Характеристики различных видов обеспечения САПР

1.6.1. Техническое обеспечение САПР

Технические средства САПР – это совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих аппаратных средств, предназначенных для выполнения автоматизированного проектирования.

Технические средства делятся на две основные группы:

центральные средства, включающие собственно ЭВМ, осуществляющие прием данных, их программную обработку, накопление и выдачу информации на устройства отображения и в каналы связи;

периферийные (терминальные) средства, используемые для подготовки и ввода данных, отображения и документирования данных и результатов проектирования, хранения информации, оперативного общения пользователя с системой в процессе проектирования.

Основой технических средств САПР является базовая ЭВМ, содержащая процессоры, запоминающие устройства, устройства управления и каналы ввода-вывода информации.

За десятилетия своего развития технические средства САПР прошли ряд этапов, в значительной степени связанных со сменой поколений ЭВМ и совершенствованием периферийных устройств. Базовые ЭВМ первых поколений САПР РЭС представляли собой автоматизированные рабочие места (АРМ) на основе универсальных ЭВМ среднего класса и мини-ЭВМ с расширенным набором периферийных устройств ввода-вывода графической информации (АРМ на базе ЭВМ IBM-360 и PDP-11 за рубежом, АРМ на базе БЭСМ-6, МИР, ЕС ЭВМ, СМ ЭВМ, «Электроника» у нас в стране). Характерной чертой развития технических средств этих поколений было стремление максимально приблизить АРМ к проектировщику РЭС с помощью САПР. Возникшее при этом противоречие между требованием относительно низкой стоимости, габаритов и потребления и требованием сохранения высоких технических параметров базовых ЭВМ из-за сложности решаемых задач САПР привело к созданию мощных децентрализованных систем ЭВМ, объединенных локальными вычислительными сетями (ЛВС).

К настоящему времени сложился устойчиво растущий рынок сбыта аппаратных и программных средств в области САПР, который выработал собственные требования к базовым ЭВМ, периферийным устройствам и ЛВС. В качестве эталонных базовых ЭВМ, находящихся непосредственно на столах проектировщиков РЭС, выступают в течение уже длительного времени рабочие станции (PC), связанные ЛВС между собой и с другими ЭВМ.

PC имеют существенные отличия от персональных компьютеров (ПК), поскольку требования к PC формируются рынком в области САПР, а требования к ПК – в значительной степени рынком в области офисного оборудования, бытовой техники, средств связи и коммуникаций. PC развивались независимо от ПК, однако удешевление элементной базы PC и повышение требований к техническим характеристикам ПК привели к тому, что наиболее мощные модели ПК проникли на рынок средств САПР, конкурируя с недорогими PC.

Вычислительным ядром большинства PC является RISC-процессор, т.е. процессор с сокращенным набором команд и повышенным быстродействием за счет того, что большинство его команд выполняется за один период тактового генератора частоты, синхронизирующего работу микропроцессора (МП). Большинство ПК имеет в качестве вычислительного ядра МП со сложным набором команд (CISC-процессор), у которого каждая команда выполняется за несколько тактов генератора частоты. При этом сравнительно более низкая производительность ПК компенсируется более простым программным обеспечением и совместимостью с более ранними моделями ПК.

Базовый набор компонентов PC составляют:

- системная плата, содержащая RISC-процессор с аппаратно реализованным арифметическим сопроцессором, оперативное и постоянное запоминающие устройства (ОЗУ и ПЗУ) и, как правило, видеоадаптер с подключенным к нему монитором;

- платы сопряжения с периферийными устройствами, образующие подсистему ввода-вывода с клавиатурой, манипулятором типа «мышь», иногда с автоматическим сканером, графопостроителем или лазерной печатью;

- платы сопряжения с внешними запоминающими устройствами, плата сетевого адаптера.

При необходимости РС дополняется устройствами расширения системы (DVD-приводы, электронные и магнитные накопители, сканеры, датчики, индикаторы, специализированные отладочные модули, программаторы, платы АЦП, сбора данных и т.п.)

Типовая архитектура рабочей станции приведена на рис. 1.3.

Современные РС работают под управлением многозадачных ОС. Многозадачные ОС функционируют в режиме временного разделения: процессорное время делится системным таймером-счетчиком на небольшие кванты, которые по очереди предоставляются всем выполняемым процессором задачам. Фактически все ресурсы РС во время кванта, отведенного текущей задаче, доступны именно ей. Наиболее существенный выигрыш в производительности многозадачной ОС происходит за счет разделения во времени («параллельного выполнения») задач, связанных с обменом данными между процессором и периферийным оборудованием.

1.6.2. Лингвистическое обеспечение САПР

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 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 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 и др.

Рис. 1.3. Типовая архитектура рабочей станции

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. По методу трансляции (компиляции) сначала исходная программа переводится на машинный язык, а затем скомпилированная рабочая программа исполняется.

При интерпретации перевод исходной программы в рабочую совмещены 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.

1.6.2.1. Языки программирования

Класс машинно-зависимых языков представлен ассемблером (макроассемблером). Он относится к языкам низкого уровня и используется 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 ПЭВМ UNIX и MS DOS.

Рис. 1.4. Классификация языков программирования

Язык Фортран является первым универсальным языком высокого уровня (с 1954 г.). Фортран – самый примитивный из распространенных алгоритмических языков общего назначения. Наиболее эффективен при численных расчетах, прост по структуре и эффективен при выполнении программ. Несмотря на свои недостатки, этот язык получил большое распространение при разработке прикладных программ для решения научных задач. Наиболее популярная в настоящее время версия этого языка – Фортран-77.

Язык Паскаль является одним из наиболее популярных языков программирования и используется для разработки системных и прикладных программ, в частности для персональных ЭВМ. Язык Паскаль создан вначале исключительно для учебных целей и изящно реализовал большинство идей структурного программирования. Достоинства языка оказались столь значительными, что он приобрел огромную популярность для самых различных приложений. В частности, компилятор Turbo Pascal, снабженный интерактивным редактором, позволяет создавать достаточно сложное программное обеспечение – системы управления базами данных, графические пакеты и др.

Язык Алгол – общепризнанный язык для публикации алгоритмов решения научных задач, построен на четких и полных определениях. Для Алгола характерны строгие, но негибкие структуры данных и программ. Алгол труден для реализации на большинстве ЭВМ, поэтому используются неполные варианты языка или его расширения.

Язык Кобол, разработанный для решения экономических задач, широко распространенный на больших и средних ЭВМ прошлых лет, на персональных ЭВМ почти не используется. На ПЭВМ имеются интегрированные системы, базы данных и другие типы прикладных систем, используемые в задачах экономического и управленческого характера.

Самыми распространенными на ПЭВМ являются различные версии языка Бейсик, простота которого делает его превосходным средством для начинающих программистов. В язык встроены удобные функции для работы с экраном дисплея, клавиатурой, внешними накопителями, принтером, каналами связи. Это позволяет относиться к Бейсику как к продолжению аппаратуры ПЭВМ. Системы Бейсика работают в режиме интерпретации, что способствует сокращению характерного цикла в работе программиста: составление программы – пробное исполнение – исправление ошибок – повторное исполнение.

Язык АПЛ применяется для обработки структурных данных (векторов, матриц) и использует иероглифическую запись программных текстов. Из-за большого числа иероглифов (около 100) его иногда называют «китайским Бейсиком».

К классу проблемно-ориентированных языков можно отнести Лого, CPSS, Форт и Смолток.

Язык Лого — диалоговый процедурный язык, реализованный на принципе интерпретации и работающий со списками, текстами, графическими средствами и др.

1.6.2.2. Языки проектирования

При использовании САПР приходится решать задачи не только вычислительного характера и обработки данных, но и автоматизировать описание объектов, процессы ввода, вывода и редактирования данных, ввода графических изображений, схем, чертежей и т.п. Для этих целей служат языки проектирования.

Языки проектирования делят на языки 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 и процедур. Этим частям соответствуют языки описания объектов и языки описания заданий. Разновидности первых: схемные, графические языки и языки моделирования.

Рис. 1.5. Классификация языков проектирования

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). При этом используются графические примитивы и элементарные графические операции. 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, соблюдение требований стандартов при формировании 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.

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.

1.6.3. Программное обеспечение САПР

Программное обеспечение – это совокупность программ, процедур и правил, написанных на том или ином языке, предназначенных для использования в САПР. Программное обеспечение делится на системное и прикладное.

Системное программное обеспечение включает программы, осуществляющие управление, контроль и планирование вычислительного процесса, распределение ресурсов, ввод-вывод данных и другие операции в подсистемах САПР.

Прикладное программное обеспечение состоит из прикладных программ, реализующих алгоритмы решения проектных задач. В подсистемах САПР программы обычно объединяются в пакеты прикладных программ (ППП). 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 пакетах прикладных программ сложной структуры имеется собственная управляющая часть – монитор.

В программных системах, кроме того, имеется языковой процессор с проблемно-ориентированным входным языком. Программные системы вместе с соответствующим лингвистическим и информационным обеспечением называют программно-методическими комплексами САПР.

К программному обеспечению САПР РЭС предъявляются следующие основные требования:

- экономичность (эффективность по быстродействию и затратам памяти);

- удобство использования, применение простых проблемно-ориентированных языков, наличие средств диагностики ошибок пользователя;

- надежность 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.

 

1.6.4. Информационное обеспечение САПР

Информационное обеспечение САПР – это совокупность баз данных и систем их управления, используемых для уменьшения объемов информации, требуемой в процессе проектирования.

Общая структура информационного обеспечения САПР приведена на рис. 1.6.

Банк данных – это система программных, языковых, организационных и технических средств, предназначенных для централизованного накопления и коллективного использования данных. Теория проектирования банков данных начала развиваться с начала 70-х годов, ныне далека от своего завершения и находится в стадии становления.

Система управления базами данных (СУБД) – это совокупность программных средств, предназначенных для создания, ведения и совместного использования баз данных.

 

Рис. 1.6. Общая структура информационного обеспечения САПР

База данных (БД) – это именованная совокупность взаимосвязанных, хранящихся вместе данных, отображающих состояние объектов и их отношений.

Архив БД включает сведения, которые редко изменяются: справочные данные о типах, параметрах, структуре унифицированных деталей и приборов, например транзисторов, резисторов, конденсаторов и др., а также типовых проектах и технологических процессах, материалах, правилах и ограничениях, регламентируемых ГОСТами и нормами, физических константах.

Рабочий массив БД содержит часто обновляемые результаты выполнения предыдущих этапов проектирования конкретных РЭС, предназначенные для использования на последующих этапах. Сюда могут входить массивы кодов, выражающих конструкторские документы, технические описания и другие документы, содержащие информацию о проекте.

Существует три уровня представления данных: уровень пользователя (предметная область), логический и физический.

Предметную область составляют объекты реального мира. Каждый объект предметной области характеризуется своими атрибутами;каждый атрибут имеет имя и значение.

 

Примеры:

Объект – осциллограф.

Атрибуты – чувствительность, полоса пропускания, предел измерения.

Значения атрибутов – соответствующие значения параметров.

Oscilloscope.Sensitivity.2,23E-3

 

Объект – транзистор.

Атрибуты – наименования параметров.

Значения атрибутов – значения параметров.

VT.Beta.5,2

Логический уровень – это абстрактное представление данных, независимое от представления в ЭВМ.

Физический уровень – это практическая реализация базы данных на том или ином носителе в ЭВМ. Сюда входят и программные средства управления этими носителями.

 

Связь между этими тремя уровнями представления данных:

 

Предметная область	Логический уровень	Физический уровень
вся предметная область	Библиотека	база данных
подмножество объектов предметной области	Файл	список
объект предметной области	запись	ячейка
атрибут имя значение	поле имя поля значение поля	элемент (сегмент)

Вся совокупность информации, описывающей один объект предметной области на логическом уровне, называется записью. Запись полностью характеризует объект и все его атрибуты.

Совокупность записей об одной и той же категории объектов образует файл. Запись состоит из полей, каждоеполе соответствует одному из атрибутов. Содержание поля описывает имя и значение соответствующего атрибута.

На физическом уровне каждой записи соответствует одна ячейка – область памяти на том или ином носителе, размер которой должен быть достаточен для хранения записи. Каждому полю, описывающему атрибут объекта, соответствует элемент на конкретном носителе; элемент может быть разделен на сегменты.

Совокупность ячеек образует список, соответствующий одному файлу на логическом уровне. Каждая ячейка имеет ключевое поле.

Совокупность файлов на логическом уровне называют библиотекой, соответствующей конкретной рассматриваемой предметной области. На физическом уровне библиотеке соответствует база данных.

На логическом уровне данные могут быть представлены тремя способами. В настоящее время существует три модели данных: реляционная, сетевая и иерархическая.

В основу реляционной модели (разработана Э.Ф. Коддом
в 1970 г.) положено понятие теоретико-множественного отношения (реляции), которое представляется в виде таблицы, наиболее удобным инженерным представлением для пользователя.

 

Пример.

«Транзисторы»

Тип транзистора	b	Iкmax, А	Рк, Вт	Ск, пФ
КТ903А	4,0
КТ904А	3,5	0,8
КТ907А	3,0	1,0	13,5
КТ911А	5,2	0,4

 

«Имя отношения»

Каждый столбец таблицы соответствует атрибуту объекта, и ему присваивается соответствующее имя. В столбцах таблицы (отношения) вводятся значения атрибутов. Используя отношения – связи и язык реляционной алгебры, можно осуществлять выбор любого подмножества информации: по строкам, столбцам, или другим признакам.

Теория реляционных баз данных опирается на точный математический формализм – над отношениями можно осуществлять различные алгебраические операции.

Каждое отношение имеет свое имя. Столбцы отношения соответствуют тому или иному атрибуту, имеющему имя и значения. Элементы отношения, соответствующие одной строке, составляют кортеж отношения.

Домен – множество значений атрибутов (в том числе и только одного атрибута – один столбец).

В реляционных базах данных основные операции – включение, удаление, модификация и запрос данных – применяются к кортежам и доменам.

В настоящее время наиболее широкое распространение для ПЭВМ получили семейства реляционных БД dBASE и FRAMEWORK. Системы включают обучающую программу, усовершенствованную программу помощи пользователю, инструментальные средства автоматизированного проектирования, позволяющие работать с базой данных.

Иерархическая модель данных– это некоторая их совокупность, состоящая из отдельных деревьев, в которых все связи направлены от одного сегмента, называемого исходным, к нескольким порожденным, т.е. реализуются связи типа «один ко многим». Сегмент – это одно или несколько полей, являющихся основной единицей обмена между прикладной программой и языком описания данных. При реализации иерархической системы каждое дерево описывается в виде отдельного файла данных.

 

 

Рис. 1.7. Структура иерархической БД (пример – база данных IMS)

Сетевая модель данных является более общей структурой по сравнению с иерархической, так как каждый отдельный сегмент (ячейка) может иметь произвольное число непосредственных старших сегментов, а также и произвольное число младших. Это обеспечивает представление отношения «многие к многим».

 

Рис. 1.8. Структура сетевой БД (пример - CODASYL, Квант)