Виды обеспечений САПР: методическое, математическое, лингвистическое и программное виды обеспечения
Изучение одного из важнейших видов обеспечения САПР - методического обеспечения и его составных частей: математического и лингвистического видов обеспечения.
10.1. Назначение и состав методического обеспечения САПР
Методическое обеспечение САПР включает в себя: теорию процессов, происходящих в схемах и конструкциях РЭС; методы анализа и синтеза схем и конструкций радиоэлектронных устройств, систем и их составных частей, их математические модели; математические методы и алгоритмы численного решения систем уравнений, описывающих схемы и конструкции РЭС. Указанные компоненты методического обеспечения составляют ядро САПР. В методическое обеспечение САПР входят также алгоритмические специальные языки программирования, терминология, нормативы, стандарты и другие данные. Разработка методического обеспечения САПР РЭС требует специальных знаний в областях радиотехники, электроники, в частности, системотехники, схемотехники и микроэлектроники, конструирования и технологии произ водства РЭС. Следовательно, разработка методического обеспечения САПР РЭС - прерогатива специалистов в области радиотехники и электроники.
Обычно в качестве обособленных блоков в методическом обеспечении выделяются математическое и лингвистическое обеспечения.
Математическое обеспечение - это совокупность математических моделей, методов и алгоритмов для решения задач автоматизированного проектирования.
Лингвистическое обеспечение представляет собой совокупность языков, используемых в САПР для представления информации о проектируемых объектах, процессе и средствах проектирования и для осуществления диалога между проектировщиками и ЭВМ.
Если математическое и лингвистическое обеспечения являются полностью самостоятельными в составе САПР, то под методическим обеспечением САПР понимают входящие в ее состав документы, регламентирующие порядок ее эксплуатации. Документы (методики, организационные, директивные документы), относящиеся к процессу создания САПР, не входят в состав методического обеспечения. Данное уточнение весьма принципиально, так как даже специалисты в области САПР нередко рассматривают методическое обеспечение САПР как методы разработки.
Однако отдельные документы, выпущенные при создании и для создания САПР, могут войти в состав САПР и использоваться при ее эксплуатации. Например, для создания САПР разрабатываются структуры и описания баз данных, инструкции по их заполнению и ведению. Эти документы могут остаться неизменными и стать частью методического обеспечения САПР. Порядок разработки такого рода документов, относящихся к процессу создания САПР и затем включаемых в ее состав, а также обязательный состав эксплуатационных документов определены государственными стандартами.
Компоненты методического обеспечения создаются на основе перспективных методов проектирования, поиска новых принципов действия и технических решений, эффективных математических и других моделей проектируемых объектов, применения методов многовариантного проектирования и оптимизации, использования типовых и стандартных проектных процедур, стандартных вычислительных методов.
Совершенствование организации работ в области автоматизации проектирования направлено на централизованное создание типовых программно-методических комплексов (ПМК) в целях их широкого тиражирования. Такие комплексы должны включать, наряду с программами для вычислительной техники и базами данных, еще комплекты документации. При применении ПМК указанная документация становится частью методического обеспечения САПР.
10.2. Математическое обеспечение САПР
Основу этого компонента САПР составляют алгоритмы, по которым разрабатывается программное обеспечение САПР и, следовательно, осуществляется процесс автоматизирования проектирования САПР. Математическое обеспечение (МО) при автоматизированном проектировании в явном виде не используется, а применяется производный от него компонент - программное обеспечение.
Вместе с тем разработка МО является самым сложным этапом создания САПР, от которого при использовании условно одинаковых технических средств в наибольшей степени зависят производительность и эффективность функционирования САПР в целом.
МО любых САПР по назначению и способам реализации делится на две части. Первую составляют математические методы и построенные на их основе математические модели, описывающие объекты проектирования или их части или вычисляющие необходимые свойства и параметры объектов.
Вторую часть составляет формализованное описание технологии автоматизированного проектирования.
В составе любой САПР эти части МО должны органично взаимодействовать.
Способы и средства реализации первой части МО наиболее специфичны в различных САПР и зависят от особенностей процесса проектирования.
Развитие и совершенствование методов в данной части - процесс постоянный. Создание САПР стимулирует эти работы, и прежде всего - в части разработки оптимизационных методов проектирования.
Сложнее обстоит дело с разработкой второй части МО.Формализация процессов автоматизированного проектирования в комплексе оказалась более сложной задачей, чем алгоритмизация и программирование отдельных проектных задач. При решении задач данной части должна быть формализована вся логика технологии проектирования, в том числе логика взаимодействия проектировщиков друг с другом с использованием средств автоматизации. Указанные проблемы решались и решаются в настоящее время эмпирическим путем, главным образом - методом проб и ошибок.
Следовательно, МО САПР должно описывать во взаимосвязи объект, процесс и средства автоматизации проектирования. Для совершенствования МО выделяют два направления работ:
- развитие методов получения оптимальных проектных решений, в том числе ориентированных на автоматизированное проектирование;
- совершенствование и типизацию самих процессов автоматизированного проектирования.
Анализ существующих методов решения оптимизационных задач автоматизированного проектирования показал следующее:
- к числу важнейших вопросов методологии современного проектирования относится выбор критериев эффективности вариантов проектных решений, что, как правило, требует решения многокритериальных задач оптимизации;
- теоретически наиболее эффективными при поиске оптимальных проектных решений являются методы нелинейного математического программирования;
- в связи с практической сложностью и высокой трудоемкостью поиска оптимальных проектных решений с помощью точных математических методов существует поиск эффективных проектных решений на основе создания специальных "банков знаний" (фондов описаний объектов, технических решений, а также типовых эвристических методов).
10.3. Лингвистическое обеспечение САПР
Это совокупность языков, используемых в процессе разработки и эксплуатации САПР для обмена информацией между человеком и ЭВМ. Термином "язык" в широком смысле называют любое средство общения, любую систему символов или знаков для обмена информацией.
Лингвистическое обеспечение САПР состоит из языков программирования, проектирования и управления.
Языки программирования служат для разработки и редактирования системного и прикладного программного обеспечения САПР. Они базируются на алгоритмических языках - наборе символов и правил образования конструкций из этих символов для задания алгоритмов решения задач ( языки программирования подробно изучаются в курсе "Информатика").
Языки проектирования - это проблемно-ориентированные языки, служащие для обмена информацией об объектах и процессе проектирования между пользователем и ЭВМ.
Языки управления служат для формирования команд управления технологическим оборудованием, устройствами документирования, периферийными устройствами ЭВМ.
Существуют различные уровни языков программирования: высокие, более удобные для пользователя, и низкие, близкие к машинным языкам.
Программа, записанная на некотором языке программирования высокого уровня, называется исходной. Прежде чем исходная программа будет исполнена, она должна быть преобразована в машинную форму, соответствующую ЭВМ данного типа. Подобные преобразования осуществляются специальными программами, называемыми языковыми процессорами.
Основные типы языковых процессоров - трансляторы и интерпретаторы; соответственно, преобразования программ называют трансляцией и интерпретацией.
Трансляцией называют перевод всего текста программы на исходном языке ( исходной программы ) в текст на объектном языке (объектную программу). Если исходный язык является языком высокого уровня, а объектный - машинным, то транслятор называют компилятором. Если исходный язык - машинно-ориентированный (в автокоде), а объектный - машинный, то транслятор называют ассемблером. Если исходный и объектный языки относятся к одному уровню, то транслятор называют конвертером.
По методу трансляции (компиляции) сначала исходная программа переводится на машинный язык, а затем скомпилированная рабочая программа исполняется.
При интерпретации перевод исходной программы в рабочую совмещен во времени; очередной оператор исходной программы анализируется и тут же исполняется.
В большинстве случаев применение трансляторов приводит к меньшим затратам машинного времени, но к большим затратам машинной памяти, чем при интерпретации.
Совокупность языка программирования и соответствующего ему языкового процессора называют системой программирования.
Класс машинно-зависимых языков представлен Ассемблером (макроассемблером). Он относится к языкам низкого уровня и применяется для написания программ, явно использующих специфику конкретной аппаратуры.
К машинно-ориентированным языкам относится язык СИ (разработан в 1972 г.). В нем объединяются достоинства низкоуровневых возможностей ассемблеров и мощных выразительных средств языков программирования высокого уровня. Язык СИ является одним из претендентов на роль основного языка программирования в САПР и ориентирован на разработку системных программ. Он, в частности, послужил главным инструментом для создания операционных систем для ЭВМ UNIX и MS DOS.
Классификация языков проектирования приведена на рис. 10.1.
Языки проектирования делят на: входные, выходные, сопровождения, промежуточные и внутренние.
Входные языки служат для задания исходной информации об объектах и целях проектирования. Во входных языках можно выделить две части: непроцедурную, служащую для описания структур объектов, и процедурную, предназначенную для описания заданий на выполнение проектных операций.
Этим частям соответствуют языки описания объектов и языки описания заданий. Разновидности первых: схемные языки, графические языки и языки моделирования.
Схемные языки применяются для описания электрических и электронных схем и содержат данные об элементах схем и их связях друг с другом.
Графические языки используются для ввода чертежей, геометрических изображений, деталей и т. п. Задание геометрии деталей осуществляется различными способами: координатным, структурно-символическим (методом типовых графических элементов), аналитическим (математическими уравнениями поверхностей и линий) и рецепторным (мозаичным). Разработаны специальные системы графического программирования.
Языки моделирования близки к алгоритмическим языкам и применяются для описания процессов в моделируемом объекте.
Выходные языки используются для представления результатов проектирования в удобном для разработчика виде. Возможные формы представления - таблицы, графики, чертежи, диаграммы, текстовые сообщения. При этом необходимо обеспечить эффективность понимания разработчиком проектных результатов (желательно в графической форме), соблюдение требований стандартов при формировании подлинников конструкторской, программной и технологической документации.
Языки сопровождения служат для непосредственного общения пользователя с ЭВМ и применяются для корректировки и редактирования данных при выполнении проектных процедур. В диалоговых режимах работы с ЭВМ средства языков входного, выходного и сопровождения тесно связаны и объединяются под названием диалогового языка. Современные диалоговые языки широко используют средства машинной графики (графический диалог). Диалог с ЭВМ может быть пассивным,когда инициатор диалога - система, и от пользователя требуются только простые ответы, и активным - при двусторонней инициативе диалога. Наиболее распространенная форма пассивного диалога - это система встроенных, в том числе иерархических, директивных меню.
Недиалоговые системы языков сопровождения ориентированы на пакетный режим работы ЭВМ.
Промежуточные языки используются для описания информации в системах поэтапной трансляции исходных программ. Введение таких языков облегчает адаптацию программных комплексов САПР к новым входным языкам, т. е. делает комплекс открытым по отношению к новым составляющим лингвистического обеспечения.
Внутренние языки устанавливают единую форму представления данных (текстовой и графической информации) в памяти ЭВМ по подсистемам САПР. Принимаются определенные соглашения об интерфейсах отдельных программ, что делает САПР открытой по отношению к новым элементам программного обеспечения.
В качестве примера современного языка проектирования можно указать язык VHDL (VHSIC - hardware description language) - язык описания аппаратуры на базе сверхвысокоскоростных интегральных схем. Этот язык принят в качестве стандарта как инструментальное средство автоматизации проектирования СБИС, ориентированное на методологию нисходящего проектирования. Он является достаточно универсальным, чтобы охватить все аспекты проектирования изделий в области цифровой электроники.