Цель лекции заключается в необходимости изложения методики, которая позволяет применение общих идей информационных технологий для проектирования электронных средств.
11.1. Пакеты прикладных программ электронного проектирования
ИсторияВ обзоре использованы материалы журналов: "Электронные компоненты", "CAD/CAM/CAE Observer", "EDA Express", сайтов:
www.rodnik.ru,
www.elcp.ru,
www.eltm.ru,
rk6.bmstu.ru, Eurointech, а также на сайтах фирм-производителей САПР; Cadence, Zuken, Mentor Graphics, Spectrum Software и др.
автоматизации проектирования в электронике (EDA - Electronic Design Automation, ECAD - Electronic Сomputer-Aided Design) насчитывает порядка 40 лет.
На первом этапе в 60-70-е годы решались принципиальные вопросы создания математического обеспечения ECAD. До этого в электронике господствовали экспериментальные методы проектирования. Переход к компьютерным расчетам и моделированию требовал разработки адекватных математических моделей схем и конструкций радиоэлектронной аппаратуры и численных методов исследования этих моделей. Поэтому для первого поколения средств EDA, представлявших собой не связанные друг с другом программы расчета печатных плат и электронных схем, главными были формализация постановок проектных задач и выбор соответствующего математического аппарата. Уже с конца 60-х годов развитие EDA в основном определяется прогрессом микроэлектроники.
Проектирование СВЧ-устройств
Принципиально иной уровень сложности задач решают системы проектирования СВЧ-устройств. Как правило, для получения характеристик объемных структур здесь требуется решение уравнений Максвелла, а для моделирования линейных и нелинейных схем привычных моделей и методов, используемых ядром SPICE, недостаточно.
Microwave Office 2003 (
www.mwoffice.com) - программа фирмы Applied Wave Research, позволяет моделировать СВЧ-устройства, заданные как в виде принципиальных, так и функциональных схем. Объединяет в себе модули анализа линейных и нелинейных схем, проектирования топологий, электромагнитного моделирования планарных многослойных структур (2.5-мерное моделирование ), моделирования систем связи на уровне структурных схем. Нелинейный анализ здесь выполняется методом гармонического баланса и рядов Вольтерра.
Электромагнитное моделирование планарных СВЧ-устройств выполняется методом моментов Галеркина. Модуль моделирования структурных схем, изначально разработанный компанией ICUCOM (
www.icucom.com), прекрасно интегрирован в среду и имеет самый большой набор библиотек моделей. Редактор топологий представляет собой не просто графическую среду прорисовки топологий СВЧ-устройств, а мощный инструмент для технологической подготовки производства.
Многофункциональная автоматизированная система SERENADE фирмы Ansoft (
www.ansoft.com) имеет модульную структуру. Некоторые модули системы подтвердили свою эффективность на протяжении длительного периода эксплуатации. Модуль HSFF предназначен для анализа трехмерных электромагнитных полей, модуль Harmonica обеспечивает проектирование при использовании линейных моделей таких устройств, как согласующие СВЧ-цепи, цепи связи СВЧ-диапазона, фильтры, а также нелинейные устройства СВЧ-диапазона (усилители мощности, смесители, генераторы, переключатели), модуль Trilines предназначен для расчета линий передачи, модуль Synthesis - для синтеза фильтров, модуль Super-Spice выполняет моделирование СВЧ-устройств во временной области при помощи системы SPICE, модуль Microwave Success моделирует системы радиотелефонии.
Семейство программных продуктов MMICAD, производимых фирмой Optotek (
www.optotek.com), имеет в своем составе 2-линейный анализатор; модуль, при помощи которого осуществляется ввод принципиальных схем; модуль, при помощи которого осуществляется компоновка/трассировка; систему, объединяющую модуль, при помощи которого осуществляется ввод принципиальных схем, модуль компоновки/трассировки, а также линейный анализатор; нелинейный анализатор во временной области; модуль синтеза фильтров; модуль сбора информации и малосигнального анализа схем с полевыми транзисторами; модуль сбора информации и моделирования схем с полевыми транзисторами в режимах большого и малого сигналов.
Пакет RF Design System Suite - (сокращенно RFDS) фирмы HP EEsof/HPHighFreqency Design позволяет проектировать радиочастотные цепи сотовых радиотелефонов, других персональных подвижных коммуникационных систем, универсальные процессоры, цепи радиовещательных спутников, видеосистемы и беспроводные локальные вычислительные сети. Программное обеспечение включает анализатор линейных и нелинейных цепей, который имеет двунаправленную связь с векторным анализатором цепей, анализатором спектра и цифровым осциллографом. RFDS Suite имеет инструменты для анализа переходных процессов в цепях и электромагнитного анализа, системную библиотеку, инструмент для компоновки. Кроме того, возможна интеграция с программными продуктами других фирм.
Система Sonnet Software Suite of 3D Planar High-Frequence Electromagnetic Software (коротко - Sonnet Suite ) служит для исследования высокочастотных электромагнитных полей современных 3DnnaHapHbix цепей и антенн. Для исследования резонанса оболочки включено исследование поля шестиугольного короба.
APLAC (
www.aplac.com) предназначена для проектирования и моделирования электрических схем и систем во временной и частотной областях. В их состав могут входить как цифровые, так и аналоговые компоненты, в том числе устройства диапазона СВЧ. Выполняются следующие виды расчетов: режим по постоянному току, частотные характеристики, спектральная плотность и коэффициент шума, чувствительность и параметрическая оптимизация, переходные процессы, спектры сигналов, анализ периодических режимов, статистический анализ по методу Монте-Карло. Кроме того, в состав APLAC входит подпрограмма расчета трехмерных электромагнитных полей микрополосковых конструкций и других устройств диапазона СВЧ. Последнее, на что следует обратить внимание, это возможность ввода результатов измерений и вывода управляющих сигналов с помощью интерфейсных плат стандарта IEEE-488 (GPIB, HP-IB), ка
к в системе LabView.
Пакет AppCad (полное название AppCad Design Software) фирмы Hewlett-Packard предназначен для быстрых инженерных расчетов изделий ВЧ- и СВЧ-диапазонов, от схем с дискретными диодами и транзисторами до СВЧ-интегральных схем. Работает в диалоговом режиме и позволяет рассчитывать: смещенные током и напряжением интегральные схемы, схемы с диодами Шоттки в режимах большого и малого сигналов, коэффициент усиления усилителей, коэффициенты передачи и отражения линий, десять типов линий, цепи смещения биполярных транзисторов, эмиттерную обратную связь и делители напряжения, надежность и тепловой режим.
Программы CST Microwave Studio немецкой компании CST (
www.cst.de) и QuickWave-3D польской QWED (
www.qwed.com.pl) решают задачу полного трехмерного электромагнитного моделирования объемных СВЧ-устройств. Последняя программа больше известна под своим коммерческим названием CONCERTO. Обе программы используют метод конечных разностей (FDTD), дополненный методом конформных преобразований. Главное отличие программ состоит в завершенности интерфейса: немецкий продукт является законченной графической средой для постановки задачи, польский же, помимо прорисовки структуры, требует от пользователя написания программного кода.
Обе программы имеют средства оптимизации и обе показывают лучшие результаты моделирования, чем одноименные продукты HFSS от Agilent и Ansoft.
Более простое и дешевое решение предлагает другая немецкая компания - IMST (
www.imst.de). Ее продукт EMPIRE использует классическую реализацию метода FDTD, поэтому для получения точных результатов для объемных структур произвольной формы, образованных криволинейными поверхностями, требуется больше времени и вычислительной мощности. Еще здесь можно получать различные частотные характеристики СВЧ-устройств, а также диаграммы направленности антенн.
Имитационное моделирование на уровне структурных схем
Эта категория продуктов нацелена на моделирование электронных систем на поведенческом уровне. Здесь от программы требуется большая гибкость, наличие точных библиотек функциональных модулей, возможность сопряжения с другими системами моделирования.
Программный комплекс MATLAB 6.5 (
www.mathworks.com,
www.mat-lab.ru) фирмы The MathWorks, Inc. относится к системам компьютерной математики. Система поддерживает выполнение операций с матрицами, полиномами, решение линейных, нелинейных и дифференциальных уравнений, оптимизацию, интерполяцию, построение графиков, трехмерных фигур и многое другое. MATLAB - интерактивная система, основным объектом которой является массив, для которого не требуется указывать размерность явно. Это позволяет решать многие вычислительные задачи, связанные с векторно-матричными формулировками.
Главным расширением системы MATLAB является программный пакет Simulink. Уже в силу своего названия Simulink выполняет как бы симуляцию работы моделируемых систем и устройств, которую также называют имитационным моделированием. Для построения функциональной блок-схемы Simulink имеет обширную библиотеку блочных компонентов и удобный редактор блок-схем. Simulink автоматизирует следующий, наиболее трудоемкий этап моделирования: он составляет и решает сложные системы алгебраических и дифференциальных уравнений, описывающих заданную функциональную схему, обеспечивая удобный и наглядный визуальный контроль за поведением созданного пользователем виртуального устройства.
Ценность Simulink заключается и в обширной, открытой для изучения и модификации библиотеке компонентов. Она включает источники сигналов с практически любыми временными зависимостями, масштабирующие, линейные и нелинейные преобразователи с разнообразными формами передаточных характеристик, квантующее устройство, интегрирующие и дифференцирующие блоки и т. д. В библиотеке имеется целый набор виртуальных регистрирующих устройств - от простых измерителей типа вольтметра или амперметра до универсальных осциллографов, позволяющих просматривать временные зависимости выходных параметров моделируемых систем - токов, напряжений, перемещений, давлений и т. п. Имеется графопостроитель для создания фигур в полярной системе координат, например, фигур Лиссажу и фазовых портретов колебаний. Simulink имеет средства анимации и звукового сопровождения. А в дополнительных библиотеках можно отыскать и такие "приборы", как анализаторы спектра сложных сигналов, многоканальные самописцы и средства анимации графиков.
System View 5.0 (
www.elanix.com) - программа компании Elanix представляет собой конструктор, с помощью которого из стандартных "кубиков" строится функциональная схема исследуемой электронной системы. Продукт предназначен для моделирования любых динамических систем и позволяет провести моделирование во временной области любой системы, будь то логическая или аналоговая схема или же вовсе некая математическая абстракция - главное, чтобы для этого имелась необходимая библиотека.
Рассчитываются преобразования Фурье графиков, корреляционные и взаимно корреляционные функции, выполняются арифметические и тригонометрические операции, статистическая обработка данных и многое другое. С пакетом поставляется большой набор библиотек функциональных блоков, имеется возможность создания пользовательских библиотек любой сложности.
Пакет Microwave Office описан в разделе " Проектирование СВЧ-уст-ройств".
Пакет Visual System Simulator (
www.mwoffice.com) фирмы Applied Wave Research представляет собой программу моделирования цифровых устройств систем связи на системном уровне. Пакет имеет более 700 моделей функциональных блоков, прикладные библиотеки, поддерживающие все распространенные в настоящее время стандарты связи, такие как: GSM, CDMA, 3G, GPS, DVB, HDTV и многие другие.
Так как пакет Visual System Simulator ориентирован на моделирование именно телекоммуникационных систем, здесь имеется обширный набор моделей каналов. Сюда входят модели таких эффектов, как замирание, многолучевость, блокировка и импульсные помехи, позволяющие весьма точно оценивать работу систем в реальных условиях эксплуатации.
Проектирование печатных плат
Любая система проектирования печатных плат представляет собой сложный комплекс программ, обеспечивающий сквозной цикл, начиная с прорисовки принципиальной схемы и заканчивая генерацией управляющих файлов для оборудования изготовления фотошаблонов, сверления отверстий, сборки и электроконтроля.
Наилучших результатов добилась компания Mentor Graphics (www.mentor.com/pcb).Имея собственную систему проектирования печатных плат Mentor BoardStation, компания поглотила двух своих конкурентов, компании Verybest и Innoveda, и сейчас продолжает развивать линии продуктов Expedition PCB и PADS PowerPCB. Ключом к успеху компании явилась ориентация на современные интегрированные среды проектирования для Windows.
Пакет Expedition PCB представляет сейчас наиболее мощное решение в области проектирования плат.
Основу системы составляет среда AutoActive, позволяющая реализовать такие функции, как предтопологический анализ целостности сигналов, интерактивная и автоматическая трассировка с учетом требований высокочастотных плат и специальных технологических ограничений, накладываемых использованием современной элементной базы. Единая среда позволяет моделировать наводки в проводниках непосредственно при прокладке трассы или шины и контролировать превышение ими заданного уровня.
У данного продукта отмечают только один недостаток - его высокую стоимость.
Другой продукт компании Mentor, система PADS PowerPCB (
www.pads.com) предлагает более дешевое решение. Эта система может похвастаться лучшим автотрассировщиком BlaseRouter, поддерживающим все необходимые при трассировке высокочастотных плат функции. Пакет имеет модули предтопологичекого и посттопологического анализа, тесно взаимодействующие с системой контроля ограничений.
Далее по мощности предлагаемых решений идет компания Cadence. Для верхнего уровня проектирования предлагается пакет PCB Design Studio (
www.pcb.cadence.com). В качестве редактора печатных плат здесь используется программа Allegro, позволяющая разрабатывать многослойные и высокоскоростные платы с высокой плотностью размещения компонентов. В качестве штатного модуля авторазмещения и автотрассировки применена программа SPECCTRA (
www.specctra.com), управляемая обширным набором правил проектирования и технологических ограничений. Выполняется анализ электромагнитной совместимости.
Другой продукт компании Cadence, пакет OrCAD (
www.orcad.com) рекомендуется как более легкое и дешевое решение для проектирования печатных плат. Данный пакет рассматривается фирмой Cadence как приоритетная система ввода проектов и моделирования: модули Capture CIS и PSpice сейчас поставляются в составе пакета PCB Design Studio. Редактор печатных плат OrCAD Layout имеет три различные конфигурации с разными функциональными возможностями. В проекте платы здесь может присутствовать до 30 слоев, 16 из которых могут быть сигнальными. Имеются встроенные средства авторазмещения и автотрассировки, а также интерфейс с программой SPECCTRA. Однако главным модулем здесь является не редактор печатных плат, а редактор принципиальных схем OrCAD Capture CIS, оснащенный единственной в своем роде системой управления базами данных компонентов. Система CIS (Component Information System) была разработана для обеспечения всем пользователям OrCAD доступа чер
ез Интернет к централизованным базам да
нных компонентов на сайте
www.spincircuit.com. Гибкость системы CIS позволяет организовать корпоративные базы разрешенных к применению компонентов и работать в локальных сетях, а также использовать процедуры автоматизированного нормоконтроля.
Третьим производителем САПР печатных плат является австралийская компания Altium Technologies (
www.altium.com). Благодаря умелой инвестиционной политике эта фирма смогла свести до минимума потери, связанные со спадом рынка высоких технологий в 2002 году. В августе 2002 года компания выпустила в свет пакет Protel DXP (
www.protel.com), представляющий собой продолжение собственной оригинальной линий продуктов Protel. Этот пакет обеспечивает сквозной цикл проектирования смешанных аналого-цифровых печатных плат с использованием программируемой логики фирм Xilinx и Altera. Весь инструментарий реализован на базе интегрированной среды проектирования, работающей под управлением Windows X P. К имевшимся ранее средствам посттопологического анализа целостности сигналов добавилась возможность выполнять предтопологический анализ.
В настоящее время компания Altium продолжает развивать свой второй пакет проектирования печатных плат P-CAD 2002 (
www.pcad.com). Эта система остается достаточно популярной в России, что обусловлено, с одной стороны, хорошей функциональностью программы и, с другой стороны, ассоциацией с распространенными здесь старыми версиями PCAD 4.5 - 8.7. В 1996 г. фирма ACCEL Technologies впервые представила версию широко известной системы разработки печатных плат P-CAD на платформе Windows. Обновленный продукт получил новое название ACCEL EDA. С этого момента продукт ACCEL EDA приобрел широкую популярность среди разработчиков электронных устройств. В сентябре 1999 г. вышла последняя 15 версия продукта. 17 января 2000 г. произошло слияние двух ведущих разработчиков систем САПР печатных плат - фирм Protel International и ACCEL Technologies, которые объединили свои совместные усилия под торговой маркой Protel (ныне Altium). С марта 2000 г. продукт ACCEL EDA сменил свое название на P-CAD.
Система P-CAD 2002 выполняет полный цикл проектирования печатных плат, а именно:
графический ввод электрических схем;
смешанное аналого-цифровое моделирование на основе ядра SPICE3;
упаковку схемы на печатную плату;
интерактивное размещение компонентов;
интерактивную и автоматическую трассировку проводников;
контроль ошибок в схеме и печатной плате;
выпуск документации;
анализ целостности сигналов и перекрестных искажений;
подготовку файлов Gerber и NC Drill для производства печатных плат;
подготовку библиотек символов, топологических посадочных мест и моделей компонентов.
Основные возможности P-CAD 2002:
удобный пользовательский интерфейс для Windows;
хранение проектной информации в бинарных и текстовых файлах;
удобная справочная система;
проект схемы может содержать 999 листов, проект платы - до 999 слоев (11 из них стандартных);
число цепей в проекте - до 64000;
число вентилей в компоненте - до 5000;
максимальное число выводов у компонента - 10000;
максимальные размеры листа схемы или чертежа печатной платы 60х60 дюймов;
поддержка дюймовой и метрической систем мер;
предельное разрешение 0.0001 дюйма (0.1 мила), или 0.01 мм (10 микрон);
минимальный угол поворота компонентов на плате - 0.1 град.;
длина имен компонентов - до 30 символов, максимальный объем текстовых надписей и атрибутов - до 20000 символов;
механизм переноса изменений печатной платы на схему и наоборот;
библиотеки компонентов, содержащие более 27000 элементов и сертифицированные по стандарту ISO 9001.
Нельзя не упомянуть еще один почти неизвестный в России, но достаточно мощный и популярный в мире продукт - Visula компании ZUKEN (
www.zuken.com). Продукты этой компании обеспечивают сквозной цикл проектирования и предлагают мощные средства моделирования и синтеза программируемой логики с последующей разработкой печатной платы. Здесь имеется стандартный набор инструментария, а также собственные средства авторазмещения и автотрассировки. Компания ZUKEN также предлагает пользователям интегрированные средства трехмерного твердотельного моделирования разрабатываемых устройств.
,разработанный фирмой MicroCode Engineering, после слияния ее с компанией Protel стал предлагаться как самое дешевое решение для проектирования несложных печатных плат. Стандартная версия позволяет разрабатывать платы, содержащие до шести сигнальных слоев и до двух слоев металлизации. Этот продукт имеет удобный и гибкий редактор схем, а также программу моделирования.
Автоматическое размещение и трассировка реализуются и в ряде других систем проектирования печатных плат, в частности, в отечественной САПР RELIEF с оригинальным алгоритмом быстрой плотной упаковки разногабаритных элементов. Алгоритм основан на многократном дихотомическом делении множества размещаемых элементов
Анализ электромагнитной совместимости
Мощность программ разработки печатных плат в значительной мере определяется встроенными средствами анализа электромагнитной совместимости (ЕМС). В этой связи нельзя не отметить некоторые специализированные программы. Большинство современных программ анализа ЕМС используют модели микрополосковых линий, считающих проводники питания и заземления идеальными, и не учитывают распределение токов в них.
Пионером в данной области выступила компания SIGRITY (
www.sigrity.com), которая разработала пакет Speed XP. Эта программа применяет не упрощенные модели, а численные методы решения электродинамических задач, благодаря чему стало возможным исследование распространения помех по внутренним слоям питания. Однако наличие столь мощной математики делает программу почти на порядок дороже продуктов ближайших конкурентов.
Из программ, реализующих классический подход к анализу ЕМС, отмечают канадскую компанию Quantic EMC (
www.quantic-emc.соm), предлагающую на рынок продукт Omega PLUS. Помимо обычного анализа целостности сигналов и перекрестных искажений, здесь могут быть получены спектры излучения платы в заданном диапазоне частот, уровни токов в проводниках, а также интенсивность электрического и магнитного полей над платой.
Тепловой анализ печатных плат
Отдельной задачей проектирования печатных плат является тепловой анализ. Наиболее мощным решением в этой области является программа BETA Soft-Board компании DYNAMIC SOFT ANALYSIS (
www.betasoft-thermal.com). Здесь имеются интерфейсы импорта проектов из других продуктов, богатые библиотеки моделей и материалов. В процессе расчета могут быть получены температуры отдельных компонентов, карты прогрева плат, градиент температур. Программа BETASoft-Board поставляется как штатное средство теплового моделирования для продуктов Mentor Graphics.
Программа теплового анализа Sauna компании THERMAL SOLUTIONS (
www.sauna.com) позволяет моделировать поведение не только плат, но и блоков и шкафов. Здесь присутствуют обширные библиотеки компонентов и материалов. Имеется специальный графический редактор, позволяющий прорисовывать конфигурацию оборудования. Система дает возможность назначать специальные рабочие циклы с учетом включения и выключения внешних источников питания.
Английская фирма FLOMERICS (
www.flomerics.com) предлагает пользователям свой пакет Flotherm, главной особенностью которого является интерфейс, построенный на базе современных интернет-технологий на основе обычного браузера. Программа позволяет моделировать отвод тепла от микросхем, упакованных в современные корпуса PBGA и TBGA, а также позволяет учитывать технологию поверхностного монтажа перевернутых кристаллов (flip-chip). Например, компания National Semiconductor включила в состав своего программного комплекса Webench (
www.national.com/appinfo/power/webench) специальный модуль Webtherm, позволяющий получать цветную карту градиента температур для платы, построенный на базе вычислительного ядра Flomerics.
TASPCB (
www.harvardthermal.com) - программа американской компании Harvard Thermal Inc. для теплового моделирования процессов в многослойных структурах печатных плат. Программа обеспечивает два способа создания проекта: импорт проектных данных из EDA-системы или построение модели платы с помощью собственного редактора. Так как обрабатывается многослойная структура платы, возможно получить карту прогрева каждого конкретного слоя с учетом элементов топологии, компонентов, крепежа, вырезов, ребер жесткости, теплоотводов, кожухов, интенсивности и направления воздушного потока.
Программа АСОНИКА-Т - совместная разработка Красноярского государственного технического университета (КГТУ) и Московского института электроники и математики (МИЭМ). Эта программа также позволяет моделировать тепловое поведение радиоэлектронной аппаратуры, однако она включает ряд функций, отсутствующих во всех западных системах моделирования. Прежде всего, отмечается специальная база данных с тепловыми моделями компонентов для различного конструктивного исполнения и способа монтажа. Имеется возможность задавать внешние граничные условия. Отдельный модуль позволяет готовить тепловые модели абсолютно произвольных систем, определенных на уровне графов.
Более подробная информация об этом продукте находится на сайте компании "Родник Софт" (
www.rodnik.ru).
11.2. Проектирование СБИС
Проектирование СБИС является многоуровневым, каждый уровень характеризуется своим математическим обеспечением, используемым для моделирования и анализа схем. Выделяют следующие уровни: системный, регистровый (RTL - Register Transfer Level), называемый также уровнем регистровых передач, логический, схемотехнический, прибор-но-технологический (компонентный). Общее название для регистрового и логического уровней - уровень функционально-логический. Преобладает нисходящий стиль функционально-логического проектирования, при котором последовательно выполняются процедуры уровней системного, RTL и логического. В этих процедурах широко используются ранее принятые унифицированные решения, закрепленные в библиотеках функциональных компонентов, например, сумматоров, мультиплексоров, регистров и т. п. Эти библиотеки разрабатываются с помощью процедур схемотехнического и компонентного проектирования вне маршрутов проектирования конкретных СБИС.
После получения результатов схемного проектирования приступают к конструкторско-технологическому проектированию, синтезу тестов и окончательной верификации принятых проектных решений.
Верхний иерархический уровень называют системным, архитектурным или поведенческим. Последнее название связано с тем, что на этом уровне оперируют алгоритмами, подлежащими реализации в СБИС, которые выражают поведенческий аспект проектируемого изделия. Алгоритмы, как правило, представляются на языках проектирования аппаратуры (HDL). Далее на системном уровне формулируют требования к функциональным и схемным характеристикам, определяют общую архитектуру построения СБИС, выделяют операционные (data path) и управляющие (FSM - Finite State Machine) блоки.
Составляют расписание операций заданного алгоритма, т. е. распределяют операции по временным тактам (scheduling) и функциональным блокам (allocating). И тем самым принимают решения по распараллеливанию и/или конвейеризации операций.
На уровне регистровых передач выполняют синтез и верификацию схем операционных и управляющих блоков, получают функциональные схемы СБИС.
На логическом уровне, иначе называемом вентильным (gate level), преобразуют RTL-спецификации в схемы вентильного уровня с помощью программ - компиляторов логики; здесь используются библиотеки логических элементов И, ИЛИ, И-НЕ и т. д.
Типичный маршрут проектирования СБИС включает в себя следующие процедуры.
Проверка корректности исходного алгоритма функционирования СБИС.
Формирование абстрактного описания проекта для перехода к составлению расписания операций.
Выбор базовой технологии и типов функциональных блоков из имеющейся библиотеки функциональных компонентов, которыми могут быть регистры, сумматоры, мультиплексоры и т. п.
Составление расписания операций, т. е. распределение операций по временным тактам и функциональным блокам. При этом определяются типы операционных блоков (комбинационные или последовательностные) и исходные данные для синтеза управляющих блоков.
Разработка модели устройства на уровне RTL, т. е. синтез схем операционных и управляющих блоков.
Верификации выбранного решения, представленного на уровне RTL.
Разработка логических схем путем перевода RTL-модели в модель вентильного уровня с помощью компиляторов логики и библиотек логических элементов.
Оптимизация и верификация логических схем.
Синтез схем тестирования и тестовых наборов.
Конструкторско-технологическое проектирование, включающее процедуры планирования кристалла, размещения компонентов и трассировки межсоединений.
Верификация динамических параметров схемы с учетом задержек в проведенных межсоединениях.
Синтез файлов с управляющей информацией для генераторов изображений.
К процедурам конструкторского проектирования относят планирование кристалла, размещение компонентов и трассировку межсоединений. Расчет задержек в межсоединениях и их использование в процедуре верификации позволяют уточнить параметры быстродействия схемы. Результаты конструкторского проектирования передаются на этапе синтеза файлов с управляющей информацией для генераторов изображений.
В современных системах структурного синтеза на функционально-логическом уровне стремятся найти не просто работоспособное решение, но решение с оптимальным компромиссным удовлетворением требований к площади кристалла, быстродействию, рассеиваемой мощности, а в ряде случаев - и к тестируемости схемы.
11.3. Стандарты в современных технологиях
11.3.1. CALS-технологии в автоматизированном производстве
Технологии комплексной компьютеризации сфер промышленного производства, цель которых - унификация и стандартизация спецификаций промышленной продукции на всех этапах ее жизненного цикла, называют CALS-технологиями.
Основные спецификации представлены проектной, технологической, производственной, маркетинговой, эксплуатационной документациями.
В основу CALS-технологии положен ряд стандартов (рис. 11.1).
В CALS-системах предусмотрены хранение, обработка и передача информации в компьютерных средах, оперативный доступ к данным в нужное время и в нужном месте. Терминология в области CALS еще окончательно не установилась. Так, первоначально аббревиатура "CALS" расшифровывалась как "Computer Aided Logistics Systems", т. е. "автоматизированная логистическая поддержка". Поскольку под логистикой обычно понимают дисциплину, посвященную вопросам снабжения и управления запасами, а функции CALS намного шире и связаны со всеми этапами жизненного цикла промышленных изделий, применяют и более соответствующую предмету расшифровку аббревиатуры "CALS" - Continuous Acquisition and Lifecycle Support.В русском языке понятию CALS соответствует ИПИ (информационная поддержка изделий) или КСПИ (компьютерное сопровождение и поддержка изделий).
(рис 11.1) Структурная схема проблематики CALS-технологийПрименение CALS-технологий позволяет существенно сократить объемы проектных работ, так как описания многих составных частей оборудования, машин и систем, проектировавшихся ранее, хранятся в унифицированных форматах данных сетевых серверов, доступных различного рода системам и средам, подлежащих адаптации к меняющимся условиям эксплуатации, специализации проектных организаций и т. д.
Предполагается, что успех на рынке сложной технической продукции будет немыслим вне технологий CALS.
Развитие CALS-технологий должно привести к появлению так называемых виртуальных производств,в которых процесс создания спецификаций с информацией для программно управляемого технологического оборудования, достаточной для изготовления изделия, может быть распределен во времени и пространстве между многими организационно автономными проектными студиями.
Среди несомненных достижений CALS-технологий следует отметить легкость распространения передовых проектных решений, возможность многократного воспроизведения частей проекта в новых разработках и др. Построение открытых распределенных автоматизированных систем осуществляется для обеспечения единообразного описания и интерпретации данных, независимо от места и времени их получения в общей системе, имеющей масштабы вплоть до глобальных. Структура таких составляющих, как проектная, технологическая, проектирования и управления в промышленности является основой современных CALS-техноло-гий. Главная проблема их построения - эксплуатационная документация: языки ее представления должны быть стандартизованными. Тогда становится реальной успешная работа над общим проектом разных коллективов, разделенных во времени и пространстве и использующих разные CAE/CAD/CAM-системы. Одна и та же конструкторская документация может быть применена многократно в разных проектах, а одна и та
же технологическая документация -
адаптирована к разным производственным условиям, что позволяет существенно сократить и удешевить общий цикл проектирования и производства. Кроме того, упрощается эксплуатация систем.
Таким образом, информационная интеграция является неотъемлемым свойством CALS-систем. Поэтому в основу CALS-технологий положен ряд стандартов, обеспечивающих такую интеграцию.
Важные проблемы, требующие решения при создании комплексных САПР, - управление сложностью проектов и интеграция ПО. Эти проблемы включают вопросы декомпозиции проектов, распараллеливания проектных работ, целостности данных, межпрограммных интерфейсов и др.
В настоящее время CALS-технологии рассматриваются как бизнес с высокими темпами роста и ключ к обеспечению успеха предприятий на внутреннем и внешнем рынках. Использование CALS-систем и логистики означает переход к новому образу и стилю ведения бизнеса в условиях рыночных отношений.
CALS-технологии стали интенсивно развиваться в последнем десятилетии. В основе этого лежали следующие направления научно-технического прогресса:
TQM (Total Quality Management) - всеобщее управление качеством;
системный подход и системный анализ;
"островковая", или "лоскутная", автоматизация бизнес-процессов;
информационные (компьютерные) технологии, удовлетворяющие мировым стандартам и требованиям открытых систем;
системы углубленных знаний в конкретных областях.
Сама аббревиатура "CALS" используется около 20 лет, но смысловое содержание термина претерпело значительную эволюцию, в частности:
1985 г., Computer Aided of Logistics Support - компьютерная поддержка логических систем;
1988 г., Computer Aided Acquisition and Lifecycle - компьютерные поставки и поддержка жизненного цикла;
1993 г., Continual Aided Acquisition and Lifecycle - поддержка непрерывных поставок и жизненного цикла;
1995 г., Commerce at Light Speed - бизнес в высоком темпе;
1997 г., Continuous Acquisition and Lifecycle Support - непрерывная поддержка ЖЦ (жизненного цикла) продукта.
Процесс построения четких определений в области CALS-техноло-гий пока не завершен, терминологический словарь только готовится к выпуску, поэтому приводимые в настоящем учебнике формулировки нельзя считать стандартными.
Определение 1. CALS (Continuous Acquisition and Lifecycle Support - непрерывная поддержка жизненного цикла (ЖЦ) продукта) следует рассматривать как стратегию систематического повышения эффективности, производительности и рентабельности процессов хозяйственной деятельности предприятия.Это возможно за счет внедрения современных методов информационного взаимодействия участников ЖЦ продукта.
В "Проекте руководства по применению CALS в НАТО", выпущенном 1 марта 2000 г., термин "CALS" (Continuous Acquisition and Life Cycle Support) определяется как "...совместная стратегия промышленности и правительства (государства), направленная на реинжиниринг (изменение, преобразование) существующих бизнес-процессов - в единый высокоавтоматизированный и интегрированный процесс управления жизненным циклом систем военного назначения". В данном контексте жизненный цикл включает в себя разработку, производство, применение и утилизацию военной системы.
В дословном переводе аббревиатура "CALS" означает "непрерывность поставок продукции и поддержки ее жизненного цикла". "Непрерывность поставок" требует и подразумевает оптимизацию процессов взаимодействия "заказчика и поставщика" в ходе разработки, проектирования и производства сложной продукции, срок жизни которой с учетом различных модернизаций составляет десятки лет. Для обеспечения эффективности, а также сокращения затрат средств и времени процесс взаимодействия заказчика и поставщика должен быть действительно непрерывным.
Вторая часть определения CALS - "поддержка жизненного цикла" - заключается в оптимизации процессов обслуживания, ремонта, снабжения запасными частями и модернизации. Поскольку затраты на поддержку сложного наукоемкого изделия в работоспособном состоянии часто равны или превышают затраты на его приобретение, принципиальное сокращение "стоимости владения" обеспечивается инвестициями в создание системы поддержки жизненного цикла.
Целью применения CALS-технологий как инструмента организации и информационной поддержки всех участников создания производства и пользования продуктом является повышение эффективности их деятельности. Это возможно за счет ускорения процессов исследования и разработки продукции, придания изделию новых свойств, сокращения издержек в процессах производства и эксплуатации продукции, повышения уровня сервиса в процессах ее эксплуатации и технического обслуживания.
Стратегия CALS объединяет в себе:
применение современных информационных технологий;
реинжиниринг бизнес-процессов;
применение методов "параллельной" разработки;
стандартизацию в области совместного использования данных и электронного обмена данными.
Определение 2.CALS-система представляет собой программно-технический комплекс в виде интегрированных информационных технологий поддержки всех этапов ЖЦ продукции, соответствующих требованиям CALS-стандартов.
Наиболее важными аспектами при рассмотрении научно-методической, программно-технической и нормативно-правовой сторон CALS-технологий являются: функциональное моделирование бизнес-процессов, технологии анализа и реинжиниринга, виртуальные предприятия и многопрофильные коллективы, информационная инфраструктура, нормативная документация.
В большинстве предприятий существуют "островки" автоматизации в виде разобщенных автоматизированных систем САПР, АРМ, АСУТП и др. Дальнейший количественный рост "островковой" автоматизации без интеграции информационных технологий мало перспективен. Вместе с тем замена всех используемых систем требует огромных материальных затрат и обычно нецелесообразна. Разумнее создавать информационную инфраструктуру, в рамках которой существующие автоматизированные системы объединяются и интегрируются, а там, где необходимо, - дополняются новыми технологиями.
Построение такой информационной инфраструктуры начинается с инвентаризации и анализа всех существующих автоматизированных систем.
При этом определяется, на каком этапе развития в данный момент находятся автоматизированные системы, какие системы надо сохранить, какие заменить и какие - заново разработать.
В ходе анализа надо выяснить текущее состояние информационных технологий, используемых участниками предполагаемого виртуального предприятия, учесть планы партнеров, их подходы к стандартизации.
Обычно выявляется большой объем данных, сохраняемых на бумажных носителях, которые следует перенести в электронную среду.
Надо рассмотреть целесообразность такого преобразования и определить, какая информация, в каком объеме, в какой форме и каким способом будет передаваться в рамках единого информационного пространства.
На основе анализа решаются задачи проектирования архитектуры CALS-системы. Проектирование архитектуры предполагает определение аппаратных средств, сетевой инфраструктуры, ПО, необходимого для поддержки усовершенствованных процессов и нового стиля работы.
При создании единого информационного пространства и использовании CALS-технологий большое значение приобретают вопросы защиты информации.
Большинство предприятий совместно используют информацию в электронном виде, обмениваются информацией с заказчиками, поставщиками, партнерами, которые могут быть географически рассеяны. Обмен информацией происходит на всех этапах ЖЦ продукта, в том числе при проектировании, изготовлении и эксплуатации.
11.3.2. Технологии беспроводной связи
Например, технология Bluetooth предназначена для беспроводного объединения технических средств ИТ и создания небольших локальных сетей. Технология использует небольшие приемопередатчики малого радиуса действия, которые непосредственно встраиваются в устройство или подключаются через свободный порт (или PC-карту). Приемопередатчики работают в полосе частот ISM (полоса промышленного, научного и медицинского применения) 2402...2480 МГц.
Радиосвязь обеспечивается в радиусе 10 метров, причем не обязательно в зоне прямой видимости - между соединяемыми устройствами могут быть стены и другие препятствия. В настоящее время создаются средства для увеличения дальности связи до 100 метров.
Радиоканал обеспечивает скорость передачи данных 721 Кбит/с, а также передачу трех голосовых каналов.
Для обеспечения надежной работы технология Bluetooth использует скачкообразную перестройку частоты (FHSS) с расширением спектра. Передатчик переходит с одной частоты на другую по алгоритму, использующему псевдослучайные числа, скорость перестройки - 1600 скачков/с. Режим работы - дуплексный с временным разделением (TDD). Временные интервалы (Time Slots) развертываются для синхронных пакетов, каждый из которых передается на своей частоте радиосигнала.
Технология предусматривает простую интеграцию с TCP/IP. Каждое устройство имеет уникальный 48-битовый сетевой адрес, совместимый с форматом стандарта локальных сетей IEEE 802.
Выделяют 3 класса модулей Bluetooth по мощности излучения: класс 1-100 Вт, класс 2-2,5 Вт и класс 3-1 МВт.
В ближайшее время ожидается появление на рынке принтеров, клавиатур и других периферийных устройств, работающих по технологии Bluetooth.
Разработан стандарт Bluetooth 1.0b, который устанавливает требования к беспроводной связи на небольшие расстояния (до 10 метров с возможностью расширения до 100 м) в нелицензируемом диапазоне 2,45 ГГц. Для создания и отладки устройств Bluetooth фирма Philips выпускает специальные наборы разработчика - Blueberry Developers Kit for Bluetooth Applications. Набор включает материнскую плату, содержащую в себе коммутационные интерфейсы, элементы контроля и управления, разъемы для подключения дочерних плат и дочерние платы с установленными на них RF-модулем и Baseband-контроллером. Такой набор позволяет разработчикам, не меняя конфигурации материнской платы, испытывать различные комбинации контроллеров и трансиверов.
В комплект поставки входят компакт-диск, который помимо документации содержит два пакета программ - загрузчик Blue Star для программирования внутренней и дополнительной flash-памяти контроллера, и программа тестирования Blue Bird для проверки работоспособности устройства в целом. Технология Bluetooth выгодно отличается от других технологий следующими свойствами:
применение маломощных передатчиков;
малые размеры системы, позволяющие устанавливать ее в различные оконечные и периферийные устройства (мобильные и бесшнуровые телефоны, ноутбуки, устройства ввода/вывода ПК, локальные сети и т. д.);
низкая стоимость.
Таким образом, с помощью технологий Bluetooth в единую систему можно объединить самые разные устройства на основе высокоскоростной сети обмена данными как цифровой информации, так и речи. Это происходит без вмешательства со стороны пользователя и открывает ему широкие коммуникационные возможности, позволяющие в любом месте подключиться к сети сотовой связи, подсоединив свой ноутбук к периферийным устройствам ввода/вывода, обеспечить голосовую связь или передачу данных на небольшие расстояния.
В перспективе технология позволит объединять любые электронные устройства, вплоть до холодильников, стиральных машин, микроволновых печей, отопительных систем и дверных замков.
Другими технологиями беспроводной связи являются IrDA (инфракрасная связь), Home R F, IEEE 802-11.
11.3.3. CAN-технологии
CAN-технологии (Controller Area Network), включающие широкий класс программных, схемотехнических и алгоритмических решений, представляют собой промышленные сети для применения в распределенных системах управления, которые работают в режиме "жесткого" реального времени со скоростью передачи до 1 Мбит/с. Технология CAN-bus создана фирмой Bosh в середине 1980-х годов и первоначально широко применялась в немецкоговорящих странах. В настоящее время CAN-технологии широко используются индустриально развитыми странами во всех стратегических областях промышленности, автомобильном и железнодорожном транспорте, авиации, машиностроении, энергетике, промышленной автоматизации и др.
Для применения CAN-bus выпускается достаточный набор компонентов - интеллектуальных датчиков, CAN-контроллеров, программных средств и т. д., разработаны стандарты и учебно-методическая литература. Координацию работ в мировом масштабе по разработке и внедрению CAN-технологий осуществляет коммерческая международная организация CAN in Automation (CiA).
Работы по использованию и развитию CAN-технологий проводятся в следующих направлениях:
разработка промышленных сетей и распределенных систем управления на серийно выпускаемых аппаратах и компонентов CAN-bus;
разработка встроенных систем управления (Embedded Systems) для массовых объектов - транспортных средств, технологических установок, энергоемких бытовых аппаратов на основе имеющихся спецификаций;
создание новых интеллектуальных датчиков и других технических средств для CAN-технологий;
разработка программного обеспечения для CAN-контроллеров и другого заказного ПО. Компоненты для CAN-технологий выпускают известные западные фирмы Bosh GmbH, Siemens AG, ockwell Automation AB, Motorola GmbH, Toshiba Electronics, Europe GmbH, Philips Semiconductors GmbH и др.
В разработке и внедрении CAN-технологий участвуют отечественные фирмы ООО "Марафон" (г. Москва), ООО "Дейтамикро" (г. Таганрог), ЗАО "ЭлеСи" (г. Томск).
11.3.4. STEP-технология
Построение распределенных АС для проектирования и управления в промышленности, взаимодействующих друг с другом в едином информационном пространстве, составляет основу современных CALS-технологий. В CALS-технологиях необходимо обеспечить единообразное описание и интерпретацию данных, независимо от места и времени их получения в общей системе, имеющей масштабы вплоть до глобальных. Структура проектной, технологической и эксплуатационной документаций, языки ее представления должны быть стандартизованными. Тогда становится реальной успешная работа над общим проектом разных коллективов, разделенных во времени и пространстве и использующих разные CAE/CAD/CAM-системы. Одна и та же проектная документация может быть использована многократно в разных проектах, а одна и та же технологическая документация - в разных производственных условиях, что существенно сокращает и удешевляет общий цикл проектирования и производства, а также упрощает эксплуатацию систем.
Эти цели поставлены при разработке стандартов STEP. К их разработке под эгидой ISO привлечен ряд ведущих специалистов фирм в разных отраслях промышленности. Совокупность стандартов STEP составляет основу CALS-технологий.
Единообразная форма описаний данных о промышленной продукции обеспечивается введением в STEP языка Express, инвариантного к приложениям. Стандарты STEP не отрицают, а развивают методику информационного моделирования IDEFIX и предполагают возможность совместного использования с методикой функционального проектирования IDEF0 и рядом других международных стандартов (например, со стандартами ISO P_Lib, Mandate, SGML, CDBF и др.).
В STEP используются следующие основные понятия:
ААМ (Application Activity Model) - функциональная модель IDEF0 для определенного приложения;
ARM (Application Requirements Model) - модель данных, представленная обычными средствами приложения;
AIM (Application Interpreted Model) - ARM-модель, переведенная в STEP-представление;
АР (Application Protocol) - прикладной протокол, описание приложения на языке Express;
Standard Data Access Interface) - программный интерфейс к источникам данных (репозиториям) прикладных систем (в том числе к библиотекам моделей CAD/CAM-систем) с переводом моделей в STEP-файлы; используется в STEP-средах для организации обменов между приложениями через общую базу данных STEP.
STEP состоит из ряда томов. Тома имеют свои номера ( N) и обозначаются как "часть N", или ISO 10303-N.
Контрольные вопросы
Как осуществляется конструкторско-технологическое проектирование?
В чем состоит процедура синтеза тестов?
Что входит в окончательную верификацию принятых проектных решений?
Поясните укрупненную типичную последовательность проектных процедур на маршруте проектирования СБИС.
Какие процедуры включает в себя типичный маршрут проектирования СБИС?
Что называют CALS-технологиями?
Что положено в основу CALS-технологий?
Что предусмотрено в CALS-системах?
Какие возможности дает применение CALS-технологий?
Поясните структурную схему проблематики CALS-технологий.
Что такое "виртуальное производство"?
Что понимают под информационной интеграцией CALS-систем?
Какие направления научно-технического прогресса способствуют интенсивному развитию CALS-технологии?
В чем заключается вторая часть определения CALS - "поддержка жизненного цикла"?
Что объединяет в себе стратегия CALS?
Как решаются вопросы защиты информации в CALS-техноло-гии?
Как используются технологии беспроводной связи?
Что включают в себя CAN-технологии?
В каких направлениях проводятся работы по использованию и развитию CAN-технологий?
Перечислите основные понятия STEP-технологии.
Цель лекции заключается в необходимости изложения методики, которая позволяет применение общих идей информационных технологий для проектирования электронных средств.
11.1. Пакеты прикладных программ электронного проектирования
ИсторияВ обзоре использованы материалы журналов: "Электронные компоненты", "CAD/CAM/CAE Observer", "EDA Express", сайтов:
www.rodnik.ru,
www.elcp.ru,
www.eltm.ru,
rk6.bmstu.ru, Eurointech, а также на сайтах фирм-производителей САПР; Cadence, Zuken, Mentor Graphics, Spectrum Software и др.
автоматизации проектирования в электронике (EDA - Electronic Design Automation, ECAD - Electronic Сomputer-Aided Design) насчитывает порядка 40 лет.
На первом этапе в 60-70-е годы решались принципиальные вопросы создания математического обеспечения ECAD. До этого в электронике господствовали экспериментальные методы проектирования. Переход к компьютерным расчетам и моделированию требовал разработки адекватных математических моделей схем и конструкций радиоэлектронной аппаратуры и численных методов исследования этих моделей. Поэтому для первого поколения средств EDA, представлявших собой не связанные друг с другом программы расчета печатных плат и электронных схем, главными были формализация постановок проектных задач и выбор соответствующего математического аппарата. Уже с конца 60-х годов развитие EDA в основном определяется прогрессом микроэлектроники.
Проектирование СВЧ-устройств
Принципиально иной уровень сложности задач решают системы проектирования СВЧ-устройств. Как правило, для получения характеристик объемных структур здесь требуется решение уравнений Максвелла, а для моделирования линейных и нелинейных схем привычных моделей и методов, используемых ядром SPICE, недостаточно.
Microwave Office 2003 (
www.mwoffice.com) - программа фирмы Applied Wave Research, позволяет моделировать СВЧ-устройства, заданные как в виде принципиальных, так и функциональных схем. Объединяет в себе модули анализа линейных и нелинейных схем, проектирования топологий, электромагнитного моделирования планарных многослойных структур (2.5-мерное моделирование ), моделирования систем связи на уровне структурных схем. Нелинейный анализ здесь выполняется методом гармонического баланса и рядов Вольтерра.
Электромагнитное моделирование планарных СВЧ-устройств выполняется методом моментов Галеркина. Модуль моделирования структурных схем, изначально разработанный компанией ICUCOM (
www.icucom.com), прекрасно интегрирован в среду и имеет самый большой набор библиотек моделей. Редактор топологий представляет собой не просто графическую среду прорисовки топологий СВЧ-устройств, а мощный инструмент для технологической подготовки производства.
Многофункциональная автоматизированная система SERENADE фирмы Ansoft (
www.ansoft.com) имеет модульную структуру. Некоторые модули системы подтвердили свою эффективность на протяжении длительного периода эксплуатации. Модуль HSFF предназначен для анализа трехмерных электромагнитных полей, модуль Harmonica обеспечивает проектирование при использовании линейных моделей таких устройств, как согласующие СВЧ-цепи, цепи связи СВЧ-диапазона, фильтры, а также нелинейные устройства СВЧ-диапазона (усилители мощности, смесители, генераторы, переключатели), модуль Trilines предназначен для расчета линий передачи, модуль Synthesis - для синтеза фильтров, модуль Super-Spice выполняет моделирование СВЧ-устройств во временной области при помощи системы SPICE, модуль Microwave Success моделирует системы радиотелефонии.
Семейство программных продуктов MMICAD, производимых фирмой Optotek (
www.optotek.com), имеет в своем составе 2-линейный анализатор; модуль, при помощи которого осуществляется ввод принципиальных схем; модуль, при помощи которого осуществляется компоновка/трассировка; систему, объединяющую модуль, при помощи которого осуществляется ввод принципиальных схем, модуль компоновки/трассировки, а также линейный анализатор; нелинейный анализатор во временной области; модуль синтеза фильтров; модуль сбора информации и малосигнального анализа схем с полевыми транзисторами; модуль сбора информации и моделирования схем с полевыми транзисторами в режимах большого и малого сигналов.
Пакет RF Design System Suite - (сокращенно RFDS) фирмы HP EEsof/HPHighFreqency Design позволяет проектировать радиочастотные цепи сотовых радиотелефонов, других персональных подвижных коммуникационных систем, универсальные процессоры, цепи радиовещательных спутников, видеосистемы и беспроводные локальные вычислительные сети. Программное обеспечение включает анализатор линейных и нелинейных цепей, который имеет двунаправленную связь с векторным анализатором цепей, анализатором спектра и цифровым осциллографом. RFDS Suite имеет инструменты для анализа переходных процессов в цепях и электромагнитного анализа, системную библиотеку, инструмент для компоновки. Кроме того, возможна интеграция с программными продуктами других фирм.
Система Sonnet Software Suite of 3D Planar High-Frequence Electromagnetic Software (коротко - Sonnet Suite ) служит для исследования высокочастотных электромагнитных полей современных 3DnnaHapHbix цепей и антенн. Для исследования резонанса оболочки включено исследование поля шестиугольного короба.
APLAC (
www.aplac.com) предназначена для проектирования и моделирования электрических схем и систем во временной и частотной областях. В их состав могут входить как цифровые, так и аналоговые компоненты, в том числе устройства диапазона СВЧ. Выполняются следующие виды расчетов: режим по постоянному току, частотные характеристики, спектральная плотность и коэффициент шума, чувствительность и параметрическая оптимизация, переходные процессы, спектры сигналов, анализ периодических режимов, статистический анализ по методу Монте-Карло. Кроме того, в состав APLAC входит подпрограмма расчета трехмерных электромагнитных полей микрополосковых конструкций и других устройств диапазона СВЧ. Последнее, на что следует обратить внимание, это возможность ввода результатов измерений и вывода управляющих сигналов с помощью интерфейсных плат стандарта IEEE-488 (GPIB, HP-IB), ка
к в системе LabView.
Пакет AppCad (полное название AppCad Design Software) фирмы Hewlett-Packard предназначен для быстрых инженерных расчетов изделий ВЧ- и СВЧ-диапазонов, от схем с дискретными диодами и транзисторами до СВЧ-интегральных схем. Работает в диалоговом режиме и позволяет рассчитывать: смещенные током и напряжением интегральные схемы, схемы с диодами Шоттки в режимах большого и малого сигналов, коэффициент усиления усилителей, коэффициенты передачи и отражения линий, десять типов линий, цепи смещения биполярных транзисторов, эмиттерную обратную связь и делители напряжения, надежность и тепловой режим.
Программы CST Microwave Studio немецкой компании CST (
www.cst.de) и QuickWave-3D польской QWED (
www.qwed.com.pl) решают задачу полного трехмерного электромагнитного моделирования объемных СВЧ-устройств. Последняя программа больше известна под своим коммерческим названием CONCERTO. Обе программы используют метод конечных разностей (FDTD), дополненный методом конформных преобразований. Главное отличие программ состоит в завершенности интерфейса: немецкий продукт является законченной графической средой для постановки задачи, польский же, помимо прорисовки структуры, требует от пользователя написания программного кода.
Обе программы имеют средства оптимизации и обе показывают лучшие результаты моделирования, чем одноименные продукты HFSS от Agilent и Ansoft.
Более простое и дешевое решение предлагает другая немецкая компания - IMST (
www.imst.de). Ее продукт EMPIRE использует классическую реализацию метода FDTD, поэтому для получения точных результатов для объемных структур произвольной формы, образованных криволинейными поверхностями, требуется больше времени и вычислительной мощности. Еще здесь можно получать различные частотные характеристики СВЧ-устройств, а также диаграммы направленности антенн.
Имитационное моделирование на уровне структурных схем
Эта категория продуктов нацелена на моделирование электронных систем на поведенческом уровне. Здесь от программы требуется большая гибкость, наличие точных библиотек функциональных модулей, возможность сопряжения с другими системами моделирования.
Программный комплекс MATLAB 6.5 (
www.mathworks.com,
www.mat-lab.ru) фирмы The MathWorks, Inc. относится к системам компьютерной математики. Система поддерживает выполнение операций с матрицами, полиномами, решение линейных, нелинейных и дифференциальных уравнений, оптимизацию, интерполяцию, построение графиков, трехмерных фигур и многое другое. MATLAB - интерактивная система, основным объектом которой является массив, для которого не требуется указывать размерность явно. Это позволяет решать многие вычислительные задачи, связанные с векторно-матричными формулировками.
Главным расширением системы MATLAB является программный пакет Simulink. Уже в силу своего названия Simulink выполняет как бы симуляцию работы моделируемых систем и устройств, которую также называют имитационным моделированием. Для построения функциональной блок-схемы Simulink имеет обширную библиотеку блочных компонентов и удобный редактор блок-схем. Simulink автоматизирует следующий, наиболее трудоемкий этап моделирования: он составляет и решает сложные системы алгебраических и дифференциальных уравнений, описывающих заданную функциональную схему, обеспечивая удобный и наглядный визуальный контроль за поведением созданного пользователем виртуального устройства.
Ценность Simulink заключается и в обширной, открытой для изучения и модификации библиотеке компонентов. Она включает источники сигналов с практически любыми временными зависимостями, масштабирующие, линейные и нелинейные преобразователи с разнообразными формами передаточных характеристик, квантующее устройство, интегрирующие и дифференцирующие блоки и т. д. В библиотеке имеется целый набор виртуальных регистрирующих устройств - от простых измерителей типа вольтметра или амперметра до универсальных осциллографов, позволяющих просматривать временные зависимости выходных параметров моделируемых систем - токов, напряжений, перемещений, давлений и т. п. Имеется графопостроитель для создания фигур в полярной системе координат, например, фигур Лиссажу и фазовых портретов колебаний. Simulink имеет средства анимации и звукового сопровождения. А в дополнительных библиотеках можно отыскать и такие "приборы", как анализаторы спектра сложных сигналов, многоканальные самописцы и средства анимации графиков.
System View 5.0 (
www.elanix.com) - программа компании Elanix представляет собой конструктор, с помощью которого из стандартных "кубиков" строится функциональная схема исследуемой электронной системы. Продукт предназначен для моделирования любых динамических систем и позволяет провести моделирование во временной области любой системы, будь то логическая или аналоговая схема или же вовсе некая математическая абстракция - главное, чтобы для этого имелась необходимая библиотека.
Рассчитываются преобразования Фурье графиков, корреляционные и взаимно корреляционные функции, выполняются арифметические и тригонометрические операции, статистическая обработка данных и многое другое. С пакетом поставляется большой набор библиотек функциональных блоков, имеется возможность создания пользовательских библиотек любой сложности.
Пакет Microwave Office описан в разделе " Проектирование СВЧ-уст-ройств".
Пакет Visual System Simulator (
www.mwoffice.com) фирмы Applied Wave Research представляет собой программу моделирования цифровых устройств систем связи на системном уровне. Пакет имеет более 700 моделей функциональных блоков, прикладные библиотеки, поддерживающие все распространенные в настоящее время стандарты связи, такие как: GSM, CDMA, 3G, GPS, DVB, HDTV и многие другие.
Так как пакет Visual System Simulator ориентирован на моделирование именно телекоммуникационных систем, здесь имеется обширный набор моделей каналов. Сюда входят модели таких эффектов, как замирание, многолучевость, блокировка и импульсные помехи, позволяющие весьма точно оценивать работу систем в реальных условиях эксплуатации.
Проектирование печатных плат
Любая система проектирования печатных плат представляет собой сложный комплекс программ, обеспечивающий сквозной цикл, начиная с прорисовки принципиальной схемы и заканчивая генерацией управляющих файлов для оборудования изготовления фотошаблонов, сверления отверстий, сборки и электроконтроля.
Наилучших результатов добилась компания Mentor Graphics (www.mentor.com/pcb).Имея собственную систему проектирования печатных плат Mentor BoardStation, компания поглотила двух своих конкурентов, компании Verybest и Innoveda, и сейчас продолжает развивать линии продуктов Expedition PCB и PADS PowerPCB. Ключом к успеху компании явилась ориентация на современные интегрированные среды проектирования для Windows.
Пакет Expedition PCB представляет сейчас наиболее мощное решение в области проектирования плат.
Основу системы составляет среда AutoActive, позволяющая реализовать такие функции, как предтопологический анализ целостности сигналов, интерактивная и автоматическая трассировка с учетом требований высокочастотных плат и специальных технологических ограничений, накладываемых использованием современной элементной базы. Единая среда позволяет моделировать наводки в проводниках непосредственно при прокладке трассы или шины и контролировать превышение ими заданного уровня.
У данного продукта отмечают только один недостаток - его высокую стоимость.
Другой продукт компании Mentor, система PADS PowerPCB (
www.pads.com) предлагает более дешевое решение. Эта система может похвастаться лучшим автотрассировщиком BlaseRouter, поддерживающим все необходимые при трассировке высокочастотных плат функции. Пакет имеет модули предтопологичекого и посттопологического анализа, тесно взаимодействующие с системой контроля ограничений.
Далее по мощности предлагаемых решений идет компания Cadence. Для верхнего уровня проектирования предлагается пакет PCB Design Studio (
www.pcb.cadence.com). В качестве редактора печатных плат здесь используется программа Allegro, позволяющая разрабатывать многослойные и высокоскоростные платы с высокой плотностью размещения компонентов. В качестве штатного модуля авторазмещения и автотрассировки применена программа SPECCTRA (
www.specctra.com), управляемая обширным набором правил проектирования и технологических ограничений. Выполняется анализ электромагнитной совместимости.
Другой продукт компании Cadence, пакет OrCAD (
www.orcad.com) рекомендуется как более легкое и дешевое решение для проектирования печатных плат. Данный пакет рассматривается фирмой Cadence как приоритетная система ввода проектов и моделирования: модули Capture CIS и PSpice сейчас поставляются в составе пакета PCB Design Studio. Редактор печатных плат OrCAD Layout имеет три различные конфигурации с разными функциональными возможностями. В проекте платы здесь может присутствовать до 30 слоев, 16 из которых могут быть сигнальными. Имеются встроенные средства авторазмещения и автотрассировки, а также интерфейс с программой SPECCTRA. Однако главным модулем здесь является не редактор печатных плат, а редактор принципиальных схем OrCAD Capture CIS, оснащенный единственной в своем роде системой управления базами данных компонентов. Система CIS (Component Information System) была разработана для обеспечения всем пользователям OrCAD доступа чер
ез Интернет к централизованным базам да
нных компонентов на сайте
www.spincircuit.com. Гибкость системы CIS позволяет организовать корпоративные базы разрешенных к применению компонентов и работать в локальных сетях, а также использовать процедуры автоматизированного нормоконтроля.
Третьим производителем САПР печатных плат является австралийская компания Altium Technologies (
www.altium.com). Благодаря умелой инвестиционной политике эта фирма смогла свести до минимума потери, связанные со спадом рынка высоких технологий в 2002 году. В августе 2002 года компания выпустила в свет пакет Protel DXP (
www.protel.com), представляющий собой продолжение собственной оригинальной линий продуктов Protel. Этот пакет обеспечивает сквозной цикл проектирования смешанных аналого-цифровых печатных плат с использованием программируемой логики фирм Xilinx и Altera. Весь инструментарий реализован на базе интегрированной среды проектирования, работающей под управлением Windows X P. К имевшимся ранее средствам посттопологического анализа целостности сигналов добавилась возможность выполнять предтопологический анализ.
В настоящее время компания Altium продолжает развивать свой второй пакет проектирования печатных плат P-CAD 2002 (
www.pcad.com). Эта система остается достаточно популярной в России, что обусловлено, с одной стороны, хорошей функциональностью программы и, с другой стороны, ассоциацией с распространенными здесь старыми версиями PCAD 4.5 - 8.7. В 1996 г. фирма ACCEL Technologies впервые представила версию широко известной системы разработки печатных плат P-CAD на платформе Windows. Обновленный продукт получил новое название ACCEL EDA. С этого момента продукт ACCEL EDA приобрел широкую популярность среди разработчиков электронных устройств. В сентябре 1999 г. вышла последняя 15 версия продукта. 17 января 2000 г. произошло слияние двух ведущих разработчиков систем САПР печатных плат - фирм Protel International и ACCEL Technologies, которые объединили свои совместные усилия под торговой маркой Protel (ныне Altium). С марта 2000 г. продукт ACCEL EDA сменил свое название на P-CAD.
Система P-CAD 2002 выполняет полный цикл проектирования печатных плат, а именно:
графический ввод электрических схем;
смешанное аналого-цифровое моделирование на основе ядра SPICE3;
упаковку схемы на печатную плату;
интерактивное размещение компонентов;
интерактивную и автоматическую трассировку проводников;
контроль ошибок в схеме и печатной плате;
выпуск документации;
анализ целостности сигналов и перекрестных искажений;
подготовку файлов Gerber и NC Drill для производства печатных плат;
подготовку библиотек символов, топологических посадочных мест и моделей компонентов.
Основные возможности P-CAD 2002:
удобный пользовательский интерфейс для Windows;
хранение проектной информации в бинарных и текстовых файлах;
удобная справочная система;
проект схемы может содержать 999 листов, проект платы - до 999 слоев (11 из них стандартных);
число цепей в проекте - до 64000;
число вентилей в компоненте - до 5000;
максимальное число выводов у компонента - 10000;
максимальные размеры листа схемы или чертежа печатной платы 60х60 дюймов;
поддержка дюймовой и метрической систем мер;
предельное разрешение 0.0001 дюйма (0.1 мила), или 0.01 мм (10 микрон);
минимальный угол поворота компонентов на плате - 0.1 град.;
длина имен компонентов - до 30 символов, максимальный объем текстовых надписей и атрибутов - до 20000 символов;
механизм переноса изменений печатной платы на схему и наоборот;
библиотеки компонентов, содержащие более 27000 элементов и сертифицированные по стандарту ISO 9001.
Нельзя не упомянуть еще один почти неизвестный в России, но достаточно мощный и популярный в мире продукт - Visula компании ZUKEN (
www.zuken.com). Продукты этой компании обеспечивают сквозной цикл проектирования и предлагают мощные средства моделирования и синтеза программируемой логики с последующей разработкой печатной платы. Здесь имеется стандартный набор инструментария, а также собственные средства авторазмещения и автотрассировки. Компания ZUKEN также предлагает пользователям интегрированные средства трехмерного твердотельного моделирования разрабатываемых устройств.
,разработанный фирмой MicroCode Engineering, после слияния ее с компанией Protel стал предлагаться как самое дешевое решение для проектирования несложных печатных плат. Стандартная версия позволяет разрабатывать платы, содержащие до шести сигнальных слоев и до двух слоев металлизации. Этот продукт имеет удобный и гибкий редактор схем, а также программу моделирования.
Автоматическое размещение и трассировка реализуются и в ряде других систем проектирования печатных плат, в частности, в отечественной САПР RELIEF с оригинальным алгоритмом быстрой плотной упаковки разногабаритных элементов. Алгоритм основан на многократном дихотомическом делении множества размещаемых элементов
Анализ электромагнитной совместимости
Мощность программ разработки печатных плат в значительной мере определяется встроенными средствами анализа электромагнитной совместимости (ЕМС). В этой связи нельзя не отметить некоторые специализированные программы. Большинство современных программ анализа ЕМС используют модели микрополосковых линий, считающих проводники питания и заземления идеальными, и не учитывают распределение токов в них.
Пионером в данной области выступила компания SIGRITY (
www.sigrity.com), которая разработала пакет Speed XP. Эта программа применяет не упрощенные модели, а численные методы решения электродинамических задач, благодаря чему стало возможным исследование распространения помех по внутренним слоям питания. Однако наличие столь мощной математики делает программу почти на порядок дороже продуктов ближайших конкурентов.
Из программ, реализующих классический подход к анализу ЕМС, отмечают канадскую компанию Quantic EMC (
www.quantic-emc.соm), предлагающую на рынок продукт Omega PLUS. Помимо обычного анализа целостности сигналов и перекрестных искажений, здесь могут быть получены спектры излучения платы в заданном диапазоне частот, уровни токов в проводниках, а также интенсивность электрического и магнитного полей над платой.
Тепловой анализ печатных плат
Отдельной задачей проектирования печатных плат является тепловой анализ. Наиболее мощным решением в этой области является программа BETA Soft-Board компании DYNAMIC SOFT ANALYSIS (
www.betasoft-thermal.com). Здесь имеются интерфейсы импорта проектов из других продуктов, богатые библиотеки моделей и материалов. В процессе расчета могут быть получены температуры отдельных компонентов, карты прогрева плат, градиент температур. Программа BETASoft-Board поставляется как штатное средство теплового моделирования для продуктов Mentor Graphics.
Программа теплового анализа Sauna компании THERMAL SOLUTIONS (
www.sauna.com) позволяет моделировать поведение не только плат, но и блоков и шкафов. Здесь присутствуют обширные библиотеки компонентов и материалов. Имеется специальный графический редактор, позволяющий прорисовывать конфигурацию оборудования. Система дает возможность назначать специальные рабочие циклы с учетом включения и выключения внешних источников питания.
Английская фирма FLOMERICS (
www.flomerics.com) предлагает пользователям свой пакет Flotherm, главной особенностью которого является интерфейс, построенный на базе современных интернет-технологий на основе обычного браузера. Программа позволяет моделировать отвод тепла от микросхем, упакованных в современные корпуса PBGA и TBGA, а также позволяет учитывать технологию поверхностного монтажа перевернутых кристаллов (flip-chip). Например, компания National Semiconductor включила в состав своего программного комплекса Webench (
www.national.com/appinfo/power/webench) специальный модуль Webtherm, позволяющий получать цветную карту градиента температур для платы, построенный на базе вычислительного ядра Flomerics.
TASPCB (
www.harvardthermal.com) - программа американской компании Harvard Thermal Inc. для теплового моделирования процессов в многослойных структурах печатных плат. Программа обеспечивает два способа создания проекта: импорт проектных данных из EDA-системы или построение модели платы с помощью собственного редактора. Так как обрабатывается многослойная структура платы, возможно получить карту прогрева каждого конкретного слоя с учетом элементов топологии, компонентов, крепежа, вырезов, ребер жесткости, теплоотводов, кожухов, интенсивности и направления воздушного потока.
Программа АСОНИКА-Т - совместная разработка Красноярского государственного технического университета (КГТУ) и Московского института электроники и математики (МИЭМ). Эта программа также позволяет моделировать тепловое поведение радиоэлектронной аппаратуры, однако она включает ряд функций, отсутствующих во всех западных системах моделирования. Прежде всего, отмечается специальная база данных с тепловыми моделями компонентов для различного конструктивного исполнения и способа монтажа. Имеется возможность задавать внешние граничные условия. Отдельный модуль позволяет готовить тепловые модели абсолютно произвольных систем, определенных на уровне графов.
Более подробная информация об этом продукте находится на сайте компании "Родник Софт" (
www.rodnik.ru).
11.2. Проектирование СБИС
Проектирование СБИС является многоуровневым, каждый уровень характеризуется своим математическим обеспечением, используемым для моделирования и анализа схем. Выделяют следующие уровни: системный, регистровый (RTL - Register Transfer Level), называемый также уровнем регистровых передач, логический, схемотехнический, прибор-но-технологический (компонентный). Общее название для регистрового и логического уровней - уровень функционально-логический. Преобладает нисходящий стиль функционально-логического проектирования, при котором последовательно выполняются процедуры уровней системного, RTL и логического. В этих процедурах широко используются ранее принятые унифицированные решения, закрепленные в библиотеках функциональных компонентов, например, сумматоров, мультиплексоров, регистров и т. п. Эти библиотеки разрабатываются с помощью процедур схемотехнического и компонентного проектирования вне маршрутов проектирования конкретных СБИС.
После получения результатов схемного проектирования приступают к конструкторско-технологическому проектированию, синтезу тестов и окончательной верификации принятых проектных решений.
Верхний иерархический уровень называют системным, архитектурным или поведенческим. Последнее название связано с тем, что на этом уровне оперируют алгоритмами, подлежащими реализации в СБИС, которые выражают поведенческий аспект проектируемого изделия. Алгоритмы, как правило, представляются на языках проектирования аппаратуры (HDL). Далее на системном уровне формулируют требования к функциональным и схемным характеристикам, определяют общую архитектуру построения СБИС, выделяют операционные (data path) и управляющие (FSM - Finite State Machine) блоки.
Составляют расписание операций заданного алгоритма, т. е. распределяют операции по временным тактам (scheduling) и функциональным блокам (allocating). И тем самым принимают решения по распараллеливанию и/или конвейеризации операций.
На уровне регистровых передач выполняют синтез и верификацию схем операционных и управляющих блоков, получают функциональные схемы СБИС.
На логическом уровне, иначе называемом вентильным (gate level), преобразуют RTL-спецификации в схемы вентильного уровня с помощью программ - компиляторов логики; здесь используются библиотеки логических элементов И, ИЛИ, И-НЕ и т. д.
Типичный маршрут проектирования СБИС включает в себя следующие процедуры.
Проверка корректности исходного алгоритма функционирования СБИС.
Формирование абстрактного описания проекта для перехода к составлению расписания операций.
Выбор базовой технологии и типов функциональных блоков из имеющейся библиотеки функциональных компонентов, которыми могут быть регистры, сумматоры, мультиплексоры и т. п.
Составление расписания операций, т. е. распределение операций по временным тактам и функциональным блокам. При этом определяются типы операционных блоков (комбинационные или последовательностные) и исходные данные для синтеза управляющих блоков.
Разработка модели устройства на уровне RTL, т. е. синтез схем операционных и управляющих блоков.
Верификации выбранного решения, представленного на уровне RTL.
Разработка логических схем путем перевода RTL-модели в модель вентильного уровня с помощью компиляторов логики и библиотек логических элементов.
Оптимизация и верификация логических схем.
Синтез схем тестирования и тестовых наборов.
Конструкторско-технологическое проектирование, включающее процедуры планирования кристалла, размещения компонентов и трассировки межсоединений.
Верификация динамических параметров схемы с учетом задержек в проведенных межсоединениях.
Синтез файлов с управляющей информацией для генераторов изображений.
К процедурам конструкторского проектирования относят планирование кристалла, размещение компонентов и трассировку межсоединений. Расчет задержек в межсоединениях и их использование в процедуре верификации позволяют уточнить параметры быстродействия схемы. Результаты конструкторского проектирования передаются на этапе синтеза файлов с управляющей информацией для генераторов изображений.
В современных системах структурного синтеза на функционально-логическом уровне стремятся найти не просто работоспособное решение, но решение с оптимальным компромиссным удовлетворением требований к площади кристалла, быстродействию, рассеиваемой мощности, а в ряде случаев - и к тестируемости схемы.
11.3. Стандарты в современных технологиях
11.3.1. CALS-технологии в автоматизированном производстве
Технологии комплексной компьютеризации сфер промышленного производства, цель которых - унификация и стандартизация спецификаций промышленной продукции на всех этапах ее жизненного цикла, называют CALS-технологиями.
Основные спецификации представлены проектной, технологической, производственной, маркетинговой, эксплуатационной документациями.
В основу CALS-технологии положен ряд стандартов (рис. 11.1).
В CALS-системах предусмотрены хранение, обработка и передача информации в компьютерных средах, оперативный доступ к данным в нужное время и в нужном месте. Терминология в области CALS еще окончательно не установилась. Так, первоначально аббревиатура "CALS" расшифровывалась как "Computer Aided Logistics Systems", т. е. "автоматизированная логистическая поддержка". Поскольку под логистикой обычно понимают дисциплину, посвященную вопросам снабжения и управления запасами, а функции CALS намного шире и связаны со всеми этапами жизненного цикла промышленных изделий, применяют и более соответствующую предмету расшифровку аббревиатуры "CALS" - Continuous Acquisition and Lifecycle Support.В русском языке понятию CALS соответствует ИПИ (информационная поддержка изделий) или КСПИ (компьютерное сопровождение и поддержка изделий).
(рис 11.1) Структурная схема проблематики CALS-технологийПрименение CALS-технологий позволяет существенно сократить объемы проектных работ, так как описания многих составных частей оборудования, машин и систем, проектировавшихся ранее, хранятся в унифицированных форматах данных сетевых серверов, доступных различного рода системам и средам, подлежащих адаптации к меняющимся условиям эксплуатации, специализации проектных организаций и т. д.
Предполагается, что успех на рынке сложной технической продукции будет немыслим вне технологий CALS.
Развитие CALS-технологий должно привести к появлению так называемых виртуальных производств,в которых процесс создания спецификаций с информацией для программно управляемого технологического оборудования, достаточной для изготовления изделия, может быть распределен во времени и пространстве между многими организационно автономными проектными студиями.
Среди несомненных достижений CALS-технологий следует отметить легкость распространения передовых проектных решений, возможность многократного воспроизведения частей проекта в новых разработках и др. Построение открытых распределенных автоматизированных систем осуществляется для обеспечения единообразного описания и интерпретации данных, независимо от места и времени их получения в общей системе, имеющей масштабы вплоть до глобальных. Структура таких составляющих, как проектная, технологическая, проектирования и управления в промышленности является основой современных CALS-техноло-гий. Главная проблема их построения - эксплуатационная документация: языки ее представления должны быть стандартизованными. Тогда становится реальной успешная работа над общим проектом разных коллективов, разделенных во времени и пространстве и использующих разные CAE/CAD/CAM-системы. Одна и та же конструкторская документация может быть применена многократно в разных проектах, а одна и та
же технологическая документация -
адаптирована к разным производственным условиям, что позволяет существенно сократить и удешевить общий цикл проектирования и производства. Кроме того, упрощается эксплуатация систем.
Таким образом, информационная интеграция является неотъемлемым свойством CALS-систем. Поэтому в основу CALS-технологий положен ряд стандартов, обеспечивающих такую интеграцию.
Важные проблемы, требующие решения при создании комплексных САПР, - управление сложностью проектов и интеграция ПО. Эти проблемы включают вопросы декомпозиции проектов, распараллеливания проектных работ, целостности данных, межпрограммных интерфейсов и др.
В настоящее время CALS-технологии рассматриваются как бизнес с высокими темпами роста и ключ к обеспечению успеха предприятий на внутреннем и внешнем рынках. Использование CALS-систем и логистики означает переход к новому образу и стилю ведения бизнеса в условиях рыночных отношений.
CALS-технологии стали интенсивно развиваться в последнем десятилетии. В основе этого лежали следующие направления научно-технического прогресса:
TQM (Total Quality Management) - всеобщее управление качеством;
системный подход и системный анализ;
"островковая", или "лоскутная", автоматизация бизнес-процессов;
информационные (компьютерные) технологии, удовлетворяющие мировым стандартам и требованиям открытых систем;
системы углубленных знаний в конкретных областях.
Сама аббревиатура "CALS" используется около 20 лет, но смысловое содержание термина претерпело значительную эволюцию, в частности:
1985 г., Computer Aided of Logistics Support - компьютерная поддержка логических систем;
1988 г., Computer Aided Acquisition and Lifecycle - компьютерные поставки и поддержка жизненного цикла;
1993 г., Continual Aided Acquisition and Lifecycle - поддержка непрерывных поставок и жизненного цикла;
1995 г., Commerce at Light Speed - бизнес в высоком темпе;
1997 г., Continuous Acquisition and Lifecycle Support - непрерывная поддержка ЖЦ (жизненного цикла) продукта.
Процесс построения четких определений в области CALS-техноло-гий пока не завершен, терминологический словарь только готовится к выпуску, поэтому приводимые в настоящем учебнике формулировки нельзя считать стандартными.
Определение 1. CALS (Continuous Acquisition and Lifecycle Support - непрерывная поддержка жизненного цикла (ЖЦ) продукта) следует рассматривать как стратегию систематического повышения эффективности, производительности и рентабельности процессов хозяйственной деятельности предприятия.Это возможно за счет внедрения современных методов информационного взаимодействия участников ЖЦ продукта.
В "Проекте руководства по применению CALS в НАТО", выпущенном 1 марта 2000 г., термин "CALS" (Continuous Acquisition and Life Cycle Support) определяется как "...совместная стратегия промышленности и правительства (государства), направленная на реинжиниринг (изменение, преобразование) существующих бизнес-процессов - в единый высокоавтоматизированный и интегрированный процесс управления жизненным циклом систем военного назначения". В данном контексте жизненный цикл включает в себя разработку, производство, применение и утилизацию военной системы.
В дословном переводе аббревиатура "CALS" означает "непрерывность поставок продукции и поддержки ее жизненного цикла". "Непрерывность поставок" требует и подразумевает оптимизацию процессов взаимодействия "заказчика и поставщика" в ходе разработки, проектирования и производства сложной продукции, срок жизни которой с учетом различных модернизаций составляет десятки лет. Для обеспечения эффективности, а также сокращения затрат средств и времени процесс взаимодействия заказчика и поставщика должен быть действительно непрерывным.
Вторая часть определения CALS - "поддержка жизненного цикла" - заключается в оптимизации процессов обслуживания, ремонта, снабжения запасными частями и модернизации. Поскольку затраты на поддержку сложного наукоемкого изделия в работоспособном состоянии часто равны или превышают затраты на его приобретение, принципиальное сокращение "стоимости владения" обеспечивается инвестициями в создание системы поддержки жизненного цикла.
Целью применения CALS-технологий как инструмента организации и информационной поддержки всех участников создания производства и пользования продуктом является повышение эффективности их деятельности. Это возможно за счет ускорения процессов исследования и разработки продукции, придания изделию новых свойств, сокращения издержек в процессах производства и эксплуатации продукции, повышения уровня сервиса в процессах ее эксплуатации и технического обслуживания.
Стратегия CALS объединяет в себе:
применение современных информационных технологий;
реинжиниринг бизнес-процессов;
применение методов "параллельной" разработки;
стандартизацию в области совместного использования данных и электронного обмена данными.
Определение 2.CALS-система представляет собой программно-технический комплекс в виде интегрированных информационных технологий поддержки всех этапов ЖЦ продукции, соответствующих требованиям CALS-стандартов.
Наиболее важными аспектами при рассмотрении научно-методической, программно-технической и нормативно-правовой сторон CALS-технологий являются: функциональное моделирование бизнес-процессов, технологии анализа и реинжиниринга, виртуальные предприятия и многопрофильные коллективы, информационная инфраструктура, нормативная документация.
В большинстве предприятий существуют "островки" автоматизации в виде разобщенных автоматизированных систем САПР, АРМ, АСУТП и др. Дальнейший количественный рост "островковой" автоматизации без интеграции информационных технологий мало перспективен. Вместе с тем замена всех используемых систем требует огромных материальных затрат и обычно нецелесообразна. Разумнее создавать информационную инфраструктуру, в рамках которой существующие автоматизированные системы объединяются и интегрируются, а там, где необходимо, - дополняются новыми технологиями.
Построение такой информационной инфраструктуры начинается с инвентаризации и анализа всех существующих автоматизированных систем.
При этом определяется, на каком этапе развития в данный момент находятся автоматизированные системы, какие системы надо сохранить, какие заменить и какие - заново разработать.
В ходе анализа надо выяснить текущее состояние информационных технологий, используемых участниками предполагаемого виртуального предприятия, учесть планы партнеров, их подходы к стандартизации.
Обычно выявляется большой объем данных, сохраняемых на бумажных носителях, которые следует перенести в электронную среду.
Надо рассмотреть целесообразность такого преобразования и определить, какая информация, в каком объеме, в какой форме и каким способом будет передаваться в рамках единого информационного пространства.
На основе анализа решаются задачи проектирования архитектуры CALS-системы. Проектирование архитектуры предполагает определение аппаратных средств, сетевой инфраструктуры, ПО, необходимого для поддержки усовершенствованных процессов и нового стиля работы.
При создании единого информационного пространства и использовании CALS-технологий большое значение приобретают вопросы защиты информации.
Большинство предприятий совместно используют информацию в электронном виде, обмениваются информацией с заказчиками, поставщиками, партнерами, которые могут быть географически рассеяны. Обмен информацией происходит на всех этапах ЖЦ продукта, в том числе при проектировании, изготовлении и эксплуатации.
11.3.2. Технологии беспроводной связи
Например, технология Bluetooth предназначена для беспроводного объединения технических средств ИТ и создания небольших локальных сетей. Технология использует небольшие приемопередатчики малого радиуса действия, которые непосредственно встраиваются в устройство или подключаются через свободный порт (или PC-карту). Приемопередатчики работают в полосе частот ISM (полоса промышленного, научного и медицинского применения) 2402...2480 МГц.
Радиосвязь обеспечивается в радиусе 10 метров, причем не обязательно в зоне прямой видимости - между соединяемыми устройствами могут быть стены и другие препятствия. В настоящее время создаются средства для увеличения дальности связи до 100 метров.
Радиоканал обеспечивает скорость передачи данных 721 Кбит/с, а также передачу трех голосовых каналов.
Для обеспечения надежной работы технология Bluetooth использует скачкообразную перестройку частоты (FHSS) с расширением спектра. Передатчик переходит с одной частоты на другую по алгоритму, использующему псевдослучайные числа, скорость перестройки - 1600 скачков/с. Режим работы - дуплексный с временным разделением (TDD). Временные интервалы (Time Slots) развертываются для синхронных пакетов, каждый из которых передается на своей частоте радиосигнала.
Технология предусматривает простую интеграцию с TCP/IP. Каждое устройство имеет уникальный 48-битовый сетевой адрес, совместимый с форматом стандарта локальных сетей IEEE 802.
Выделяют 3 класса модулей Bluetooth по мощности излучения: класс 1-100 Вт, класс 2-2,5 Вт и класс 3-1 МВт.
В ближайшее время ожидается появление на рынке принтеров, клавиатур и других периферийных устройств, работающих по технологии Bluetooth.
Разработан стандарт Bluetooth 1.0b, который устанавливает требования к беспроводной связи на небольшие расстояния (до 10 метров с возможностью расширения до 100 м) в нелицензируемом диапазоне 2,45 ГГц. Для создания и отладки устройств Bluetooth фирма Philips выпускает специальные наборы разработчика - Blueberry Developers Kit for Bluetooth Applications. Набор включает материнскую плату, содержащую в себе коммутационные интерфейсы, элементы контроля и управления, разъемы для подключения дочерних плат и дочерние платы с установленными на них RF-модулем и Baseband-контроллером. Такой набор позволяет разработчикам, не меняя конфигурации материнской платы, испытывать различные комбинации контроллеров и трансиверов.
В комплект поставки входят компакт-диск, который помимо документации содержит два пакета программ - загрузчик Blue Star для программирования внутренней и дополнительной flash-памяти контроллера, и программа тестирования Blue Bird для проверки работоспособности устройства в целом. Технология Bluetooth выгодно отличается от других технологий следующими свойствами:
применение маломощных передатчиков;
малые размеры системы, позволяющие устанавливать ее в различные оконечные и периферийные устройства (мобильные и бесшнуровые телефоны, ноутбуки, устройства ввода/вывода ПК, локальные сети и т. д.);
низкая стоимость.
Таким образом, с помощью технологий Bluetooth в единую систему можно объединить самые разные устройства на основе высокоскоростной сети обмена данными как цифровой информации, так и речи. Это происходит без вмешательства со стороны пользователя и открывает ему широкие коммуникационные возможности, позволяющие в любом месте подключиться к сети сотовой связи, подсоединив свой ноутбук к периферийным устройствам ввода/вывода, обеспечить голосовую связь или передачу данных на небольшие расстояния.
В перспективе технология позволит объединять любые электронные устройства, вплоть до холодильников, стиральных машин, микроволновых печей, отопительных систем и дверных замков.
Другими технологиями беспроводной связи являются IrDA (инфракрасная связь), Home R F, IEEE 802-11.
11.3.3. CAN-технологии
CAN-технологии (Controller Area Network), включающие широкий класс программных, схемотехнических и алгоритмических решений, представляют собой промышленные сети для применения в распределенных системах управления, которые работают в режиме "жесткого" реального времени со скоростью передачи до 1 Мбит/с. Технология CAN-bus создана фирмой Bosh в середине 1980-х годов и первоначально широко применялась в немецкоговорящих странах. В настоящее время CAN-технологии широко используются индустриально развитыми странами во всех стратегических областях промышленности, автомобильном и железнодорожном транспорте, авиации, машиностроении, энергетике, промышленной автоматизации и др.
Для применения CAN-bus выпускается достаточный набор компонентов - интеллектуальных датчиков, CAN-контроллеров, программных средств и т. д., разработаны стандарты и учебно-методическая литература. Координацию работ в мировом масштабе по разработке и внедрению CAN-технологий осуществляет коммерческая международная организация CAN in Automation (CiA).
Работы по использованию и развитию CAN-технологий проводятся в следующих направлениях:
разработка промышленных сетей и распределенных систем управления на серийно выпускаемых аппаратах и компонентов CAN-bus;
разработка встроенных систем управления (Embedded Systems) для массовых объектов - транспортных средств, технологических установок, энергоемких бытовых аппаратов на основе имеющихся спецификаций;
создание новых интеллектуальных датчиков и других технических средств для CAN-технологий;
разработка программного обеспечения для CAN-контроллеров и другого заказного ПО. Компоненты для CAN-технологий выпускают известные западные фирмы Bosh GmbH, Siemens AG, ockwell Automation AB, Motorola GmbH, Toshiba Electronics, Europe GmbH, Philips Semiconductors GmbH и др.
В разработке и внедрении CAN-технологий участвуют отечественные фирмы ООО "Марафон" (г. Москва), ООО "Дейтамикро" (г. Таганрог), ЗАО "ЭлеСи" (г. Томск).
11.3.4. STEP-технология
Построение распределенных АС для проектирования и управления в промышленности, взаимодействующих друг с другом в едином информационном пространстве, составляет основу современных CALS-технологий. В CALS-технологиях необходимо обеспечить единообразное описание и интерпретацию данных, независимо от места и времени их получения в общей системе, имеющей масштабы вплоть до глобальных. Структура проектной, технологической и эксплуатационной документаций, языки ее представления должны быть стандартизованными. Тогда становится реальной успешная работа над общим проектом разных коллективов, разделенных во времени и пространстве и использующих разные CAE/CAD/CAM-системы. Одна и та же проектная документация может быть использована многократно в разных проектах, а одна и та же технологическая документация - в разных производственных условиях, что существенно сокращает и удешевляет общий цикл проектирования и производства, а также упрощает эксплуатацию систем.
Эти цели поставлены при разработке стандартов STEP. К их разработке под эгидой ISO привлечен ряд ведущих специалистов фирм в разных отраслях промышленности. Совокупность стандартов STEP составляет основу CALS-технологий.
Единообразная форма описаний данных о промышленной продукции обеспечивается введением в STEP языка Express, инвариантного к приложениям. Стандарты STEP не отрицают, а развивают методику информационного моделирования IDEFIX и предполагают возможность совместного использования с методикой функционального проектирования IDEF0 и рядом других международных стандартов (например, со стандартами ISO P_Lib, Mandate, SGML, CDBF и др.).
В STEP используются следующие основные понятия:
ААМ (Application Activity Model) - функциональная модель IDEF0 для определенного приложения;
ARM (Application Requirements Model) - модель данных, представленная обычными средствами приложения;
AIM (Application Interpreted Model) - ARM-модель, переведенная в STEP-представление;
АР (Application Protocol) - прикладной протокол, описание приложения на языке Express;
Standard Data Access Interface) - программный интерфейс к источникам данных (репозиториям) прикладных систем (в том числе к библиотекам моделей CAD/CAM-систем) с переводом моделей в STEP-файлы; используется в STEP-средах для организации обменов между приложениями через общую базу данных STEP.
STEP состоит из ряда томов. Тома имеют свои номера ( N) и обозначаются как "часть N", или ISO 10303-N.
Контрольные вопросы
Как осуществляется конструкторско-технологическое проектирование?
В чем состоит процедура синтеза тестов?
Что входит в окончательную верификацию принятых проектных решений?
Поясните укрупненную типичную последовательность проектных процедур на маршруте проектирования СБИС.
Какие процедуры включает в себя типичный маршрут проектирования СБИС?
Что называют CALS-технологиями?
Что положено в основу CALS-технологий?
Что предусмотрено в CALS-системах?
Какие возможности дает применение CALS-технологий?
Поясните структурную схему проблематики CALS-технологий.
Что такое "виртуальное производство"?
Что понимают под информационной интеграцией CALS-систем?
Какие направления научно-технического прогресса способствуют интенсивному развитию CALS-технологии?
В чем заключается вторая часть определения CALS - "поддержка жизненного цикла"?
Что объединяет в себе стратегия CALS?
Как решаются вопросы защиты информации в CALS-техноло-гии?
Как используются технологии беспроводной связи?
Что включают в себя CAN-технологии?
В каких направлениях проводятся работы по использованию и развитию CAN-технологий?
Перечислите основные понятия STEP-технологии.
