Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Разработка структуры и организация вычислительных процессов диалоговой подсистемы оптимально го проектирования электронных схем 14
1.1. Постановка задачи 14
1.2. Структура подсистемы оптимального проектирования электронных схем .'. 16
1.3. Организация вычислительных процессов в подсистеме оптимального проектирования 25
1.4. Планирование вычислительных процессов в подсистеме оптимального проектирования 31
1.5. Управление вычислительными процессами при
решении задач оптимизации 43
Вывод 49
ГЛАВА 2. Лингвистическое обеспечение взаимодействия проектировщика и подсистемы оптимального проектирования 50
2.1. Постановка задачи 50
2.2. Разработка сценария и выбор форм диалогового взаимодействия пользователя и подсистемы 52
2.3. Лингвистические средства поддержания информационного обмена пользователя и подсистемы 61
2.4. Адаптация диалоговых средств подсистемы к
уровню квалификации пользователя 70
Выводы 73
ГЛАВА 3. Разработка инвариантного ядра подсистемы оптимального проектирования электронных схем 74
3.1. Постановка задачи 74
3.2. Библиотека методов нелинейного программирования подсистемы оптимального проектирования ^6
3.3. Базовый набор функций качества подсистемы оптимального проектирования ~^%
3.4. Стратегии поиска оптимальных проектных
решений 106
Выводы 115
ГЛАВА 4. Проблемно-ориентированное программное обеспечение подсистемы оптимального проектирования 116
4.1. Постановка задачи П6
4.2. Анализирующий блок для задач оптимизации статического режима электронных схем 118
4.3. Анализирующий блок для задач оптимизации частотных характеристик электронных схем... 122
4.4. Анализирующий блок для задач оптимизации операторного вида схемных функций 129
ВЫВОДЫ 138
ГЛАВА 5. Реализация диалоговой подсистемы оптимального проектирования электронных схем учебно-проектной САПР ИЭМЦ-ЕС" 140
5.1. функциональные характеристики подсистемы оптимального проектирования 140
5.2. Организация диалогового сеанса проектирования 146
5.3. Решение типовых проектных задач оптимизации электронных схем в подсистеме оптимального проектирования 151
Выводы 179
Заключение 180
Литература
- Структура подсистемы оптимального проектирования электронных схем
- Разработка сценария и выбор форм диалогового взаимодействия пользователя и подсистемы
- Библиотека методов нелинейного программирования подсистемы оптимального проектирования
- Анализирующий блок для задач оптимизации статического режима электронных схем
Структура подсистемы оптимального проектирования электронных схем
Ввиду ряда особенностей, присущих процессу схемотехнического проектирования, а именно: многокритериальности, наличия большого числа варьируемых параметров, тесной взаимосвязи различных видов анализа, наличия ограничений на выходные параметры и характеристики электронных схем и технологических ограничений на параметры компонентов, задачи оптимального схемотехнического проектирования приходится рассматривать не только как вычислительные, но, скорее, как творческие задачи, для решения которых необходимо использовать опыт и знания инженера-схемотехника. В связи с этим эффективное решение таких задач возможно только при разумном сочетании формальных методов оптимизации и неформализованных способов принятия оптимальных проектных решений.
С другой стороны, возможность решения задач оптимального проектирования в каждом конкретном случае зависит не только от опыта и интуиции разработчика, но и от имеющихся в его распоряжении диалоговых средств решения задач оптимизации, эффективность применения которых определяется в свою очередь выбором архитектуры подсистемы оптимального проектирования, организацией вычислительных процессов при решении практических задач и организацией диалогового взаимодействия пользователя и подсистемы в процессе проектирования.
В связи с вышеизложенным целью настоящей главы является исследование способов организации программного обеспечения
САПР, выбор архитектуры подсистемы оптимального проектирования электронных схем и организация вычислительных процессов при решении задач параметрической оптимизации электронных устройств.
Задачу организации ПО многопультовой диалоговой подсистемы оптимального проектирования электронных схем (ВДЮ-ЭС) будем решать на основе общесистемных принципов построения САПР [39] : - системного единства, развития, совместимости, стандарти зации.
Диалоговые системы оптимизации относятся к методо-ориенти-рованным системам обработки информации [101] , однако, они не предназначены для непосредственного решения прикладных задач. Введение в состав ПО подсистемы анализирующих модулей выходных характеристик электронных схем делает подсистему проблемно-ориентированной наvрешение задач оптимального схемотехнического проектирования. Однако, структура ПО подсистемы должна обеспечивать гибкую перестройку на другую предметную область без существенной модификации ПО. Такая возможность придаст подсистеме универсальный характер.
Разработку архитектуры программного обеспечения ЩЮ-ЭС будем осуществлять с целью реализации: - расширения функциональных возможностей подсистемы; - гибкого управления процессами взаимодействия пользователя и ЭВМ, а также всеми компонентами ПО подсистемы; - унификации информационных связей всех компонент ПО; - удобного для пользователя общения со средствами подсистемы.
Одним из важнейших показателей качества функционирования любой человеко-машинной системы является время отклика системы на запрос пользователя. Значение этого показателя существенно зависит от того, как спланированы вычисления в подсистеме, и от способа управления вычислительными процессами при решении проектных задач оптимального схемотехнического проектирования. Исходя из этого будем разрабатывать аппарат планирования и управления вычислительными процессами.
При решении поставленных задач будем исходить из следующих основных требований к разработке современных диалоговых пакетов программ, вытекающих непосредственно из общесистемных принципов создания САПР [II, 13, 21, 48, 98, 101, 119] : - обеспечение функционального назначения; - универсальность применения; - возможность расширения и адаптации подсистемы; - иерархичность и модульность программного обеспечения; - ориентация диалоговых средств на широкого пользователя. Дополнительно к общесистемным принципам построения САПР при разработке ЩЮ-ЭС должно быть обеспечено оперативное предоставление пользователю исчерпывающей информации о ходе поиска оптимального решения, а также возможность прямого воздействия пользователя на процесс получения решения.
Разработка сценария и выбор форм диалогового взаимодействия пользователя и подсистемы
При разработке сценария диалогового взаимодействия и выборе его режимов и форм ведения будем исходить из требования обеспечения эффективной работы со средствами подсистемы пользователя любого уровня квалификации и снижения затрат вычислительных ресурсов ЭВМ, в частности, машинного времени, при решении практических задач оптимизации. Помимо этого диалоговые средства должны обеспечить обучение и самообучение пользователя в процессе решения задач оптимизации для получения им необходимых навыков.
Для разработки сценария диалогового взаимодействия с ЩІ0-ЭС рассмотрим более детально процесс оптимального проектирования электронных схем. Так как оптимизация в определенном смысле эквивалентна настройке схемы при ее натурном макетировании, выде лим этапы диалогового решения, соответствующие этапам настройки, привычным инженеру-схемотехнику: - описание проектируемой схемы на входном языке системы -эквивалентно монтажу схемы; - описание оптимизируемых характеристик устройства и критериев оптимальности - выбор настраиваемых характеристик и определение требований к ним; - выбор и описание варьируемых параметров компонентов электронной схемы - определение регулируемых элементов схемы; - выбор и описание методов оптимизации и их параметров -определение последовательности и плана настройки; - выполнение поисковой процедуры оптимизации - собственно настройка схемы; - анализ полученного проектного решения, принятие решения о продолжении или прекращении поиска, корректировка задания на оптимальное проектирование - оценка соответствия характеристик настраиваемой схемы требованиям технического задания и принятие решения.
Такая структуризация процесса оптимального проектирования позволяет, с одной стороны, определить набор исходных данных для оптимизации, последовательность их задания (сценарий взаимодействия на этапе ввода задания), выявить необходимые действия пользователя и подсистемы в процессе решения задачи, а с другой стороны, сформулировать требования к лингвистическому и программному обеспечениям диалоговой подсистемы, выбрать режимы и формы ведения диалогового взаимодействия, ориентированные на широкого пользователя.
Диалог представляет собой процесс взаимодействия пользователя и ЭВМ, связанный с многократным взаимным обменом информаци ей посредством диалогового терминала, называемого также уровнем интерфейса (рис. 2.2) [80] : Ответ (вывод) Рис. 2.2. Диалог "пользователь - ЭВМ" В то время как один партнер по диалогу активен, другой -пассивен, то есть диалог ведется путем чередования действия и реакции (ответа). При обработке данных действие вызывает реакцию в ЭВМ, которая, в свою очередь, вызывает у пользователя новое действие, направленное на решение конкретной задачи.
Формально процессы диалога аналогичны для обоих партнеров по диалогу. Информация, поступающая от пользователя, содержит команды и данные (команды управления диалоговым взаимодействием, процессом проектирования и т.п., исходные данные для программ обработки). Ответная информация ЭВМ состоит из сообщений о ходе процесса обработки, результатах обработки, ошибках и требований к пользователю на ввод команд и определение входных данных.
В зависимости от режима ведения диалогового взаимодействия и принятых форм диалога существенно меняется распределение функций управления диалогом и объемы информации, представляемые со стороны партнеров по диалогу на каждом шаге диалогового цикла. Определяющим фактором в выборе режима и форм ведения диалога будем считать уровень подготовки пользователя диалоговой системы.
Диалоговые средства оптимального проектирования электронных схем ориентированы прежде всего на пользователя-схемотехника, который не обязательно является специалистом в области вычисли -тельной техники и программирования. Поэтому уровень подготовки пользователя следует рассматривать в двух аспектах [2б] : прикладном и программистском. Первый определяет квалификацию пользователя в профессиональной предметной области, и здесь подразумевается, что она достаточно велика, а второй - умение применять средства системы проектирования для решения задач.
Современные ССП обладают развитыми входными языками, что дает право говорить о программировании задания на проектирование в терминах данных языков, требующих от пользователя определенных навыков. Опыт эксплуатации диалоговых систем общего назначения [42, 44, 93, 94] и, в частности, диалоговых систем оптимизации [29, 37, 50, 68] показывает, что полный контакт пользователя с системой устанавливается лишь после решения нескольких задач (по данным [2б] 3-4), когда пользователь приобретает опыт общения с системой. Кроме того, на программистскую квалификацию пользователя оказывает существенное влияние частота обращения к средствам автоматизации проектирования. Очевидно, что увеличение интервалов между использованием диалоговых средств снижает уровень подготовки.
Библиотека методов нелинейного программирования подсистемы оптимального проектирования
Данные, описываемые в структуре "УСЛОВИЯ", образуют функциональные ограничения в задачах оптимального проектирования и влияют на выбор метода оптимизации.
3. Параметры, вариацией которых должно быть достигнуто же лаемое качество, задаются структурой "ВАРЬИРОВАТЬ". Строка стру ктуры, описывающая один варьируемый компонент, имеет вид: (вид_компонента (номер_компонента (р номер_варьируемого_ параметра__модели_компонента р начальное—приближение ( нижняя_граница__вариации р верхняя_граница__вариации ); Например: ВАРЬИРОВАТЬ: R7/#I/ 50К ( IQK : І00К); 0У4 /#3/ IE4 (IE3 : 1Е5);ж Первая строка предписывает варьировать номинальное значение (#1) сопротивления резистора (?7 в границах 10 - 100 Шм с начальным значением 50 КОм. Вторая - содержит запись о начальном приближении (10000) и границах вариации (1000 - 100000) коэффициента усиления (#3) операционного усилителя 0У4. Знак " # " означает "номер"
4. Часто в задачах оптимизации электронных схем требуется обеспечить определенное соотношение между варьируемыми параметра ми, обусловленное условиями реализации (в простейшем случае это требование к равенству параметров компонентов схемы). Требования, относящиеся к парам значений параметров компонентов, описываются структурой "ОГРАНИЧЕНИЯ", каждая строка которой имеет вид: вид_ограничения р видь_компонента_іІ номер_компонента_1 р (номер_параметра_модели_компонента_1 р вид компонента-2Хномер компонента р) номер_параметра_модели__компонен та_2 р знак отношения) р значение__ограничения ;
Вид ограничения принимает два значения: "ОТНОШЕНИЕ" - для реализации отношения между парой параметров (в простейшем случае - равенства) и "СУММА" - для выдерживания суммы двух параметров (таким образом, например, можно моделировать настройку с помощью потенциометра). Например: ОГРАНИЧЕНИЯ:
ОТНОШЕНИЕ CI (#1) : С2 (#1) fQI; СУММА К4 (#1 ) + R8 (#1) 6?120К;к Первая строка требует обеспечения равенства номинальных значений конденсаторов CI и С2, а вторая задает сумму номинальных значений сопротивлений резисторов Я 4 и ft 8.
Перечисленные выше структуры и массивы предназначены для описания задания на оптимальное проектирование. Кроме них пользователю, имеющему опыт в применении методов оптимизации и знания математического аппарата нелинейного программирования, предоставляются средства описания методов решения задач оптимизации, их параметров и стратегии применения. К ним относятся: - команда "МЕТОД", определяющая метод или набор методов решения поставленной задачи оптимизации; - команда "СТРАТЕГИЯ", определяющая стратегию применения выбранных методов (последовательную или параллельную); - команды определения точности поиска решения "ТОЧНОСТЬ", допустимого числа итераций поиска "МАКС_ЧИС10_ИТЕРАЦИЙ", определения алгоритма безусловной оптимизации для условных методов "АЛГОРИТМ", одномерного поиска в процедурах безусловной оптимизации "ОдеМЕРНШПОИСК" и т.д.
Задание этой информации не является обязательным. Планировщик процессов на основании классификации поставленной задачи может сам выбрать набор подходящих для решения методов оптимизации и определить стратегию их применения. Параметры алгоритмов, если они не заданы, определяются по умолчанию.
Директивы входного языка ССП "ЭЩ-ЕС" используются для реализации команд управления режимом ведения диалога и поиска оптимального проектного решения. Директивы в ВДПО-ЭС разделяются на директивы времени подготовки задания и директивы времени выполнения.
Директивы времени подготовки задания включают в себя: - директиву установки режима диалогового взаимодействия -"ВВДЩИЙ"; - директиву запроса инструкций-"?"; - директиву запроса помощи у подсистемы - "ПОМОГИ"; - директиву передачи управления машине для выполнения поставленной задачи - "ВЫПОЛНИТЬ"; - директиву просмотра состояния базы данных сеанса проектирования - "ПРОСМОТР"; - директиву редактирования данных-"ИЗМЕНИТЬ".
С помощью перечисленных директив пользователь имеет возможность установить желаемый им режим диалогового взаимодействия, получить инструкции по описанию исходных данных, алгоритмов и т. д., запросить режим ведения со стороны ЭВМ для ввода некоторых исходных данных, просмотреть результаты поиска и описание задания на проектирование, а также изменить задание.
Анализирующий блок для задач оптимизации статического режима электронных схем
Оптимизация статического режима нелинейных электронных схем является одной из наиболее важных задач автоматизированного схемотехнического проектирования. Правильным выбор режимов активных компонентов определяет, отчасти, все остальные характеристики проектируемых устройств - временные, частотные, дрейфовые и др. В настоящем разделе представлены возможные подходы к оптимизации статического режима схем и приведена характеристика анализирующего блока, реализованного в ВДПО-ЭС.
Для формирования математической модели будем использовать однородный координатный базис узловых потенциалов, так как он отличается экономичностью и простотой формирования уравнений схемы [2, 107, 117] . Нелинейная электронная схема в статическом режиме в базисе узловых потенциалов описывается системой нелинейных алгебраических уравнений. переменными которой являются потенциалы узлов схемы. 1/-1 4,..., Um}, при этом число уравнений системы т равно числу неизвестных. Система (4.1) задает область решения задачи расчета статического режима.
Расширяя вектор переменных добавлением к нему варьируемых параметров компонентов схемы Р s { Р ,.. , Р« } (теперь X я (W«,..., Ьт,р4 ,! Р«.} )» получаем систему уравнений, в которой число переменных М=т+п больше числа уравнений. За счет введения М дополнительных переменных появляется возможность ввести в задачу какую-либо функцию качества F(X), характеризующую статический режим электронной схемы. Такой функцией качества может быть суммарная рассеиваемая на схеме мощность, нестабильность нулевого уровня схемы, требования к режиму пассивных и активных компонентов и др.
Таким образом, задача оптимизации статического режима нелинейной электронной схемы сводится к задаче оптимизации нелинейной функции качества F(x) на множестве, задаваемом системой нелинейных алгебраических уравнений связи (4.1) и двусторонними границами на независимые переменные Р . Возможно также введение дополнительных условий-требований к статическим характеристикам схемы, вводимых пользователем и выражающихся ограничениями-равенствами и неравенствами. Математически эта задача формулируется в виде (3.4), а при наличии дополнительных ограничений приводит к общей задаче (3.1).
Выделим два пути решения поставленной задачи оптимизации статического режима. Первый основывается на прямом решении сформулированной задачи (3.1) или (3.4) методами условной оптимизации по общему вектору варьируемых переменных (зависимых V и независимых Р). Привлекательность такого подхода обусловлена тем, что одновременно с решением задачи оптимизации автоматически по лучается и решение задачи анализа статического режима, соответствующее полученной оптимальной точке [60, 95] . Однако, при таком способе решения задачи оптимизации вектор варьируемых параметров имеет размерность, определяемую суммой зависимых и независимых переменных и, поэтому, существенно зависит от числа узлов схемы. Для сложных схем при большом числе переменных решение задачи методами условной оптимизации может быть и не получено.
Другой подход к решению задачи основывается на двухэтап-ной процедуре поиска. При каждой новой генерации вектора варьируемых параметров Р сначала производится решение системы уравнений связи (4.1) относительно вектора зависимых переменных после чего рассчитываются режимы компонентов схемы и формирование функции качества и ограничений. В этом случае достаточно иметь надежную программу анализа статического режима, которая решала, бы систему (4.1). Размерность задачи оптимизации становится существенно ниже і так как из оптимизационного процесса исключаются в явном виде зависимые переменные V [45] .
При экспериментальном апробировании обоих подходов было установлено, что хотя при использовании второго подхода несколько повышаются затраты машинного времени на решение задачи оптимального проектирования, однако, надежность получения решения выше. Это дало основание включить в состав ЦЩ10-ЭС анализирующий блок, основанный на предварительном решении уравнений связи (4.1).
В качестве средства решения системы уравнений связи (4.1) будем использовать программу расчета статического режима нелинейных электронных схем, входящую в программное обеспечение подсистемы анализа ССП ИЭМЦ-ЕС". Для сокращения затрат на поиск в данной программе предусмотрим следующую модификацию. Как правило, при генерации вектора независимых варьируемых параметров при разумном выборе их границ вариации рабочие точки, соответствующие различным значениям вектора, не сильно различаются. Это приводит к выводу о целесообразности проведения при каждой генерации не нового расчета статического режима с исходной точки, а дорасчета из какой-либо ближайшей, уже полученной рабочей точки, например, последней вычисленной. Таким образом, полный расчет статического режима производится только при первом вычислении, а последующие - используют накопленную к текущему шагу информацию.
Похожие диссертации на Исследование и разработка многопультовой диалоговой подсистемы оптимального проектирования электронных схем на ЕС ЭВМ
