книги из ГПНТБ / Штейн М.Е. Методы машинного проектирования цифровой аппаратуры
.pdfШТЕЙН м. Е., ШТЕЙН Б. Е.
МЕ Т О Д Ы
МА Ш И Н Н О Г О
ПР О Е К Т И Р О В А Н И Я
ЦИ Ф Р О В О Й
АП П А Р А Т У Р Ы
Москва, «Советское радио» 1973
6Ф7.3 |
|
|
|
|
Ш881 |
] |
Н А У Ч Н О ; , . y ^ ^ r |
j L |
- / 5 ' £ . * |
УДК 681.14 |
|
Ь И & Я •:-jJ_; |
|
|
Ш т е й н |
М. Е., III Т С Й Н Б. Е. Методы машинного проек |
|||
тирования |
цифровой аппаратуры. М., «Сов. радио», |
1973, 296 с. |
||
Книга |
посвящена использованию |
универсальных |
ЦВМ при |
проектировании цифровой аппаратуры (машинному проекти
рованию). Приведен |
краткий обзор основных задач машин |
ного проектирования, |
анализируются алгоритмы их решения. |
Подробно рассмотрены методы моделирования цифровых устройств на различных уровнях. Исследуются задачи техни- • ческого проектирования аппаратуры: размещения компонентов, проектирования оптимальных электрических соединений для изделий с проводным и печатным монтажом. Большое вни мание уделено вопросам математического обеспечения машин ного проектирования. Для многих задач получены точные постановки и алгоритмы решения. Обсуждаются вопросы реа лизуемости предложенных алгоритмов на универсальных ЦВМ.
Книга рассчитана на инженеров, научных работников и аспирантов, занимающихся автоматизацией проектирования цифровой аппаратуры.
69 рис., 59 табл., библ. 141 назв.
Редакция кибернетической литературы
3314-82 |
|
Ш 046(01)-73 |
8 5 - 7 3 |
(g) Издательство «Советское радио», 1973,
ПРЕДИСЛОВИЕ
Всего лишь несколько лет назад в инженерном лек сиконе появился новый термин «автоматизация проекти-
-рования», обозначивший новое, бурно развивающееся во многих промышленных отраслях направление.
По существу автоматизация проектирования явилась третьим и последним компонентом последствий научнотехнической революции любой промышленной отрасли,
первые два |
из которых стали |
уже |
совершившимся фак |
|
т о м — речь |
идет об |
автоматизации |
процессов производ |
|
ства и управления |
в данной |
промышленной отрасли. |
И точно так же, как автоматизация производства и автоматизация управления, автоматизация проектирова ния должна вызвать (или уже вызывает) целый ряд необратимых превращений как профессионального, так и социального плана, выходящих за рамки узкоспеци альных вопросов повышения технико-экономической эффективности процессов проектирования новых техни ческих средств. Что же определяет этот термин и какова история его появления, как бы коротка она ни была?
Хотя главным инструментом в автоматизации про цессов проектирования является универсальная цифро вая вычислительная машина (ЦВМ), не следует отож
дествлять автоматизацию |
проектирования с использова |
|||
нием |
ЦВМ для научно-технических |
расчетов |
(с кото |
|
рым, |
собственно говоря, |
и связано |
появление |
ЦВМ) . |
Одним из важнейших элементов, отличающих авто матизацию проектирования как самостоятельное на правление, является системный подход к процессу про ектирования. Процесс проектирования любого комплек са технических средств состоит, с точки зрения инженера, в создании комплекта документов, обеспечивающих изготовление, проверку и эксплуатацию этих средств потребителем.
Системный |
подход в |
проектировании |
заключается |
|||
в том, |
что |
многочисленные |
и весьма разнообразные по |
|||
своему |
содержанию элементы процесса проектирования |
|||||
объединяются |
в |
своеобразную «автоматизированную |
||||
линию» |
со |
строго |
регламентированной |
«технологией», |
в основе которой лежит использование универсальной
ЦВМ. Уровень |
автоматизации |
процесса |
проектирования |
определяется |
тем, насколько |
методы |
проектирования |
для отдельных |
элементов процесса могут быть форма- |
3
лизованы в виде алгоритмов и программ для универ сальной ЦВМ.
Организация процесса в целом существенно зависит от достигнутого уровня автоматизации и, как правило, заметно отличается от традиционной организации руч ного проектирования.
Комплекс методов проектирования для отдельных этапов, формализованный в виде соответствующих про грамм и включающий в себя организационную схему процесса проектирования, вместе с соответствующими техническими средствами принято называть теперь авто матизированной системой проектирования (АСП). По явление первых АСП связано прежде всего с историей развития вычислительной техники, а точнее с началом создания вычислительных средств третьего поколения.
Этому способствовало |
много |
обстоятельств, важнейшие |
||
из которых перечислены ниже. |
|
|
||
Во-первых, |
микроминиатюризация компонентов вы |
|||
числительных |
средств |
стимулировала |
разработчиков |
|
к созданию более сложных и |
мощных |
вычислительных |
систем. Можно без преувеличения сказать, что крупней
шие современные |
вычислительные |
системы |
по |
числу |
||||
функциональных |
компонентов |
и |
взаимосвязей |
между |
||||
ними, сложности процесса |
функционирования |
занимают |
||||||
одно из первых (если не первое) |
мест |
среди |
техниче |
|||||
ских систем, создаваемых |
в других отраслях |
промыш |
||||||
ленности |
(авиации, космической |
технике, |
машинострое |
|||||
нии и т. д.). Однако, что очень важно, сложность |
вычис |
|||||||
лительных |
систем |
непременно |
сочетается с |
высоким |
уровнем стандартизации и унификации схемных и кон структивных компонентов. Все многочисленное оборудо вание вычислительной системы (за исключением пери ферийных средств) складывается всего из нескольких классов конструктивов (ячеек, блоков, шкафов и т. п.), документация внутри которых идентична по форме и составу и может разрабатываться по единой методике.
Таким образом, собственно структура технической документации вычислительной системы (большой объем при малой номенклатуре) предопределяет высокую эф фективность применения механизации и автоматизации при ее создании, как это имеет место при промышленном производстве крупносерийных изделий.
Во-вторых, ручным методам проектирования слож ных систем объективно присущи (даже при правильном
4
техническом замысле) случайные ошибки, вызванные участием в процессе проектирования большого количе ства исполнителей, объективный контроль работы кото рых практически невозможен. Вместе с тем. технология производства систем третьего поколения (прежде всего
электромонтажа), |
собираемых |
из микроминиатюрных |
||||
компонентов, претерпела |
качественные |
изменения |
(рез |
|||
кое сокращение доли традиционного проводного |
|
монта |
||||
ж а ) , которые затруднили, |
а во |
многих случаях |
сделали |
|||
просто невозможным внесение |
изменений в |
монтаж |
||||
уже изготовленных изделий. Потери времени и |
средств |
|||||
на устранение в |
'процессе |
производства |
ошибок, |
допу |
щенных при проектировании, стали чрезмерными, и пе реход к автоматизированному проектированию оказался единственным радикальным средством для существенно го их сокращения.
В-третьих, специалисты по .проектированию вычисли тельных систем профессионально и психологически были наиболее подготовлены к использованию ЦВМ для автоматизации своего труда. В результате именно в об ласти автоматизации проектирования вычислительных систем наиболее глубоко и всесторонне развивался про цесс формализации и алгоритмизации методов проекти рования технических средств на различных этапах этого процесса, начиная от разработки и последовательной детализации идеологических основ проекта (функцио нальный этап) и кончая выпуском комплекта конструк торской документации (этап технического или конст рукторского проектирования).
Можно считать, что в настоящее время созданы и практически применяются эффективные методы анализа (моделирования) вычислительных систем и цифровых устройств, обеспечивающие возможность проверки соот ветствия замыслов разработчика результатам функцио нального ( в широком смысле этого слова) этапа про ектирования. (Упоминание о «возможности» не случай но: степень проверки существенно зависит от того объ ема «испытаний» модели системы, который способен задать и реализовать разработчик.)
Известные сегодня алгоритмические методы техниче ского проектирования позволяют практически полностью автоматизировать процесс разработки документации для конструктива любого уровня, использующего интеграль ные элементы малого и среднего уровня интеграции.
5
Д ля основных задач этого этапа: размещения конст
руктивных |
единиц |
младшего уровня в |
конструируемом |
||||||
устройстве, |
конструктивной |
реализации |
(трассировки) |
||||||
электрических |
соединений |
(печатного |
или |
проводного |
|||||
типов) — созданы |
алгоритмы, соответствующие |
совре |
|||||||
менным технологическим возможностям. |
|
|
|
||||||
Для сравнительно |
несложных |
устройств |
(состоящих |
||||||
из нескольких |
сотен |
логических |
элементов) |
имеются |
вполне удовлетворительные методы построения прове рочных тестов, обнаруживающих любые одиночные не исправности при заводском контроле или ремонте тако го устройства.
Однако методы построения проверочных и диагно стических тестов для устройств большой сложности, в том числе вычислительных машин, пока еще далеки от
успешной формализации, |
хотя важность |
этой задачи |
|
для производства |
и эксплуатации все усложняющихся |
||
вычислительных |
средств |
представляется |
исключитель |
ной. К сожалению, разрыв между реальными потребно стями и возможностями известных методов пока не со кращается.
Одним из важных дискуссионных вопросов и сегод ня, как и на первых шагах в области автоматизации проектирования, является вопрос о месте методов син теза устройств на этапе функционального проектирова ния вычислительных систем — наиболее «интеллектуаль ного» звена процесса проектирования. По различным причинам это многообещающее направление пока не принесло реальных плодов, видимо, еще и потому, что ему приходится конкурировать с наиболее творческой и квалифицированной частью коллектива разработчиков.
Возможно, однако, что по мере усложнения проекти руемых вычислительных средств, дальнейшего снижения «цены» логических элементов в критериях эффективно сти проектов и развития технологии производства мик росхем с большим уровнем интеграции разработчик предпочтет поручить логическое проектирование таких микросхем универсальной ЦВМ, и большой научный за дел, созданный в этом направлении, получит широкое практическое применение.
В этом кратком обзоре проблем мы опустили такие важные моменты, как взаимосвязь автоматизации про ектирования и автоматизации производственных про цессов, переход к автоматизации управления подготов-
6
кой и запуском в производство спроектированных систем. Однако и того, что перечислено, достаточно, что бы заметить, что проблемы, возникающие при автома тизации проектирования цифровых систем, во многом аналогичны проблемам проектирования многих систем, относящихся к самым различным отраслям техники.
Рассматривая принципы функционирования иных технических систем, можно заметить, что их структура имеет формальное сходство со структурой сложных циф ровых систем и складывается из:
— функциональных элементов, осуществляющих ка чественное и количественное преобразование поступа ющих на вход элемента продуктов (например, металло
обрабатывающий |
станок, технологическая |
установка и |
|
т. п.),— аналога |
операционных устройств, |
и |
хранение |
продуктов (аналога запоминающих устройств), |
|
||
— функциональных и управляющих связей, |
обеспе |
чивающих перемещение продуктов от одного функцио нального элемента к другому (транспортер, трубопро вод, транспортное средство любого вида и т. д.), и уп равление, контроль и сигнализацию о состоянии элемен тов системы. (С этой точки зрения вычислительная система также оперирует с некоторым специфическим «продуктом» — информацией.)
Если эти преобразования с достаточной точностью могут быть формализованы и представлены некоторой автоматной или алгоритмической моделью, то хорошо развитые методы моделирования цифровых устройств найдут применение в проектировании систем многих отраслей техники (химического производства, машино строения и т. п.). С помощью этих методов, очевидно,' можно воспроизвести с достаточной точностью течение всего технологического процесса проектируемой систе мы, вскрыть упущения проектировщиков при согласова нии режимов отдельных установок, пропускных способ ностей коммуникаций и т. п. Особенно важно, что на такой модели, очевидно, возможно воспроизвести раз личные аварийные режимы, выявить эффективность различных предохранительных средств и т. п.
Аналогии, отмеченные для функционального этапа проектирования, можно развить и для последующих этапов.
Задачи конструкторского этапа — компоновка и раз мещение функциональных и конструктивных элементов
7
цифровой системы, трассировка связей между ними сходны по своей постановке с задачами создания гене ральных планов комбинатов, заводов, цехов.
Конечно, разнообразие видов объектов и коммуника ций в технических системах весьма велико. Критерии оптимизации компоновки и размещения объектов, трас сировки коммуникаций должны достаточно глубоко учитывать специфику объектов и коммуникаций. В не которых случаях сравнительно простые критерии, исполь зующиеся при конструировании цифровых систем, могут быть непосредственно использованы для решения задач проектирования различных промышленных объектов. Например, компоновка и размещение элементов объекта по критерию минимума длин связей имеют прямую интерпретацию в части сокращения длин коммуникаций на генеральном плане.
Однако используемые в большинстве методов конст руирования цифровых систем ограничения, прежде все го: ограничение задач конструирования двумерными задачами (или сведение к ним трехмерных задач), идеа лизация формы объектов конструирования (точечные объекты, однородные геометрически простые объекты) — делают их в целом недостаточно пригодным для конст руирования иных технических систем.
Принципиальным является также и то, что в зада чах конструирования цифровой аппаратуры, как прави ло, в явном виде не фигурируют экономические крите рии, весьма существенные, например, для задач трас сировки коммуникаций промышленных сооружений.
Необходимо дальнейшее развитие теоретических и прикладных вопросов применительно к трехмерным за дачам и к задачам проектирования систем, состоящим из объектов достаточно произвольной конфигурации (к последним, в частности, относятся задачи проектиро вания радиоэлектронных приборов, содержащих конст руктивно разнородные элементы — трансформаторы, ре ле, сопротивления, триоды и т. п.).
Еще более важное значение для автоматизации про ектирования других технических систем имеет опыт системного подхода к задачам автоматизированного проектирования, накопившийся при проектировании цифровых систем.
Сюда прежде всего отнрсятся тдкие общие для лк> бых отраслей вопросы;
S
—организация машинного архива технической доку ментации и соответствующих методов и средств ее уче та, хранения и изменения;
—создание специализированных операционных си стем для управления комплексом программ проектиро вания;
—рациональное распределение задач проектирова ния между системой пакетной обработки и системой индивидуального проектирования (с помощью средств оперативной связи проектировщик — ЦВМ) .
Центральным среди этих вопросов является органи зация машинного архива и автоматизированного веде ния документации в течение всего времени разработки. Практически все работающие системы обеспечивают лишь разовый выпуск документов, дальнейшее обраще ние которых происходит обычным путем. Сейчас уже ясны основные проблемы, затрудняющие решение этого вопроса:
—значительные организационные трудности автома тизации документирования разработок (использование машинных носителей документации, организация взаи модействия разрабатывающих предприятий и заводовизготовителей и т. п.);
—вопросы юридической ответственности за выпус каемую документацию;
—высокие требования к параметрам используемых технических средств, которым удовлетворяют, пожалуй, лишь ЦВМ Единой Серии и современные прецизионные чертежные автоматы;
—и, наконец, сочетание большой трудоемкости про граммирования задач документирования и незначитель ное их научное содержание, что не способствует привле чению к этой работе квалифицированных специалистов.
Заметное опережение в создании и внедрении авто матизированных систем проектирования цифровых си
стем по сравнению с другими техническими системами и общность многих принципиальных вопросов, часть ко торых отмечена выше, 'придают практическим и теоре тическим результатам, получаемым в этом направлении, более широкое значение. Важно заметить, что автомати зация проектирования создает принципиально новую
форму |
накопления |
и |
обобщения инженерного |
опыта. |
Со временем, это вероятно, изменит содержание |
самого |
|||
понятия |
«инженер» |
и |
систему подготовки специалистов |
9