книги / Основы построения САПР и АСТПП

Рассмотренная ИНСАПР микросборок и электронных блоков как класс ИЭТ указывает на широту решаемых проблем и сложность математического обеспечения. Важной задачей эксплуатации данного вида САПР является поддержание программного обеспечения и технических средств в работоспо­ собном состоянии.

§3.3. СИСТЕМЫ СКВОЗНОГО АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Интегрированные САПР можно построить не на всех пред­ приятиях радиоэлектронной промышленности из-за их недоста­ точно мощных и разветвленных технических средств. Во многих случаях проекты, полученные с помощью ИНСАПР, не являют­ ся оптимальными либо сроки проектирования не удовлетворяют производство. Это привело к созданию систем сквозного авто­ матизированного проектирования (ССАПР).

Характерные особенности ССАПР: использование одно- и двухуровневой архитектуры технических средств; единый высо­ кого уровня язык описания объекта проектирования; единый язык описания заданий; конвейерная обработка информации.

Наиболее широкое применение ССАПР нашли при проекти­ ровании элементной базы ИЭТ, а именно аналоговых и цифро­ вых интегральных схем малой (МИС), средней (СИС), боль­ шой (БИС) и сверхбольшой (СБИС) степени интеграции. Маршрут прохождения проекта и состав математического обес­ печения соответственно для аналоговых и цифровых ИС приве­ ден на рис. 3.14. После получения ТЗ пользователь в интерак­ тивном режиме последовательно реализует проект сверху вниз от определения функционального состава до выдачи документа­ ции для фотонаборных установок, т. е. до изготовления фото­ шаблонов. Информация после каждого этапа по желанию раз­ работчика выдается на ИГС для проведения визуального конт­ роля проекта пользователем. Передается информация только от предыдущего этапа к последующему. В ССАПР отсутствуют реальная база данных, а также возможности альтернативного выбора того или иного маршрута проектирования или метода решения частной задачи. Каждый предыдущий ППП информа­ ционно сопряжен только с соседним, поэтому системы имеют более высокую производительность проектирования узкого класса элементов ИЭТ. Данные САПР сложно или невозможно приспособить для проектирования других составляющих эле­ ментов ИЭТ из-за необходимости изменения проблемной ори­ ентации прикладных программных модулей. Благодаря после­ довательному характеру прохождения проекта вероятность появления ошибки в данных проекта намного ниже, чем в ИНСАПР. Интерактивный режим обеспечивает контроль про­ хождения проекта и возможность оптимизировать проект после

71

каждого этапа проектирования. Основные требования и принци­ пы построения систем сквозного автоматизированного проекти­ рования совпадают с требованиями и принципами, изложенными в табл. 1.2.

цех

Рис. 3.14. Маршрут прохождения проекта и состав математического обеспечения для аналоговых и цифровых ИМС

Системы сквозного автоматизированного проектирования являются промежуточным звеном на пути построения систем автоматического проектирования.

72

§ 3.4. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Конечной целью создателей систем автоматизированного проектирования является разработка такого инструмента про­ ектирования, который в максимальной степени освобождал бы пользователей от рутинной работы по оценке качества проекта. Современный период развития электроники позволил реализо­ вать переход от систем автоматизированного проектирования к системам автоматического проектирования (САВПР). В иде­ альном случае пользователь подает на вход САПР ТЗ и другие данные о проекте (используется язык очень высокого уровня), а на выходе получает конструкторскую документацию на изго­ товление ИЭТ. Но это пока цель ближайшего будущего. В на­ стоящее время предпринимаются попытки создания САВПР, включающих различные этапы проектирования ИЭТ. Истори­ чески так сложилось, что самое широкое распространение САВПР нашли в проектировании элементной базы РЭА, а именно БИС. Это было вызвано тем, что, во-первых, все этапы проектирования БИС логически тесно связаны между собой и, во-вторых, САВПР легко вписываются в интегрированные компьютеризованные производства (ИКП), т. е. САВПР явля­ ются одной из составляющих будущих автоматических произ­ водств.

Структура САВПР аналогична структуре систем сквозного автоматизированного проектирования (рис. 3.14). Отличие состоит в том, что участие пользователя необходимо на этапе введения ТЗ и в том случае, когда САВПР неспособна решать поставленную проблему. В последнем случае задача решается в интерактивном режиме работы или с помощью ИНСАПР или ССАПР. Системы автоматического проектирования элементной базы РЭА (БИС и СБИС) больше известны как кремниевые компиляторы (КРЕМКОМ). Разберем подробнее структуру КРЕМКОМ. Такие системы близки системам искусственного интеллекта. Конечным продуктом проектирования СБИС слу­ жит топология, т. е. информация на изготовление фотошабло­ нов, содержащая миллионы координат точек в цифровой форме, которые должны удовлетворять определенным ограни­ чениям. Это множество топологических форм должно удов­ летворять «кремниевому» синтаксису и воспроизводить необхо­ димое сообщение на этом «кремниевом» языке. Проект должен также удовлетворять электрическим ограничениям, так как вся технология основывается на электронных свойствах полупро­ водников. Для указанного кремниевого языка высокого уровня необходимо создание своего кремниевого компилятора для пол­ ностью автоматической трансляции с языка описания требуемой системы (сообщения) в безошибочную топологическую инфор­ мацию. Причем работающие кремниевые компиляторы воспро­

73

существующих САПР ИЭТ «делать и проверять», когда по го­ товой топологии происходит восстановление электрической схе­ мы реализуемой системы.

Основой любого КРЕМКОМа служат два языка: исход­ ный— это язык, на котором разработчик описывает поведение проектируемой системы (сообщение) ; целевой — это язык опи­ сания возможностей кремниевой технологии, используемой для задания сложных двумерных фигур (топологии).

Работа с данными языками возможна только при наличии очень развитого банка данных о логических, схемотехнических и топологических решениях, расположенных по иерархическому принципу.

Качество КРЕМКОМа характеризуется степенью сложности описания процесса поведейия системы (сообщения) с помощью исходного языка; используемой площадью на кристалле и рабо­ чей частотой готовой системы на кристалле (будь то аналого­ вые или цифровые системы).

Как правило, КРЕМКОМ включает в себя следующие со­ ставляющие части: язык описания поведения проекта; трансля­ тор с исходного языка; блок моделирования системы; компиля­ тор исходного языка в топологические изображения; информа­ цию о фотошаблонах для цеха.

В общем случае КРЕМКОМ можно характеризовать как систему, с помощью которой получается подробная топология кристалла при сравнительно небольшом объеме исходных данных.

Основным компонентом проектируемой на кристалле схемы является ячейка (блок), которая может содержать простейшие геометрические элементы и ссылки на другие ячейки. Простей­ шие ячейки разрабатываются с помощью ИНСАПР и ССАПР

изаносятся в библиотеку. По сравнению с блоками, имеющи­ мися в стандартных библиотеках ячеек, используемые в данной системе, ячейки представляют собой более обобщенные про­ цедурные элементы. Каждая такая ячейка является програм­ мой, которая прорисовывает соответствующий ей элемент топо­ логии, трансформирует его, вычисляет потребляемую мощность

ит. Д. Блоки соединяются между собой при помощи выводов — контактных площадок в ячейках. Внутренние детали ячеек и

общее расположение ячеек остаются неопределенными до за­ вершающих этапов разработки, что позволяет достичь макси­ мальной гибкости в проектировании. Информация, задаваемая пользователем, включает в себя форматы микроинструкций и длину слова, разрядность данных и спецификаций сигнальных

74.

шин, расположенных на кристалле, перечень элементов, содер­ жащихся в ядре СБИС, совместно со значениями соответствую­ щих параметров. Кремниевый компилятор сначала синтезирует топологию ядра, состоящего из иерархически организованного набора ячеек одинаковой размерности и необходимых инфор­ мационных шин, затем генерирует управляющую часть СБИС.

уровне; преобразование алгоритмов путем представления слож­ ных операций простыми (например, умножение заменяется последовательностью сложения и сдвига); трансляцию инструк­ ций в заданный формат, соответствующий стандартной органи­

ционной) части. Этот этап включает генерацию топологии информационной части из ее спецификации. Информационная часть организована с помощью бит-модулей, архитектура и принципиальная электрическая схема которых стандартизова­ ны, что позволяет вести их проектирование простой сборкой наперед рассчитанных ячеек. Операционная часть названа ин­ формационной потому, что отвечает за переработку информа­ ции, к ней можно отнести арифметическо-логическое устройство

этап включает выбор проекта на основе программируемого за­

преобразования сигналов, входных и выходных схем.

Для сохранения надежности проекта генераторы информа­ ционной и управляющей частей выдают необходимую информа­ цию об их работе на электрическом и логическом уровнях. Эта информация включает электрические характеристики (уровни нуля и единицы, длительности фронтов сигналов, задержки рас­ пространения сигнала) и временные параметры логического функционирования (риск сбоя, состязание сигналов, соответст­ вие требованиям технического задания).

Рассмотрим структуру современного КРЕМКОМа, представ­ ленного на рис. 3.15. С его помощью можно проектировать мик­

75

ропроцессоры (предпроцессоры, постпроцессоры), периферий­ ные контроллеры, системы автоматического управления и программируемые логические матрицы. С помощью языка опи­ сания поведения схемы разработчик описывает будущий проект БИС в терминах логических ключей, субблоков и блоков (АЛУ, регистры, память и т. д.), задавая временные характеристики, порядок соединения входов и выходов. Экстрактор предназна­ чен для построения принципиальной электрической схемы по топологии ИС. В этом случае добавляются все паразитные эле-

Рис. 3.15. Структура кремниевого компилятора

менты, обусловленные геометрией компонентов и их межсоеди­

Блок топологического контроля производит проверку топологии

оптимального проекта из нескольких. Под оптимальным пони­ мают проект, максимально удовлетворяющий требованиям ТЗ. Критериями оптимальности могут служить площадь кристалла, общая длина всех межсоединений, потребляемая мощность, ра­ бочая тактовая частота. Чаще всего используются первый и последний критерии. Основу блока селекции проекта составляет система искусственного интеллекта;

—генератора повторяющихся частей, предназначенного для тиражирования на плоскости одинаковых схем разной сложно­ сти;

—оптимизатора ПЛМ, проектирующего блоки выборки и управляющего записью информации. Программируемая логиче­ ская матрица состоит из блока логического умножения

76

(конъюнкции) и блока логического сложения (дизъюнкции). По­ добную структуру имеют некоммутируемые логические матрицы Широкое применение САВПР зависит от производительно­ сти и надежности средств вычислительной техники, от наличия интерактивно-графических станций (ИГС) с цветными дисплея­

ми повышенного формата.

$ 3.S. ГИБКИЕ САПР

В класс гибких систем автоматизированного проектирова­ ния могут входить и интегрированные САПР, и системы сквоз­ ного автоматизированного проектирования. Потребность в САПР появилась по двум причинам: 1) каждые 3...5 лет проис­ ходит смена технических средств, что вызывает необходимость переноса математического обеспечения на новые технические средства; 2) превышение стоимости математического обеспече­

средств на другие. Если в создан­ ной САПР не были заранее учтены вопросы переноса (или мо­

бильности) математического обеспечения, то эта система непе­ реносимая с ограниченным периодом эксплуатации. Последнее ограничение значительно снижает период окупаемости создан­ ной САПР. Примерная стоимость САПР 500...10 000 тыс. руб. Это и определяет экономические предпосылки создания мобиль­ ных САПР. Созданные дешевые ИЭТ, особенно цифровые эле­ менты, микроэлектронные узлы, большие интегральные схемы и сверхбольшие интегральные схемы, резко понизили стоимость средств вычислительной техники.

На рис. 3.16 показаны экономические показатели создания технических и программных средств, где под кривой 1 подразу­ мевается стоимость ТС и под кривой 2 — стоимость ПО.

Создание с появлением нового поколения ТС новых САПР, решающих'тот же круг проблем, нерентабельно и ведет к экстенсивному пути развития САПР. Четко обозначилась тен­ денция сохранения какой-то части программного обеспечения

77

САПР путем ее переноса с менее производительных ТС на бо­ лее производительные и за счет ее адаптации (приспособле­ ния)— решения других близких по смыслу и характеру задач.

Проанализируем, за счет чего можно решить проблему мо­ бильности и адаптивности программного обеспечения САПР, т. е. проблему гибкости.

Программное обеспечение каждой САПР состоит из трех частей: вариантной, инвариантной к техническим средствам и инвариантной к прикладным задачам (рис. 3.17).

часть программного обеспечения, касающуюся связи с опера­ ционной средой, с поддержкой интерактивного режима работы САПР, с передачей информации в сетях ЭВМ и на исполняю­ щие автоматы. Чем меньше вариантная часть (в процентном отношении ко всему ПО), тем ПО более мобильно.

дом проектирования, обслуживания банков данных, трансляции языков описания объектов проектирования.

И нв ари а н т н а я к п р и к л а д н ы м з а д а ч а м ч а с т ь ПО состоит из программ решения математических моделей (на­ пример, решения систем алгебро-дифференциальных уравнений, уравнений в частных производных), проведения параметриче­ ского синтеза и т. д. Чем больше эти части ПО, тем выше адап­ тируемость САПР к классам решаемых проблем.

Проблему гибкости можно решать тривиальным путем — доработать ПО или заменить отдельные его проблемно-ориен­ тированные программные модули. В некоторых случаях так и поступают, однако такой подход требует значительных стоимо­ стных затрат и не является рентабельным. Поэтому необходимо заранее, на этапе разработки ПО, предусмотреть возможности мобильности и адаптации, чтобы свести к минимуму затраты на внедрение системы и ее эксплуатацию.

Пути решения проблемы адаптации. Имеются следующие пути решения этой проблемы:

78

1. Перераспределение функций проектирования между поль­ зователем и САПР, т. е. в тех случаях, когда алгоритмическое решение задачи невозможно или малоэффективно, решение пе­ редают пользователю. Например, в интерактивной САПР ПО машинной графики и средства редактирования, позволяющие получить комплект конструкторской документации, могут не за­ висеть от специфики задачи.

2.Включение альтернативных программ, реализующих одну

иту же функцию проектирования, но с различными качествен­

ными и количественными ограничениями. Эта возможность наи­ более широко реализуется в интегрированных САПР. Адапта­ ция в этом случае сводится к выбору подходящей программы; выбор может быть просто реализован.

3. Создание банка моделей для расширения класса решае­ мых задач. Адаптация в этом случае производится с помощью параметрической настройки моделей. Это приводит к уменьше­ нию объема ПО для выполнения определенной функции, а сам процесс настройки не сопровождается модификацией программ. С точки зрения адаптируемости основная роль модели состоит в том, чтобы качественно и количественно разнородные данные о параметрах реальных объектов представить одним и тем же набором параметров модели, обеспечив для проектирующих алгоритмов неизменность модели.

4. Разработка алгоритмических процедур, свободных от осо­ бенностей объектов проектирования. Все конкретные сведения об объектах должны быть выражены через параметры моде­ лей. Например, на этапе трассировки часто предполагается, что отверстия для межслойных переходов могут быть образованы в любой точке, печатной платы, через которую можно провести трассу. Если такое правило запрограммировано в процедуре проведения трассы, то любое его изменение приводит к коррек­ ции программ. Если при разработке алгоритма в модель пе­ чатной платы ввести параметр, указывающий на возможность образования переходного отверстия в той или иной точке платы, то легко сделать алгоритм независимым от конкретных требо­ ваний проектировщика.

5. Обеспечение алгоритмической преемственности. За 30 лет развития САПР предложено и исследовано множество алгорит­ мов решения проектно-конструкторских задач. Имеющиеся уникальные алгоритмы необходимо использовать в новых САПР.

6. Непрерывное совершенствование теории построения САПР и методов программирования. В совокупности теория и методы могут привести к созданию инструментальных средств программирования, что значительно упростит и уменьшит вре­ мя разработки программ, а значит, повысит адаптируемость разрабатываемых САПР. Хорошо сконструированная и доку-

79

ментнрованная система, написанная ясно и просто на выбран* ном языке программирования высокого уровня, будет удов­ летворять всем необходимым требованиям, включая требования эффективности и простоты модификации.

Пути решения задачи мобильности. При внедрении и тира­ жировании САПР возникает задача переноса ПО САПР на вы­ числительные средства пользователя. Если ЭВМ разработчика САПР и пользователя однотипны, а операционная среда одина­ ковая, то технических трудностей при внедрении САПР не воз­ никает. В противном случае сложность переноса ПО зависит от изменений, которые необходимо произвести в программах. К тем же трудностям приводит смена ЭВМ. Отличия в архи­ тектуре ЭВМ создают серьезные проблемы при переносе, если для программирования использовался язык низкого уровня. Если ЭВМ отличаются длиной машинного слова, предоставле­ нием чисел или числом битов для представления символов, сложность переноса возникает и для языков высокого уровня. Операционные системы могут сильно отличаться по возможно­ стям, а одни и те же функции ОС часто реализуются по-раз­ ному.

Чтобы сказать, что ПО САПР мобильно, необходимо от­ транслировать ПО на разнотипных ЭВМ и потом сравнить. Программное обеспечение, которое на разнотипных ЭВМ от­ транслировано без необходимости изменения его текста и полу­ чены правильные результаты, называется мобильным. К сожа­ лению, полностью мобильного ПО не существует. Частично мобильным называется ПО, которое может быть перенесено с одной ЭВМ на другую с выполнением только формальных из­ менений в вариантной части (рис. 3.17), т. е. изменений, кото­ рые можно произвести без знания алгоритма работы програм­ мы и структур данных (моделей). Формальные изменения могут выполняться с помощью предпроцессора, в качестве ко­ торого часто используется редактор текстов.

В некоторых случаях перенос ПО осуществляется техникомпрограммистом, который, как правило, не знает глубоко ПО, его внутреннюю и внешнюю структуру. В его распоряжении обычно находятся исходный текст программы и ограниченная документация на сопровождение и восстановление. Перечислен­ ные моменты необходимо учитывать сразу, на этапе разработ­ ки гибкой САПР.

Основные принципы построения мобильного ПО САПР:

1) применение пошаговой детализации при написании ПО с использованием структурного программирования. Выбирается такой вариант реализации ПО, при котором конкретная струк­ тура данных и особенности конкретной ЭВМ проявятся лишь на последних, самых глубоких уровнях, а все ПО разбивается на три составляющие (рис. 3.17);

80