Разработка информационного обеспечения интегрированной интерактивной автоматизированной системы проектирования печатных плат на системе малых ЭВМ

На ШТ съезде КПСС было указано на важную роль массового применения «высокоэффективных систем машин и технологических процессов, обеспечивающих комплексную механизацию и автоматизацию производства» [I]. При этом задача расширения автоматизации проектно-конструкторских работ с применением электронно-вычислительной техники должна быть тесно связана с обеспечением широкого применения «автоматических манипуляторов (промышленных роботов), встроенных систем автоматического уцравления с использованием микроцроцессоров и мини-ЭВМ» [I] .

Эти положения развиты в решениях июньского 1983 г. [2] и внеочередного февральского 1984 г. [3] Пленумов Центрального Комитета КПСС. На июньском 1983 г. Пленуме ЦК КПСС было отмечено, что в настоящее время «решающее значение приобретает единая научно-техническая политика. Нас ждет огромная работа по созданию машин, механизмов и технологий как сегодняшнего, так и завтрашнего дня. Предстоит осуществить автоматизацию производства, обеспечить широчайшее применение компьютеров и роботов, внедрение гибкой технологии, позволяющей быстро и эффективно перестраивать производство на изготовление новой продукции» [2] .

Одной из наиболее современных форм автоматизации проектирования и управления являются проблемно-ориентированные комплексы на базе малых ЭВМ и микропроцессоров, обладающих гибкими функциональными возможностями Ц 64], к которым тесно примыкают аппара-турно-программные средства организации автоматизированных рабочих мест (АРМ) персонала, в том числе конструкторов радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Высокая эффективность САПР на малых ЭВМ в сочетании с их низкой стоимостью позволяет считать, что они в полной мере отвечают решению" важнейшей задачи современного этапа развития народного хозяйства — повысить производительность труда «на I процент и снизить себестоимость продукции дополнительно на 0,5 процента» [3] .

Известно, что системы автоматизации проектирования печатных плат (ПП) являются одними из самых первых САПР, наиболее развитыми в теоретическом, техническом и организационном плане. Уже много лет уровень интереса к этим системам устойчиво высок. Это объясняется рядом причин, из которых наиболее важными являются следующие:

1. ПП являются основным средством коммутации в самом широком смысле этого понятия в РЭА, электронно-вычислительной аппаратуре (ЭВА), приборостроении и т. д. По всей видимости, сегодня нет такого футуролога в технике, который даже с оговорками предрек бы замену ПП на другой вид коммутации, соперничающий с ним по гамме таких параметров, как технологичность, стоимость, разрешающая способность, серийноспособность, электрические параметры и т. д.

2. Параллельно развивающиеся сравнительно новые технологические методы коммутации такие, как рельефный монтаж, фрезерование ПП, мультипроводные методы монтажа (мультивайр, стежковый монтаж, методы пружинных скоб, накрутка и т. д.) не требуют кардинального изменения в методах проектирования, а как правило сопряжены с решением дополнительных или видоизмененных задач, так или иначе уже рассматриваемых при создании теории проектирования ПП.

3. Возникшие позднее методы проектирования гибридных интегральных схем (ГИС), больших интегральных схем (БИС) и даже сверхбольших интегральных схем (СБИС) естественно основывались в силу частичной общности задач на методах проектирования Ш, математических моделях электрических схем, оптимальных методах размещения, трассировки и т. д.

Естественно, что потребности и возможности технологии интегральных схем привели к развитию методов, используемых при проектировании ДП, созданию новых теоретических положений, решению новых задач. В то же время, основываясь в изначале на методах проектирования ПП, методы проектирования ГИС и БИС обогатили и содействовали развитию методов проектирования ПП.

4. Все существующие на сегодня методы автоматизации проектирования ПП пока не позволяют считать, что эта задача «окончательно» решена. Пока интеллект человека с его «картинным» мышление, возможностью охвата всей задачи проектирования во всем ее многообразии и многими неформальными критериями оптимизации, дает значительно лучшие результаты, чем самая совершенная система проектирования. Обследование, проведенное известным американским ученым Мелвином Брейером в 1979 г., показало, что из 25 зарубежных фирм в 22 для ПП, предназначенных для серийного производства, предпочтение отдавалось ручным методам проектирования. Тем не менее, все эти фирмы были оснащены и широко применяли самые совершенные САПР, которые использовались на предварительных этапах создания образцов новой техники.

5. Развивается вычислительная техника, совершенствуются технические и программные средства. Традиционно считалось, что уровень сложности задач проектирования таков, что для их реализации необходимы самые быстродействующие ЭВМ с самыми большими оперативными и внешними запоминающими устройствами. Эти машины оснащались наиболее совершенными операционными системами. Таким образом, основной лозунг звучал примерно так: «самым сложным из задач — задачам САПР — самую совершенную вычислительную технику» .

Сегодня полный цикл проектирования ПП в автоинтерактивном режиме осуществляется на персональных компьютерах и таких систем за рубежом реализованы десятки. То есть развитие вычислительной техника (ВТ) осуществляется столь бурно, она совершенствуется столь интенсивно как в части техники, так и программного обеспечения, что трудно говорить об исчерпаний возможностей САПР даже в аспекте использования новых средств ВТ. Постоянно создаются новые системы с новыми возможностями и этот процесс, по всей видимости, будет бесконечен.

Поэтому естественно, что развитие САПР ПП осуществляется и во многом определяется развитием ВТ, является ее следствием и продуктом".

6. На базе совершенствования средств ВТ совершенствуется структура САПР как человеко-машинных систем по направлению оптимизации распределения функций между человеком и ЭВМ. Это новое направление, требующее серьезного изучения интеллектуальных и физиологических особенностей человека в процессе решения сложных задач. По всей видимости, в ближайшее время следует ожидать новых открытий и технических решений, которые позволят повысить эффективность уже действующих САПР, и появления принципиально новых САПР.

В этом направлении особенно удачной признана концепция соз- • дания интерактивных графических систем проектирования (СAl)). К концу 1980 г. в мире функционировало около 4000 CADсистем, из которых около 35% применялось для проектирования ПП. Сочетание интеллекта конструктора с вычислительной мощью ЭВМ позволяет знаS i чительно повысить эффективность процесса проектирования. !

7. Новый импульс к повышению уровня разработок САПР ПП произошел в результате создания мобильных (транспортабельных) систем математического обеспечения типа ¡-ОНИКС, КСЕНИКС и языков программирования (СИ, ПАСКАЛЬ и т. д.), совершенствования применяемых структур данных. Возможность свободного перенесения МО для проектирования с одной ЭВМ на другую также существенно повлияла на скорость и качество разработки САПР Ш.

8. Численность коллективов, занимающихся проектированием ПП, колеблется от нескольких человек до нескольких десятковили сотен конструкторов, т. е. диапазон очень широк, квалификация специалистов очень разнообразна. Также широк диапазон сложности ПЛ. Если оценивать сложность условно по отношению площади, занимаемой ЭРЭ, ко всей площади платы, то он колеблется от 3−4 $ у бытовой аппаратуры до 1Ъ% на многослойных ПП вычислительных машин и в спецприменениях.

Поэтому гамма технических и программных средств САПР, обеспечивающих различные по численности и квалификации коллективы, при разнообразии стоящих задач также должна быть очень велика. Причем варьироваться должны стоимость, возможности систем, пользовательские характеристики, даже занимаемая оборудованием площадь и спецтребования к помещениям.

Вот почему интерес к разработке новых и повышению эффективности существующих САПР ПП устойчиво сохраняется уже более полутора десятилетий.

Актуальность темы

В настоящее время наряду с САПР печатных плат, реализуемыми на больших вычислительных комплексах, все большее распространение в мировой практике получают системы и средства автоматизации проектирования на малых ЭВМ. Такие дешевые и мобильные системы являются типичными проблемно-ориентированными комплексами и расчитаны на массового потребителя, проектирующего платы самой различной насыщенности и габаритов. Они предназначены дяя решения полного комплекса задач проектирования в интерактивном или автоинтерактивном режимах. Создание САПР на малых ЭВМ является сложной задачей, так как она должна решаться в условиях ограниченности ресурсов ЭВМ (производительности, памяти) и применения дешевых векторных дисплеев, имеющих сравнительно небольшие возможности в части отображения насыщенных графических объектов, каковыми являются ПЛ.

Перспективность САПР на малых ЭВМ общепризнана в силу их доступности самым различным категориям пользователей в сочетании с высоким качеством проектных решений. В то же время, как показывает анализ, теория и црактика построения подобных систем разработаны недостаточно. Среди множества проблем, возникающих при создании таких систем, одной из важнейших является рациональная организация данных. Успешное ее решение в рамкак жесткой ограниченности вычислительных ресурсов позволяет обеспечить высокую реактивность интерактивной графической САПР, дает возможность реализовать сквозной цикл проектирования ПЛ. В особенности это важно для интегрированных САПР, осуществляющих помимо проектирования ПП технологическую подготовку производства. В связи с этим проблема построения интегрированной структуры данных для интерактивной системы проектирования ПП на малых ЭВМ является актуальной.

Цель работы заключается в разработке теоретических основ, методики построения информационного обеспечения интерактивных САПР ПП в условиях жесткой ограниченности вычислительных ресурсов малых и персональных ЭВМ и реализации полученных теоретических результатов в рамках интерактивной САПР на базе малой ЭВМ СМ-4.

Предмет исследования. Объектом исследования является интерактивная графическая САПР ПП. В диссертации исследуются методы построения интегрированной структуры данных, позволяющей создать на малой ЭВМ систему, обеспечивающую сквозной цикл проектирования.

ПП, включая технологическую подготовку сборочного производства.

Методы исследования базируются на применении аппарата бинарных отношений, теории графов, теории построения баз данных и экспериментах с программной реализацией.

На защиту выносятся:

— формальный аппарат количественных оценок структур данных в ИГС по объему занимаемой памяти и времени поиска;

— методика проектирования информационного обеспечения ИГС на малых ЭВМ, основанная на формальном аппарате оценок структур данных;

— инфологические модели и структуры данных о ПЭС и коммутационном пространстве для трассировки ПП, позволяющие разместить в оперативной памяти малой ЭВМ данные о насыщенных ДП цредельных габаритови — структура библиотечных данных в ИГС проектирования ПП, обеспечивающая возможность интеграции процессов проектирования ПП и технологической подготовки сборочного производства.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Разработаны новые методы представления бинарных отношений в памяти ЭВМ, основанные на трансформации множеств, которые дают лучшие оценки по объему памяти, чем известные ранее методы.

2. Разработаны теоретические положения и создан формальный аппарат количественных оценок информационно-логических моделей принципиальных электрических схем (ПЭС) и печатных плат (ПП) по объему памяти, занимаемой данными, и времени их поиска.

3. Создана и обоснована методика построения структур данных в оперативной памяти, позволяющая минимизировать объем памяти, занимаемой данными, без существенного снижения быстроты поиска.

4. Построены новые инфологические модели и разработаны структуры данных о ПЭС и коммутационном пространстве, которые позволяют разместить всю информацию о ПП высокой сложности и предельных габаритов в оперативной памяти малой ЭВМ, что повышает реактивность интерактивной системы проектирования.

Практическая ценность работы состоит в реализации информационного обеспечения и организации диалога в интерактивной САПР ПП на малой ЭВМ СМ-4, решающей полный комплекс задач конструкторского проектирования широкого класса ПП, и ее внедрении в различных НИИ, КБ и заводах ряда отраслей промышленности.

Содержание работы В первой главе дан анализ методов организации данных в диалоговых системах, используемых для проектирования ПП, рассмотрены форматы внутреннего представления данных, их достоинства и недостаткиисследованы базы данных, используемые в САПР, и системы управления базами данных (СУБД), выполнен сравнительный анализ применения СУБД общего назначения в САПР и комерческих системахопределены основные методологические принципы построения структуры данных для специализированной интерактивной САПР ПП, реализуемой в условиях жесткой ограниченности вычислительных ресурсов малых ЭВМрассмотрены математические модели ПЭС, используемые для решения отдельных задач конструкторского проектированияопределен 1фут задач и цели исследования.

Во второй главе исследуются принципы построения структур данных в оперативной памяти для интерактивной САПР ПП, предлагается формальный аппарат количественных оценок этих структур по объему памяти, занимаемой данными, и времени их поиска, приводятся принципы преобразования моделей на основе формальных критериев с целью улучшения этих оценок.

В третьей главе исследуются и разрабатываются модели ПЭС и коммутационного пространства, определяющие логические структуры данных, которые могут быть реализованы в оперативной памяти СМ-4- развиваются методы организации библиотеки элементов в интерактивной САПР ППисследуются вопросы, связанные с организацией взаимодействия интерактивной САПР ПП с системой планирования работы гибкого автоматизированного сборочного производства (ГАСИ).

В четвертой главе излагаются результаты практической реализацииописываются принципы построения интерактивной системы проектирования ПП МАГИСТР, физическая организация данных в МАГИСТР, методы организации дисплейного файла.

— 135 -ВЫВОДЫ.

1. Исследована организация данных в современных отечественных и зарубежных ИГС на малых ЭВМ. Проведен анализ достоинств и недостатков известных структур данных, оцределены основные тенденции в развитии методов организации структур данных в САПР, выявлены нерешенные теоретические вопросы.

2. Проанализированы существующие математические модели ПЭС под углом их использования для определения логической структуры данных в ИГС проектирования ПП на малых ЭВМ. Отмечено удобство применения для описания таких моделей аппарата бинарных отношений.

3. Исследованы существующие и разработаны новые методы реализации бинарных отношений в памяти ЭВМ.

4. Исследован и разработан математический аппарат, позволяющий произвести оценку различных моделей объектов проектирования по соответствующим им логическим структурам данных и выбрать наиболее экономичную по объему занимаемой памяти и времени поиска.

5. Исследован и разработан формальный аппарат для преобразования исходной модели. Структура данных, соответствующая преобразованной модели, имеет лучшие оценки по объему занимаемой памяти.

6. Исследован и разработан математический аппарат, который позволяет при выбранной модели и логической структуре данных оценить предельные характеристики проектируемых в ИГС объектов.

7. Исследованы модели ПЭС, описываемые с помощью аппарата бинарных отношений. Разработана модель ПЭС и структура данных, повторяющая структуру модели, которая дает приемлемые для реализации на малых ЭВМ оценки по объему памяти, занимаемой данными, и времени их поиска.

8. Исследованы структуры данных, организованных по библиотечному принципу, в ИГС проектирования ПЛ. Разработана логическая структура данных о библиотечных элементах (включающих цокольное представление ЭРЭ, логическое изображение ЭРЭ на ПЭС, сборочном чертеже и т. д.), которая обеспечивает быстрый поиск данных, удобство для пользователя и простоту пополнения библиотеки.

9. Исследован вопрос развиваемости структуры данных, в качестве примера рассматривается интеграция процессов проектирования и подготовки производства. Показано, что введение дополнительных данных не изменяет разработанную общую структуру данных.

10. Исследованы модели коммутационного пространства для решения задачи трассировки ПЛ. Разработана структура данных о коммутационном пространстве для трассировки ПП, позволяющая хранить в оперативной памяти малой ЭВМ данные для трассировки ПП предельно больших габаритов.

11. Разработаны принципы организаций диалога в ИГС проектирования ПП, центральный формат внутреннего представления данных и формат дисплейного файла.

12. Разработаны программы-трансляторы из языка описания данных в центральный формат ИГС и обратно, црограмма формирования дисплейного файла, программы поиска и обновления данных в центральном формате, коррекции дисплейного файла.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе поставлена и решена задача разработки информационного обеспечения ИГС проектирования ПП на малых ЭВМ, В процессе ее решения были получены следующие результаты:

— разработана формальная теория оценок моделей объектов проектирования и структур данных, описываемых с помощью аппарата теории множеств и бинарных отношений, по объему памяти, занимаемой данными, и времени поиска;

— разработаны новые модели ПЭС, коммутационного пространства для задачи трассировки ПП, позволяющие разместить в оперативной памяти малой ЭВМ все данные о ПП высокой сложности и предельных габаритов;

— разработаны формат дисплейного файла и центральный формат внутреннего представления данных в системе МАГИСТР, осуществляющей сквозной цикл конструкторского проектирования ПП на СМ-4.

Таким образом, задачи исследования — решены.