Программное обеспечение САПР
9.1. Программное обеспечение САПР. Прикладное программное обеспечение САПР РЭС. Системное программное обеспечение
Программное обеспечение САПР представляет собой совокупность всех программ и эксплуатационной документации к ним, необходимых для автоматизированного проектирования. Физически в состав ПО входят [7, 30, 16]:
- документы с текстами программ;
- программы, записанные на машинных носителях информации;
- эксплуатационные документы.
ПО конкретной САПР включает в себя программы и документацию для всех типов ЭВМ, используемых в данной САПР.
Составляющие программного обеспечения САПР, а также требования к его разработке и документированию установлены государственными стандартами.
ПО САПР подразделяется на общесистемное и специализированное.
Общесистемное ПО содержит набор программных средств, которые предназначены для повышения эффективности использования вычислительных комплексов САПР и производительности труда персонала, обслуживающего эти комплексы. К функциям общесистемного ПО относятся:
- управление процессом вычислений;
- ввод, вывод и частично обработка информации;
- диалоговая взаимосвязь с пользователем в процессе проектирования;
- решение общематематических задач;
- хранение, поиск, сортировка, модификация данных, необходимых при проектировании, защита их целостности и защита от несанкционированного доступа;
- контроль и диагностика работы вычислительного комплекса.
Три первые и последняя из указанных функций реализуются в современных вычислительных комплексах на базе операционных систем (ОС), т.е. комплекса программ, управляющих ходом выполнения рабочих программ и использованием всех ресурсов вычислительного комплекса (ВК).
Для решения общематематических задач в состав общесистемного ПО включают соответствующие библиотеки стандартных программ. Для хранения и использования различных данных создаются специальные системы управления базами данных (СУБД).
Специализированное ПО включает в себя прикладные программы и пакеты прикладных программ (ППП), основной функцией которых является получение проектных решений.
Конкретный состав общесистемного ПО зависит от состава технических средств вычислительного комплекса САПР и устанавливаемых режимов обработки информации на этом комплексе.
Операционные системы включают в себя программы двух групп ( рис. 9.1):
- обрабатывающие программы, составляющие подсистему подготовки программ пользователя (внешнее программное обеспечение);
- управляющие программы, образующие группу исполнения программ пользователя (внутреннее программное обеспечение).
К обрабатывающим программам относятся трансляторы с алгоритмических языков, библиотеки стандартных программ и системные обслуживающие программы.
Группа управляющих программ включает в себя программы управления задачами, заданиями и данными.
Программа управления задачами ( супервизор, диспетчер, монитор, резидентная программа) находится в оперативной памяти и выполняет все необходимые диспетчерские функции — переключение с выполнения одной программы на другую, распределения ресурсов времени и оперативной памяти между программами. Супервизор реализует мультипрограммный режим работы ЭВМ или режим разделения времени.
Программы управления заданиями выполняют интерпретацию директив языка управления заданиями: ввод, трансляция, загрузка в память ЭВМ, решение, вывод информации.
Программы управления данными обеспечивают поиск, хранение, загрузку в оперативную память и обработку файлов.
Прикладное программное обеспечение представляют пакеты прикладных программ (ППП) для выполнения различных проектных процедур. Они разрабатываются на основе единого внутреннего представления графической и текстовой информации, единого входного языка, строятся по модульному принципу и ориентированы на использование непрограммистом-проектировщиком.
Различают несколько типов ППП в зависимости от состава пакета. Пакеты прикладных программ простой структуры характеризуются наличием только обрабатывающей части — набора функциональных программ (модулей), каждая из которых предназначена для выполнения только одной проектной процедуры. Объединение нужных модулей осуществляется средствами операционной системы ЭВМ.
Пакеты прикладных программ сложной структуры и программные системы появились в результате развития прикладного программного обеспечения. В первых из них имеется собственная управляющая часть — монитор, во вторых, кроме того, — языковой процессор с проблемно-ориентированным входным языком. Программные системы вместе с соответствующим лингвистическим и информационным обеспечением называют программно-методическими комплексами САПР.
Управляющая часть программного обеспечения имеет иерархическую организацию, и в общем случае в ней можно выделить различные уровни: уровень операционных систем вычислительной сети, операционных систем отдельных ЭВМ, мониторных систем САПР и мониторов отдельных ППП.
Основные функции управляющей части: связь с пользователем в режиме диалога, планирование вычислительного процесса, распределение вычислительных ресурсов, динамическое распределение памяти и другие.
Специализированное ПО САПР создается с учетом организации и возможностей общесистемного программного обеспечения. В целом состав и структура ПО определяются составом и структурой САПР и ее подсистем.
С развитием и совершенствованием вычислительной техники (ВТ) все большее значение приобретает такой компонент общесистемного программного обеспечения, как операционная система. Возможности, предоставляемые современными вычислительными комплексами, в большей степени определяются их операционными системами (ОС), чем техническими устройствами.
Операционные системы организуют одновременное решение различных задач на ВТ, динамическое распределение каналов передачи данных и внешних устройств между задачами, планирование потоков задач и последовательности их решения с учетом установленных приоритетов, динамическое распределение памяти вычислительного комплекса, обеспечивают работу в различных режимах (с фиксированным и переменным числом задач в интерактивном режиме).
Операционные системы постоянно совершенствуются, развиваются, создаются новые ОС для новых поколений или семейств ВТ.
Системное программное обеспечение включает программы, осуществляющие управление, контроль и планирование вычислительного процесса, распределение ресурсов, ввод/вывод данных и другие операции в подсистемах САПР. Его подразделяют на две части. Первая часть — общесистемное ПО, которое представлено операционными системами. Они используются в САПР. Другая часть — базовое программное обеспечение, включающее программы обслуживания подсистем САПР (мониторные системы, СУБД, графические и текстовые редакторы).
К программному обеспечению предъявляются следующие требования:
- экономичность (эффективность по быстродействию и затратам памяти);
- удобство использования, применение простых проблемно-ориентированных языков;
- наличие средств диагностики ошибок пользователя;
- надежность и правильность получения результатов проектирования;
- универсальность по отношению к тем или иным ограничениям решаемых задач;
- открытость (адаптируемость) относительно внесения изменений в процессе эксплуатации программ;
- сопровождаемость, характеризующая работоспособность программ при внесении изменений в них;
- мобильность при перестройке программ с ЭВМ одного типа на ЭВМ другого типа.
Программное обеспечение целесообразно разрабатывать на основе принципов модульности и иерархичности. Операционная система является основным компонентом системного программного обеспечения САПР.
Принципы модульности и иерархичности позволяют организовать коллективную параллельную разработку различных частей программного обеспечения, создавать открытые программные системы, облегчают их комплексную отладку и информационное согласование.
Выделяют системный уровень разработки прикладного программного обеспечения, уровень прикладных программ и уровень подпрограмм (модулей).
Связи между отдельными программными модулями могут быть реализованы по управлению, информации, размещению и воздействию.
Связи модулей по управлению могут быть двух типов: последовательные связи между модулями без возврата в предыдущий модуль и иерархические связи с подчиненностью модулей различных уровней.
Связи модулей по информации проявляются в передаче числовых массивов в несколько модулей пакета. Этот аспект взаимодействия модулей затрагивает проблемы построения информационного обеспечения САПР.
Связи модулей по размещению указывают группы модулей, одновременно размещаемых в оперативной памяти на различных этапах проектирования.
Связи модулей по воздействию отражают такие воздействия одних программ на другие, которые приводят к изменению самих программ, например, воздействие языковых процессов на рабочие программы. Внутри рабочих программ связи модулей по воздействию стараются исключить.
К настоящему времени разработано большое количество пакетов прикладных программ САПР электрических и электронных средств. В качестве примеров можно привести ДИСП, САМРИС-2, СПАРС, АРОПС, КРОСС. Из зарубежных систем можно отметить пакеты Micro CAP, PSPICE, P-CAD, SPADE.
Значительное число этих пакетов ориентировано на автоматизацию проектирования печатных плат, цифровых и аналоговых интегральных схем, операционных усилителей, низкочастотных радиотехнических устройств.
Однако на данное время существует недостаточно пакетов программ проектирования радиочастотных, в том числе мощных устройств, радиоэлектронных средств СВЧ, пакетов, посвященных комплексному построению и интеграции радиочастотных средств, включающих в себя как усилители, так и пассивные радиочастотные устройства, вплоть до антенн и СВЧ-устройств.
Развитие программного обеспечения САПР требует все более значительных затрат высококвалифицированного труда. Стоимость многих промышленных САПР составляет миллионы долларов. Поэтому актуальной становится разработка САПР второго порядка, или САПР САПРов. Пока таких систем еще не существует, но прогресс в этом направлении наблюдается. В отличие от традиционных САПР, в таких системах результат имеет нематериальный (информационный) характер. Различие результатов вызвано различными языками описания предметных областей: в одном случае — чертежи, схемы, устройства, а в другом — программа проектирования. Однако и в том, и в другом случае возможен единый системный методологический подход к проектированию: становится актуальным создание и развитие банка инженерных знаний, необходимых для проектирования.