Обеспечение производства ЭВМ базовые понятия (сапр/астпп/саит)

Вид материала

Документы

Содержание Нейронная сеть Подсистемой САПР Функционально-логическое проектирование Создание библиотеки описания элементов Подготовка конструктива Размещение компонентов по полю контруктива Последовательные методы Параллельно-последовательные методы Итерационные методы Методы типизации 1. Непрерывно дискретные алгоритмы 2. Дискретные алгоритмы. Преимущества внедрения АСТПП Модернизация производства многослойных печатных плат (МПП). Защитная паяльная паста/маска Классы точности 3-й класс 1. Выбор конструктивного использования компонентов и создание топологии. 2. Производственные дефекты компонентов 3. Экранирование системы ... Полное содержание

Подобный материал:

• Лекция №3 Базовые технологии проектирования сапр/астпп/саит, 46.62kb.
• 05. 13. 12 Системы автоматизации проектирования (машиностроение), 22.99kb.
• Оренбургский государственный университет вопросы для вступительного экзамена в аспирантуру, 61.82kb.
• Тема: Предмет, задачи, базовые понятия финансового менеджмента, 423.89kb.
• Программное обеспечение ЭВМ, 209.59kb.
• Лекция Программное обеспечение ЭВМ. Классификация и развитие, 218.8kb.
• Учебно-методический комплекс по дисциплине конструкторско-технологическое обеспечение, 848.93kb.
• План 1 ЭВМ в управлении производством. 2 Гибкие производственные системы, 326.3kb.
• Лекция: Информационное обеспечение ис: Информационное обеспечение ис. Внемашинное информационное, 314.22kb.
• Сапр 1 Общие положения, 684.54kb.

КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВА ЭВМ


Базовые понятия (САПР/АСТПП/САИТ)


САПР – система автоматизированного проектирования

(CAD – Computer Automation Design).

АСТПП – автоматизированная система технологической подготовки производства

(CAM – Computer Automatic Manufacturing).

САИТ – система автоматизации инженерного труда

(CAI – Сomputer Automation Engineering).


Проектирование – процесс создания описания, необходимого для построения в заданных условиях еще не существующего объекта на основе его первичного описания.


Проектирование разделяют на:

• неавтоматизированное
  
• автоматизированное
  
• автоматическое
  

Будем рассматривать автоматизированное проектирование.

Пояснение: почему рассматриваем именно автоматизированное проектирование.

Почему не занимаемся неавтоматизированным проектированием. Такие сложные объекты, как изделия современной электронно-вычислительной техники вручную проектировать очень нелегко.

Почему не занимаемся автоматическим проектированием. Задача, которой мы занимаемся – это проектирование печатных плат и проектирование микросхем. Эти задачи относятся к классу комбинаторных задач, и более того, относятся к классу NP-полных задач. В этих задачах оптимальное решение может быть найдено только путем полного перебора всех возможных вариантов решений и выбора из них наилучшего. И сложность этих задач растет экспоненциально при добавлении каждого нового элемента в набор, из которого мы выбираем. На том числе элементов, с которым мы работаем при проектировании модуля электронно-вычислительной техники (платы, ИС), мощность современных машин исчерпывается достаточно быстро. И нет сегодня такой техники, на которой в автоматическом режиме могли бы решаться эти задачи (хотя до определенного уровня сложности это возможно).

А автоматизированное проектирование подразумевает диалог человека с машиной. В этой системе конструктор, человек, который проектирует, сам устанавливает (вместо полного перебора) пути решения. В этой ситуации есть такая вероятность, что мы попадем на оптимум, но совсем необязательно. И в этом плане мы меняем некий ориентир. Мы ищем не оптимальное решение, а мы ищем решение, которое удовлетворит конструктора (или пользователя). Т.е. если решение нас устраивает, мы считаем, что задача решена. Поэтому мы будем использовать автоматизированное проектирование, т.е. проектирование, в котором участие человека обязательно.


Пояснение. Если раньше были отдельно система САПР, система АСТПП, система САИТ, то теперь это подсистемы одной большой системы, которые неразрывно работают вместе в одном процессе проектирования. В дальнейшем вместо связки САПР/АСТПП/САИТ будем говорить просто САПР (для упрощения).


Выделяют две основные задачи САПР:

1. Задача анализа связана с определением функций объекта или системы по заданному описанию и оценкой возможных проектных решений.
   
2. Задача синтеза связана с описанием самого объекта и разработкой проектной документации.
   

Синтез бывает:

• Структурным – это получение структурной схемы объекта, формирование сведений о составе элементов и способах их соединения между собой;
  
• Параметрическим – это определение числовых значений параметров элементов или систем.
  

Синтез называют оптимизацией, если определяются наилучшие в заданном смысле структуры (структурная оптимизация) или параметры (параметрическая оптимизация). Проведение оптимизации требует задания критериев оптимизации. Если критерий один – это скалярная оптимизация, если несколько – это векторная оптимизация.


Критерии оптимизации бывают:

• частные
  
• аддитивные
  
• мультипликативные
  
• минимаксные.
  

Анализ.

Для решения задачи анализа применяют специальные языки моделирования. Это VHDL и Verilog.

Если анализируется динамика объекта, то тогда используют имитационное моделирование.

Если исследуются статические свойства объекта, то используют математические модели и методы искусственного интеллекта (нейронные сети, методы статистического анализа, продукционные экспертные системы).

Также для анализа статических и динамических свойств объекта сегодня применяют системы поддержки принятия решений (СППР).


Нейронная сеть – это самонастраивающийся объект, состоящий из элементарных составляющих – персептронов. Этот самонастраивающийся объект может настраиваться на определенную статистику, т.е. его можно обучать.

Например, есть вход, и мы знаем, при какой последовательности входных данных должны быть выходные данные, а связь между входом и выходом определить невозможно. Тогда используется этот объект, который обучается, и в какой-то момент настроится на то, что при каком-то входе выдаст на выходе нужные данные, т.е. внутри себя сам устанавливает какую-то связку.


Экспертные системы бывают:

• продукционные (можно выстроить через связку действий "если-то");
  
• на основе сетей (семантическая сеть);
  
• на основе фреймов (фрейм – целостное описание объекта, которое позволяет его отделить от другого объекта. Т.е. это такое описание, что никакой другой объект под это описание не подойдет)
  

Виды обеспечения САПР


Математическое обеспечение (МО) – это совокупность математических методов, моделей и алгоритмов, представленных в заданной форме.


Техническое обеспечение (ТО) - это совокупность связанных и взаимодействующих технических средств (сами компьютеры, графопостроители, плоттеры и т.д.)


Программное обеспечение (ПО) – это совокупность машинных программ, необходимых для обеспечения процесса проектирования, включающая в себя как прикладное, так и системное ПО.


Информационное обеспечение (ИО) – это совокупность сведений, необходимых для процесса проектирования. Включает СУБД, непосредственно саму БД и базу знаний.


Лингвистическое обеспечение (ЛО) – это совокупность языков проектирования. Включает термины, определения, правила формализации естественного языка, методы сжатия и развертывания текстов.


Методическое обеспечение (МТО) – это совокупность документов, устанавливающих состав, правила отбора и эксплуатации средств обеспечения системы.


Организационное обеспечение (ОО) – это совокупность документов, определяющих состав проектной организации, связь между подразделениями, а также форму представления результатов проектирования и порядок рассмотрения проектных документов.


Классификация САПР

1. По разновидности и сложности объектов проектирования:
   
   1. САПР низкосложных объектов (число составных частей – до 100);
      
   2. САПР среднесложных объектов (число составных частей – от 100 до 10000);
      
   3. САПР высокосложных объектов (число составных частей – более 10000);
      

2. По уровню автоматизации:
   
   1. неавтоматизированные (до 25% проектных процедур автоматизированы)
      
   2. среднеавтоматизированные (от 25 до 50% проектных процедур автоматизированы)
      
   3. высокоавтоматизированные (от 50 до 75% проектных процедур автоматизированы)
      

3. По уровню комплексности:
   
   1. одноэтапные (выполняют один этап проектирования);
      
   2. многоэтапные (выполняют несколько этапов проектирования);
      
   3. комплексные (выполняют весь цикл проектирования объекта).
      

4. По характеру и числу выпускаемых проектных документов:
   
   1. низкой производительности (от 100 до 10000 проектных документов*);
      
   2. средней производительности (от 10000 до 100000 проектных документов);
      
   3. высокой производительности (от 100000 и более проектных документов).
      

*Цифры даны в расчете на 1 год работы, один документ – один лист формата А4.

5. По числу уровней технического обеспечения:
   
   1. одноуровневые – строятся на основе ЭВМ среднего и/или высокого класса со штатным периферийным оборудованием (графопостроителями, плоттерами);
      
   2. двухуровневые – строятся на основе ЭВМ среднего или высокого класса, в качестве интеллектуальных терминалов используются персональные ЭВМ;
      
   3. комплексные – строятся на основе ЭВМ среднего или высокого класса, которые объединяются в сеть и каждая из них имеет свою сеть персональных ЭВМ.
      

*ЭВМ среднего класса – рабочие станции;

ЭВМ высокого класса – отдельный класс мощных машин.

Организация САПР/АСТТП/САИТ


Составными структурными частями САПР являются подсистемы, обладающие всеми свойствами систем, и разрабатываемые как самостоятельные системы.

Подсистемой САПР называют выделенную по некоторым признакам часть САПР, позволяющую получать законченные проектные решения.


Подсистемы бывают:

• Обслуживающие: системы информационного поиска,
  

системы документирования,

системы графического отражения объектов проектирования;

• Проектирующие: подсистемы функционально-логического проектирования (на выходе этой подсистемы мы получаем функциональную, логическую и принципиальную электрическую схемы);
  

подсистема конструкторского проектирования (на выходе этой подсистемы получаем конструкцию устройства и конструкторская документация, которая включает в себя схему расположения элементов на поверхности модуля и топологию печатных соединений),

подсистема технологической подготовки производства (на выходе подсистемы получаем маршрутную карту производственного процесса и программы для станков с ЧПУ (числовым программным управлением)).


В состав как обслуживающих так и проектирующих систем могут входить:

• Экспертные системы (ЭС) – это системы, в основе которых лежат базы знаний, представленных либо в виде системной продукции, либо в виде фреймов, либо в виде семантических сетей. Экспертные системы формализуют знания эксперта в определенной предметной области с целью выработки необходимых решений.
  

• Системы принятия решений – это системы, позволяющие производить выбор эффективных проектных решений в условиях определенности и неопределенности сходной информации на основе формальных методов и процедур. Для оценки проектных решений могут применяться нейронные сети.
  

• Системы поддержки принятия решений (СППР) – это системы, в которых выработка решений производится на основе человеко-машинных процедур. В этом случае человека называют ЛПР (лицо, принимающее решение).
  

Пояснение. Система принятия решений – машинная процедура (участие человека необязательно) – из массивов информации выбирается необходимая и выдается пользователю; а в системе поддержки принятия решения участие человека обязательно – человек сам выбирает нужную информацию из массива и принимает конкретное решение. Но на выходе этих обеих систем не оптимальное решение, а рациональное, т.е. решение, которое удовлетворяет ЛПР.


Принципы создания САПР


Эти принципы подходят для создания даже самых сложных систем. Выделяют следующие принципы создания САПР:

1. Принцип включения: обеспечивает разработку систем на основе требований, позволяющих включать эти системы в САПР более высокого уровня.
   

2. Принцип системного единства: при создании, функционировании и развитии САПР связь между подсистемами должна обеспечивать целостность всей системы.
   

3. Принцип развития: САПР должна создаваться и функционировать с учетом появления, совершенствования и обнаружения ее подсистем и компонентов.
   

4. Принцип комплексности: обеспечивать связность процесса проектирования элементов и объектов в целом на всех уровнях проектирования, позволяя согласовывать и контролировать характеристики элементов и объектов в целом.
   

5. Принцип информационного единства: состоит в использовании в подсистемах, компонентах и средствах обеспечения САПР единых условных обозначений, терминов, символов, проблемно-ориентированных языков и способов представления данных в соответствии с принятыми нормативными документами.
   

6. Принцип совместимости: языки, символы, коды, информационные и технические характеристики, связи между подсистемами, средствами обеспечения САПР ее и компонентами должны обеспечивать эффективное функционирование подсистем и сохранять открытую структуру системы в целом. Открытой называют систему, в которой интерфейсы взаимодействуя с внешней средой стандартизованы.
   

7. Принцип стандартизации: состоит в проведении унификации, оптимизации, стандартизации подсистем и компонентов, инвариантных к проектируемым объектам и отраслевой специфике, а также в установлении правил с целью упорядочения деятельности по созданию и развитию САПР.
   

Стадии создания САПР


Различают две стадии создания САПР:

1. Внешнее проектирование. В нее входят:
   
   1. стадия предпроектных исследований;
      
   2. разработка технического задания на проект.
      

2. Внутреннее проектирование. К ней относят
   
   1. разработку технических предложений;
      
   2. рабочий проект;
      
   3. эскизный проект;
      
   4. технический проект;
      
   5. изготовление, отладка, испытание, ввод системы в действие.
      

Системный подход к проектированию


Исследование объектов проектирования с помощью их математических моделей составляют суть системного подхода. Выделяют следующие принципы системного подхода:

1. Иерархичность. Каждая подсистема или элемент может рассматриваться как отдельная система.
   
2. Структурность. Состоит в возможности описания системы через описание коммутационных связей между ее элементами.
   
3. Взаимозависимость. Состоит в проявлении свойств системы только при взаимодействии с внешней средой.
   
4. Множественность описаний. Состоит в описании системы на основе множества взаимодействующих математических моделей.
   
5. Целостность. Свойства всей системы определяются на основе анализа свойств ее частей
   

Суть системного подхода – это проектирование части с учетом целого.


Базовые технологии проектирования в САПР


Наиболее перспективными технологиями проектирования в САПР являются:

• Технология последовательного проектирования
  
• Технология сквозного проектирования
  
• Технология параллельного проектирования
  
• Технология нисходящего проектирования
  
• Технология восходящего проектирования
  
• Технология объектно-ориентированного проектирования
  
• Wave-технология.
  

Наиболее современными из них на сегодня являются:

• Технология нисходящего проектирования
  
• Технология сквозного проектирования
  
• Технология параллельного проектирования
  

1.Технология последовательного проектирования


Технология последовательного проектирования строится на основе выполнения каждого последующего этапа проектирования при завершении предыдущего при последовательной передаче информации между этапами. Эта технология наиболее проста в реализации и не требует никаких дополнительных средств взаимодействия и согласования проектных процедур. Однако эта технология ведет к большому числу повторных итерационных циклов проектирования между различными этапами для выхода на решение, удовлетворяющее конструктора.





2.Технолгия сквозного проектирования


Смысл технологии сквозного проектирования состоит в эффективной передаче данных и результатов конкретного текущего этапа проектирования сразу на все последующие этапы. Данная технология базируется на модульном построении САПР на использовании общих баз данных и баз знаний всего проекта и характеризуются широкими возможностями моделирования и контроля на всех этапах проектирования. Эффективность данной технологии обусловлена возможностью разработчика использовать все данные, которые накоплены до выполнения данного этапа, из которых он выбирает те (в дополнение строго регламентированным), которые с его точки зрения позволят наиболее успешно справиться с поставленной задачей. Сквозное проектирование применяют в сочетании с технологией нисходящего проектирования для изделий ЭВТ (Электронной вычислительной техники).





3.Технология параллельного проектирования.


При параллельном проектировании информация относительно каких-либо промежуточных или окончательных характеристик разрабатываемого изделия формируются и предоставляются всеми участниками работ, начиная с самых ранних этапов проектирования на основе использования различных прогностических методов и оценок. Все участники работ одновременно получают техническое задание. Далее начинает выполняться первый этап проектирования. Участники, выполняющие более поздние этапы, на основе прогностических оценок дают рекомендации по выполнению более ранних по отношению к их этапам этапов проектирования.





Прогностическая оценка параметров может быть построена на основе использования математических моделей и методов, применения нейросетевого аппарата и методов искусственного интеллекта (использование методов продукции, фреймов и семантических сетей) оценка может производиться как на основе аналитических (статика работы объекта) так и на основе имитационных моделей (динамика работы объекта). Технология параллельного проектирования базируется на интегрированных инструментальных средствах и системах проектирования, причем, эта технология подразумевает использование методов выработки и оценки альтернативных стратегий проектирования. Наиболее широко эту технологию сегодня применяют в системах Mentor Graphics и Cadence. Эта технология требует как обязательный компонент распределенную информационную суду проектирования. Эффект от применения данной технологии достигается за счет учета мнений и рекомендаций всех последующих исполнителей по отношению к текущему этапу. Это позволяет избежать повторных итерационных циклов проектирования. Как правило, говорят о последовательно-параллельном проектировании, подразумевая тем самым, что последовательность реально выполняемых этапов проектирования не может быть нарушена.

Технология параллельного проектирования может подразумевать также параллельную разработку составных частей сложного объекта с учетом согласования их характеристик в процессе разработки.


4.Технология нисходящего проектирования


Технология нисходящего проектирования подразумевает унификацию маршрутов проектирования, которые разделяются на проектные процедуры. Эти процедуры так же унифицируются. Данная технология состоит в последовательной пошаговой детализации выполняемого проекта. При этом на каждом этапе/шаге необходимо рассматривать альтернативные варианты решения и выбранное наилучшее решение рассматривается как основа для выполнения более низшего этапа. Предполагается, что инженер начинает работать над проектом на высоком уровне абстракции с последующей детализацией проекта. Основной задачей руководителя или инженера является определение наиболее рационального концептуального решения, выбор алгоритмов проектирования и наиболее эффективных инструментальных средств проектирования, т.е. от инженера требуется определение правильной стратегии проектирования на основе достаточно общей и зачастую неопределенной информации.

Данная задача решается на основе применения так называемых предиктивных инструментальных средств, т.е. программ, обеспечивающих связь этапов функционального, логического, конструкторского проектирования и этапа технологической подготовки производства. При этом, предиктивные инструментальные средства используются как на уровне отдельных проектных процедур и этапов, так и на уровне проекта в целом. Предиктивные инструментальные средства позволяют работать на уровне прогностических оценок будущего проекта с целью выявления наиболее рациональных путей проектирования. Технология нисходящего проектирования позволяет получать изделия с наиболее высокими согласованными характеристиками отдельных узлов и блоков изделия. Однако наибольшая эффективность применения этой технологии достигается путем объединения данной технологии с технологией параллельного проектирования.


5.Технология восходящего проектирования


Технология восходящего проектирования – это проектирование объекта как сложной иерархическое системы, при котором выполнение проектных процедур с целью получения описания низших иерархических уровней предшествует выполнению проектных процедур с целью описания более высоких иерархических уровней. Технология восходящего проектирования – это движение от узлов к блокам и изделиям. Для проектирования изделий электронно-вычислительной техники наиболее предпочтительно нисходящее проектирование, которое наилучшим образом позволяет согласовать характеристики отдельных узлов и блоков ЭВМ, которое позволит достичь наилучших характеристик по производительности всего изделия. Хотя для ряда изделий восходящее проектирование будет предпочтительнее, когда мы не теряем эффективность изделия при объединении блоков нижнего уровня, разработка которых не была подчинена единой глобальной цели.


6.Объектно-ориентированное проектирование


Объектно-ориентированное проектирование представляет собой сочетание проблемно-ориентированного и инструментального проектирования. Для решения задач проектирования предполагается технологический подход, т.е. сначала выбирается общий подход к проектированию, под который затем разрабатываются технологии проектирования, а далее под эту технологию разрабатываются инструментальные средства. Технология объектно-ориентированного проектирования более полно учитывает особенности проектируемого изделия, но требует модификации при изменении объекта проектирования.


7.Wave-технология


Эта технология ориентирована на целевое управление глобальными модификациями, проводимыми в больших сборках сложных изделий и основана на использовании единой виртуальной цифровой модели объекта проектирования. Благодаря Wave-технологии появилась возможность создавать полные электронные представления любого сложного изделия. Оперативно модифицировать его по ходу развития проекта и, что очень важно, поддерживать его параллельное проектирование.


Использование всех перечисленных технологий и их конкретные комбинации зависят от конкретного вида изделия. Причем, для одних блоков сложного изделия может быть выбрана одна технология, для других – иная. Как правило, более эффективным для таких объектов является сочетание нисходящего, параллельного и Wave-технологии.


Структура процесса проектирования модуля электронно-вычислительной техники

1. Концептуальное проектирование (авантпроектирование) – на данном этапе прорабатывается будущая стратегия всего процесса проектирования, включая выбор основополагающих характеристик изделия, определение наиболее рациональных средств проектирования и технологии проектирования.
   
2. Функционально-логическое проектирование – включает проектирование функциональных и логических схем и проектирование программ, испытаний и тестов. В итоге на выходе данного этапа имеем принципиальную электрическую схему устройства.
   
3. Конструкторское проектирование (техническое проектирование) – это конструкторское аванпроектирование. Оно включает в себя:
   
   1. Формирование множества рациональных вариантов конструкции изделия.
      
   2. Анализ альтернативных программных модулей выполнения последующих программных процедур и выбор из них наиболее приемлемых (настройка САПР на объект проектирования).
      
   3. Выбор базового варианта конструкторского решения, т.е. выбор метричеких и топологических параметров объекта.
      
4. Компоновка конструктивных модулей.
   
5. Размещения элементов на поверхности модуля.
   
6. Трассировка сигнальных соединений (разработка топологии).
   
7. Технологическая подготовка производства (разработка маршрутных карт производственного процесса).
   
8. Подготовка и выпуск технической документации.
   

До недавнего времени главным показателем оценки возможностей САПР была скорость трассировки сигнальных соединений. На этапах аванпроектирования компоновки блоков и размещения элементов не продумывали достаточно серьезно сложность задач трассировки, а проблему решали за счет разработки более мощных программ трассировки. Сейчас стратегия изменена: на начальных этапах проектирования ведется поиск такого конструктивного решения, которое в наибольшей степени облегчает задачу трассировки. При этом используют менее дорогостоящие трассировщики, однако, вероятность успешного решения задачи трассировки повышается. В настоящее время фирмы-производители САПР используют программы трассировки независимых разработчиков, которые могут успешно включаться в данную САПР, поскольку все современные САПР разработаны на основе технологии открытых систем.


Системы проектирования электронных устройств P-CAD


Система P-CAD является интегрированным набором специализированных программных пакетов, работающих в диалоговом режиме. Средства системы позволяют проектировать принципиальные электрические схемы, печатные платы (в т.ч. многослойные), а также получать всю необходимую конструкторскую документацию. Версии этой системы позволяют проектировать плату, содержащую до 500 компонент и 2000 межэлементных связей.


Структурная схема системы


В систему входят следующие пакеты:

1. Пакеты для проектирования принципиальных электрических схем и создания образов радиоэлектронных компонентов
   

2. Программа извлечения списка электрических связей из графического образа принципиальной электрической схемы. В результате создается таблица соединений.
   

3. Программа объединения взаимосвязанных таблиц межэлементных соединений, находящихся в различных базах в единую базу всей принципиальной электрической схемы.
   

4. Программа преобразования текстового файла в библиотеки, использующиеся в схеме компонентов.
   

5. Программа упаковки вентилей на кристалл микросхемы и подсоединения конструктива, если это необходимо. Конструктив – это сам кристалл или печатная плата, на основе которой ведется разработка. Этот пакет реализует задачу компоновки конструктивного модуля, т.е. распределение принципиальной логической схемы по корпусам интегральных микросхем.
   

6. Программа автоматического или ручного размещения компонентов по полю конструктива. Основным показателем качества размещения в этой программе – минимум средней длины сигнальных соединений. На сегодня данный показатель в современных системах, как правило, не используется (или используется в сочетании с другими показателями) т.к. при его достижении на кристалле или плате образуютс области с очень высокой плотностью межэлементных соединений, внутри которых даже с помощью современных программ трассировки не удается развести сигнальных соединений. Поэтому сегодня чаще используют показатель равномерного размещения элементов с точки зрения длины сигнальных соединений (т.е. чтобы не было ни очень коротких, ни очень длинных соединений). Иногда эти два критерия применяют попеременно для выхода на более рациональный результат.
   

7. Программа коррекции принципиальной электрической схемы с учетом возможных изменений в результате работы программы размещения.
   

8. Программа автоматической трассировки сигнальных соединений с настройкой стратегии процесса трассировки. Возможна ручная коррекция результатов трассировки. В данной системе, как и в большинстве современных систем проектирования, используется волновой алгоритм трассировки (алгоритм Ли), либо его модификации.
   

9. Интеллектуальный графический редактор печатных плат для редактирования рисунков.
   

10. Верификатор топологии печатной платы на соответствие конструктивно-технологическим требованиям (это программа, которая проверяет допустимые расстояния между проводниками и их ширину и расстояние между контактными площадками и проводниками, размер контактных площадок, расстояние между контактными площадками). Контактная площадка – место присоединения элемента к плате.
    

Кроме этих программ в систему может включаться пакет функционально-логического моделирования принципиальной схемы. В системе предусмотрена возможность получения файлов для вывода чертежей на плоттеры или на построцессоры для станков с ЧПУ.


Алгоритм проектирования модуля в системе P-CAD


Исходными данными для проектирования являются:

1. 
   ТЗ на разработку модуля.
   
2. Библиотека электронных компонентов.
   
3. Параметры символьных отображений компонентов, находящихся в соответствие с конструктивно-технологическими образами этих компонентов.
   
4. Принципиальная электрическая схема модуля и перечень используемых элементов (спецификация).
   

Этапы проектирования:

1. 
   Начальная настройка системы.
   

1. Заготовка файла, содержащего имена всех используемых компонентов.
   
2. Все символьные отображения компонентов.
   
3. Все конструктивно-технологические отображения компонентов.
   
4. Задание ограничителя формата принципиальной схемы.
   
5. Описывается используемый конструктив (задаются размеры печатной платы).
   
6. Все данные заносятся в предварительно созданный справочник проектируемого модуля.
   

2. Коррекция библиотек системы.
   

Перед началом проектирования необходимо убедиться, что все компоненты в данном модуле описаны в эталонной библиотеке. Описание состоит из двух частей: символьное и конструктивно-технологическое описание компонента. Если в библиотеке отсутствует описание компонента, его необходимо создать.

• Создание символьного описания компонент включает следующие этапы:
  

1. Обозначение контактов элемента.
   
2. Введение текстовых обозначений.
   
3. Установка параметров.
   
4. Построение графического изображения.
   
5. Задание ключевой точки (для микросхемы – левый нижний, либо правый верхний контакт).
   
6. Введение информации об упаковки вентиля в корпусе.
   
7. Запись созданного описания.
   

Ключевая точка необходима для процедур перемещения и вращения компонентов.

• Построение конструкторско-технологического образа компонента включает следующие этапы:
  

1. 
   Обозначение контактов элемента.
   
2. Введение текстовых обозначений.
   
3. Установка параметров.
   
4. Построение графического изображения.
   
5. Задание ключевой точки (для микросхемы – левый нижний, либо правый верхний контакт).
   
6. Введение информации об упаковки вентиля в корпусе.
   
7. Запись созданного описания.
   

3. Построение принципиальной электрической схемы:
   
   1. Установка рабочих параметров.
      
   2. Вызов файлов формата чертежа.
      
   3. Размещение элементов схемы на поле чертежа.
      
   4. Построение графического отображения электрических связей.
      
   5. Введение конструкторских обозначений элементов
      
   6. Запись созданных схем.
      

4. Выделение списка цепей из принципиальной электрической схемы. В результате работы этой программы создается файл электрических соединений.
   

5. Создание библиотеки описания элементов.
   

С помощью текстового редактора строится (корректируется) символьный файл, содержащий перечень используемых компонентов и соответствующих им файлов символьных и конструкторско-технологических образов.

6. Подготовка конструктива.
   

7. Упаковка вентилей.
   

Выполняется процедура, которая производит упаковку вентилей по корпусам микросхем на основе списка электрических связей (на основе функционально логической схемы) и подсоединяется конструктив платы.

8. Создание базы данных проекта, в которую входят:
   
   1. Конструктив с неустановленными элементами.
      
   2. Командный файл для коррекции принципиальной электрической схемы.
      
   3. Файл ошибок.
      
   4. Набор файлов для программы выпуска справочно-технической документации.
      

Все эти данные формируются автоматически в результате выполнения предыдущих пунктов.

9. Размещение компонентов по полю контруктива.
   

Задача размещения сводится к расстановке корпусов элементов но поле платы с учетом показателя или критерия минимума длины сигнальных соединений. Этот показатель является косвенным показателем сложности решения задачи трассировки. Однако на сегодняшний день наиболее рациональным является критерий равномерного размещения элементов с точки зрения средней длины сигнальных соединений, что позволяет исключить возможность появления частей платы с очень высокой плотностью соединений, что может препятствовать 100%-ой трассировке сигнальных соединений.

Автоматическое размещение элементов состоит из следующих шагов:

1. Настройка программы на конкретный проект.
   
2. Загрузка проекта.
   
3. Расстановка закрепленных элементов.
   
4. Закрепленными называют элементы, которые могут устанавливаться в общем случае вне сетки размещения элементов (в любом месте платы) и местоположение которых в дальнейшем менять нельзя.
   
5. Указание сетки элементов (шаг по горизонтали и по вертикали).
   
6. Указание элементов, подлежащих автоматической расстановке.
   
7. Создание барьеров для размещения, с помощью которых выделяют части платы, размещение в которых недопустимо (например, часть с очень высокой плотностью соединений перед разъемом платы, части платы, к котором находится место для крепежа в станке).
   
8. Описание характеристики расположения регулярных элементов и элементов обвязки. Элементы обвязки располагаются по периметру платы (кристалла).
   
9. Указание свободных зон вокруг размещаемых элементов.
   
10. Начальная расстановка элементов по узлам сетки размещения.
    
11. При необходимости проводится улучшение качества размещения на основе итерационного алгоритма попарных перестановок как самих корпусов элементов, так и взаимозаменяемых вентилей.
    
12. Ручная коррекция полученного размещения.
    
13. Запись полученного размещения.
    

10. Прокладка шин питания и формирование зон запрета.
    

Производится формирование зон запрета на коммутационном поле платы для трассировки соединений. Эти зоны могут указываться как для каждого слоя платы отдельно, так и на все слои одновременно и когда они имеют одну и ту же конфигурацию. Шины "Земля" и "Питание", если плата двухслойная, располагают параллельно между рядами микросхем, а если плата многослойная – для них выделяется отдельный слой. Шины "Земля" и "Питание" – это как правило печатный проводник, ширина которого в 2-3 раза больше, чем ширина обычного сигнального проводника.

11. Трассировка соединений.
    
    1. Настройка технологических параметров трассировки.
       
    2. Настройка параметров алгоритма (чаще используется волновой алгоритм):
       
       1. Выбор весовых коэффициентов алгоритма.
          
       2. Выбор типа алгоритма.
          
       3. Задание числа итераций (циклов прохода алгоритма).
          
       4. Приведение в соответствие типов использования проводников и графических образов контактных площадок (имеется в виду, что на конце каждого проводника находится контактная площадка круглой или многоугольной формы, которая должна соответствовать условиям производства.
          
       5. Выбор ширины сигнальных соединений.
          
    3. Запуск процедуры трассировки и запись результатов. Существует возможность ручной корректировки результатов трассировки.
       

12. Формирование информации о печатной плате. К выходной информации относят ту, которую необходимо передать на этап производства:
    
    1. Принципиальная электрическая схема.
       
    2. Перечень используемых элементов – это спецификация в виде текстового файла.
       
    3. Рисунок топологии печатной платы.
       
    4. Техническое задание на разработку платы, в котором должно быть указано: конструктив и описание лицевой и панели поверхности платы с установленными элементами, разъемами и надписями.
       

Достоинства системы P-CAD

1. 
   Система P-CAD одна из самых экономичных по установочным требованиям системы.
   
2. Низкая цена системы.
   
3. Установлена на очень многих предприятиях, а значит легко проводить обмен данными.
   

Этап конструкторского (технического) проектирования изделий ЭВТ


Этот этап состоит из трех подэтапов:

1. Компоновка конструктивно-функциональных модулей (КФМ).
   
2. Размещение элементов на коммутационном поле платы или кристалла.
   
3. Трассировка печатных соединений.
   

I. Компоновка КМФ


Задача компоновки рассматривается как задача распределения принципиальной электрической схемы по платам изделия и далее по корпусам микросхем. Задачи компоновки могут касаться компоновки микросхем, плат и блоков устройств. В этом случае говорят о компоновке КМФ i-го уровня модулями i-1-го уровня.

Задачи компоновки основываются на ряде показателей, по которым оценивается качество компоновки. Поэтому формально задачу компоновки можно сформулировать следующим образом: объединить модули низшего и i-1-го уровня в модули более высокого i-го уровня по заданным качествам при наличии ограничения.


Среди методов компоновки выделяют 2 разновидности:

1. Методы, которые осуществляют разбиение коммутационной схемы на части (блоки) с учетом таких ограничений как: число элементов в блоке, число внешних выводов блока и суммарная площадь, занимаемая элементами и соединениями.
   

Основными показателями качества такого разбиения являются:

1. число образующихся блоков,
   
2. число межблочных соединений,
   
3. величина задержки при распространении сигнала,
   
4. электрическая магнитная и тепловая совместимость элементов
   

Задачи такого вида возникают при разбиении коммутационной схемы на блоки, к которым не предъявлены требования схемной унификации. Эта задача распределения плат по панелям, интегральных микросхем по платам и коммутационных схем по кристаллам интегральных микросхем. Таким образом, к первой разновидности задач компоновки относят такие, в которых критерии качества и ограничения могут быть сведены к определенным конструктивным параметрам, характеризующих распределение отдельных элементов и соответствующих межсоединений. Эти задачи компоновки называют задачами компоновки конструктивных модулей или блоков.

2. Методы, в которых кроме конструктивных характеристик модулей важны и их функциональные характеристики. Эти методы применяют на этапе перехода от принципиальных электрических схем к функционально-логическим схемам, ориентированным на заданную систему элементов и эти методы сводятся к назначению элементов логической схемы в типовые модули из заданного набора. Данный тип задач основан на методах покрытия функционально-логических и принципиальных электрических схем элементами заданной серии и на методах компоновки типовых блоков. Основными критериями при покрытии схем являются:
   
   1. число модулей, необходимых для покрытия исходной схемы,
      
   2. число межмодульных соединений,
      
   3. число типов используемых модулей,
      
   4. число используемых элементов в модуле (минимизация числа неиспользуемых элементов в модуле)
      

Вторая разновидность применяется изделий, выпускаемых большими сериями и для типовых плат.

Если речь идет о заказной БИС, то анализируется необходимое число элементов на кристалле. Если речь идет о полузаказной БИС (матричная БИС), то минимизируется избыточность кристалла. Как ограничение выступают конструктивно-функциональные характеристики типовых модулей:

• максимально допустимое число элементов i+1-го уровня в модулях i-го уровня;
  
• максимальное число выводов модуля i-го уровня;
  
• ограничение на совместную работу модуля i-го уровня.
  

Для методов второго типа тоже могут учитываться конструктивно-технологичесие характеристики наряду с функциональными характеристиками. Для указанных разновидностей задач компоновки выделяют алгоритмы компоновки конструктивных и типовых блоков.


1.Алгоритмы компоновки конструктивных блоков

1. Алгоритмы, основанные на математических моделях – задачи компоновки, описываются в виде системы уравнений. В этих методах используется метод ветвей и границ, решаются задачи о назначениях. Он состоит их этапов
   
   1. Определяется нижняя граница разбиения этапа на заданное число частей.
      
   2. Задачу разбиения графа можно свести к задаче о назначении. При этом ищется вариант назначения кандидатов (вершин графа) в различные части , дающие минимальные суммарные затраты при этом каждая вершина может быть назначена только в одну часть.
      

2. Последовательные методы. Вводится последовательный процесс компоновки модуля, на каждом шаге которого в очередную часть добавляется один из элементов, выбираемый по определенному приоритету.
   

3. Параллельно-последовательные методы – это методы парных перестановок. сначала выделяется исходное множество групп элементов, которые распределяются по печатным платам (блокам) с учетом заданных показателей и ограничений. Далее пытаются переставлять пары элементов местами и смотрят выбранные параметры качества улучшаются или ухудшаются. Если ухудшаются – отказываются от перестановки, если улучшаются – их оставляют в том же блоке. Эти методы используются для решения задач компоновки со специальными требованиями (минимизация числа однотипных блоков). Как правило, эти методы используются для получения начального (базового) варианта компоновки.
   

4. Итерационные методы – это методы групповых перестановок. Служат для улучшения начального этапа компоновки в соответствии с заданным показателем качества. При использовании итерационных методов сначала граф схемы разделяют на определенное число частей произвольным образом (с помощью последовательного алгоритма). Затем по некоторым правилам выделенные группы элементов переставляют из одного блока в другой (меняют местами) (переставляют из одной части графа в другую с целью минимизации числа внешних ребер, чтобы минимизировать число межмодульных соединений).
   

2.Алгоритмы компоновки типовых блоков

1. Методы покрытия – получение ячеек с несвязанными элементами. Эти методы представляют функциональную схему устройства конструктивными типовыми элементами и связями между ними с выполнением заданных конструктивно-функциональных ограничений.
   

При покрытии выделяют задачи:

1. с несвязанными элементами. Решаются задачи определения необходимого числа ячеек для покрытия схемы с минимальной суммарной стоимостью и минимума связей между ячейками.
   
2. функциональными ячейками. Решаются задачи покрытия схемы заданным набором функциональных ячеек с минимизацией числа этих ячеек и суммарного числа связей между ними.
   

2. Методы типизации – методы получения функциональных ячеек. Это разбиение схемы на части по показателям минимум номенклатуры частей разбиения или максимум однотипности используемых ячеек. Сокращение номенклатуры используемых ячеек улучшает ремонтопригодность изделия и уменьшает затраты на проектирование и облегчает дальнейшее эксплуатационное сопровождение изделий.
   

II. Размещение элементов на коммутационном поле платы или кристалла


С точки зрения математической постановки задачи задача размещения состоит в следующем: имеется фиксированный набор (множество) позиций для установки элементов и фиксированный набор самих элементов, которые необходимо разместить. Необходимо найти такое соответствие между этими наборами, чтобы выполнялись следующие критерии размещения:

1. Равномерность плотности сигнальных соединений на различных участках платы
   
2. Минимум средней длины сигнальных соединений
   
3. Минимум суммарной длины сигнальных соединений
   
4. Совместимость элементов с точки зрения тепловыделений различных участков платы
   
5. Совместимость взаимного расположения элементов с точки зрения минимизации электромагнитных помех (наводок).
   
6. Рациональное размещение внешних выводов модулей
   
7. Равномерность размещения элементов по полю конструктива.
   

Показатели 1, 2, 3, 6, 7 являются косвенными показателями успешного решения задачи 100%-ой трассировки сигнальных соединений, т.е. этап размещении определяет возможность решить задачу трассировки.


Классификация алгоритмов размещения


Алгоритмы размещения делятся на:

• Непрерывно дискретные, которые включают в себя
  

• градиентные;
  
• методы построения динамических моделей.
  
• Дискретные, которые включают в себя:
  
  • методы случайного поиска;
    
  • алгоритмы назначения;
    
  • эвристические алгоритмы.
    

При использовании непрерывных дискретных методов задачи размещения решаются в 2 этапа:

1. Определяются координаты местоположения центров элементов, при которых целевая функция принимает экстремальные значения (эта функция носит непрерывный характер) т.к. местоположение элемента может оказатся в произвольном месте коммутационного поля.
   

2. Полученная координата округляется до фиксированного значения координатной сетки (эта координата носит дискретный характер).