Содержание к диссертации
Введение
1. Назначение и принципы построения банка типовых схемотехнических решений (банка суми) в рамках системы схемотехнического проектирования (ССП) 10
1.1. Основные функции банка схем (БС) в процессе автоматизированного схемотехнического проектирования 10
1.2. Принципы построения БС 21
1.3. Общие требования к программным средствам БС и выбор технических средств реализации БС 26
1.4. Выводы 34
2. Разработка информационной структуры банка схем 35
2.1. Постановка задачи 35
2.2. Логическая организация БС 38
2.3. Физическая организация БС 58
2.4. Выводы 78
3. Организация поиска,формирования и ведения информации в банке схем 79
3.1. Постановка задачи 79
3.2. Поисковые операции банка схем 81
3.3. Организация средств обслуживания БС 86
3.4. Выводы 97
4. Реализация программных средств банка схем в системе схемотехнического проектирования 99
4.1. Структура программных средств БС 99
4.2. Организация связи БС с ССП ДИСП 106
4.3. Методика применения программных средств БС 109
4.4. Перспективы развития БС 118
4.5. Выводы 122
Заключение 124
Литература
- Основные функции банка схем (БС) в процессе автоматизированного схемотехнического проектирования
- Общие требования к программным средствам БС и выбор технических средств реализации БС
- Постановка задачи
- Структура программных средств БС
Введение к работе
В решениях ХХУІ съезда КПСС подчеркивается необходимость дальнейшего совершенствования вычислительной техники, ее математического обеспечения, систем сбора, передачи и обработки информации, создания развитых систем автоматизированного проектирования / I /.
Среди таких систем важное место занимают системы схемотехнического проектирования (ССП) электронных устройств. В настоящее время большинство ССП предназначено, в основном, для оценки представляемых вариантов схем и поиска значений параметров компонентов схемы, при которых эта схема будет функционировать в соответствии с техническим заданием / 7,8,48 /. Вопросы автоматизированного получения первоначальных вариантов схемных решений в таких системах полностью не решены.
В основе схемотехнического проектирования лежит этап структурного схемотехнического синтеза, на котором определяется конфигурация схемы проектируемого электронного устройства. Успехи, достигнутые в решении задач структурного схемотехнического синтеза, относятся, как правило, к узким классам схем. Видное место в решении проблемы синтеза линейных схем занимают работы Лан-нэ А.А. / 55 /. В работах Глориозова Е.Л. разработан аппарат схемотехнического структурного синтеза логических электронных схем / 26,27 /. Задача схемотехнического структурного синтеза представляет собой творческую задачу, для решения которой человеку необходимо использовать знания, опыт, интуицию. По-прежнему, в выполнении этого этапа центральная роль принадлежит человеку / 73 /.
Анализ сложившейся методики схемотехнического проектирования показывает, что первоначальный вариант схемного решения мо~ жет быть получен: во-первых, поиском и выбором готового схемного решения, во-вторых, формированием схемного решения из готовых схемных решений более низкого порядка ( так проводится синтез схем из функциональных подсхем и отдельных компонентов), в-третьих, использованием алгоритмов или правил, позволяющих на основе технического задания автоматически создавать схемное решение.
При проектировании схем, для которых не удается реализовать автоматическое получение схемных решений на основе технического задания, возникает проблема оперативного формирования и ввода описаний таких схем в ССП.
Возможности существующих в рамках ССП библиотек описаний схем / 7,8,89 / для решения стоящей проблемы ограничены, так как такие библиотеки имеют простую организацию данных и не обеспечивают эффективного поиска информации при большом числе хранящихся описаний схем.
Поэтому актуальным становится введение в ССП эффективных средств, обеспечивающих схемотехнику возможность хранения, выбора и оперативного использования информации о готовых схемных решениях при проектировании. Это позволит: накапливать варианты схемных решений и эффективно использовать их в дальнейшем; сократить повторные расчеты электронных схем; создавать на основе готовых схемных решений новые варианты схем в рамках ССП; оперативно переходить к оценке полученных вариантов схемных решений.
Для повышения эффективности работы схемотехника необходимо использование режима графического диалога. При этом проектиров- щик работает не с абстрактным текстом, каковым является описание схемы на входном языке конкретной ССП, а с графическим изображением схемы, что обеспечивает: высокую наглядность; резкое сокращение объема ввода текстовой информации; возможность манипулирования укрупненными порциями информации при формировании схем из подсхем.
Создание в рамках ССП мощной информационной базы для хранения сведений о готовых электронных схемах - банка типовых схемотехнических решений ( для краткости - банка схем ) - предполагает решение следующих задач: разработка информационной структуры банка схем (БС); разработка специальных программных средств БС; организация отбора схемотехнической информации для наполнения БС.
В рамках диссертационной работы решаются первые две задачи. Информационная структура БС обеспечит организацию хранения сведений об электронных схемах в удобном для последующего использования виде. Специальные программные средства необходимы для того, чтобы поддерживать информационную структуру БС. Программные средства должны обеспечить не только ведение и поиск информации, но и графический интерактивный диалог, связь с ССП. Разработка программных средств БС в системе автоматизации схемотехнического проектирования является актуальной задачей, имеющей большое практическое значение.
Отбор схемотехнической информации для наполнения БС возложим на экспертов и схемотехников высокой квалификации. Рациональная организация отбора сведений должна обеспечить динамичное изменение информации в БС с тем, чтобы эта информация была полной, перекрывала практические потребности и соответствовала последним достижениям схемотехники.
Целью диссертационной работы является исследование принципов организации банка схем и разработка на основе этого исследования программных средств банка схем, обеспечивающих его функционирование в рамках системы схемотехнического проектирования.
Для достижения указанной цели необходимо решение следующих основных задач: исследование и разработка общих принципов организации банка типовых схемотехнических решений в системе схемотехнического проектирования; проведение анализа существующих форм представления данных на ЭВМ и разработка информационной структуры для хранения сведений об электронных схемах графического и символьного характера; разработка графических диалоговых средств выбора готовых схемных решений и формирования схемы из функциональных подсхем; разработка и создание программных средств формирования и ведения БС, позволяющих информацию в БС поддерживать на уровне, соответсвующем современному развитию схемотехники; обеспечение информационного единства БС и ССП; практическое применение полученных результатов при разработке программных средств БС, функционирующего в рамках ССП аналоговых электронных схем.
Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем: разработаны принципы организации банка типовых схемотехнических решений, на основе которых реализованы программные средства банка схем; в общий цикл автоматизированного схемотехнического проек- тирования включен процесс создания принципиальной схемы электронного устройства в режиме графического диалога с автоматическим формированием описания схемы для этапов анализа и оптимизации; разработан способ представления графической и символьной информации об электронных схемах в банке схем; разработаны средства, позволяющие накапливать опыт схемотехнического проектирования и оперативно его использовать при создании новых схемных решений.
Теоретические и практические результаты диссертационной работы использовались в двух научно-исследовательских работах, выполненных на кафедре электронных и магнитных цепей ЛЭТИ им. В.И.Ульянова (Ленина) в 1980-1983 гг. по программе САПР Минвуза РСФСР для нужд промышленности. Разработанные автором программные средства банка типовых схемотехнических решений входят в состав базовой учебно-проектной САПР "ЭМЦ-СМ", создаваемой в соответствии с постановлениями ГКНТ СССР, ГОСПЛАНА СССР и АН СССР JS 474/250/132 от 12.12.80 г. ( целевая комплексная научно-техническая программа 0.Ц.027, задание 05.21.).
Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, изложенных на 123 страницах машинописного текста, списка литературы, включающего 127 наименований, и приложений.
Первая глава посвящена исследованию и разработке принципов построения банка электронных схем. Здесь определяются цели создания БС в рамках ССП. Выделены основные функции программных средств БС в процессе автоматизированного схемотехнического проектирования. Рассмотрены вопросы, связанные с ориентацией программных средств БС на графический комплекс АРМ-Р на базе мини-ЭВМ типа СМ.
Во второй главе рассматриваются вопросы разработки информационной структуры БС, обеспечивающей организацию хранения информации об электронных схемах, необходимой в процессе схемотехнического проектирования. Для представления информационной структуры БС предлагается использовать семантическую сеть. Организация информационной структуры рассматривается на логическом и физическом уровнях.
Третья глава посвящена организации поисковых и проектных процедур, средств формирования и ведения информации в БС.
В четвертой главе приводится описание реализации программных средств БС в рамках диалоговой системы схемотехнического проектирования (ДИСП). Дана методика создания принципиальной схемы электронного устройства в режиме графического диалога с использованием программных средств БС. Рассмотрены перспективы дальнейшего развития БС.
Основные функции банка схем (БС) в процессе автоматизированного схемотехнического проектирования
Задача процесса проектирования состоит в получении такого описания спроектированного объекта, которое бы удовлетворяло требованиям технического задания и могло служить достаточным основанием для последующей физической реализации объекта /3/.
Традиционное представление о процессе схемотехнического проектирования показано на рис. I.I. Необходимость создания конкретного радиоэлектронного устройства обуславливает ряд требований к проектируемой схеме, которые образуют вектор внешних параметров Q . В соответствии с заданными требованиями осуществляется генерация проектного решения электронной схемы (блок Q ) и формируется вектор внутренних параметров X. Внутренние параметры характеризуют свойства компонентов электронной схемы (резисторов, транзисторов, конденсаторов и т.д.). В состав вектора X входит и информация о способе включения компонентов между собой.
Иными словами, вектор внутренних параметров X содержит всю необходимую информацию для перехода к следующему за схемотехническим этапу проектирования электронного устройства. Однако„ прежде чем осуществить этот переход, следует установить, соответствует ли вариант схемного решения заданным требованиям (блок F ). В результате формируется вектор выходных параметров У.
Выходные параметры позволяют оценить вариант электронной схемы и принять соответствующие решения ( блок D ). Далее осуществляется необходимая коррекция вектора внешних параметров Q ( блок R ) На основе уточненных внешних параметров схемное решение может быть сгенерировано вновь. Описанный процесс повторяется до получения приемлемых результатов.
Сложившаяся методика схемотехнического проектирования показывает, что для экспериментального подбора оптимальных режимов работы разработчики прибегают к макетированию электронного устройства. Таким образом, весь процесс проектирования, представленный на рис. I.I, полностью выполняется человеком.
Возросшая сложность и многообразие электронных схем ставят перед схемотехниками задачи, которые нельзя эффективно решать без применения ЭВМ. В современном машинном проектировании выделяют два основных направления: проектирование, при котором ЭВМ применяется для выполнения отдельных расчетов, а также автоматизированное проектирование, когда задача целиком погружается в вычислительную среду и рассматривается как предметная / 48 / . В основе автоматизированного проектирования лежит возможность адекватного моделирования на ЭВМ процессов, протекающих в реальном объекте ( электронной схеме).
Смысловое содержание этапа генерации схемного решения (блок Q ) сводится к тому, что известна цель функционирования схемы и требуется создать такую структуру схемы и определить такие параметры составляющих ее элементов, при которых поставленная цель будет достигнута.
Существует несколько моделей / 127 Л которые могут лежать в основе процесса генерации схемных решений. Простейшей является модель соответствия ( смотри рис. 1.2-а). Модель предполагает наличие двух конечных областей ( функциональной области Q и области решений о ), между элементами которых существует однозначное соответствие: У: Q — - 5 . Каждому элементу области векторов внешних параметров ( Q , Q , ..., Q ) соответствует элемент области о готовых схемных решений ( &4 , «3 » э «5П). Задача получения варианта схемного решения сводится к поиску в области Q вектора внешних параметров, аналагичного вектору внешних параметров запроса.
Примером использования модели соответствия может служить библиотека описаний схем. Здесь проблему восстановления данных решает сам пользователь-схемотехник. Модель позволяет сократить повторные расчеты, но не обеспечивает создания новых вариантов схемных решений.
Общие требования к программным средствам БС и выбор технических средств реализации БС
В соответствии с целями создания и принципами построения БС проведем анализ требований, которым должен отвечать комплекс программных средств БС, в следующих аспектах: - выполнение общих требований к информационному обеспечению процесса схемотехнического проектирования; - возможности состава технических средств для реализации БС; - возможности базового программного обеспечения выбранных технических средств.
Одним из основных требований, предъявляемых к программным средствам БС с точки зрения информационного обеспечения процесса схемотехнического проектирования является предоставление пользователю возможности оперативного доступа к необходимому количеству вариантов схемных решений для выбора нужной схемы. Хранящееся в БС количество вариантов схемных решений будет достаточным, если пользователь, обращаясь к БС в процессе проектирования, сможет найти схемные решения, отвечающие требованиям технического задания или близкие к ним решения.
Очевидно, что количество схемных решений, хранящихся в ЕС, должно, по крайней мере, быть соразмерно количеству схем, которое можно найти в справочной литературе. Кроме того, важно не просто увеличивать количество схемных решений в БС, но и обеспе чивать качественное их соответствие современному уровню развития схемотехники.
Наиболее реально представить, что в БС будут храниться схемные решения лишь по нескольким конкретным разделам схемотехники, таким как операционные усилители, стабилизаторы напряжения и другие.
В качестве примера оценим общее количество схемных решений электронных стабилизаторов напряжения, которые предполагается хранить в БС.
В справочной и патентной литературе можно найти около I тысячи вариантов схемных решений электронных стабилизаторов напряжения. Из них примерно 90% составляют схемы, состоящие из функциональных структурных элементов - подсхем /80, 83 /.
Перейдем к оценке количества схемных решений стабилизаторов напряжения, которые будут находиться в распоряжении пользователя при его работе с БС.
Предположим, что в БС хранятся сведения об I тысяче схем, относящихся к классу электронных стабилизаторов напряжения. Это будет соответствовать тому объему информации о типовых схемных решениях, который доступен схемотехнику при обращении к справочной и патентной литературе.
Возможности БС по обеспечению пользователей-схемотехников вариантами схемных решений значительно возрастут, если с помощью программных средств БС реализовать процесс формирования схем из функциональных подсхем. В этом случае общее количество схемных решений, которые пользователь может получить с помощью БС, приближенно можно оценить по следующей формуле: где К - количество структур, по которым выполняются схемные решения; Пи - количество схемных реализаций і -той подсхемы і-той структуры; гтк - количество подсхем в 1-ой структуре.
Можно выделить примерно 10+15 типовых структур, по которым выполняются схемные решения электронных стабилизаторов напряжения. Среднее число подсхем в структуре равно 5. По каждой подсхеме в среднем встречается 5+6 схемных реализаций. Тогда в соответствии с формулой (І.І) количество вариантов схемных решений стабилизаторов напряжения, которые могут быть сформированы в БС, будет приблизительно около 40 тысяч, что значительно превышает число схемных реализаций, встречающихся в справочной литературе.
Кроме предоставления пользователю-схемотехнику возможности оперативного доступа к информации о готовых схемных решениях программные средства БС должны обеспечить оперативное использование этой информации при проектировании новых схем.
Важным аспектом повышения оперативного использования информации о готовых схемных решениях для создания новых схем является обеспечение высокой наглядности представления информации в БС, что может быть достигнуто с помощью графической формы представления данных. Это прежде всего связано с тем, что общепринятым и наглядным способом представления соединений компонентов в электронной схеме является ее принципиальная схема. Кроме того, часть результатов проектирования (например, выходные частотные характеристики схемы) удобно представлять в графической форме.
Постановка задачи
Важное значение при разработке и создании любой информационной системы придается организации поисковых операций, а также операций по формированию и ведению информации / 67,106 /.
Все проектные процедуры работы пользователя с БС опираются на процедуры поиска. Процедуры поиска должны также обеспечивать работу процедур формирования и ведения, так как прежде чем внести или удалить какие-либо сведения в БС надо найти соответствующее место, где требуется необходимая коррекция информации.
Основу логической организации БС составляет семантическая сеть. Поэтому, важное место среди процедур поиска занимает поиск по семантической сети БС.
Поиск по СС БС заключается в нахождении необходимых и неизвестных пользователю понятий через известные понятия и их взаимосвязи (отношения) с другими понятиями СС. Эти другие понятия и служат кандидатами на роль понятий, необходимых пользователю. Такой поиск основан на предположении, что пользователю всегда известна часть понятий предметной области, а также некоторые отношения между этими понятиями. Анализируя связи известных понятий пользователь получает доступ к понятиям, которые ему неизвестны или он уже о них не помнит.
Каждое отношение в БС должно задаваться на множестве понятий схемотехники. Выбор совокупности используемых отношений производится на основе анализа предметной области. Список отношений всегда может быть дополнен. Этот список, по-существу, и является основным инструментом при поиске. Умение манипулировать списком отношений - залог успешного и быстрого нахождения требуемой информации.
Поиск по семантической сети позволяет решать задачу выделения совокупности понятий,однородных по своей природе и поставленных в соответствие с конкретным объектом предметной области. Для решения задачи поиска объекта предметной области среди выделенного множества однородных объектов следует организовать поиск по значениям их атрибутов.
Гибкость процедур поиска будет проявляться и в предоставлении пользователю возможности производить поиск известных ему вариантов схем гораздо быстрее, чем это он сделал в первый раз. Такая возможность обеспечивается посредством доступа к основным понятиям семантической сети БС через словарь понятий (смотри 2.3) Если пользователь помнит имя схемы (понятие,поставленное в соот ветствие узлу семантической сети), то он легко может получить необходимую информацию по схеме, указав это имя.
Создание новых вариантов схемных решений, потребности проектировщиков в оперативном использовании последних достижений схемотехники приводят к необходимости постоянного пополнения БС типовыми схемотехническими решениями.
Функция ведения БС должна выполняться администратором банка схем. К администратору БС предъявляются высокие требования, так как ему придется обеспечивать подбор и коррекцию информации в условиях постоянного обращения к БС пользователей.
Администратор БС отвечает за то, чтобы семантическая сеть отражала реальные связи между понятиями предметной области. Он должен быть в курсе всех новых разработок в области схемотехники.
Чтобы обеспечить администратору возможность поддерживать информацию в БС в актуальном состоянии, необходимо создание гиб ких и развитых средств формирования и ведения данных.
В состав таких средств должны входить не только средства формирования и ведения семантической сети БС, но и дополнительные средства, предназначенные для формирования графической информации.
Требования к поисковым операциям должны строиться с учетом характера проектных процедур, в которых должен использоваться банк схем / 8 /.
Банк схем предназначен для обеспечения пользователя информацией о типовых схемотехнических решениях, представленной в удобном для оперативного использования виде, при проектировании новых вариантов схем.
Поэтому, основным требованием к операциям поиска является возможность оперативного доступа к схемам с заданными характеристиками.
Предписание на поиск задается в форме запроса, состоящего из двух частей: смысловой и параметрической. Смысловая часть запроса содержит понятия и отношения, характеризующие искомую схему. Параметрическая часть запроса состоит из значений качественных показателей (параметров схемы) и их идентификаторов.
Понятия и отношения, указанные в запросе, сокращают пространство поиска и позволяют перейти от верхних общих понятий семантической сети к более конкретным.
Рассмотрим несколько вариантов представления смысловой части запроса ( знак "-" означает пробел): I) понятие 1 _ отношение 1 _ понятие 2 _ отношение 2 _ понятие 3 ...; 2) понятие l _ отношение 1 _ понятие 2 , понятие 3 , понятие 4 ...; 3) понятие 1 _ отношение 1 _ понятие 2 понятие 3 _ отношение 2 _ понятие 4 ... .
Многоточие во всех трех вариантах означает, что текст запроса может быть продолжен. Нумерация понятий и отношений является условной и характеризует порядок следования в запросе.
Первый вариант характеризует ситуацию, когда понятия образуют цепочку с помощью разных отношений. Если отношение одно, то его можно не указывать каждый раз (второй вариант). Третий вариант является комбинацией первых двух.
Анализ вариантов показывает, что формирование запроса является непростой задачей. Запрос задает область поиска. И от того, насколько точно сформирован запрос, зависит время поиска. Дополнительно пользователь может в запросе указывать окрестности понятий, которые отделяются двоеточием.
Следует отметить, что указывая окрестности понятия, присутствующего в запросе, пользователь увеличивает пространство, а значит, и время поиска.
После трансляции понятий и отношений смысловой части запроса производится его формирование во внутреннее представление в виде цепочки кодов понятий и отношений. Понятия и отношения, не найденные в соответствующих словарях, игнорируются по желанию пользователя. Пользователь в этом случае может внести в запрос необходимые изменения.
Структура программных средств БС
Результаты исследования принципов организации банка типовых схемотехнических решений в рамках системы схемотехнического проектирования легли в основу программных средств банка схем (ЕС), разработанных на кафедре электронных и магнитных цепей ЛЭТИ имени В.И.Ульянова (Ленина).
Существующий вариант программных средств БС использует стандартный комплект технических средств комплекса АРМ-Р на базе СМ-3. В настоящее время разработанные программные средства БС позволяют осуществлять формирование принципиальных схем из функциональных подсхем и отдельных компонентов на экране графического дисплея, проводить поиск готовых схемных решений и оперативно переходить к их оценке в рамках диалоговой системы схемотехнического проектирования ДИСП-02.
Программные средства БС реализованы в виде двух диалоговых пакетов программ (ДПП): ДПП сеанса проектирования и ДПП ведения информации. Каждый ДПП включает управляющую программу пакета и ряд программных модулей, количество которых определяется набором задач, решаемых в данном ДПП. Программные модули могут добавляться по мере их разработки.
Диалоговый пакет программ сеанса проектирования
Диалоговый пакет программ сеанса проектирования включает в себя программные средства БС, предназначенные для организации работы проектировщика-схемотехника на начальном этапе схемотехнического проектирования, связанным с созданием исходного вари 100 анта схемы. Использование программных модулей пакета дает возможность схемотехнику осуществлять доступ к графической ж текстовой информации о схемах, хранящихся в БС.
На рисунке 4.1 представлена структурная схема ДПП сеанса проектирования. Двухуровневая иерархическая структура программных средств пакета построена таким образом, что в оперативной памяти может находиться или управляющая программа пакета или программный модуль пакета. Это позволяет минимизировать размеры используемой оперативной памяти.
Рабочим местом схемотехника является графический терминал, включающий графический дисплей ЭПГ-400, алфавитно-цифровую и функциональную клавиатуры. Запуск УШ осуществляет управляющая программа системы ДИСП. После запуска УШ схемотехнику предлагается перейти к графическому дисплею, на экран которого выводится текст запроса и возможные варианты ответа: СИСТЕМА ГОТОВА К РАБОТЕ Х К # С БАНКОМ СХЕМ ЧТО ВЫ СОБИРАЕТЕСЬ ДЕЛАТЬ: I - ПРОВОДИТЬ ПОИСК СХЕМ, - ФОРМИРОВАТЬ СХЕМУ ИЗ ПОДСХЕМ, - ПЕРЕЙТИ К АНАЛИЗУ СХЕМЫ, - РИСОВАТЬ ПРИНЦИПИАЛЬНУЮ СХЕМУ НА ГРАФОПОСТРОИ ТЕЛЕ? ВВЩИТЕ НОМЕР ВАШЕГО ОТВЕТА! После нажатия пользователем клавиши с выбранным номером ответа на экране дисплея начинает мерцать соответствующая этому номеру световая кнопка (звездочка). Следующим шагом является фиксация выбранной операции, которая производится нажатием клавиши Е К . До нажатия клавиши .2 К у пользователя есть возможность изменить свой выбор. Управляющая программа пакета передает управление управляющей программе системы ДИСП, если пользователь не выберет операцию и нажмет клавишу ЬК .
После фиксации выбранной процедуры УПП вызывает соответствующий программный модуль, при этом сама УПП удаляется из оперативной памяти. Программный модуль заканчивает свою работу и передает управление обратно в УПП. При переходе к анализу схемы (режим 3) возврат в УПП производится через управляющую программу системы ДИСП.
Рассмотрим коротко программные модули диалогового пакета программ сеанса проектирования.
Программный модуль поиска схем предназначен для обеспечения проектировщику возможности знакомства с готовыми схемами и подсхемами, хранящимися в БС. Программный модуль позволяет проводить поиск в автоматическом и ручном режиме (смотри 3.2). Если удовлетворяющее разработчика схемное решение будет найдено, то оно может быть использовано в дальнейшем. Информация о выбранном схемном решении может быть выведена в желательной для пользователя форме: на экран графического дисплея или на графопостроитель - принципиальная схема, на перфоленту - описание схемы для ССП и так далее.
