Информационные технологии проектирования сложных РЭС

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.

1. Проверка корректности исходного алгоритма функционирования СБИС.
2. Формирование абстрактного описания проекта для перехода к составлению расписания операций.
3. Выбор базовой технологии и типов функциональных блоков из имеющейся библиотеки функциональных компонентов, которыми могут быть регистры, сумматоры, мультиплексоры и т. п.
4. 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.
5. Разработка модели устройства на уровне RTL, т. е. синтез схем операционных и управляющих блоков.
6. Верификации выбранного решения, представленного на уровне RTL.
7. Разработка логических схем путем перевода RTL-модели в модель вентильного уровня с помощью компиляторов логики и библиотек логических элементов.
8. Оптимизация и верификация логических схем.
9. Синтез схем тестирования и тестовых наборов.
10. Конструкторско-технологическое проектирование, включающее процедуры планирования кристалла, размещения компонентов и трассировки межсоединений.
11. Верификация динамических параметров схемы с учетом задержек в проведенных межсоединениях.
12. 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-технологий

Применение 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.