Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Исследование методов организации баз и структур данных ИГС проектирования печатных плат
1.1. Организация данных в некоторых диалоговых системах проектирования
1.1.1. Базовое программное обеспечение БПО АРМ.
1.1.2. Пакет прикладных программ ГРИФ
1.1.3. Структура данных в системе ИНТЕРГРАФ
1.1.4. Организация данных в системе RacctP-Re-dac
1.2. Базы данных и структуры данных, используемьк в САПР
1.3. Математические модели ПЭС
1.4. Постановка задачи 32
Выводы к главе I
Глава 2. Методы оценки структур данных 43
2.1. Средства описания моделей
2.2. Методы оценки моделей
2.2.1. Реализация множеств
2.2.2. Реализация отношений
2.3. Применение аппарата оценок
2.3.1. Реализация графов
2.3.2. Метод минимизации избыточности по принципу вынесения общих атрибутов
2.4. Обсуждение результатов
Выводы к главе 2
Глава 3. Модели объектов проектирования и логические структуры данных а ИГС проектирования
3.1. Модели принципиальной электрической схемы
3.1.1. Исходные модели
3.1.2. Модель ЭРЭ н
3.1.3. Модель связей 74
3.1.4. Оценка моделей ПЭС 75
3.2. Модель платы
3.3. Системная библиотека
3.4. Модель данных для обеспечения планирования автоматизированной сборки печатных плат
3.5. Модель данных о коммутационном пространстве
3.6. Обсуждение результатов
Выводы к главе 3
Глава 4. Разработка физической организации данных в ИГС проектирования ПП на СМ-4
4.1. Принципы построения системы МАГИСТР
4.2. Организация данных в системе МАГИСТР
4.2.1. Транзакции-к данным в МАГИСТР
4.2.2. Центральный формат представления данных в системе МАГИСТР
4.2.3. Дисплейный файл
4.3. Обсуждение результатов
Выводы к главе 4
Заключение
Выводы .
Приложение I. Объем памяти, занимаемой данными во внутреннем формате, в системах МАГИСТР
Приложение 2. Акты внедрения
- Организация данных в некоторых диалоговых системах проектирования
- Средства описания моделей
- Модели принципиальной электрической схемы
- Принципы построения системы МАГИСТР
Введение к работе
На ХХУІ съезде КПСС было указано на важную роль массового применения "высокоэффективных систем машин и технологических процессов, обеспечивающих комплексную механизацию и автоматизацию производства" [I] . При этом задача расширения автоматизации проектно-конструкторских работ с применением электронно-вычислительной техники должна быть тесно связана с обеспечением широкого применения "автоматических манипуляторов (промышленных роботов), встроенных систем автоматического управления с использованием микропроцессоров и мини-ЭВМ" [і]
Эти положения развиты в решениях июньского 1983 г. [2] и внеочередного февральского 1984 г. [3] Пленумов Центрального Комитета КПСС. На июньском 1983 г. Пленуме ЦК КПСС было отмечено, что в настоящее время "решающее значение приобретает единая научно-техническая политика. Нас ждет огромная работа по созданию машин, механизмов и технологий как сегодняшнего, так и завтрашнего дня. Предстоит осуществить автоматизацию производства, обеспечить широчайшее применение компьютеров и роботов, внедрение гибкой технологии, позволяющей быстро и эффективно перестраивать производство на изготовление новой продукции" [2] .
Одной из наиболее современных форм автоматизации проектирования и управления являются проблемно-ориентированные комплексы на базе малых ЭВМ и микропроцессоров, обладающих гибкими функциональными возможностями 164] , к которым тесно примыкают аппара-турно-программные средства организации автоматизированных рабочих мест (АРМ) персонала, в том числе конструкторов радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Высокая эффективность САПР на малых ЭВМ в сочетании с их низкой стоимостью позволяет считать, что они в полной мере отвечают решению" важнейшей задачи современного этапа развития народного хозяйства - повысить производительность труда "на I процент и снизить себестоимость продукции дополнительно на 0,5 процента" [3] .
Известно, что системы автоматизации проектирования печатных плат (ПЇЇ) являются одними из самых первых САПР, наиболее развитыми в теоретическом, техническом и организационном плане. Уже много лет уровень интереса к этим системам устойчиво высок. Это объясняется рядом причин, из которых наиболее важными являются следующие:
1. ПП являются основным средством коммутации в самом широ ком смысле этого понятия в РЭА, электронно-вычислительной аппара туре (ЭВА), приборостроении и т.д. По всей видимости, сегодня нет такого футуролога в технике, который даже с оговорками предрек бы замену ПП на другой вид коммутации, соперничающий с ним по гамме таких параметров, как технологичность, стоимость, разрешающая способность, серийноспособность, электрические параметры и т.д.
Параллельно развивающиеся сравнительно новые технологические методы коммутации такие, как рельефный монтаж, фрезерование ПП, мультйпроводные методы монтажа (мультивайр, стежковый монтаж, методы пружинных скоб, накрутка и т.д.) не требуют кардинального изменения в методах проектирования, а как правило сопряжены с решением дополнительных или видоизмененных задач, так или иначе уже рассматриваемых при создании теории проектирования ПП.
Возникшие позднее методы проектирования гибридных интегральных схем (ГИС), больших интегральных схем (БИС) и даже сверхбольших интегральных схем (СБИС) естественно основывались в силу частичной общности задач на методах проектирования ПП, математических моделях электрических схем, оптимальных методах размеще- ния, трассировки и т.д.
Естественно, что потребности и возможности технологии интегральных схем привели к развитию методов, используемых при проектировании ПП, созданию новых теоретических положений, решению новых задач. В то же время, основываясь в изначале на методах проектирования ПП, методы проектирования ГИС и БИС обогатили и содействовали развитию методов проектирования ПП.
Все существующие на сегодня методы автоматизации проектирования ПП пока не позволяют считать, что эта задача "окончательно" решена. Пока интеллект человека с его "картинным" мышление, возможностью охвата всей задачи проектирования во всем ее многообразии и многими неформальными критериями оптимизации, дает значительно лучшие результаты, чем самая совершенная система проектирования. Обследование, проведенное известным американским ученым Мелвином Брейером в 1979 г., показало, что из 25 зарубежных фирм в 22 для ПП, предназначенных для серийного производства, предпочтение отдавалось ручным методам проектирования. Тем не менее, все эти фирмы были оснащены и широко применяли самые совершенные САПР, которые использовались на предварительных этапах создания образцов новой техники.
Развивается вычислительная техника, совершенствуются технические и программные средства. Традиционно считалось, что уровень сложности задач проектирования таков, что для их реализации необходимы самые быстродействующие ЭВМ с самыми большими оперативными и внешними запоминающими устройствами. Эти машины оснащались наиболее совершенными операционными системами. Таким образом, основной лозунг звучал примерно так: "самым сложным из задач - задачам САПР - самую совершенную вычислительную технику".
Сегодня полный цикл проектирования ПП в автоинтерактивном режиме осуществляется на персональных компьютерах и таких систем за рубежом реализованы десятки. То есть развитие вычислительной техники (ВТ) осуществляется столь бурно, она совершенствуется столь интенсивно как в части техники, так и программного обеспечения, что трудно говорить об исчерпании возможностей САПР даже в аспекте использования новых средств ВТ. Постоянно создаются новые системы с новыми возможностями и этот процесс, по всей видимости, будет бесконечен.
Поэтому естественно, что развитие САПР ПП осуществляется и во многом определяется развитием ВТ, является ее следствием и продуктом.
6. На базе совершенствования средств ВТ совершенствуется структура САПР как человеко-машинных систем по направлению опти мизации распределения функций между человеком и ЭВМ. Это новое направление, требующее серьезного изучения интеллектуальных и фи зиологических особенностей человека в процессе решения сложных задач. По всей видимости, в ближайшее время следует ожидать новых открытий и технических решений, которые позволят повысить эффек тивность уже действующих САПРі и появления принципиально новых САПР.
В этом направлении особенно удачной признана концепция соз- дания интерактивных графических систем проектирования (CAT)). К концу 1980 г. в мире функционировало около 4000 CAD -систем, из которых около 35% применялось для проектирования ПП. Сочетание интеллекта конструктора с вычислительной мощью ЭВМ позволяет зна- j чительно повысить эффективность процесса проектирования. !
7. Новый импульс к повышению уровня разработок САПР ПП про изошел в результате создания мобильных (транспортабельных) систем математического обеспечения типа ЮНИКС, КСЕНИКС и языков програм- мирования (СЯ, ПАСКАЛЬ и т.д.), совершенствования применяемых структур данных. Возможность свободного перенесения МО для проектирования с одной ЭШ на другую также существенно повлияла на скорость и качество разработки САПР Ш.
8. Численность коллективов, занимающихся проектированием ПП, колеблется от нескольких человек до нескольких десятков- или сотен конструкторов, т.е. диапазон очень широк, квалификация специалистов очень разнообразна. Также широк диапазон сложности ІЇЇІ. Если оценивать сложность условно по отношению площади, занимаемой ЭРЭ, ко всей площади платы, то он колеблется от 3-4$ у бытовой аппаратуры до 75$ на многослойных ПП вычислительных машин и в спецприменениях.
Поэтому гамма технических и программных средств САПР, обеспечивающих различные по численности и квалификации коллективы, при разнообразии стоящих задач также должна быть очень велика. Причем варьироваться должны стоимость, возможности систем, пользовательские характеристики, даже занимаемая оборудованием площадь и спецтребования к помещениям.
Вот почему интерес к разработке новых и повышению эффективности существующих САПР ПП устойчиво сохраняется уже более полутора десятилетий.
Актуальность темы. В настоящее время наряду с САПР печатных плат, реализуемыми на больших вычислительных комплексах, все большее распространение в мировой практике получают системы и средства автоматизации проектирования на малых ЭВМ. Такие дешевые и мобильные системы являются типичными проблемно-ориентированными комплексами и расчитаны на массового потребителя, проектирующего платы самой различной насыщенности и габаритов. Они предназначены для решения полного комплекса задач проектирования в интерактив- -іоном или автоинтерактивном режимах. Создание САПР на малых ЭВМ является сложной задачей, так как она должна решаться в условиях ограниченности ресурсов ЭВМ (производительности, памяти) и применения дешевых векторных дисплеев, имеющих сравнительно небольшие возможности в части отображения насыщенных графических объектов, каковыми являются ПП.
Перспективность САПР на малых ЭВМ общепризнана в силу их доступности самым различным категориям пользователей в сочетании с высоким качеством проектных решений. В то же время, как показывает анализ, теория и практика построения подобных систем разработаны недостаточно. Среди множества проблем, возникающих при создании таких систем, одной из важнейших является рациональная организация данных. Успешное ее решение в рамкак жесткой ограниченности вычислительных ресурсов позволяет обеспечить высокую реактивность интерактивной графической САПР, дает возможность реализовать сквозной цикл проектирования ПП. В особенности это важно для интегрированных САПР, осуществляющих помимо проектирования ПП технологическую подготовку производства. В связи с этим проблема построения интегрированной структуры данных для интерактивной системы проектирования ПП на малых ЭВМ является актуальной.
Цель работы заключается в разработке теоретических основ, методики построения информационного обеспечения интерактивных САПР ПП в условиях жесткой ограниченности вычислительных ресурсов малых и персональных ЭВМ и реализации полученных теоретических результатов в рамках интерактивной САПР на базе малой ЭВМ СМ-4.
Предмет исследования. Объектом исследования является интерактивная графическая САПР ПП. В диссертации исследуются методы построения интегрированной структуры данных, позволяющей создать на малой ЭВМ систему, обеспечивающую сквозной цикл проектирования -linn, включая технологическую подготовку сборочного производства.
Методы исследования базируются на применении аппарата бинарных отношений, теории графов, теории построения баз данных и экспериментах с программной реализацией.
На защиту выносятся: формальный аппарат количественных оценок структур данных в ИГС по объему занимаемой памяти и времени поиска; методика проектирования информационного обеспечения ИГС на малых ЭВМ, основанная на формальном аппарате оценок структур данных; инфологические модели и структуры данных о ПЭС и коммутационном пространстве для трассировки ІЇЇІ, позволяющие разместить в оперативной памяти малой ЭВМ данные о насыщенных ДП предельных габаритов; -J - структура библиотечных данных в ИГС проектирования ПП, обеспечивающая возможность интеграции процессов проектирования ПП и технологической подготовки сборочного производства.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
Разработаны новые методы представления бинарных отношений в памяти ЭВМ, основанные на трансформации множеств, которые дают лучшие оценки по объему памяти, чем известные ранее методы.
Разработаны теоретические положения и создан формальный аппарат количественных оценок информационно-логических моделей принципиальных электрических схем (ПЭС) и печатных плат (ПП) по объему памяти, занимаемой данными, и времени их поиска.
Создана и обоснована методика построения структур данных в оперативной памяти, позволяющая минимизировать объем памяти, занимаемой данными, без существенного снижения быстроты поиска.
Построены новые инфологические модели и разработаны струк- туры данных о ПЭС и коммутационном пространстве, которые позволяют разместить всю информацию о ПЇЇ высокой сложности и предельных габаритов в оперативной памяти малой ЭВМ, что повышает реактивность интерактивной системы проектирования.
Практическая ценность работы состоит в реализации информационного обеспечения и организации диалога в интерактивной САПР ПП на малой ЭВМ СМ-4, решающей полный комплекс задач конструкторского проектирования широкого класса ПП, и ее внедрении в различных НИИ, КБ и заводах ряда отраслей промышленности.
Содержание работы
В первой главе дан анализ методов организации данных в диалоговых системах, используемых для проектирования ПП, рассмотрены форматы внутреннего представления данных, их достоинства и недостатки; исследованы базы данных, используемые в САПР, и системы управления базами данных (СУБД), выполнен сравнительный анализ применения СУБД общего назначения в САПР и комерческих системах; определены основные методологические принципы построения структуры данных для специализированной интерактивной САПР ПП, реализуемой в условиях жесткой ограниченности вычислительных ресурсов малых ЭВМ; рассмотрены математические модели ПЭС, используемые для решения отдельных задач конструкторского проектирования; определен круг задач и цели исследования.
Во второй главе исследуются принципы построения структур данных в оперативной памяти для интерактивной САПР ПП, предлагается формальный аппарат количественных оценок этих структур по объему памяти, занимаемой данными, и времени их поиска, приводятся принципы преобразования моделей на основе формальных критериев с целью улучшения этих оценок.
В третьей главе исследуются и разрабатываются модели ПЭС и коммутационного пространства, определяющие логические структуры - ІЗ - данных, которые могут быть реализованы в оперативной памяти СМ-4; развиваются методы организации библиотеки элементов в интерактивной САПР ПП; исследуются вопросы, связанные с организацией взаимодействия интерактивной САПР ПП с системой планирования работы гибкого автоматизированного сборочного производства (ГАСЇЇ).
В четвертой главе излагаются результаты практической реализации; описываются принципы построения интерактивной системы проектирования ПП МАГИСТР, физическая организация данных в МАГИСТР, методы организации дисплейного файла.
Организация данных в некоторых диалоговых системах проектирования
Рассмотрим структуры данных некоторых систем, используемых для проектирования ЇЇП на малых ЭВМ. Наиболее распространенными в СССР в настоящее время являются автоматизированные рабочие места (АРМ) конструкторов РЭА на базе малых ЭВМ СМ-3 и СМ-4. Основное назначение этих систем - коррекция и дотрассировка ШІ в режиме диалога, выпуск конструкторской документации, ведение архива ПП.
Ядром АРМ обычно является диалоговая графическая система. В подобных системах обычно требуется двойственное представление графизических данных: одно - для описания изображения объекта, пред- \ назначенного для воспроизведения изображения на экране графичес- \ кого дисплея, другое - для записи в БД [17] . Данные для описания изображения могут быть представлены в простом формате, например в формате команд дисплейного процессора. В БД для каждой ШІ \ кроме графических данных содержится дополнительная информация, используемая прикладными программами системы. В связи с этим формат представления данных в БД системы, называемый в дальнейшем і центральным графическим форматом (ЦГФ), должен быть более сложным, чем формат для описания изображения.
Средства описания моделей
Для построения большинства известных в настоящее время моделей объектов конструкторского проектирования ПП используют аппарат теории графов [8,57,61,62] , что обусловлено следующими причинами:
- в историческом плане - теория графов успешно была использована для анализа электрических цепей, поэтому логическим развитием явилось ее применение для описания ПЭС как основного источника информации о проектируемом объекте;
- основные задачи конструкторского проектирования - трассировка, размещение, компоновка и т.д. - эффективно решаются как задачи на графах;
- существуют достаточно простые способы представления графов в памяти ЭВМ.
Чаще всего граф задается тройкой G = (Z,,y) » где Z -множество вершин, Е - множество ребер, а У - отношение инцидентности между множествами Z и [9] ; гиперграф [30] задается множествами Z и Е и двуместным предикатом R на Z и Е (иди бинарным отношением), истинным для инцидентных пар "вершина - ребро"; ультраграф определяется как нара множеств Z и Е и пара бинарных отношений U и В между ними, одно из которых задает "источники" ребер Е , а другое - "приемники" ребер [30, 57].
Тем не менее, существует несколько причин, которые вызывают необходимость перехода на инфологическом этапе к описанию объекта проектирования с помощью аппарата теории множеств и бинарных отношений.
1) Основные данные для проектирования ПП содержатся в ПЭС. Анализ предметной области (ПЭС) показывает, что отношения между основными множествами - ЭРЭ, соединений, контактов, трасс - являются бинарными, среди которых есть отношения типа М:М.
2) В предметной области количество множеств и отношений больше, чем то которое просто описывается с помощью аппарата теории графов, гиперграфов и т.д.
3) Для представления данных в оперативной памяти использу-ется сетевая логическая структура, для которой наиболее естественной формой описания является аппарат бинарных отношений.
4) Использование единого аппарата для описания предметной области и логической структуры данных позволяет осуществить единый анализ и дать оценку всех трех этапов проектирования структуры данных - инфологической, логической и физической.
Модели принципиальной электрической схемы
Большинство известных моделей ПЭС описывают логические связи между контактами ЭРЭ с помощью цепей, что является удобным способом представления исходных данных для задач конструкторского проектирования, решаемых в автоматическом режиме. В моделях, предназначенных для создания на их базе структуры ИО интегрированной интерактивной системы проектирования ПП на малых ЭВМ, более целесообразным является использование понятия "соединение" (в дальнейшем слова "соединение" и "связь" употребляется как синонимы). Объясняется это интерактивным характером работы с данными. Например при ручном размещении движение ЭРЭ должно совмещаться с перемещением всех соединений, в которых участвуют контакты этого ЭРЭ; при ручной трассировке логические связи разводятся последовательно (к тому же представление цепи на экране в режиме окна [52] затруднено). Таким образом, при интерактивной работе транзакции относятся не к цепям, а к связям. Учитывая, что эти транзакции во многом определяют производительность системы проектирования, они должны выполняться эффективно. В то же время информация о цепях, используемая автоматическими программами, может быть получена с помощью известных алгоритмов выделения цепей [102] . Эти алгоритмы достаточно эффективные и время их выполнения сравнительно невелико. Наконец, следует заметить, что описать связи при задании исходных данных проще, чем цепи.
Поскольку ПЭС интересует нас лишь в качестве исходных данных для проектирования ПП, будем предполагать, что жгуты на ней отсутствуют или "развязаны" вручную. Нетрудно убедиться, что это предположение не ограничивает общности рассматриваемых ниже моделей.
Принципы построения системы МАГИСТР
Модульная автоматизированная графическая интерактивная система трассировки и размещения (МАГИСТР) [39,43,49,52] предназначена для проектирования двусторонних и многослойных Ш и ориентирована на использование стандартных технических и программных средств СМ ЭВМ [З3,3б] Система обеспечивает сквозной цикл проектирования ПП и выполняет следующие функции: ввод закодированного описания со стандартных устройств ввода СМ ЭВМ; ввод информации о констрзгктйве ПП (размеры ПП, ее контур, расположение экранных областей, шин питания и т.д.; ввод технологических данных (размеры и форма контактных площадок, допустимые толщины проводников, зазоры между элементами проводящего рисунка и т.д.); размещение разногабаритных ЭРЭ на ПП в автоинтерактивном режиме; трассировку ПП в автоматическом, интерактивном и автоинтерактивном режимах; внесение конструкторских изменений и доработок в интерактивном режиме; сверку результатов трассировки с ПЭС; контроль и диагностику ошибок пользователя; технологический контроль; вывод управляющих лент для автоматизированного изготовления эскизов и фотошаблонов ПП; вывод статистических данных о проектируемых ПП; связь с существующими системами проектирования (через магнитную ленту).
В основу разработки системы МАГИСТР положены следующие принципы:
1. Система строится на базе стандартных технических и программных средств СМ ЭВМ.
2. Система предназначается для проектирования достаточно разногабаритных ЭРЭ, одновременно размещаемых на ПП, может достигать 511, а количество связей между ними - 3000, Габариты проектируемых Ш - до 500 х 500 мм, число сигнальных слоев - до 8.
3. МАГИСТР строится как специализированная система, пред назначенная только для проектирования ЇЇП.
Проектирование ПП описанного выше класса практически находится на пределе возможностей базового комплекса технических средств, поэтому система должна строиться с учетом максимальной эффективности использования вычислительных ресурсов. Шагом в этом направлении является специализация системы, дающая возможность минимизации избыточности хранимых данных, применения эффективных алгоритмов для решения узкого класса задач, сокращения общего объема программных средств.
