Автоматизоване проектування електронних пристроїв

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Автоматизованого проектування електронних ПРИСТРОЇВ

1 Цілі, завдання і проблеми автоматизації проектування складних систем

Автоматизованим називають проектування, здійснюване людиною при взаємодії з ЕОМ. Ступінь автоматизації може бути різною, і оцінюється часткою проектних робіт, що виконуються на ЕОМ без участі людини. При = 0 проектування називається неавтоматизованим, при = 1 - автоматичним.

Система автоматизованого проектування - організаційно-технічна система, що складається з комплексу засобів автоматизації проектування, взаємодіє з підрозділами проектної організації і виконує автоматизоване проектування.

Розробка засобів автоматизації проектування складних електронних систем переслідує такі цілі:

· Скорочення термінів та зниження вартості розробки та впровадження виробів;

· Зменшення кількості помилок при проектуванні;

· Забезпечення можливості зміни проектних рішень і скорочення строків перевірки та тестування виробів.

Завдання, які вирішуються на різних етапах проектування, можна укрупнено розділити на три групи: синтез і аналіз. Завдання аналізу полягає у вивченні поведінки та властивостей системи при заданих характеристиках зовнішнього середовища, її компонентів та структуру системи (або її моделі). Відповідно до загальної теорії систем, синтез - це процес породження функцій і структур, необхідних і достатніх для одержання певних результатів. Виявляючи функції, реалізовані системою, визначають деяку систему, про яку відомо тільки те, що вона буде робити.

У зв'язку з цим, етап синтезу функцій називається абстрактним синтезом. Існують ще етапи структурного та параметричного синтезу. При структурному синтезі визначається структура об'єкта - безліч складових його елементів і способи їх зв'язку між собою (у складі об'єкта і з зовнішнім середовищем). Параметричний синтез полягає у визначенні числових значень параметрів елементів при заданих структурі та умови працездатності (т.е.необходімо знайти точку або область у просторі внутрішніх параметрів, в яких виконуються ті чи інші умови).

Розробка САПР представляє собою велику науково-технічну проблему. Незважаючи на великі трудовитрати (50-200 кваліфікованих фахівців), створення інтегрованих ЗАРП в різних областях техніки - необхідність, викликана зростом складності об'єктів проектування. З урахуванням викладеного можна сформулювати основні вимоги, яким повинні задовольняти САПР:

1. Мати універсальну структуру, що реалізує принципи декомпозиції та ієрархічності (блочно-ієрархічний підхід). Причому системи проектування різних рівнів ієрархії повинні бути інформаційно узгоджені. Інформаційна узгодженість означає, що для послідовного йдуть проектних процедур, вихідні дані однієї з них можуть бути вхідними для іншої і при цьому не потрібно ніяких перетворень.

2. Мати високий ступінь інтеграції. Ступінь інтеграції повинна бути така, щоб забезпечити реалізацію всього шляху проектування: від висунення ідеї аж до реалізації проекту. Важливу роль для забезпечення інтеграції інструментальних засобів проектування грають так звані інфраструктури (frameworks), САПР, що забезпечують як інтегрування різних засобів проектування і даних, так і виконання функцій управління за допомогою єдиного інтерфейсу користувача.

3. Здійснювати проектування в реальному масштабі часу. Зменшення часу, необхідного для взаємодії САПР з користувачем забезпечується наявністю оперативних технічних засобів взаємодії розробника з системою, ефективність процедур проектування і т.п.

4. Структура САПР повинна бути відкритою, тобто мати властивість зручності розширення підсистем при її вдосконалення.

5. Мати засоби контролю вхідний і вихідний інформації.

6. Мати засоби автоматичного внесення змін у проект.

2. Структура комплексу апаратно-програмних засобів САПР

Всі апаратно-програмні засоби, складові базове забезпечення САПР, можуть бути класифіковані по виконуваних функція:

· Математичне забезпечення (МО);

· Лінгвістичне забезпечення (ЛВ);

· Програмне забезпечення (ПЗ);

· Технічне забезпечення (ТО);

інформаційне забезпечення (ІС);

· Організаційне забезпечення (ГО);

У МО входять: теорія, методи, математичні моделі, алгоритми, використовувані при автоматизованому проектуванні.

ЛВ представлене сукупністю мов, застосовуваних при автоматизованому проектуванні. Основна частина ЛВ - мови спілкування людини з ЕОМ.

ПЗ - це сукупність машинних програм і відповідна документація. Воно поділяється на загальносистемне і прикладне. Компонентами загальносистемного ПЗ є, наприклад, операційні системи, компілятори і т.п. Ці програмні засоби призначені для організації функціонування технічних засобів, тобто для планування та управління обчислювальним процесом.

Прикладне ПЗ створюється для потреб САПР. Воно зазвичай представлено у формі пакетів прикладних програм (ППП), кожен з яких обслуговує певний етап процесу проектування.

Компоненти ТО представляють собою сукупність взаємопов'язаних та взаємодіючих технічних засобів (наприклад, ЕОМ, засоби передачі, вводу, відображення та документування даних), призначених для автоматизованого проектування.

ІВ об'єднує дані, необхідні для автоматизованого проектування. Вони можуть бути представлені у вигляді тих чи інших документів на різних носіях, які містять відомості довідкового характеру про параметри об'єкта проектування, проміжні результати і т. д.

Основна частина ІС САПР - це банк даних (БНД), що представляє собою сукупність засобів для централізованого накопичення і колективного використання даних в САПР. БНД складається з бази даних (БД) та системи управління базою даних (СКБД). БД - самі дані, що знаходяться в ЗУ ЕОМ і структуровані відповідно до прийнятих в даному БНД правилами. СУБД - сукупність програмних засобів, що забезпечують функціонування БНД. За допомогою СУБД здійснюється запис даних у БНД, їх вибірка по запитам користувача і прикладних програм, і т.д.

Процес автоматизованого проектування являє собою послідовне взаємодії великого числа програмних модулів. Взаємодія модулів проявляється в основному у зв'язках з управління (впорядковані переходи від виконання одного програмного модуля до виконання іншого), і за інформацією (використання одних і тих же даних в різних модулях) (див. рис. 1 і 2).

При проектуванні складних систем значною є саме проблема інформаційного узгодження різних програмних модулів. Існує три основних способи реалізації зв'язків за інформацією:

· Через передачу параметрів з викликає програми в спричинюється програму;

· Через загальні області (обмінні зони) взаємодіючих модулів;

· Через банк даних.

Реалізація інформаційних зв'язків через передачу параметрів означає, що передаються або параметри, або їх адреси. Застосовується при порівняно невеликому обсязі переданих даних та їх простій структурі.

Реалізація інформаційних зв'язків через обмінну зону, кожен модуль повинен спрямовувати дані в обмінну зону, представляючи їх у формі, допустимої з позиції вимоги будь-якого з інших модулів. Оскільки вимоги до структури даних кожного модуля - споживача даних можуть виявитися різними, то спосіб зв'язку через обмінні зони порівняно легко реалізується тільки при малому та стабільному числі інформаційних зв'язків. Застосовуються для програмних модулів всередині певного ППП.

Якщо ж одні й ті ж модулі можуть входити в різні проектні процедури, взаємодіяти з багатьма модулями, то доцільно уніфікувати засоби інформаційного обміну. Така уніфікація здійснюється за допомогою концепції БНД. Головна особливість інформації, що зберігається в БНД, полягає в її структурованості. Основні переваги інформаційної взаємодії БНД полягають у наступному:

- Знімаються обмеження на кількість обслуговуваних проектних процедур;

- Можливо розвитку і модифікація програмної системи;

- Можлива модифікація модернізація технічних засобів для зберігання даних без зміни ППП;

- Забезпечується цілісність даних.

Однак реалізація інформаційних зв'язків через БНД даних має і свої недоліки, пов'язані головним чином зі значними витратами часу на пошук даних в БД.

Рис. 1. Граф, що відображає зв'язку з управління.

Рис. 2. Граф, що відображає зв'язку з інформації.

Рис. 3. Реалізація інформаційних зв'язків через СУБД.

3. Склад САПР електронних систем

Сучасна САПР представляє собою складний програмно-апаратний комплекс, іменований в науково-технічній літературі як "робоча станція" (PC).

Рис. 3. Структура робочої станції проектування електронних систем.

Рис. 4. Структура ПЗ САПР.

4. Ієрархічні рівні подання електронних пристроїв

Основним методом проектування з застосуванням САПР є блочно-ієрархічний метод або метод декомпозиції складного об'єкта на підсистеми (блоки, вузли, компоненти). У цьому випадку опис складної системи поділяється на ієрархічні рівні (рівні абстрагування) за ступенем подробиці відображення властивостей системи. На кожному рівні представлення проекту існує своє поняття системи, підсистеми, елемента системи, закону функціонування елементів системи в цілому і зовнішніх впливів.

Саме ці поняття визначають той або інший рівень ієрархії подання пристрою. Підсистема - це частина системи, яка являє собою сукупність деяких її елементів, виділених за певним функціональною ознакою, і підпорядковується з своєї мети функціонування єдиної мети функціонування всієї системи. Під елементом системи розуміють її частина, що виконує певну функцію (функції) і не підлягає декомпозиції при даному рівні розгляду. Неподільність елемента - це поняття, але не фізична властивість цього елемента. Оперуючи поняттям елемент проектувальник залишає за собою право перейти на інший рівень на підставі частини або об'єднавши кілька елементів в один.

На верхньому ієрархічному рівні розглядається весь складний об'єкт як сукупність взаємодіючих підсистем. На наступному ієрархічному рівні підсистеми розглядаються окремо як системи, що складаються з окремих складових частин (елементів), і мають велику подробиця опису. Даний ієрархічний рівень є рівнем підсистем. Кількість рівнів ієрархії завжди обмежена. Рівні характеризуються тим, що безліч типів елементів, з яких може бути складена підсистема проектування, обмежена. Така безліч називається базисом рівня.

Метод декомпозиції породжує серйозні проблеми при створенні САПР:

· Визначення рівнів ієрархії і базисів для них;

· Розробка математичного забезпечення;

· Відображення із одного базису в інший і ін

Метод ієрархічного подання проектованого об'єкта, який використовується розробниками електронних схем і систем, може базуватися на двох способах подання (опису) елементів: структурному і поведінковому.

Структурний спосіб передбачає опис елемента системи як сукупності взаємопов'язаних елементів більш низького рівня, тим самим визначаючи базис цього рівня. Структурна форма ієрархії проекту передбачає процес декомпозиції або розбиття проекту так, що на будь-якому рівні, який вибирається для моделювання, модель системи будується як сукупність взаємопов'язаних елементів, визначених для даного рівня. Тут одразу ж виникає питання: яким чином визначаються ці елементи? Найчастіше вони формуються з використанням елементів наступного, більш низького рівня. Таким чином, як показано на рис. 5, проект може бути представлений у вигляді дерева, причому різних рівнів ієрархії абстракцій відповідають свої рівні цього дерева. На рівні листя дерева визначається поведінка елементів проекту найнижчого рівня. Поведінковий спосіб передбачає опис елемента системи по залежностях вхід / вихід за допомогою деякої процедури. Причому цей опис визначається деякою власної процедурою, а не описується з використанням інших елементів. Тому поведінкова модель використовується для опису елементів рівня листя дерева проекту. Оскільки поведінкова модель деякого проекту може існувати на будь-якому рівні, різні частини проекту можуть мати поведінкові опису на різних рівнях.

Рис. 5. Проект, представлений у вигляді повного (а) і неповного (б) дерева.

На рис. 5 (а) показано "повне" дерево проекту, де всі поведінковий опис формується на одному і тому ж рівні. На рис 5 (б) показаний проект, представлений у формі неповного дерева, де поведінкові описи відносяться до різних рівнів. Подібна ситуація виникає тому, що розробнику часто бажано будувати й аналізувати взаємозв'язку між системними компонентами ще до завершення проектування. Таким чином, не обов'язково мати специфікації всіх системних компонентів, наприклад, на рівні логічних вентилів, щоб отримати можливість контролю проекту в цілому на відсутність помилок. Такий контроль здійснюється за допомогою багаторівневого моделювання, тобто моделювання, при якому поведінкові опису моделей компонентів відносяться до різних рівнів ієрархії. Важливим додатковою перевагою такого підходу є те, що він сприяє підвищенню ефективності моделювання.

C точки зору розробника апаратних засобів можна виділити шість основних рівнів ієрархії, представлених на рис. 6.

Рис. 6. Рівні ієрархії подання електронних систем.

Це системним, мікросхемних (або ІС), регістровий, вентильний, схемний і топологічний рівні. З малюнка видно, що ієрархія рівнів подання має форму усіченої піраміди. Розширення піраміди донизу відображає збільшення ступеня деталізації, тобто кількості елементів, які необхідно враховувати при описі проектованого пристрою на цьому рівні.

У табл. 1 приведена характеристика рівнів - вказуються елементи структури і поведінкове уявлення для кожного рівня.

Таблиця 1. Ієрархія моделей

Рівень

Структурні примітиви

Формальний апарат для поведінкового подання

Системний

Центральні процесори, комутатори, канали, шини, запам'ятовуючі пристрої та ін

Системний аналіз, теорія ігор, теорія масового обслуговування та ін

Мікросхемних

Мікропроцесори, ЗУПВ, ПЗУ, УАПП, та ін

Вхідні-вихідні залежності, ДСА

Регістровий

Регістри, АЛУ, лічильники, мультиплексори, дешифратори

Теорія цифрових автоматів, таблиці істинності, ДСА

Вентильний

Логічні вентилі, тригери

Алгебра логіки, системи логічних рівнянь

Схемний

Транзистори, діоди, резистори, конденсатори

Теорія електричних ланцюгів, системи лінійних, нелінійних, диференціальних рівнянь

Кремнієвий

Геометричні об'єкти

немає

На самому нижньому рівні, кремнієвому, в якості базових примітивів використовуються геометричні форми, які представляють області дифузії, полікремнію і металізації на поверхні кремнієвого кристала. Поєднання цих форм як би імітує процес виготовлення кристала з точки зору розробника. Тут уявлення тільки чисто структурний (не поведінкове).

На наступному, більш високому рівні, схемном, представлення проекту формується з використанням межз'єднань традиційних активних і пасивних елементів електричної схеми: резисторів, конденсаторів і біполярних і МОН-транзисторів. Поєднання цих компонентів використовується для моделювання поведінки електричної схеми, що виражається за допомогою залежностей між напругою і токамі.Для поведінкового опису на цьому рівні можна використовувати диференціальні рівняння.

Третій рівень-рівень логічних вентилів, традиційно відіграє основну роль при проектуванні цифрових схем і систем. Тут використовуються такі базові елементи, як логічні вентилі І, АБО і НЕ і різні типи тригерів. Поєднання цих примітивів дозволяє обробляти комбінаційні і послідовних логічні схеми. Формальний апарат для поведінкового опису на цьому рівні-булева алгебра.

Вище вентильного рівня в ієрархії знаходиться регістровий рівень. Тут базові елементи - це такі компоненти, як регістри, лічильники, мультиплексори і арифметико-логічні пристрої (АЛП). Поведінкове подання проекту на регістровому рівні можливо з використанням таблиць істинності, таблиць станів і мов регістрових передач.

Над реєстрових рівнем знаходиться рівень мікросхем (або ІС). На мікросхемних рівні в якості елементів виступають такі компоненти, як мікропроцесори, пристрої основної пам'яті, послідовні і паралельні порти та контролери переривань. Хоча межі мікросхем є і межами моделей елементів, можливі й інші ситуації. Так, набір мікросхем, які спільно утворюють одне функціональний пристрій, можна представити як один елемент. Показовим прикладом тут може служити моделювання розрядно - модульного процесора. Можливий і альтернативний варіант - коли елементи представляють окремі секції однієї мікросхеми, наприклад, на етапі аналізу технічного завдання та декомпозиції. Головною особливістю тут є те, що елементом представляється великий блок логіки, де для довгих і часто сходяться трактів обробки даних необхідно представляти залежності виходів від входів. Як і у випадку елементів нижчих рівнів, елементи мікросхемних рівня не будуються ієрархічно з простіших примітивів, а являють собою єдині об'єкти-моделі. Так, якщо потрібно моделювати послідовний порт вводу-виводу (універсальний асинхронний приймач, УАПП), відповідну модель не будують шляхом з'єднання більш простих функціональних моделей таких блоків, як регістри і лічильники, тут сам УАПП стає базовою моделлю. Моделі такого типу важливі для виробників комплексного обладнання, які набувають мікросхеми в інших фірм-виробників, але не знають їх внутрішньої структури рівня логічних вентилів, оскільки це є звичайно секретом фірми. Поведінковий опис моделі мікросхемних рівня будується на основі вхідний-вихідний залежності кожної конкретної ІС-алгоритму, реалізованого даної ІС. Верхній рівень - це системний рівень. Як елементи цього рівня використовуються процесор, пам'ять і комутатор (шина) та ін Поведінкове опис на цьому рівні включає такі основні дані і характеристики, як, наприклад, показник швидкодії процесора в мільйонах команд в секунду (мегофлопси) або пропускна здатність тракту обробки даних (біт / с). З таблиці. 1 і вищевикладеного видно, що структурні або поведінкові характеристики сусідніх рівнів в певній мірі перекриваються. Наприклад, і на регістровому і на мікросхемних рівні може використовуватися уявлення за допомогою ДСА. Однак структурний подання для обох рівнів зовсім по-різному, тому вони і розділяються. Мікросхемних і системний рівень мають по суті одні і ті ж елементи, проте вони абсолютно різні за своїми поведінковими характеристиками. Так, поведінкові моделі рівня ІС дозволяють обчислювати детальні окремі реакції у вигляді значень цілих чисел і бітів. А поведінковому поданням системного рівня властиво серйозне обмеження - воно служить переважно для моделювання пропускної здатності системи або визначення стохастичних параметрів системи. На практиці подання проекту на системному рівні використовується головним чином для порівняльної оцінки різних архітектур. Загалом, слід використовувати моделі різного рівня, якщо вимоги або поведінкового, або структурного характеру різні.

Останнє поняття, пов'язане з ієрархічним поданням проекту, - це так зване вікно проекту.

Цим терміном позначається група рівнів дерева проекту, з якими працює кожен конкретний розробник. Так, вікно проекту для розробки НВІС охоплює кремнієвий, схемний, вентильний, регістровий і мікросхемних рівні. Розробника обчислювальної машини, з іншого боку, зазвичай цікавить вікно, яке охоплює вентильний, регістровий, мікросхемних та системний рівні. Саме концепція вікна проекту є основою для багаторівневого проектування. Із зростанням складності НВІС стане недоцільно включати вентильний рівень у вікно проекту, оскільки на одному кристалі можна буде розмістити сотні тисяч логічних вентилів. Регістровий рівень, хоча він безумовно має меншу складність, ніж вентильний, може також містити необов'язкові подробиці для тих, кого цікавлять лише сигнали введення-виведення НВІС.

Таким чином, з точки зору розробника машини сама НВІС буде ставати елементом проекту.

Рис. 7. Приклад реалізації рівнів подання мультипроцессорной системи.

Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Комунікації, зв'язок, цифрові прилади і радіоелектроніка | Реферат
55.3кб. | скачати


Схожі роботи:
Автоматизоване проектування
Автоматизоване проектування залізобетонних конструкцій стрижневих систем
Проектування аналогових пристроїв
Проектування і синтез дискретних пристроїв
Проектування суднового радіоприймальних пристроїв Розрахунок смуги
Проектування пристроїв для базування і закріплення деталей
Етапи проектування електронних систем
Складання логічних схем з метою проектування комбінаційних пристроїв
Дослідження методів та інструментальних засобів проектування цифрових пристроїв на основі програмованих
© Усі права захищені
написати до нас