автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Исследование и разработка программно-аппаратных средств для автоматизированного рабочего места инженера-электроника

АКАДЕМИЯ НАУК СССР ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ КИБЕРНЕТИКИ

На правах рукописи

Ершов Валерий Павлович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО РАБОЧЕГО МЕСТА ИНЖЕНЕР А-ЭЛЕКТРОНИКА

05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем

управления

5.13.11 - Математическое и программное обеспечение вычислительных

машин и систем

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1990

УДК 629.7.058.74

М-24

Работа выполнена в Институте физики высоких энергий (г. Протвино)

Научный руководитель - доктор физико-математических наук С.В.Клименко.

Официальные оппоненты: доктор технических наук В.И.Нифонтов, кандидат технических наук В.И. Водолазский.

Ведущая организация - НПО "Микроэлектроника".

Защита диссертации состоится "_" _1991 г.

в_часов на заседании специализированного Совета Д 003.78.01 при

Институте проблем кибернетики АН СССР по адресу: 117312, Москва, ул.Вавилова, дом 37, аудитория 33.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института проблем кибернетики АН СССР.

Автореферат разослан "_"_ 1990 г.

Ученый секретарь

специализированного Совета Д 003.78.01 /А.Н.Сотников/

© Институт физики высоких энергий, 1990.-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Проведение экспериментальных исследований в физике высоких энергий требует разработки аналоговой и цифровой радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Естественно, встает вопрос о повышении производительности труда разработчика РЭА. Производительность труда авторской разработки может быть повышена при использовании автоматизированного рабочего места, позволяющего получать проектно-конструкторскую документацию на РЭА в темпе разработки. Это, в свою очередь, позволит ускорить цикл разработки и упростить некоторые рутинные операции. Жизненный цикл разработки можно разделить на несколько этапов:

1. постановка задачи (входные и выходные характеристики);

2. проектирование принципиальной схемы;

3. моделирование;

4. проектирование печатных плат;

5. производство печатных плат;

6. монтаж;

7. автономная отладка;

8. комплексная отладка;

9. коррекция (если необходимо);

10. сопровождение.

В большинстве случаев в процессе отладки или на других этапах может возникнуть необходимость возвратиться ко 2-му этапу для внесения изменений и далее повторить вновь все последующие этапы проектирования.

При проектировании РЭА при постоянно меняющихся условий экспериментов в физике высоких энергий разработчику приходится много времени тратить на проектирование принципиальных схем, на внесение исправлений, дополнений, модификаций и т.п. Если изменений вносится много, то первоначальный документ, на котором была нарисована принципиальная схема, к дальнейшему применению становится непригодным. Его необходимо перерисовывать заново. По завершении разработки устройство должно обеспечиваться сопроводительной документацией (принципиальной, монтажной, блок-схемами и т.п.). Для этого, как правило, эскизы, выполненные самим разработчиком, передаются профессиональным чертежникам, которые подготавливают чертеж для размножения на копировальной технике. Качество копии ("синьки"), получаемой в результате всего этого процесса, часто оставляет желать лучшего, то есть в отдельных случаях идентифицировать символьную информацию (номера выводов ИС, номинальные значения радиокомпонентов, адреса компонентов на монтажной схеме устройства, наименование выводов разъемов и т.п.) бывает практически невозможно. Очевидно, что работать с такой документацией весьма затруднительно. Все это определило необходимость автоматизировать процесс подготовки документов принципиальных схем и другой символьно-графической документации, улучшить качество.

Следующим этапом проектирования является подготовка файла описания топологии печатной платы проектируемого устройства, направляемого затем на отрисовку фотошаблона. Поскольку программы трассировки являются эвристическими, то на плате часто остаются непроведен-ные связи. Интерактивный графический редактор топологии позволяет сократить, а в большинстве случаев полностью устранить разрывы (не-проведенные связи). Кроме того, посредством редактора можно прокладывать трассы таким путем, каким известные до настоящего времени программы автоматической трассировки прокладывать не могут из-за несовершенства алгоритмов.

В процессе создания РЭА разработчику неоднократно приходится сталкиваться с проблемой занесения информации в различные микросхемы ПЗУ, ППЗУ и ПЛМ. Причем оперативность программирования непосредственно на рабочем месте несомненно ускоряет процесс разработки и отладки аппаратуры. Следовательно, программатор является неотъемлемой частью автоматизированного рабочего места инженера-электроника. В ИФВЭ и в других организациях разработаны и эксплуатируются раз-

личные типы программаторов. Однако они, как правило, предполагают наличие конструктивов КАМАК или СУММА. Поскольку рабочее место создано в конструктиве "Электроншса-60", разработан программатор в этом же конструктиве.

Целью диссертационной работы является разработка, исследование и применение программно-аппаратного инструментария для построения автоматизированного рабочего места инженера-электроника, ускоряющего процесс авторской разработки РЭА.

Научная новизна

1. Предложен оригинальный и эффективный подход к подготовке технической документации при проектировании РЭА (принципиальных и блок-схем разрабатываемой радиоэлектронной аппаратуры, временных диаграмм, графиков и т.п.).

2. Разработан сравнительно простой цветной графический растровый дисплей повышенного разрешения для автоматизации разработки РЭА, который является интеллектуальным терминалом базовой ЭВМ (БЭВМ).

3. Разработан и реализован оригинальный графический ой"-1ше-редактор топологии печатных плат, который использует только внутренние ресурсы разработанного графического дисплея для формирования промежуточного файла изменений топологии.

4. Предложена архитектура устройства ввода оптического изображения в ЭВМ. Устройство ввода позволяет отработать алгоритмы обработки изображений принципиальных схем РЭА, текста, графиков и т.п.

Практическая ценность. Созданные программно-аппаратные средства используются при проектировании РЭА, что позволило существенно сократить цикл авторской разработки РЭА и подготовки сопроводительной конструкторской документации.

Разработанные программные средства интерактивного редактирования топологии позволяют, используя сравнительно недорогие аппаратные средства, улучшить качество трассировки печатных плат.

Программатор предоставляет разработчику возможность, используя процессор графического дисплея, заносить информацию в ПЗУ, ППЗУ и ПЛМ. Для программирования различных типов микросхем используются отдельные сменные модули и подключаются они к контроллеру через единую для всех модулей внутреннюю магистраль. При появлении новых типов ПЗУ для их программирования сравнительно просто разработать соответствующие сменные модули.

Разработанное и реализованное устройство ввода изображения в ЭВМ позволяет отрабатывать алгоритмы обработки изображений (чертежей, принципиальных схем РЭА, текста) для выработки концепции системы распознавания. Кроме того, исследование структуры вводимого изображения показало пути дальнейшего совершенствования передающей телевизионной камеры.

Всего создано 6 рабочих мест, не считая рабочего места, созданного на базе другого графического дисплея, на котором адаптированы разработанные автором программные средства. В течение трех лет было спроектированно несколько десятков печатных плат высокого качества без единой непроведенной связи.

Апробация работы и публикации. Материалы диссертации опубликованы в работах /1-8/, докладывались на научных семинарах ИФВЭ, на IV Всесоюзной конференции по проблемам машинной графики (Серпухов, 1987 г.), на Всесоюзной конференции "Теория и практика построения интеллектуальных интегрированных САПР РЭА и БИС" (Звенигород, 1989 г.), на Всесоюзной школе-семинаре молодых ученых "Машинная графика и автоматизация проектирования в радиоэлектронике" (Челябинск, 1990 г.).

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и трех приложений. Объем диссертации 99 страниц, включая приложения из 12 страниц и 20 рисунков. Список литературы содержит 81 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассматриваются основные этапы и требования, предъявляемые к проектированию РЭА на каждом из этих этапов.

В первом разделе описывается архитектура аппаратных средств автоматизированного рабочего места инженера-электроника, приводятся некоторые эксплуатационные характеристики разработанного автором специализированного цветного растрового графического дисплея, блок-схема которого представлена на рис. 1.

КАНАЛ МикроЭВМ

ВНУТРЕННЯЯ МАГИСТРАЛЬ

Рис. 1. Блок-схема специализированного цветного растрового дисплея.

Технические и эксплуатационные характеристики дисплея:

- размер экрана - 1024 х 512 точек;

- количество слоев - 4;

- размер виртуального поля видеопамяти - 2048 х 1024х 4 бит;

- количество цветовых оттенков - 8;

- количество факторов аппаратного масштабирования - 4;

- "плавное скольжение" экрана по всему полю видеопамяти;

- программируемый приоритет и окраска каждого слоя;

- программируемый режим "мерцания" любых частей изображения.

Кратко изложены принципы построения и назначение основных узлов

разработанного автором графического дисплея.

Анализ некоторых конструкций цветных дисплеев показал, что при редактировании графических изображений в интерактивном режиме необходимо обеспечить наивысшую скорость доступа к любому фрагменту изображения в масштабе, удобном для идентификации отдельных его элементов. Поэтому при разработке дисплея основным критерием являлась реализация аппаратных функций масштабирования и плавного перемещения окна по изображению.

В данном разделе описывается оригинальный метод реализации генератора произвольной кривой. Генератор представляет собой программируемый аппаратный буфер, емкостью 2048 байт. В него можно загружать алгоритм рисования в общем случае любой кривой. В этом буфере можно запрограммировать не только знак приращений координат записи для следующей точки изображения растра по осям X и У, но и слой, в который будет записываться следующая точка (как частный случай, приращения координат могут программироваться без указания слоя, т.е. перемещение без рисования). Перемещение физически означает единичное изменение адреса текущей точки вдоль осей X и У. Направления перемещения могут вычисляться программой или загружаться из БЭВМ как алгоритм рисования. Таким образом, можно создать базу графических примитивов для отрисовки всевозможных изображений. Если не менять содержимого буфера, а изменять только начальный адрес записи в экранную память, то можно "передвигать" графический примитив по изображению в реальном времени.

Во втором разделе описывается программное обеспечение графического дисплея, позволяющего редактировать изображения принципиальных схем РЭА, создавать новые изображения базовых элементов и заносить их в открытую для пользователя библиотеку. Посредством второго ре-

дактора можно редактировать файл топологии печатных плат, который создается программами автоматической трассировки, входящими в состав разработанной в ИФВЭ системы автоматизированного проектирования.

Разработанные элементы автоматизации проектирования РЭА предполагают применение микроЭВМ "Электроника НЦ-80" или других микроЭВМ этого семейства. Визуализация принципиальных схем и топологии печатных плат осуществляется на экране цветного дисплея повышенного разрешения для получения наилучшей наглядности и удобства работы. Указывается, что в видеопамяти разработанного автором специализированного графического дисплея можно хранить одновременно принципиальные схемы четырех радиоэлектронных устройств (4 независимых слоя видеопамяти). Это,в свою очередь ,предоставляет разработчику возможность оперативно переносить из разных слоев отдельные подсхемы большими кусками для формирования изображения принципиальной схемы проектируемого радиоэлектронного устройства, а также хранить их в файловой памяти БЭВМ для последующего использования в других схемах.

Посредством второго редактора удалось снизить трудозатраты по редактированию топологии печатных плат и упростить процесс проектирования как на конечном этапе (ручная трассировка), так и на промежуточных этапах размещения и трассировки.

При интерактивном редактировании топологии печатной платы в системе PCAD для прослеживания канала прокладки трассы необходимо каждый раз запускать процесс перемещения окна по изображению, который выполняется программно. Каждая такая операция занимает от 5 до 15 секунд в зависимости от объема файла топологии, скорости процессора, типа графического адаптера, входящего в состав IBM PC. В представляемом дисплее эти операции выполняются аппаратно и занимают всего 40 миллисекунд.

В системе PCAD на экране видны только те отрезки трасс, которые отрисовались последними. При редактировании можно только догадываться, что под видимым отрезком может лежать другой в другом слое или каждый раз выполнять функцию активирования сомнительной цепи. В состав разработанного автором дисплея входит просмотровая таблица (LOOKUP TABLE), а поэтому этот недостаток исключен. Оператор может устанавливать режим прозрачности слоев и совпадающие по координатам отрезки трасс, лежащие в разных слоях, будут окрашиваться в

другой установленный оператором цвет. При этом необходимо отметить, что содержимое видеопамяти не меняется.

Операции редактирования выполняются только с дисплейным файлом, который записан в видеопамять. В оперативной памяти микроЭВМ формируется файл изменений, которые необходимо внести в основной файл топологии. После передачи его в БЭВМ посредством соответствующей программы все эти изменения (удаления и ввод новых сегментов трасс) заносятся в основной файл. Если на поиск отрезка, которому принадлежит точка с координатами, указанными "мышью", в IBM PC тратится около 4-5 секунд, то в разработанном редакторе в этих операциях нет необходимости.

Разработанные автором редакторы ориентированы на один и тот же дисплей, они имеют одинаковую структуру и отличаются друг от друга только набором специфических функций.

В третьем разделе рассматривается архитектура устройства оптического ввода изображения в ЭВМ на основе передающей телевизионной камеры. Рассмотрены некоторые специфические трудности для телевизионного способа ввода изображения как в аппаратной, так и в программной части устройства, указано на ряд преимуществ по сравнению с иными способами ввода. Целью разработки, проводимой в 1986-1987 г г., была попытка создания шрифтов оптическим способом, когда еще не было сканеров в большом количестве. Однако с появлением сканеров разработка не потеряла свою актуальность, поскольку каждый тип сканера имеет фиксированный формат вводимого документа. При телевизионном способе ввода изображения формат может быть практически любым за счет оптического трансфокатора, т.е. - от микрофиш и до формата АО.

При решении широкого круга задач, связанных с автоматизацией научных исследований, возникает необходимость оперативного ввода полутонового изображения в вычислительную машину с последующей его обработкой. Например, современные системы подготовки научно-техническо документации невозможно создать без устройств оптического ввода изображения. Такие устройства позволяют формировать машинные архивы документов, подготовленных не на машинном носителе. При условии решения задачи распознавания текста введенного документа информационная емкость отдельного документа сокращается приблизительно в 800 раз. Основной целью разработки оптического ввода является построение интегрированной системы подготовки научно-технической документации, включающей текст, графику и изображение. Кроме того,

оптический ввод в ЭВМ принципиальных схем РЭА, существующих на бумажном носителе, предоставляет возможность создания архива разработанных ранее радиоэлектронных устройств.

Как видно из рис. 2, блок-схема устройства ввода аналогична представленной на рис. 1 для графического дисплея. Небольшие отличия связаны с увеличенной емкостью видеопамяти и просмотровой таблицы. Увеличение емкости видеопамяти связано с тем, что на каждый пиксель изображения здесь отводится 8 бит, то есть отслеживается 256 градаций яркости вводимого изображения. Дополнительная просмотровая таблица, которая стоит после аналого-цифрового преобразователя, выполняет функцию простого видеопроцессора. В эту просмотровую таблицу записывается алгоритм предварительной обработки изображения. Обработка происходит в темпе записи изображения в видеопамять - 50 нс/байт. Вторая просмотровая таблица стоит между видеопамятью и цветным монитором. Она необходима для раскраски полутонового изображения в псевдоцвета, оперативного (без изменения содержимого видеопамяти) изменения цвета полей равной интенсивности и т.п. Наличие этой таблицы дает возможность расширить палитру до 224; цветовых оттенков отдельных участков изображения.

Технические характеристики устройства ввода:

- размер экрана - 1024 х 512 х 8 бит;

- размер виртуального поля видеопамяти - 2048 х 1024 х 8 бит;

- количество цветовых оттенков - 224;

- количество факторов аппаратного масштабирования - 4;

- "плавное скольжение" экрана по всему полю видеопамяти;

Четвертый раздел посвящен вспомогательным средствам автоматизированного рабочего места. В нем представлено описание аппаратных и программных средств занесения информации в ППЗУ, ПЗУ и ПЛМ. Из-за дефицита долговременных запоминающих устройств (дисков, магнитофонов и т.п.), подключаемых к используемой микроЭВМ, разработчики РЭА, использующие на своем рабочем месте микроЭВМ семейства "Электроника-60", обычно имеют выход на БЭВМ. В БЭВМ хранятся программы и данные, загружаемые в микроЭВМ. После загрузки сервисной программы в микроЭВМ все операции выполняются под управлением этой программы. Редактирование данных программирования может осуществляться встроенным в сервисную программу редактором.

КАНАЛ МикроЭВМ

ВНУТРЕННЯЯ МАГИСТРАЛЬ

Рис.2. Блок-схема устройства ввода оптического изображения в ЭВМ.

С появлением микроЭВМ, оснащенных долговременными запоминающими устройствами, сервисная программа была адаптирована на такие микроЭВМ для операционных систем типа КГ11 и ИБХ-ПМ с изменением подпрограммы файловой поддержки. В программаторе все сменные модули подключаются к контроллеру через единую внутреннюю магистраль, используемую в программаторе ПР-78. Разработанный дополнительный контроллер имеет интерфейс типа 113232 и выход на внутреннюю магистраль, что позволило создать аппаратно независимый программатор.

В приложениях приводятся инструкции для пользователя редакторов принципиальных схем РЭА и топологии печатных плат, а также структура протокола для программы файловой поддержки.

В заключении изложены основные результаты диссертации, выносимые на защиту.

1. Разработан оригинальный подход к автоматизации авторской разработки РЭА. Созданное на основе разработанного цветного графического дисплея рабочее место позволило значительно сократить цикл проектирования РЭА, включая проектирование принципиальных схем РЭА, проектирование печатных плат и занесение информации в ПЗУ, ППЗУ и ПЛМ.

2. Предложена оригинальная архитектура специализированного цветного графического растрового дисплея для интерактивной машинной графики.

3. Разработан программный инструментарий для построения систем автоматизации авторской разработки РЭА.

4. Разработан оригинальный редактор топологии печатных плат, в котором, за счет аппаратно реализованных функций масштабирования и перемещения окна по изображению, повышена эффективность интерактивного редактирования. Программные средства, ориентированные на редактирование топологии двухслойных печатных плат, после наращивания емкости видеопамяти графического дисплея легко адаптируются на редактирование топологии с иным количеством слоев.

5. Разработан программатор ПЗУ, ППЗУ и ПЛМ, гибкость конфигурации которого позволяет вести дальнейшие разработки сменных модулей для занесения информации в ПЗУ других типов, которые будут изготавливаться отечественной промышленностью. Разработан аппаратно-независимый контроллер, предоставляющий возможность подключения

к любым типам вычислительных машин в качестве самостоятельного программатора.

Все рисунки в диссертации и иллюстративный материал выполнены в рамках разработанного автором рабочего места.

Список литературы

1. Ершов В.П., Минаев Н.Г. Блок анаморфотности изображения на экране телевизионного монитора: Препринт ИФВЭ 85-84. - Серпухов, 1985.

2. Ершов В.П., Демидова В.И. Графический редактор для изображения принципиальных схем РЭА: Препринт ИФВЭ 86-101. - Серпухов, 1986.

3. Ершов В.П., Кисляков A.B., Мотяков В.Б., Солдатов А.Ф. Устройство автоматического ввода оптического изображения в ЭВМ: Препринт ИФВЭ 87-75. - Серпухов, 1987.

4. Ершов В.П., Куликова В.М., Мотяков В.Б. Программатор ПЗУ в конструктиве "Электроника-60": Препринт ИФВЭ 87-76. - Серпухов, 1986.

5. Ершов В.П., Балуев Б.А., Глухов В.В., Жильченков В.Д., Кисляков A.B., Клименко C.B., Мотяков В.Б., Панченко П.В., Солдатов А.Ф., Федотова Л.П. Ввод изображения в интегрированной системе подготовки научно-технической документации.//В кн.: Материалы IV Всесоюзной конференции по проблемам машинной графики. - Серпухов, 1987, с.41.

6. Ершов В.П., Долгополов A.B., Кисляков A.B., Клименко C.B. Цветной графический растровый дисплей для интерактивной машинной графики: Препринт ИФВЭ 88-184. - Серпухов, 1988.

7. Ершов В.П., Демидова В.И. Графический off-line-редактор топологии печатных плат: Препринт ИФВЭ 88-185. - Серпухов, 1988.

8. Ершов В.П., Демидова В.И., Долгополов A.B., Кисляков A.B., Клименко C.B. Графический off-line-редактор в системе автоматизированного проектирования топологии печатных плат.//В кн.: Тезисы докладов Всесоюзной конференции "Теория и практика построения интеллектуальных интегрированных САПР РЭА и БИС". - Звенигород, 1989, с.112.

9. Ершов В.П., Демидова В.И., Рабский H.H. Графический редактор топологии печатных плат для дисплейных станций серии "Гамма".//В кн.: Тезисы докладов Всесоюзной школы-семинара молодых ученых "Машинная графика и автоматизация проектирования в радиоэлектронике". - Челябинск, 1990, с.26.

Рукопись поступила 30 ноября 1990 г.

Ершов В.П.

Исследование и разработка программно-аппаратных средств для автоматизированного рабочего места инженера-электроника.

Редактор М.Л.Фоломешкина.

Подписано к печати 4.12.90 Формат 60x90/16

Офсетная печать. Печ.л. 0,7 Уч.-изд.л. 0,8. Тира* 150. Заказ 1461. Индекс 3649. Бесплатно.

Институт физики высоких энергий, 142284, г. Протвино Московской обл.