Основные компоненты программного обеспечения САПР

Вопрос 2. Виды обеспечения САПР.

Компоненты обеспечения САПР ЭС. Дадим краткую характеристику каждого из перечисленных видов обеспечения, имея в виду радиотехнические приложения.

Программное обеспечение. В программное обеспечение входят программы и документы, необходимые для их эксплуатации: инструкции для оператора, программиста и администратора. Тестовые программы для диагностики ошибок. В общем случае к ПО относят операционные системы, общесистемные среды, СУБД и прикладные программы.

Поскольку программное обеспечение занимает одно из центральных мест САПР, то часто программно-методический комплекс системы называют пакетом прикладных программ.

Компоненты программного обеспечения, объединенные в пакет прикладных программ, имеют иерархическую организацию, где каждый программный модуль осуществляет функционально законченное преобразование информации, удовлетворяющее соглашениям о представлении данных, принятым в данной САПР.

Примеры прикладных программ САПР для проектирования ЭС: программы составления математических моделей устройств и их компонентов, программы расчета переходных процессов и частотных характеристик, программы функционального и имитационного моделирования аналоговых и цифровых схем, программы геометрического моделирования конструкций изделий.

Программное обеспечение САПР подразделяется на проектирующие и обслуживающие подсистемы.

К обслуживающим подсистемам ПО относятся: диалоговая подсистема; СУБД; инструментальная подсистема программирования (CASE); монитор - обеспечивающий взаимодействие подсистем и их управление.

Диалоговая подсистема ПО организует интерактивное взаимодействие пользователя с управляющей и проектирующими подсистемами ПО, подготовку и редактирование данных, просмотр результатов проектирующих подсистем.

Подсистема управления базами данных (СУБД) реализует единообразный доступ к общей базе данных САПР.

Инструментальная подсистема программирования, основу которой составляет генератор прикладных программ, синтезирующий новые программы из готовых модулей и подпрограмм, разработанных пользователем. Подсистема необходима для обеспечения открытости ПО САПР.

Монитор САПР осуществляет управление ходом вычислительного процесса и координацию взаимодействия подсистем САПР.

В функции монитора входят:

- прием и интерпретация команд пользователя;

- загрузка и активизация компонентов ПО;

- установления взаимодействия между подсистемами;

- динамическое распределение памяти;

- сервисные функции (регистрация пользователей, сбор статистики, обработка сбоев системы и др.).

Проектирующие подсистемы ПО подразделяются на объектно-зависимые (проблемно-ориентированные) и объектно-независимые (методо-ориентированные).

По структурной сложности проектирующие подсистемы ПО САПР подразделяются на простые программы, ориентированные на узкий класс объектов и подсистемы, представляющие собой универсальные пакеты прикладных программ сложной структуры, обладающие своими мониторами, локальными БД и СУБД.

Взаимодействие управляющих (мониторов) и проектирующих подсистем ПО осуществляется через интерфейс, представляющий собой формальные правила передачи фактических параметров:

- задающих режим функционирования;

- адреса точек входа в обслуживающие подсистемы;

- адреса динамически распределенных областей памяти, предназначенных для информационного обмена между различными подсистемами ПО.

Для эффективной работы коллектива пользователей средствами ОПО реализуется множественный доступ к САПР. Эту проблему решает режим разделения времени.

Информационное обеспечение САПР состоит из двух частей, которые включают в себя:

- сведения о типовых элементах ЭС и их параметрах, типовых материалах, типовых фрагментах электронных схем;

- способы и средства, которые предназначены для упорядоченной записи, хранения, перемещения данных и их извлечения.

(1‑ что хранится; 2 – как и где хранится)

Со второй частью информационного обеспечения связаны три основных понятия: база данных (БД), система управления базой данных (СУБД) и банк данных.

База данных – это совокупность массивов данных, организованных таким образом, чтобы обеспечить быстрый и удобный поиск любых данных по запросу, их перемещение или кодировку. Например, телефонный справочник с адресами абонентов. БД существуют в распределенной или централизованной форме.

Важным понятием в БД является модель данных – формализованное описание, отражающее состав и типы данных, а также взаимосвязи между ними.

По способам отражения связей между данными различают модели:

- иерархическую;

- сетевую;

- и реляционную.

Модель называют сетевой, если данные и связи между ними имеют структуру графа.

Если структура отражаемых связей представляется в виде дерева, то модель называют иерархической.

Представление данных в виде таблиц соответствует реляционной модели данных.

Задание модели данных в БД осуществляется на специальном языке описания данных (ЯОД).

Система управления базой данных (СУБД) – это совокупность языковых средств и программ, предназначенных для поиска нужных данных, их перемещения независимо от прикладных программ разных пользователей.

В соответствии с моделями данных различают реляционные, сетевые и иерархические СУБД.

Банк данных - сложная информационно-программная система, образованная совокупностью БД и СУБД.

Функционирование банка данных невозможно обеспечить полностью в автоматическом режиме. Контроль его состояния и управление режимами работы осуществляется человеком – администратором банка данных.

Поскольку процесс проектирования может быть представлен последовательностью преобразования информации, то циркулирующую и обрабатываемую информацию в САПР подразделяют на исходную и выходную.

Исходная (входная) информация включает большое количество данных: стандарты, каталоги комплектующих изделий и материалов, методики проектирования, данные ТТЗ, результаты исследований.

С целью систематизации и облегчения анализа исходная информация группируется по классам:

- информация справочного характера (стандарты, каталоги, справочники);

- данные аналогов и прототипов объектов проектирования;

- методики проектирования;

- условия и требования к конкретному объекту проектирования.

Выходная информация охватывает все данные проекта, полученные на промежуточных и конечных этапах проектирования и содержит критериальные оценки проекта для проведения корректировки принятых решений.

Совокупность входной и выходной информации и данных, используемых всеми компонентами САПР, называется информационным фондом данной системы.

Таким образом, Информационное обеспечение САПР это совокупность информационного фонда и средств его ведения.

Различают следующие способы ведения информационного фонда САПР:

- использование файловой системы;

- построение библиотек;

- использование банков данных (БнД);

- создание информационно-программных адаптеров.

Способы 1 и 2 широко распространены в организации информационного фонда вычислительных систем, поскольку поддерживаются средствами операционных систем (ОС). Однако для обеспечения быстрого доступа к справочным данным, хранения меняющихся данных, организации взаимодействия между разнородными модулями эти способы малопригодны.

Способ 3- использование банка данных позволяет:

- централизовать информационный фонд САПР;

- произвести структурирование данных в форме удобной для проектировщика;

- упростить поиск информационно-справочной и проектной документации;

- упростить организацию межмодульного интерфейса путем унификации промежуточных данных.

Способ 4- предполагает использование специальных систем и программных технологий для организации межмодульного интерфейса и построения программных комплексов.

Методическое обеспечение САПР – это описания и инструкции по использованию всех видов обеспечения САПР.

К компонентам методического обеспечения относят: утвержденную документацию методического характера, устанавливающую технологию автоматизированного проектирования, правила эксплуатации программно-технических средств САПР, описания баз данных, языков проектирования, нормативы, стандарты и другие руководящие документы, регламентирующие процесс и объект проектирования.

Математическое обеспечение

К компонентам математического обеспечения относят методы математического моделирования объектов и процессов проектирования, математические модели объектов и процессов проектирования, алгоритмы решения задач в процессе проектирования. Т.е. ‑ МО включает в себя теорию, модели и алгоритмы проектных процедур.

Состав и вид компонентов математического обеспечения определяется базовым математическим аппаратом, специфичным для каждого иерархического уровня проектирования.

Специфика математического аппарата проявляется, прежде всего, в математических моделях (ММ) и в способах решения задач структурного синтеза проектируемых объектов.

На микроуровне используются распределённые модели. Типичный представитель таких моделей – дифференциальные уравнения в частных производных.

При этом количество совместно исследуемых элементов не может быть очень большим из-за сложностей вычислительного характера. Снижение вычислительных затрат возможно на принятии допущений в виде дискретизации пространства.

Это позволяет перейти от моделей микроуровня к моделям макроуровня, которые называются сосредоточенными. Чаще всего это системы алгебраических и обыкновенных дифференциальных уравнений. Упрощение описания отдельных компонентов (деталей) позволяет исследовать модели процессов в устройствах, приборах, узлах, количество компонентов в которых достигает нескольких тысяч.

С увеличением количества компонентов в системе, возрастает сложность модели системы на макроуровне, поэтому процесс проектирования выходит на функционально-логический уровень.

На этом уровне используются:

1) для исследования аналоговых (непрерывных) процессов – аппарат передаточных функций;

2) для исследования дискретных процессов, процессов с дискретным множеством состояний – математическая логика или теория конечных автоматов.

Для исследования ещё более сложных объектов (вычислительные системы и сети, социальные системы) применяют модели системного уровня. Такие модели создаются, например, на основе аппарата теории массового обслуживания.

К математическим моделям предъявляются требования:

- универсальности;

- адекватности;

- точности;

- экономичности.

Степень универсальности ММ характеризует полноту отображения в модели свойств реальных объектов определённого класса.

Точность ММ оценивается степенью совпадения значений параметров реального объекта и значений тех же параметров, рассчитанных с помощью оцениваемой ММ.

Адекватность ММ - способность отражать заданные свойства объекта с погрешностью не выше заданной. Адекватность ММ, как правило, имеет место лишь в ограниченной области изменения внешних параметров - в области адекватности.

Экономичность модели характеризуется затратами вычислительных ресурсов (времени и памяти) на ее реализацию.

По характеру отображаемых свойств объекта ММ делятся на структурные и функциональные.

Различают структурные топологические и геометрические ММ.

В топологических ММ отображают состав и взаимосвязи элементов объекта. Эти ММ применяют для описания объектов, состоящих из большого числа элементов, например, при решении задач привязки конструктивных элементов к определенным пространственным позициям или относительным моментам времени при разработке технологических процессов.

В геометрических ММ отображаются геометрические свойства объектов, в них дополнительно к сведениям о взаимном расположении объектов содержатся сведения о форме деталей.

Функциональные математические модели предназначены для отображения физических и информационных процессов, протекающих в объекте при его функционировании или изготовлении.

Для получения математических моделей используют неформальные и формальные методы.

Неформальные методы используют на различных иерархических уровнях для получения ММ элементов.

Формальные методы применяют для получения ММ систем при известных математических моделях элементов.

Исходными для формирования математических моделей объектов на схемотехническом уровне автоматизированного проектирования являются компонентные и топологические уравнения.

Компонентные уравнения – это уравнения, описывающие свойства элементов (компонентов) системы, т.е. это уравнения математических моделей элементов системы.

Топологические уравнения описывают взаимосвязи элементов в составе моделируемой системы.

В совокупности эти уравнения представляют собой исходную математическую модель системы.

Компонентные уравнения имеют вид:

F_к (dV / dt, V, t) = 0,

а топологические:

F_т (V) = 0,

где V = (v ₁, v ₂,…, v _n) – вектор фазовых переменных; t – время.

Различают фазовые переменные двух типов:

1) переменные типа потенциала (например, электрическое напряжение);

2) переменные типа потока (например, сила тока).

Каждое компонентное уравнение характеризует связи между разнотипными фазовыми переменными, относящимися к одному компоненту, а топологическое характеризует связи между однотипными фазовыми переменными в разных компонентах.

Компонентами ЭС системы являются простые двухполюсные элементы и более сложные двух- и многополюсные элементы. К простым двухполюсникам относятся сопротивление, ёмкость и индуктивность R, C и L.

Компонентные уравнения простых двухполюсников:

u = i R; i = C ; u = L ,

где u – падение напряжения на элементе, i – ток.

Эти модели лежат в основе моделей других более сложных компонентов.

Топологические уравнения выражают закон Кирхгофа для напряжений ‑ закон контурных напряжений (ЗКН) и токов ‑ закон узловых токов (ЗУТ). Согласно ЗКН, сумма напряжений на компонентах вдоль любого замкнутого контура в эквивалентной схеме равна нулю, а в соответствии с ЗУТ сумма токов в любой точке разветвления проводников (узле) эквивалентной схемы равна нулю:

; .

В общем случае методика получения ММ включает в себя следующие операции:

1. Выбор свойств объекта, которые подлежат отражению в модели;

2. Сбор исходной информации о выбранных свойствах объекта;

3. Синтез структуры ММ;

4. Расчет значений параметров ММ;

5. Оценка точности и адекватности ММ.

Дата добавления: 2014-01-07