автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Исследование и разработка системы автоматизированного проектирования РЭА

/Б ОД

1 4 ДНК 199*

На правах рукописи

Ренькас Игорь Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЭА

Специальность: 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург -1998

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете имени В.И. Ульянова (Ленина).

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Скобельцын К.Б. Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Шакиров М.А. кандидат технических наук Иванова Л.Н.

Ведущая организация - ОКБ "Электроавтоматика"

Защита диссертации состоится "25"'' пр\/пгУр4, 1998 г. в 45" ° часов на заседании диссертационного советаК 06336.04 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета имени В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан "/(<3" 1998 ]

Ученый секретарь диссертационного совета

Юрков Ю.В.

I. Общая характеристика работы

Актуальность проблемы

Научно-технический прогресс в области разработки электронной аппаратуры приводит к се постоянному усложнетшто. В связи с этим важное значение приобретает дальнейшее совершенствование процесса проектирования электронных устройств на основе применения современных систем автоматизированного проектирования (САПР).

Отличительной особенностью современного этапа развития САПР РЭА является переход к разработке систем, формирующих среду проектирования в сетевом окружении, которое насчитывает сотни рабочих станций и серверов. При этом численность группы проектировщиков, занятых работой над конкретным проектом, может достигать нескольких сотен человек.

В рамках концепции создания среды проектирования САПР РЭА можно выделить три основных направления разработки прикладного программного обеспечения.

Первое предусматривает создание специальных средств управления процессом проектирования (workflow management), предназначенных для реализации конкретной методологии проектирования, которая, в свою очередь, определяется спецификой решаемых задач.

Второе направление связано с созданием средств управления данными проектирования (design data management). Эта задача становится особенно актуальной при наличии многочисленных территориально-распределенных групп разработчиков и включает сбор и управление информацией, необходимой для выполнения конкретного проекта, а также управление многопользовательским доступом к данным (файлам и базам данных).

Третье направление связано с разработкой специализированных инструментальных программных средств, которые должны быть либо адаптированы к современной технологии проектирования, либо разработаны с учетом встраивания в эту технологию.

В настоящее время за рубежом разработан целый ряд коммерческих систем, в той или иной мере реализующих рассмотренные выше подходы. Вместе с тем, как показывает практика, существующие системы часто не удовлетворяют предъявляемым современным требованиям, причем в первую очередь это касается требований к управлению данными проектирования, поскольку эта задача является наиболее трудоемкой и многоплановой.

Таким образом, проведение исследований в области формирования современной среды проектирования САПР РЭА и создание средств управления данными проектирования представляет собой весьма актуальную задачу.

Цель диссертационной работы

Целью диссертационной работы является разработка современной среды проектирования САПР РЭА, а также практическая реализация отдельных подсистем САПР с использованием современных технологий клиент-сервер и OLE. Достижение указанной цели предполагает решение следующих задач:

- обзор основных тенденций развития САПР РЭА, формирование требований, предъявляемых к современным системам автоматизированного проектирования;

- разработка структуры САПР РЭА масштаба предприятия, базирующейся на технологии клиент-сервер и ориентированной на создание современной среды проектирования;

- разработка подсистемы управления данными и средствами проектирования, отличительной особенностью которой является поддержка технологии автоматизации OLE, а также структур данных для хранения информации об объектах проектирования;

- разработка графической подсистемы САПР РЭА, ядром которой является графический редактор описаний принципиальных электрических схем;

- разработка подсистемы моделирования цифровых устройств, в основу которой положен алгоритм временного событийного моделирования.

Основные методы исследования

Для решения поставленных задач были использованы теория построения баз данных, теория моделирования цифровых устройств, методы структурного и объектно-ориентированного программирования, аппарат вычислительной математики и булевой алгебры.

Новые научные результаты

1. Предложена структура и организация программного обеспечения и

данных САПР РЭА. отличительной особенностью которой является использование сервера баз данных и модели взаимодействия типа клиент-сервер.

2. Предложены структуры данных для хранения информации об объектах проектирования в единой базе данных САПР РЭА.

3. Предложены структуры данных для хранения графических описаний объектов проектирования, основанные на использовании динамических списков, что обеспечивает оптим&чьное использование памяти ЭВМ.

4. В рамках алгоритма временного событийного моделирования, предложены структуры данных, основанные на использовании специализированных динамических списков, что позволяет снлть ограничения на объем моделируемых схем.

Практическая ценность работы

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Предложенная структура САПР РЭА, основанная на современной технологии клиент-сервер, является базой для создания нового поколения систем семейства ДИСП, которое характеризуется более широкими функциональными возможностями и ориентацией на современные типы ОС.

2. Предложенные в работе менеджер проектов и БД САПР РЭА, ориентированные на архитектуру клиент-сервер, представляют само-

стоятельный шггерес и могут быть встроены в другие среды проектирования.

3. Разработанный в рамках данной работы графический редактор описаний принципиальных электрических схем может использоваться как в составе САПР РЭА, так и в автономном режиме. Допускается его применение в комплексе с другими системами проектирования.

4. Предложенная в работе реализация алгоритма временного событийного моделирования позволяет снять ограничения на объем моделируемых цифровых устройств и может быть использована в качестве базы для построения более сложных моделирующих систем.

Реализация результатов работы

Теоретические и практические результаты работы использованы в ряде научно-исследовательских работ, проводимых по заказам промышленных предприятий.

Акты, подтверждающие внедрение, приводятся в диссертации.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

• Научно-технической конференции "Диагностика, информатика и метрология - 94», Санкт-Петербург, 1994.

• Научно-технической конференции "Новые технологии создания и испытаний глобальных информационно-управляющих систем (ГЙУС). Диверсификация систем оборонного назначения", Москва, 1997.

• Юбилейная научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава университета. Санкт-Петербург, 1997.

• Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава университета. Санкт-Петербург, 1998.

Публикации

По материалам диссертации опубликованы 4 печатные работы, из них одно учебное пособие, одна статья и тезисы к двум докладам на конференциях.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, приложения и списка литературы, включающего 104 наименования. Основная часть работы изложена на 102 страницах машинописного текста. Работа содержит 17 рисунков и 32 таблицы.

II. Краткое содержание работы

В первой главе приводится обзор текущего состояния и существующих тенденций в развитии САПР РЭА. В настоящее время, в связи с прогрессом в технологиях, сложность проектирования увел1тчивается суммарно более чем на 50% ежегодно. По мнению ведущих аналитиков, размер группы проектирования к 2001 году может составлять около 600 человек. Такие большие группы проектирования требуют среды сотен компьютеров и серверов, соединенных между собой сетями, большого количества средств автоматизации проектирования (САПР РЭА) и других инструментальных средств, а также больших объемов совместно используемых данных проектирования.

В связи с этим, основное требование к современным САШ' РЭА заключается в том, чтобы преобразовать сотни сетевых компьютеров, а также соответствующие данные и инструментальные средства в ресурс, доступный всем пользователям. Исходя из этого, на первый план выходит проблема создания среды проектирования САПР.

В рамках этой проблемы можно выделить ряд направлений, по которым ведутся основные исследования. Наиболее важными направлениями являются: управление данными проектирования, управление процессом проектирования, управление средствами проектирования. В дан-

ной работе основной акцент сделан на наиболее сложной задаче, связанной с разработкой программных средств управления данными проектирования.

При разработке структуры САПР РЭА, в качестве базовой, выбрана архитектура, основанная на использовании сервера баз данных и модели взаимодействия клиент-сервер. Применительно к задачам, связанным с проектированием изделий электронной техники, такая архитектура является оптимальной, поскольку обеспечивает простое, надежное и относительно дешевое решение проблемы коллективного доступа к базам данных в локальной сети.

В рамках предложенной в работе структуры среды проектирования САПР РЭА на каждой машине-клиенте размещается подсистема управления данными и средствами проектирования, а также программы входящие в состав проектирующих подсистем САПР РЭА. Набор проектирующих средств САПР РЭА, размещаемых на разных машинах-клиентах, может быть различным и определяется потребностями конкретного пользователя. На машине-сервере размещается БД САПР РЭА и сервер баз данных, в качестве которого выступает SQL-сервер.

Подсистема управления данными и средствами проектирования позволяет собрать, отсортировать, организовать и представить данные проектирования в удобном для пользователя виде в соответствии с его статусом и правами доступа, а также автоматизировать доступ прикладных программ к данным, хранящимся в БД САПР РЭА.

Предлагаемая в работе структура САПР РЭА включает подсистему управления данными и средствами проектирования (менеджер проектов), а также ряд проектирующих и обслуживающих подсистем, к которым, в частности, относятся подсистемы моделирования, выпуска документации, ведения архива и импорта-экспорта. В заключительной части главы рассматривается состав и назначение каждой из подсистем.

Вторая глава посвящена вопросам, связанным с реализацией подсистемы управления данными и средствами проектирования САПР РЭА.

Особенностью реализации подсистемы управления данными и средствами проектирования является поддержка технологии автоматизации OLE, что обеспечивает стандартный программный механизм доступа к командам и событиям подсистемы из других приложений. Ис-

пользование средств автоматизации OLE открывает широкие возможности по интеграции подсистемы управления данными проектирования САПР РЭА с другими программами и приложениями.

Управление данными проектирования в обшем случае включает ряд подзадач: управление информацией о принадлежности данных и правах доступа к ним; управление многопользовательским доступом к данным; управление различными уровнями (версии, итерации, и т.д.) данных проектирования; управление конфигурациями данных проектирования (сбор всех требуемых для данного уровня проектирования данных).

Важным вопросом в общей проблематике управления данными является управление конфигурациями. 'Гак, проектировщики отдельных устройств заинтересованы в последних версиях своих компонентов и устоявшихся версиях компонентов других разработчиков. Руководители проекта, выполняющие его сборку и моделирование, должны ориентироваться на отработанные и апробированные решения. В рамках данной работы, управление конфигурациями осуществляется за счет создания, так называемых, контрольных точек. Создавая контрольные точки можно регистрировать необходимые проектные состояния.

В главе подробно рассматривается организация хранения данных проектирования в БД САПР РЭА. В базе данных САПР РЭА реализуется обобщенная файловая система, возможности которой расширены в части управления данными. Все данные проектирования рассматриваются как некие объекты этой файловой системы. Каждый такой объект сопровождается дополнительной информацией о владельце, правах доступа и т.д. Большинство объектов, хранящихся в БД, представлены своими версиями, которые создаются при внесении изменений. Приводиться также структура БД САПР РЭА и назначение основных ее таблиц.

Особое внимание уделяется организации хранения в БД САПР РЭА информации о компонентах электронной схемы, включая организацию хранения изображения компонентов, а также параметров их моделей. Предложенные структуры данных обеспечивают хранение графических описаний изображений любых компонентов схемы, не накладывая ограничений на сложность изображения и количество используемых для его создания примитивов, а также являются достаточно гибкими и универ-

сальными по отношению к количеству и типу хранимых параметров моделей компонентов схемы.

В заключительной части главы приведены соответствующие структуры данных, подробно рассмотрено назначение основных используемых таблиц. Все поля используемых таблиц имеют стандартные типы данных, что обеспечивает хорошую переносимость базы данных и возможность ее эксплуатации под управлением различных серверов баз данных.

Третья глава посвящена реализации графической подсистемы САПР РЭА, в частности, реализации графического редактора принципиальных схем.

В состав графической подсистемы САПР РЭА входят: редактор компонентов, редактор входных сигналов, графический редактор описаний принципиальных схем, модуль отображения результатов моделирования.

Редактор компонентов предназначен для создания и редактирования графических изображений, а также параметров моделей компонентов схемы, хранящихся в общей БД САПР РЭА. Изображение любого компонента схемы формируется из некоторой совокупности графических примитивов. Определены следующие основные типы примитивов: линия, дуга, окружность, прямоугольник, текстовая метка и др. Количество примитивов, используемых для создания изображения компонента, не ограничено. Также не накладывается ограничений на количество параметров модели компонента схемы.

Редактор входных сигналов предназначен для создания и редактирования входных воздействий моделируемой схемы. Входные воздействия могут быть заданы непосредственно в графическом виде и/или с помощью моделей генераторов.

Графический редактор принципиальных схем предназначен для создания и редактирования описаний моделируемых схем, а также служит управляющей программой для всей системы моделирования. Редактор ориентирован на работу в комплексе с САПР РЭА и в своей работе использует информацию об изображениях компонентов схемы, хранящуюся в общей БД САПР РЭА.

Отличительной особенностью графического редактора является его

реализация в качестве клиента сервера базы данных САПР РЭА. В процессе создания описания схемы редактор непосредственно обращается к данным БД посредством формирования запросов к БО^-серверу. Такое решение позволяет максимально использовать преимущества архитектуры клиент-сервер.

В основу реализации графического редактора положено широкое использование специализированных динамических списков. Использование динамических списков позволяет снять программное ограничение на размер создаваемого описания схемы, в результате чего размер создаваемого описания полностью определяется техническими характеристиками рабочей станции.

Для хранения графических описаний, размещенных на схеме компонентов, в графическом редакторе используется специальный динамический список. При размещении на схеме нескольких компонентов, имеющих одно и то же изображение, в списке хранится только одно описание, что позволяет дополнительно снизить использование оперативной памяти ЭВМ.

Подробно рассматривается организация хранения в графическом редакторе описания создаваемой схемы и используемые для этого структуры данных. Приводится описание элементов основных динамических списков.

Рассматривается интерфейс графического редактора и его основные режимы работы.

Четвертая глава посвящена вопросам, связанным с реализацией

алгоритма временного событийного моделирования, используемого в подсистеме моделирования цифровых устройств САПР РЭА.

Основными характеристиками систем логического моделирования цифровых устройств являются: адекватность моделирования, быстродействие процесса моделирования и объем моделируемых схем.

В настоящее время наблюдается тенденция быстрого роста возможностей ЭВМ и предоставляемых в распоряжение программ и пользователей ресурсов. В связи с этим актуальным представляется реализация методов временного моделирования, обеспечивающих наибольшую адекватность результатов анализа. При этом особое

внимание необходимо уделить рациональному использованию разделяемых ресурсов ЭВМ, в частности, памяти ЭВМ.

Адекватность результатов моделирования во многом определяется параметрами микросхем, которые учитываются в алгоритмах моделирования, при этом на достоверность моделирования, главным образом влияют динамические параметры ИС. К ним относятся: времена задержек распространения при включении и при выключении; среднее время задержки распространения выходного сигнала; длительность положительного и отрицательного выходных перепадов; минимальная длительность сигнала, воздействующего на И С и др.

При моделировании данные динамические параметры обычно учитываются с помощью специальной транспортной и инерционной задержек. Для учета этих задержек в предложенной подсистеме цифрового моделирования модель динамического логического элемента представляется в виде блочной структуры. При этом блок задержек разделяется на два блока. Первый блок учитывает инерционную задержку, второй - разницу между транспортной и инерционной задержкой, при этом безынерционный логический элемент обрабатывается после обработки первого блока.

Обработка блочной динамической модели производится с помощью специализированной очереди будущих событий, организация которой подразумевает наличие определенных структур данных.

В подсистеме цифрового моделирования реализован подход, при котором память под основные структуры данных, используемые в процессе моделирования, выделяется динамически, что обеспечивает рациональное использование памяти ЭВМ. Кроме этого, данный подход позволяет снять программное ограничение на объем моделируемой схемы.

В работе приведены и подробно рассмотрены структуры данных, необходимые для реализации временного событийного моделирования, а также блок-схема алгоритма, построенного с использованием указанных структур.

III. Основные результаты работы

1. Разработана структура САПР РЭА масштаба предприятия, основанная на использовании сервера баз данных и модели взаимодействия типа клиент-сервер. Отличительной особенностью предложенной структуры является включение в ее состав подсистемы управления данными и средствами проектирования.

2. Разработаны структуры данных для хранения информации об объектах проектирования в единой базе данных САПР РЭА, функционирующей под управлением SQL сервера.

3. Разработана подсистема управления данными и средствами проектирования, особенностью которой является поддержка технологии автоматизации OLE.

4. Разработана графическая подсистема САПР РЭА, ядром которой является графический редактор описаний принципиальных электрических схем. Отличительной особенностью графического редактора является его реализация в качестве клиента сервера базы данных САШ3 РЭА.

5. Разработана подсистема моделирования цифровых устройств, в основу которой положен алгоритм временного событийного моделирования. Особенностью разработанного алгоритма является использование специализированных списков, позволяющих снять программное ограничение на объем моделируемых схем.

6. Разработанные в рамках данной работы подсистемы являются составной частью современной версии САПР РЭА ДИСП и используются на ряде промышленных предприятий.

IV. Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Автоматизация проектирования программируемых логических инте-

гральных схем / В.И. Анисимов, А.Б. Исаков, И.В. Ренькас и др. :

Учеб. пособие / ТЭТУ. - СПб., 1997. - 64 с.

2. Алгоритм расчета устойчивости линейных электронных схем / Ларистов А.И., Ренькас И.В., Скобельцын К.Б. и др. // Радиоэлектроника и связь. - 1998. - №1-2 (13-14). С. 79-95.

3. Архитектура интегрированных САПР электронных систем / Иванова Л.Н., Молотков Д.С., Ренькас И.В. и др. // Новые технологии создания и испытаний глобальных информационно-управляющих систем (ГИУС). Диверсификация систем оборонного назначения: Тез. докл. XX науч.-техн. конф. - Москва, 1997. -С.17-18.

4. Система автоматизированного проектирования аналоговых и цифровых схем ДИСП-РС / Анисимов В.И., Ларистов А.И., Ренькас И.В. и др. // Диагностика, информатика и метрология - 94: Тез. докл. науч.-техн. конф. - СПб., 1994. - С.21-22.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АРХИТЕКТУРА САПР РЭА.

1.1 Основные тенденции развития САПР РЭА.

1.2 Инфраструктура и инструментальные средства САПР РЭА.

1.3 Организация программного обеспечения и данных САПР РЭА.

1.4 Структура САПР РЭА.

ГЛАВА 2. ПОДСИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДАННЫМИ И СРЕДСТВАМИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ САПР РЭА.

2.1 Требования к управлению данными проектирования.

2.2 Принципы реализации и функциональные возможности подсистемы.

2.3 Организация доступа к данным проектирования.

2.4 База данных проектов.

2.5 Интерфейс менеджера проектов.

ГЛАВА 3. ГРАФИЧЕСКАЯ ПОДСИСТЕМА САПР РЭА.

3.1 Состав и функциональные возможности подсистемы.

3.2 Структура графического редактора.

3.3 Модуль ввода описания схемы.

3.4 Модуль трансляции описания схемы

3.5 Интерфейс графического редактора.

ГЛАВА 4. ПОДСИСТЕМА МОДЕЛИРОВАНИЯ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ.

4.1 Выбор метода и алгоритма моделирования.

4.2 Адекватность моделирования.

4.3 Используемые структуры данных.

4.4 Алгоритм временного событийного моделирования.

Научно-технический прогресс в области разработки электронной аппаратуры приводит к ее постоянному усложнению. В связи с этим важное значение приобретает дальнейшее совершенствование процесса проектирования электронных устройств на основе применения современных систем автоматизированного проектирования (САПР).

Отличительной особенностью современного этапа развития САПР РЭА является переход к разработке систем, формирующих среду проектирования в сетевом окружении, которое насчитывает сотни рабочих станций и серверов. При этом численность группы проектировщиков, занятых работой над конкретным проектом, может достигать нескольких сотен человек.

В рамках концепции создания среды проектирования САПР РЭА можно выделить три основных направления разработки прикладного программного обеспечения. Первое направление предусматривает создание специальных средств управления процессом проектирования (workflow management), предназначенных для реализации конкретной методологии проектирования, которая, в свою очередь, определяется спецификой решаемых задач.

Второе направление связано с созданием средств управления данными проектирования (design data management). Эта задача становится особенно актуальной при наличии многочисленных территориально-распределенных групп разработчиков и включает сбор и управление информацией, необходимой для выполнения конкретного проекта, а также управление многопользовательским доступом к данным (файлам и базам данных).

Третье направление связано с разработкой специализированных инструментальных программных средств, которые должны быть либо адаптированы к современной технологии проектирования, либо разработаны с учетом встраивания в эту технологию.

В настоящее время за рубежом разработан целый ряд коммерческих систем, в той или иной мере реализующих рассмотренные выше подходы. Вместе с тем, как показывает практика, существующие системы часто не удовлетворяют предъявляемым современным требованиям, причем в первую очередь это касается требований к управлению данными проектирования, поскольку эта задача является наиболее трудоемкой и многоплановой.

Таким образом, проведение исследований в области формирования современной среды проектирования САПР РЭА и создание средств управления данными проектирования представляет собой весьма актуальную задачу.

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка современной среды проектирования САПР РЭА, а также практическая реализация отдельных подсистем САПР с использованием современных технологий клиент-сервер и OLE. Достижение указанной цели предполагает решение следующих задач:

- обзор основных тенденций развития САПР РЭА, формирование требований, предъявляемых к современным системам автоматизированного проектирования;

- разработка структуры САПР РЭА масштаба предприятия, базирующейся на технологии клиент-сервер и ориентированной на создание современной среды проектирования;

- разработка подсистемы управления данными и средствами проектирования, отличительной особенностью которой является поддержка технологии автоматизации OLE, а также структур данных для хранения информации об объектах проектирования;

- разработка графической подсистемы САПР РЭА, ядром которой является графический редактор описаний принципиальных электрических схем;

- разработка подсистемы моделирования цифровых устройств, в основу которой положен алгоритм временного событийного моделирования.

Методы исследования. Для решения поставленных задач были использованы теория построения баз данных, теория моделирования цифровых устройств, методы структурного и объектно-ориентированного программирования, аппарат вычислительной математики и булевой алгебры.

Научная новизна. Новые научные результаты, полученные в работе, состоят в следующем:

1. Предложена структура и организация программного обеспечения и данных САПР РЭА, отличительной особенностью которой является использование сервера баз данных и модели взаимодействия типа клиент-сервер.

2. Предложены структуры данных для хранения информации об объектах проектирования в единой базе данных САПР РЭА.

3. Предложены структуры данных для хранения графических описаний объектов проектирования, основанные на использовании динамических списков, что обеспечивает оптимальное использование памяти ЭВМ.

4. В рамках алгоритма временного событийного моделирования, предложены структуры данных, основанные на использовании специализированных динамических списков, что позволяет снять ограничения на объем моделируемых схем.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, приложения и списка литературы, включающего 104 наименования. Основной текст работы изложен на 102 страницах машинописного текста. Работа содержит 17 рисунков и 32 таблицы.

Заключение