Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Обзор средств автоматизации изготовления схемной документации и вопросов, связанных с ее изготовлением 9
I.I. Требования, предъявляемые к схемам 9
1.2. Подходы к автоматизации изготовления схемной документации 10
1.2.1. Изготовление чертежей методом скалывания . II
1.2.2. Интерактивное проектирование схем 12
1.2.3. Автоматическое изготовление схем 14
1.3. Обзор методов листования схем, размещения элементов и трассировки соединительных линий . 15
1.3.1. Методы листования схем 15
1.3.2. Методы размещения элементов ; 18
1.3.3. Методы трассировки соединительных линий . 22
Выводы по главе I 25
Цель и задачи работы 27
ГЛАВА II. Принципы построения и структура автоматической системы изготовления схемной документации (СИСД) . 29
2.1. Принципы построения модульной системы логического проектирования (МСЛП) 29
2.1.1. Идеология МСЛП 29
2.1.2. Информационная совместимость 31
2.1.3. Структура МСЛП 32
2.1.4. Машинонезависимость 34
2.2.Разработка структуры СИСД 34
2.2.1. Функции СИСД 34
2.2.2. Формирование чертежей схем 35
2.2.3. Коррекция сетей и схем 40
2.2.4. Композиция схем и текстов 40
2.2.5. Автоматическое формирование компилятов 40
2.2.6. Запись исходных данных в банк данных 41
2.2.7. Контроль фигур элементов 41
2,З.Данные, используемые СИСД 42
2.3.1, Описание сети ; 42
2.3.2, Описание фигур 44
2.3.3, Инструкция черчения 48
2.3.4, Образ листа » 51
2.3.5, Метафайл 53
Выводы по главе П 55
ГЛАВА III, Разработка алгоритмов автоматического формирования схемных документов 56
3.1. Принципы построения электрических схем 56
3.1.1. Размещение элементов 56
3.1.2. Трассировка 57
3.1.3, Жгутование 58
3.1.4, Листование 59
3.2. Алгоритм размещения элементов 60
3.2.1. Формирование ярусов І 60
3.2.2. Определение координат элементов и проходов цепей на ярусах 67
3.2.3. Определение координат ярусов 79
3.3. Трассировка соединительных линий 80
3.3.1. Полушаговая трассировка 82
3.3.2, Целошаговая трассировка 83
3.4. Трассировка жгутов 89
3.4.1. "Куст" 90
3.4.2. "Змейка" 90
3.4.3. "Паук" 93
3.5. Листование схем 93
3.5.1. Ленточная технология 94
3.5.2. Листовая технология 96
Выводы по главе Ш 100
ГЛАВА IV. Реализация системы изготовления схемной документации на ЭВМ ЮІ
4.1. Структура СИСД ЮІ
4.1.1. Основные принципы реализации СИСД на ЭВМ .101
4.1.2. Информационные связи между программами реализованной СИСД
4.2. Модуль "Чертеж" 105
4.2.1. Структура модуля "Чертеж" 107
4.2.2. Динамическое распределение памяти
4.2.3. Минимизация холостых прогонов пера 118
4.2.4. Программная реализация модуля "Чертеж" .119
4.2.5. Погружение модуля "Чертеж" в ППП "Академсинтез" 126
4.3. Контроль фигур элементов 127
4.3.1. Контроль фигур на ЭВМ БЭСМ-6 127
4.3.2. Контроль фигур на ЕС ЭВМ 128
4.4.Ввод исходных данных 130
4.5.Внедрение СИСД 130
4.5.1. Внедрение первой версии СИСД 130
4.5.2. Внедрение второй версии СИСД 130
4.5.3. Особенности внедрения СИСД 137
Выводы по главе ТУ 139
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 140
ЛИТЕРАТУРА 142
ЕРИЛШЕНИЕ 151
- Подходы к автоматизации изготовления схемной документации
- Принципы построения модульной системы логического проектирования (МСЛП)
- Определение координат элементов и проходов цепей на ярусах
- Информационные связи между программами реализованной СИСД
Введение к работе
В материалах ХХУТ съезда КПСС "Основные направления экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" как одно из основных направлений развития науки и ускорения технического прогресса определяется "расширение автоматизации проектно-конструкторских и научно-исследовательских работ с применением вычислительной техники" [46]. Решение этой проблемы позволит сократить сроки создания новой техники, повысить ее качество и существенно уменьшить трудоемкость проектирования.
Одной из задач, решаемой при автоматизации проектирования, является документирование результатов разработки. При проектировании дискретных устройств такими документами являются электрические схемы - функциональные, логические и принципиальные.
При ручном изготовлении схемной документации требуются значительные трудовые затраты - до 50 % времени работы разработчика 60]. При этом вносится большое число ошибок, что приводит к затягиванию сроков сдачи изделий после их изготовления. Автоматизация изготовления схемной документации позволит сократить сроки ее изготовления, повысить качество проектов, сократить трудозатраты на проектирование и является актуальной задачей развития САПР.
В настоящее время существуют три основных подхода, положенных в основу построения систем изготовления схемной документации: изготовление схем методом скалывания; интерактивное проектирование схем; 3^ автоматическое изготовление схем.
Третий подход принципиально исключает человека, обладает наименьшей трудоемкостью, но в то же время является и менее всего разработанным.
Целью данной диссертационной работы является разработка системы изготовления схемной документации (СИСД) общего назначения для удовлетворения потребностей многих проектных организаций радиоэлектронной, приборостроительной и электротехнической промы-шленностей. Основными свойствами такой системы должны быть: независимость от используемых проблемных языков представления сетей, для чего вводится базовый язык, интерпретирующий сеть как гиперграф с возможностью отображения в него проблемных языков; независимость от аппаратных средств, используемых для черчения схем, для чего результаты проектирования схемы представляются через процедуры штатных систем графического доступа ("Гра-фор" и прочие1); машинная и системная независимость, обеспечивающаяся тем, что для программирования используется стандартный язык Фортран без употребления специфических возможностей операционных систем; независимость от языка графических фигур, достигаемая выделением блока обработки языка фигур в отдельную подпрограмму.
Для достижения указанной цели в диссертационной работе решаются задачи разработки алгоритмов и реализации системы автоматического изготовления схемной документации при проектировании дискретных управляющих и вычислительных устройств, включающие: разработку структуры автоматической СЙСД; разработку алгоритма автоматического и принудительного размещения элементов в поле чертежа; разработку алгоритмов автоматического и принудительного листования; разработку алгоритмов трассировки соединительных линий и жгутов; программную реализацию и внедрение СЙСД.
Основными требованиями, предъявляемыми к СИСД, должны быть:
Л эффективное использование поля черчения;
2> рациональное размещение элементов и цепей, минимизирующее длину вычерчиваемых линий и число пересечений при условии обеспечения высокой "читабельности" схем, состоящей в возможности быстрого восприятия функционирования устройства по его схемному представлению.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (82 наименования) и приложения.
Основное содержание изложено на 109 страницах машинописного текста и иллюстрировано 35 рисунками. в первой главе дается анализ существующих СЙОД, приведен обзор методов листования схем,размещения элементов, трассировки соединительных линий, ставятся задачи разработки автоматической СИСД.
Во второй главе описаны принципы построения модульной системы логического проектирования, в состав которой входит разрабатываемая СИСД, определены функции и разработана структура СИСД, описаны ее данные.
В третьей главе предложены и обоснованы принципы построения чертежей схем. С учетом этих принципов разработаны алгоритмы размещения элементов, трассировки соединительных линий и листования схем.
В четвертой главе описана структура реализованной СИСД, ее программная реализация и результаты внедрения.
В заключении отмечаются основные результаты, полученные автором, приводятся данные по выступлениям на научно-технических конференциях, публикациям. в приложении содержатся документы, подтверждающие внедрение разработанной СИСД.
Научная новизна. Предложены и обоснованы принципы построения чертежей электрических схем, на основе которых разработаны эффективные алгоритмы формирования схемных документов:
1) алгоритм размещения разногабаритных элементов в поле чер тежа, учитывающий насыщенность мекэлементных связей и включающий: процедуру аналитического ранжирования схемы, процедуру определения порядка элементов на вертикалях путем минимизации числа пересечений в двудольном графе, алгоритм "разбегающейся"волны; алгоритм трассировки соединительных линий, включающий процедуру целошаговой трассировки в двудольном графе; алгоритмы укладки на чертеже сборочных жгутов трех типов; алгоритмы динамического и предварительного листования схем.
Оригинальные алгоритмы, ориентированные на формирование схемных документов, доведены до программной реализации и легли в основу создания системы изготовления схемной документации, реализованной на ЭВМ БЭСМ-6 и ЕС ЭВМ. Эксплуатация СЙСД подтвердила эффективность разработанных алгоритмов.
Подходы к автоматизации изготовления схемной документации
Существуют три основных подхода к автоматизации изготовления схемной документации:
- изготовление чертежей методом скалывания;
- интерактивное проектирование схем;
- автоматическое изготовление схем.
Общим для всех СИСД является наличие библиотеки графических элементов. В процессе изготовления схемы графические элементы могут выбираться из библиотеки и помещаться на нужном месте в поле чертежа. В зависимости от каждой конкретной реализации СИСД библиотеки могут быть организованы на МЯ,ВД, либо в программируемом ПЗУ. В системах предусматривается возможность пополнения библиотек графических элементов. При этом процедура занесения элементов в библиотеку в разных системах решается по разному. Ввод может осуществляться с перфокарт, с экранов графических дисплеев, со специальных устройств ввода графической информации, с помощью команд кодировки программируемого ПЗУ и т.д. Как правило, формирование библиотеки графических элементов предшествует этапу изготовления схемы.
При данном подходе чертеж схемы вводится в ЭВМ с помощью специальных считывающих устройств. Для изготовления чертежей методом скалывания чаще всего используются универсальные графические системы [7, 19, 56, 62, 66, 68, 803, но существуют и специализированные системы ввода чертежей схем C67J.
При данном подходе процесс изготовления чертежа обычно осуществляется следующим образом. Сначала разработчик вручную изготавливает чертеж схемы в соответствии с требованиями ГОСТа. Далее ввод (кодирование) чертежа схемы с помощью полуавтоматических устройств ввода графической информации осуществляет оператор, который, перемещая регистрирующий орган, скалывает - обходит последовательно все элементы чертежа (точки, линии и т.д.). Величина перемещения регистрирующего органа фиксируется и обрабатывается электронным устройством, преобразуется в цифровой код и заносится на носитель данных (перфоленту, перфокарты, магнитную ленту и т.д.). Далее осуществляется разрисовка закодированного чертежа на графопостроителе [56, 80j. Особую группу составляют комплексные полуавтоматические системы обработки графической информации с выходом на ЭВМ 7, 19, 62, 66, 67, 68J, которые выполняют автоматический контроль ошибок, допущенных оператором при считывании чертежа, позволяют производить выборку фрагментов из библиотеки элементов и ранее введенных участков изображения, осуществлять оперативный вывод закодированной информации на графопостроитель. После того как чертеж введен в ЭВМ, в ряде систем [7, 66, 67, 12 68] имеется возможность отредактировать полученные чертежи на экране графического дисплея.
Недостатками изготовления чертежей методом скалывания являются:
1) Большая трудоемкость изготовления схем.
2) Прежде, чем изготовить схему, требуется создать ее эскиз. Роль ЭВМ в этом случае сводится к хранению и тиражированию схем. 3) Необходимость приобретать или разрабатывать специальные устройства ввода графической информации и содержать специалистов высокой квалификации для их настройки.
К достоинствам таких систем относится то, что на изготовляемые чертежи не накладывается никаких ограничений.
Принципы построения модульной системы логического проектирования (МСЛП)
Идеология МСЛП [59] в самом общем виде отображается на рис. 2.1.
Заказчик 3 может представить исходные данные к проектированию на языке эскизного проекта, поместив его в зону проектов П, либо на языке функционирования, поместив его в зону моделей М. Процесс отображения "идеи" в проект и модель не формализуем, поэтому он изображен пунктирно.
Эскизный проект может быть формально преобразован в модельное описание с целью проверки правильности его функционирования методом имитационного моделирования. Таким же образом проверяется и функциональное описание. В результате моделирования формируются протоколы наблюдения ПН, по которым можно судить о поведении проектируемого устройства. Информация из проектной области может выдаваться в форме схемных и текстовых документов Д.
С вершиной проектов связана петля К, представляющая средства компиляции проектов из имеющихся решений, которые хранятся в архиве. Соответственно петля у вершины М представляет средства композиции моделей из подмоделей.
В МСЛП под модулем понимается "программная конструкция, предназначенная для решения достаточно крупной задачи из проблемной области, взаимодействующая с другими модулями через банк данных и допускающая использование всех машинных ресурсов" [58].
Все модули системы являются информационно совместимыми, что определяется как "условие использования единых форм представления информации на выходах одних модулей и на входах других там, где предусматривается возможность последовательного их исполнения" 058]. Все формы представления информации в МСЛП, поступающие на вход и получаемые на выходах модулей, канонизированы. Это оставляет МСЛП открытой, т.е. дает возможность пополнения системы новыми модулями.
В качестве канонизированной формы представления информации в МСЛП принята символьная списковая форма [28J, подчиненная правилам скобочной грамматики.
Элементу информации в исходных данных сопоставляется произвольная последовательность символов, не содержащая разделителей (запятых, круглых и косых скобок). Элементы информации могут наделяться весовыми наборами. Весовой набор - это последовательность элементов информации, не наделенных весами и ограниченная косыми скобками. Последовательность элементов информации, перечисленная через запятую и заключенная в круглые скобки, называется списком. Списку может быть присвоено имя, по форме совпадающее с элементом информации и размещаемое перед списком. Список может быть элементом другого списка.
Принятие символьной формы представления исходных данных позволяет осуществлять их получение и обработку на различных ЭВМ, а также делает информацию читабельной и пригодной для использония в качестве входного языка в случае ручного формирования исходных данных. Списковая структура исходных данных делает однообразной процедуру их распаковки, которая осуществляется стандартным набором программ Г 37].
Определение координат элементов и проходов цепей на ярусах
После того как все элементы распределены по ярусам и известно, какие цепи заведены в жгуты, решается задача определения координат элементов и проходов цепей на ярусах. Для повышения наглядности схемы положения элементов и проходов цепей должно определяться таким образом, чтобы при трассировке соединительных линий обеспечивались минимум числа пересечений связей и минимум длины связей. Проводился ряд экспериментов и было установлено, что схема получается более наглядной, когда при размещении элементов отдается предпочтение критерию минимума числа пересечений связей. Поэтому, а также с целью упрощения процесса размещения, определение координат элементов и проходов цепей на ярусах производится в два приема:
1. определение порядка расположения элементов и проходов цепей на ярусах с минимизацией числа пересечений связей в межярусных пространствах;
2. определение координат элементов и проходов цепей на ярусах с учетом определенного порядка с минимизацией длины связей в межярусных пространствах.
Положение элементов и проходов цепей на ярусах определяется так, чтобы обеспечить минимум пересечений связей при трассировке. Упорядочение элементов и проходов на ярусе производится относительно уже упорядоченного яруса, расположенного рядом с упорядочиваемым ярусом, .
При этом возможны 2 случая:
1) порядок элементов на упорядочиваемом ярусе не фиксирован нотациями инструкции черчения;
2) порядок элементов на упорядочиваемом ярусе фиксирован нотациями черчения. В этом случае определяется только порядок проходов цепей на ярусе,
Для упорядочения яруса предлагается следующий алгоритм. Пред положим требуется упорядочить L -й ярус относительно уже упорядоченного (t-f)-ro яруса Сначала в (1-і)-и ярусе все элементы и проходы нумеруются снизу-вверх, начиная с единицы. После этого каждому выходному полюсу (1 і) -го яруса присваивается вес, который тем больше, чем выше на ярусе располагается выходной полюс. Далее для каждого элемента и прохода цепи, находящегося в распределяемом і -м ярусе, вычисляется вес, равный среднему арифметическому весов полюсов на (1 1) ярусе, с которыми этот элемент связан. После этого в L -м ярусе все элементы и проходы цепей упорядочиваются по возрастанию веса снизу-вверх.
Информационные связи между программами реализованной СИСД
ЭВМ БЭСМ-6. Все модули системы оформляются в виде подпрограмм языка Фортран и находятся в персональной библиотеке на магнитной ленте, В состав программного обеспечения СИСД на ЭВМ БЭСМ-6 входят программы: G-RAFPR KSBIBL ,ZAPIS . В качестве инструментального банка в системе используется иерархический банк данных Г32]„
Программа GRAF PR (модуль "Чертеж") - основная часть системы. Эта программа по описанию схемы, библиотеке фигур и инструкции черчения формирует на магнитной ленте чертеж для выхода на графопостроитель BE A/ SOW , Описание схемы, библиотека фигур размещаются в банке данных. Инструкция черчения может размещаться в банке данных, на перфокартах, а также может отсутствовать.
Программа KS8IBL (модуль "Контроль") предназначена для контрольной прорисовки фигур элементов, находящихся в банке данных,
Программа ZAPIS осуществляет синтаксический контроль описаний схем, фигур, инструкций черчения и запись их с перфокарт в банк данных.
Информационные связи между программами системы на ЭВМ БЭСМ-6 изображены на рис, 4.1. Программная реализация на ЭВМ БЭСМ-6 ве 105 дется в ОС ДИАІШ [50].
ЕС ЭВМ, В состав программного обеспечения СИСД на ЕС ЭВМ входят программы: GRAF, KSBIBL,ZAPISjRlSBVF . Программы оформлены в виде полностью собранных загрузочных модулей.
Программа GRA F (модуль "Чертеж") - основная часть системы. Эта программа по описанию схемы, библиотеке фигур и инструкции черчения формирует на выходе файл последовательного доступа, содержащий координаты простейших элементов чертежа схемы. Описание схемы и фигуры элементов размещаются в банке данных. Инструкция черчения размещается в банке данных, либо на перфокартах, либо отсутствует.
Программа KSBIBL (модуль "Контроль") предназначена для контроля начертания фигур, находящихся в банке данных. На выходе программы формируется файл последовательного доступа, содержащий координаты простейших элементов рисунка (структура файла аналогична структуре выходного файла программы GRAF ).
Программа ZAP1S осуществляет синтаксический контроль описаний схем, фигур, инструкций черчения и запись их с перфокарт в банк данных.
Программа RISBUF осуществляет выдачу на графопостроитель BENSOA/ чертежей из файла последовательного доступа, сформированного программами GRAF и KSB1BL Информационные связи между программами СИСД на ЕС ЭВМ изображены на рис. 4.2.
