниз), постепенное наращивание системы, документирование параллельно с разработкой.

Сущность аналитического подхода заключается в последовательном разложении исходной задачи на ряд более простых для понимания и реализации задач. При этом появляется возможность одновременного подключения к работе нескольких исполнителей и совместимости различных этапов разработки.

Принцип постепенного наращивания ПИО заключается в том, что сначала создается максимально усеченная работоспособная версия системы, которая называется базовой. Затем к ней добавляются новые компоненты, реализующие отдельные расширенные функции. Использование этого принципа облегчает адаптацию готового ПИО к меняющейся конструктивно-технологической базе, условиям производства, новому периферийному оборудованию.

Принцип документирования параллельно с разработкой базируется на важнейшей функции документации – обеспечения связи между отдельными этапами разработки, так как результаты каждого этапа являются входными данными для следующих этапов. Поэтому формирование документации должно вестись в течение всего процесса разработки для обеспечения гибкости и удобства её использования. Документация разрабатывается по модульному принципу и принципу постепенного наращивания. Это дает следующие преимущества: в каждый момент времени имеется готовая документация для всех завершённых компонентов и разработчикам не надо документировать свою работу задним числом.

На этапе проектирования ПИО САПР применение аналитического подхода позволяет выполнить декомпозицию всей задачи на ряд подзадач и выделить соответствующие им подсистемы. Первым результатом декомпозиции является иерархическая структура программного обеспечения, включающая на высшем уровне управляющую систему или монитор, на среднем уровне – отдельные подсистемы и на низшем уровне – отдельные модули. Вторым результатом декомпозиции является логическая структура базы данных, содержащая описание информационных элементов и схему их взаимодействия. Анализ получившейся логической структуры позволяет принять решение: включать ли в состав САПР типовую СУБД или разрабатывать оригинальную СУБД.

Аналогично проектированию ПИО кодирование и отладка также реализуются по методу «сверху–вниз». При этом кодируются и отлаживаются программные модули от высшего уровня иерархии до низшего уровня. В этом случае пользователь может заранее оценить результат их работы и ввести необходимые коррективы. Кроме того, этот метод с самого начала позволяет гарантировать работоспособность наиболее ответственной части ПИО.

Следует иметь в виду, что в процессе разработки программы отладка занимает обычно (50–90)% времени. Это зависит от сложности алгоритма, используемого языка программирования, ЭВМ и операционной системы с имеющимися средствами отладки. После завершения отладки программ формируется эксплуатационная документация и документация сопровождения. Правила оформления программной документации регламентируются государственными стандартами, входящими в состав Единой системы программной документации.

Аналогично этапам проектирования, кодирования и отладки при испытаниях используется принцип «сверху–вниз» в сочетании с технологией вертикальных слоев. В соответствии с этим в первую очередь проверяется основная версия ПИО, а затем, по мере накопления тестовых данных и добавления новых расширенных функций, проверяется очередная версия системы. Достоинством такого подхода является более равномерное распределение во времени моментов обнаружения ошибок.

Вопросы для самоконтроля

1. Назовите системы автоматизации предприятия.

2. Какие виды работ выполняются в АСНИ?

3. Что понимается под ГПС и какие задачи она решает?

4. Приведите функциональную структуру ГПС.

5. Приведите двухконтурную структуру программно-информационного обеспечения ГПС.

6. Приведите график жизненного цикла САПР в условиях её разработки и в условиях её адаптации.

7. Какие требования предъявляются к ПМК?

8. Назовите состав общесистемного ядра САПР.

9. Перечислите основополагающие принципы создания САПР.

10. Приведите структурную схему САПР.

11. Приведите структурную схему программно-технического комплекса САПР.

2. ЭА как объект проектирования в САПР

2.1. Категории, виды и классы ЭА

Проблема автоматизации проектирования электронной аппаратуры (ЭА) и соответственно разработка для неё САПР требует классификации ЭА. Удобно классифицировать ЭА по назначению, по принципам функционирования, по объектам установки и конструктивным особенностям.

В соответствии с классификацией по назначению ЭА делится на следующие категории:

• аппаратура и устройства вычислительной техники;

• аппаратура приема, обработки и кодирования информации;

• аппаратура связи, навигации и РЛС малой мощности;

• аппаратура дальней связи и гидроакустические системы;

• аппаратура наземной и бортовой ЭА большой мощности.

Перечисленные категории ЭА состоят из определенных видов устройств, отличающихся принципом функционирования. Из наиболее широко применяемых видов ЭА можно выделить: цифровую, аналоговую, цифроаналоговую, сверхвысокочастотную, акустоэлектронную и электромеханическую аппаратуру. Существует ряд других видов ЭА, например лазерно-графическая, криогенная и др. При рассмотрении проблем автоматизации перечисленные виды составляют практически всю современную ЭА. Каждый вид ЭА отличается, прежде всего, физическими процессами, протекающими в устройствах. Это приводит к принципиальным отличиям в методах проектирования аппаратуры на всех этапах ее создания. Например, «инженеры-цифровики» используют математический аппарат функций алгебры логики, а «инженеры-аналоги» – аппарат дифференциального и интегрального исчислений.

Каждый вид аппаратуры включает множество классов устройств, обладающих особенностями функционирования. Например, в акустоэлектронной аппаратуре классы составляют: фильтры, генераторы, линии задержки, пьезопреобразователи и др. При разработке САПР каждый класс аппаратуры требует создания своего пакета программ функционального проектирования. Для одного вида ЭА, как правило, создается единый пакет программ технического проектирования, учитывающий конструкторскую специфику каждого класса. Но и такой подход не всегда удается реализовать. Например, не существует САПР, ориентированной сразу на несколько базовых технологий изготовления БИС.

По виду объекта установки (рис. 2.1) ЭА подразделяется на бортовую, морскую, наземную и бытовую.

Рис. 2.1. Классификация ЭА по виду объекта установки

Каждая из этих категорий делится на группы. Отличие в проектировании и конструировании этих категорий аппаратуры заключается в учете влияния различных дестабилизирующих факторов. К таким факторам относятся:

• механические (вибрации, удары, ускорения);

• климатические (температура, пыль, удары атмосферного давления, влажность);

• радиационные (α-, β– и γ-излучения).

Поэтому при разработке САПР ЭА необходимо знание особенностей объектов-носителей и климатических факторов.

Ракетная и космическая ЭА реализуется в моноблоках с конфигурацией, определяемой выделенным для ЭА отсеком, но в отдельных случаях возможна блочная реализация аппаратуры.

Самолётная и вертолётная ЭА, как правило, реализуется по блочному принципу. При этом блоки имеют законченное конструктивное решение с быстросъёмным механическим и электрическим соединением. Характерной особенностью таких конструкций блоков является применение шасси, в которое вставляются функциональные узлы.

Морская аппаратура устанавливается в шкафах с каркасной конструкцией, позволяющей устанавливать блоки нескольких типоразмеров. Блочное построение является наиболее характерным для морской аппаратуры.

Наземная аппаратура является наиболее разнообразной и состоит из возимой, носимой переносимой и стационарной ЭА. Назначения и условия использования этих групп различны, что отражается в конструкции такой аппаратуры. Наземная возимая аппаратура по конструктивному построению мало отличается от морской аппаратуры. Поэтому для возимой аппаратуры применяется блочный принцип с размещением блоков в шкафах.

В стационарной аппаратуре также применяется блочный принцип компоновки, как и при разработке возимой аппаратуры.

Для носимой аппаратуры главным при конструировании является удобство её эксплуатации и переноса.

Бытовая аппаратура – разновидность наземной ЭА, но имеет специфику, которая выделяет бытовую аппаратуру в самостоятельную категорию. К этой группе предъявляются следующие требования:

• эстетичный внешний вид и высокие акустические данные;

• эксплуатация совершенно неподготовленным человеком;

• массовость производства, долговечность и малая стоимость.

2.2. Конструктивный базис ЭА

Практика проектирования современной аппаратуры базируется на принципе «трех М»:

1) модульность структуры и конструкции;

2) магистральность передачи данных и управления;

3) микропрограммирование в широких масштабах.

Рассмотрим первый из названных принципов применительно к конструктивному базису ЭА. В проектировании на основе модулей наметились три основных направления.

В первом направлении применяются функциональные модули малой сложности, которые выполняют стандартную функцию, что отражается в соответствующем каталоге. Разработчик выбирает из каталога необходимые модули и реализует на их основе аппаратуру. Конструктивно функциональные модули могут быть выполнены, например, в виде малогабаритной печатной платы.

Во втором направлении модульного проектирования используют значительно более крупные, чем в первом направлении, функциональные модули, представляющие собой функционально законченные устройства. Такими устройствами могут быть блок питания, блок памяти, устройство управления и т.д.

Третье направление модульного проектирования базируется на представлении конструкции иерархической системой, в которой модули более низких уровней иерархии являются «строительными кирпичиками» для модулей более высоких уровней иерархии.

Первое направление в проектировании выигрывает по сравнению со вторым в объеме запасных модулей, но проигрывает в габаритах аппаратуры и ее надежности за счет увеличения количества фрикционных электрических контактов. Поэтому каждый из подходов используется применительно к конкретным условиям. Третье направление в построении РЭА и ЭВА является наиболее гибким и не содержит недостатков первых двух направлений.

В конструктивной базе современной ЭВА условно выделяют пять уровней иерархии, каждый из которых представляет собой ту или иную базовую конструкцию.

Модуль нулевого уровня – интегральная микросхема (ИС), выполненная в корпусе или без корпуса с широким диапазоном степени интеграции компонентов – от нескольких тысяч до десятков миллионов. Модули этого ранга представляют собой функционально законченные части, например процессоры, контроллеры, коммутаторы. ИС выпускаются сериями со стандартными геометрическими размерами и электрическими параметрами.

Модуль первого уровня – типовой элемент замены (ТЭЗ), содержащий десятки ИС. Конструктивно модули первого уровня выполняются в виде двухслойных печатных плат (ДПП), многослойных печатных плат (МПП), микросборок, стежковых печатно-проводных плат и других конструктивных исполнений.

Модуль второго уровня – панель, содержащая десятки ТЭЗов.

Модуль третьего уровня – рама, содержащая несколько панелей. Модуль четвертого уровня – стойка, содержащая несколько рам.

Приведенную иерархию модулей можно рассматривать как базовую и видоизменять её применительно к конкретным условиям.

Конструирование систем из модулей продлевает срок их эксплуатации за счет периодической модернизации модулей.

Направление модульного проектирования систем базируется на принципе агрегатирования, основным условием которого является совместимость модулей. Для этого необходимо рассмотреть вопросы электрической, информационной, конструктивной и эксплуатационной совместимостей, а средством достижения совместимости является унификация и стандартизация свойств и параметров модулей.

2.3. Уровни и задачи проектирования ЭВА

Проектирование – это процесс разработки технической документации для изготовления устройства с заданными функциями и характеристиками, обеспечивающими качество функционирования.

Трудоёмкость проектирования изменяется в значительных пределах на различных этапах проектирования. Например, на этапах, где разрабатывается техническая документация, трудоёмкость и сроки проектирования больше, чем на этапах, где документации мало. Приступая к разработке любой САПР, необходимо иметь представление об общей методике процесса проектирования объекта.

В современной методике проектирования ЭА выделяют три основных уровня, которые определяются спецификой задач и соответственно специальностями разработчиков каждого уровня – системотехниками, схемотехниками и конструкторами. На рис. 2.2 показаны уровни и основные задачи проектирования ЭВА.

Рис. 2.2. Уровни и задачи проектирования ЭВА

Системотехнический уровень проектирования

Системотехнический уровень проектирования часто представляют в виде двух этапов: внешнего проектирования и структурного проектирования.

Внешнее проектирование начинается с первой встречи заказчика с исполнителем. Как правило, это самая приятная часть создания проекта, так как заказчик еще не четко, в деталях, представляет себе, что ему нужно, а исполнитель, поддерживая престиж фирмы, соглашается на всё. Результатом их встречи является техническое задание, которое в процессе реальной работы над проектом подвергается неоднократному уточнению и обрастает протоколами согласований и рассогласований. После утверждения технического задания на этапе внешнего проектирования выполняется:

• разработка принципа организации устройства, определение критериев эффективности и производственной базы проекта;

• разработка укрупненной структурной схемы ЭВА и определение путей реализации последующих этапов проектирования.

Главной задачей структурного проектирования является разработка оптимальной структуры ЭВА. В качестве критерия оптимальности часто используется отношение эффективного быстродействия ЭВА к аппаратурным затратам на принятые структурные решения.

Второй важной задачей структурного проектирования является проверка реализации системы команд на разработанной структуре ЭВА или проверка взаимодействия всех устройств во всех режимах работы. Эта задача часто называется структурным моделированием.

В настоящее время этап структурного проектирования в определенной мере автоматизирован и выполняется с помощью сервисных средств, облегчающих разработчику представление, исследование и изменение различных вариантов структурных схем. Эти средства позволяют исследовать различные варианты структурной схемы ЭВМ, сравнить их по объему оборудования, изучить распределение потоков информации в схеме и распределение времени прохождения информации в различных каналах.

В общем системотехническое проектирование является слабо формализованным процессом. В основном используется интеллект разработчика, а ЭВМ помогает ему в просмотре вариантов решений и поиска аналогов решений.

Схемотехнический уровень проектирования

Рассмотрим основные задачи, решаемые на схемотехническом уровне проектирования. Исходной информацией для этого уровня являются характеристики структурных схем, а также требуемые параметры аппаратуры.

Схемотехнический уровень проектирования включает в себя функционально-логическое проектирование, анализ функциональных и принципиальных схем, разработку диагностических тестов.

При функционально-логическом проектировании выполняется преобразование структурных схем в функциональные, а затем в принципиальные схемы, т.е. выполняется формальный синтез схем. В настоящее время практически используется автоматизированный синтез управляющих и специальных операционных схем.

Основной задачей моделирования и анализа схем, полученных на этапе функционально-логического проектирования, является проверка временных состояний схемы при прохождении входных сигналов. По мере усложнения схем объем моделирования будет, вероятно, постепенно уменьшаться, так как использование БИС исключает возможность их подробного моделирования. Выход – в применении библиотек стандартных решений и моделировании схем по частям или по укрупненным моделям. В настоящее время моделирование сложных схем является единственным инструментом проверки функционирования схемы до ее изготовления.

Задача разработки диагностических тестов связана с проблемой повышения надежности результатов функционирования ЭВА и решается посредством синтеза таких входных последовательностей сигналов, чтобы соответствующие выходные последовательности указывали на неисправность аппаратуры и на её место.

Таким образом, на схемотехническом уровне использование ЭВМ для проектирования является более широким, чем на этапе системотехнического проектирования.

Конструкторское проектирование

На этом уровне основной задачей является переход от схемы к набору связанных между собой конструктивов различных рангов, в определении из размеров, формы, материала и взаимного расположения, а также в выпуске комплекта конструкторской документации. При этом связи между конструктивами могут быть механические, электрические, электромагнитные и тепловые. Исходной информацией для выполнения этапа конструкторского проектирования являются:

1) принципиальные схемы блоков ЭВА;

2) элементная и конструктивно-технологическая база ЭВА;

3) требования к массогабаритным характеристикам ЭВА;

4) условия тепломассообмена и дестабилизирующие факторы;

5) технологическая оснастка производства.

Конструкторский уровень проектирования включает решение следующих основных задач.

1. Разбиение схемы на подсхемы так, чтобы каждая из подсхем помещалась в соответствующие ТЭЗы и при этом выполнялись требуемые критерии разбиения.

2. Размещение элементов в ТЭЗах, т.е. указание координат расположения элементов на поле ТЭЗа с выполнением требуемых критериев размещения.

3. Трассировка электрических соединений печатно-проводного монтажа, т.е. указание координат прохождения печатных соединений и указание последовательности их прокладки.

4. Размещение ТЭЗов в кассетах, кассет в стойках и т.д.

5. Выпуск комплекта конструкторской документации.

6. Выпуск управляющих перфолент для программно-управляемых станков изготовления конструктивов.

Конструкторское проектирование является длительным и трудоёмким, но и наиболее полно поддающимся формализации и применению автоматизированных методов проектирования.

Рассмотренные уровни проектирования ЭА и математический аппарат, применяемый на каждом из них, приведены в табл. 2.1.

Из табл. 2.1 видно, что на большинстве уровней модели представляют собой системы уравнений. Как правило, эти системы решают численными методами и поэтому они называются численными или алгоритмическими. Если системы уравнений можно решить в общем виде, то такие модели называются аналитическими.

Частный случай алгоритмических моделей – имитационные модели, являющиеся алгоритмом имитации функционирования объекта. В зависимости от того, отражен в модели или нет случайный характер параметров объекта, модели делятся на статистические и детерминированные. Модели на основе графов называются топологическими моделями.

Таблица 2.1