книги / Основы построения САПР и АСТПП

Г.Г.Казенное, А.Г.Соколов

Основы

построения САПР и АСТПП

Допущено Министерством радиопромышленности СССР

в качестве учебника для средних специальных учебных заведений

специальностей электронновычислительной техники

Москва «Высшая школа» 1989

ББК 32.85 К14

УДК 621.38

Р е ц е н з е н т ы :

проф. И. П. Норенкоа (Московское ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени высшее техническое училище им. Н. Э. Баумана), преп. А. Г. Сботова (Астраханский радио­ технический техникум)

ПРЕДИСЛОВИЕ

В настоящее время осуществляется перестройка всей оистемы народного образования: профессиональ­ но-технического, среднего и высшего. Одной из причин ее необходимости является снижение качества обуче­ ния в школах, техникумах и вузах. Особо следует вы­ делить область науки и техники, где наметилось наи­ большее отстаивание в подготовке специалистов раз­ ного профиля для народного хозяйства, — область информатики. Здесь остро ощущается отсутствие спе­ циалистов среднего звена.

Предлагаемый читателю учебник посвящен одной из бурно развивающихся областей техники и инфор­

принципов построения и использования САПР в цик­ ле создания ИЭТ, предназначенным для учащихся техникумов.

Применение ЭВМ для проектирования ИЭТ и ра­ диоэлектронной аппаратуры (РЭА) привело к созда­ нию автоматизированных и даже автоматических си­ стем проектирования. Авторы пытались изложить со­ временное состояние ключевых проблем создания и применения систем автоматизированного проектиро­ вания (САПР) изделий электронной техники, тенден­ ций их развития. Это связано с необходимостью ново­ го подхода к инженерному образованию.

В книге рассматриваются вопросы, связанные с принципами построения и структурой САПР, приме­ няемых для проектирования ИЭТ и РЭА. Освещают­ ся методологические проблемы создания САПР ИЭТ и РЭА, описываются ее важнейшие составляющие: технические средства, прикладное и системное про­ граммное обеспечение, информационное, лингвистиче­ ское и организационное обеспечение. Значительное внимание уделено рассмотрению вопросов организа­ ции автоматизированных систем технологической под-

3

ВВЕДЕНИЕ

Компьютеризация — один из важнейших рычагов научно-тех­ нического прогресса. Так как количество вновь разрабатываемых приборостроительными отраслями промышленности изделий удваивается каждые 15 лет, а их сложность — каждые 10 лет (в отдельных областях техники эти показатели еще выше), тре­ бования к срокам и качеству их проектирования непрерывно рас­ тут. До последнего времени возникающие проблемы решались в основном за счет постоянного увеличения численности инженер­ но-технического персонала и частично за счет роста производи­ тельности труда проектировщиков. Такой экстенсивный путь раз­ вития производительности признан неэффективным. В мире про­

Внедрение средств вычислительной техники в практику проекти­ рования на системной основе, создание систем автоматизирован­ ного проектирования позволяют устранить это противоречие.

Применение математических методов и средств вычислитель­ ной техники на всех этапах создания и организации серийного выпуска изделий электронной техники и радиоэлектронной аппа­ ратуры дает значительный экономический эффект. Наибольшая

достигается при системном подходе к решаемой проблеме. Можно выделить следующие автоматизированные системы,

участвующие в общем цикле создания нового изделия и органи­ зации его серийного выпуска на предприятиях:

—автоматизированная система научных исследований (АСНИ);

—система автоматизированного проектирования (САПР);

—автоматизированная система управления технологическим

процессом (АСУТП);

— автоматизированная система технологической подготовки производства (АСТПП);

—автоматизированная система управления производством на уровне предприятия (АСУП);

—автоматизированная система управления на уровне объеди­ нения (главка), отрасли (АСУ).

5

Глава 1

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

Под проектированием понимают процесс, при котором исход­ ная информация о проектируемом объекте преобразуется в комп­ лекс конструкторско-технологических документов для его изго­ товления с помощью соответствующей технологии. Исходная информация обычно заключена в техническом задании (ТЗ), со­ держащем помимо выполняемой функции объекта проектирова­ ния количественные требования к его функциональным парамет­ рам.

§ 1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ОБЪЕКТОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Существует много признаков, по которым классифицируют

РЭА), механические, гидравлические и др. В большинстве совре­ менных сложных технических систем используется несколько фи­ зических принципов из разнородных дисциплин. Это отражается

гические и вычислительные. Примерами могут быть технологиче­ ский процесс изготовления ИЭТ (или РЭА) и разработки при­ кладного или системного программного обеспечения ЭВМ. В дальнейшем в пособии в качестве объектов проектирования будут рассматриваться только изделия электронной техники и радиоэлектронная аппаратура.

7

Соответствие спроектированного изделия его целевому на­ значению устанавливается с помощью параметров, характери­ зующих свойства и режимы работы объекта. Поскольку на лю­ бом иерархическом уровне пользуются понятием системы и элемента, можно условно выделить параметры проектируемой системы и параметры элементов. К параметрам проектируемой технической системы, которые являются количественной оценкой степени соответствия объекта требованиям технического задания, относятся производительность, стоимость, габаритные размеры и т. д. В научно-технической литературе параметры системы иног­ да отождествляют с понятием «показатель эффективности». К параметрам элементов относятся выходные, внутренние и внешние.

Выходные параметры — количественные показатели, харак­ теризующие функцию, выполняемую объектом. Например, к вы­ ходным параметрам транзистора относятся коэффициент переда­ чи по току в схеме с общим эмиттером, граничная частота усиле­ ния по току, пробивные напряжения р-п-переходов и т. д. Для интегральных микросхем (ИС) выходные параметры — нагрузоч­ ная способность, задержка распространения сигнала, потребляе­ мая мощность, помехоустойчивость и т. д.

Внутренние параметры — это параметры составляющих, из ко­ торых состоит объект. Например, к внутренним параметрам транзистора относятся параметры, характеризующие его попе­ речный разрез и вид сверху; для ИС это выходные параметры транзисторов, сопротивлений, конденсаторов и т. д.

Внешние параметры — это параметры внешней по отношению к проектируемому объекту среды. К внешним параметрам, как правило, относятся диапазон температур, в котором должно ра­ ботать изделие, уровни влажности, излучений, механических виб­ раций и т. п.

Общую взаимосвязь между выходными, внутренними и внеш­ ними параметрами можно показать следующим образом. Введем

обозначения: \ ( у и У2..... */«), Х(хь х2....... xm), Q{qu q2.......Як) — векторы системы соответственно выходных, внутренних и внеш­ них параметров.

Конкретный вид формулы (1.1) определяется структурой со­ ставляющих объекта. Полученная зависимость типа (1.1), отно­ сящаяся к любому этапу проектирования ИЭТ или РЭА и явля­ ющаяся математической моделью, представляет собой одну из

основных проектных процедур.

8

§ 1.2. ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Рассмотрим пять принципов проектирования: декомпозицион­ ный, итерационный, иерархический, унификации задач и состав­ ляющих частей объектов проектирования, контролируемости эта­ пов проектирования.

Декомпозиционный принцип проектирования. Для проектиро­ вания сложных ИЭТ и РЭА характерен декомпозиционный прин­ цип, т. е. разбиение сложной задачи на более простые. Разбиение на части можно проводить по количественным признакам (напри­ мер, по числу компонентов на кристалле в случае ИС) или по степени подробности рассмотрения параметров проектируемого объекта (например, макромоделирование вентилей, функцио­ нальных узлов, регистров и т. д.). С математической точки зре­ ния декомпозиционный принцип позволяет свести одну задачу высокой размерности (по числу уравнений в системе, числу переменных и т. д.) к нескольким меньшей размерности и ре­ шить задачу имеющимися техническими средствами в разумные сроки. Разбиение по степени подробности рассмотрения позво­ ляет проектировщику при разработке логических элементов оперировать десятками транзисторов и других радиокомпонен­ тов, при разработке фрагментов сверхбольших интегральных схем (СБИС) и узлов РЭА —десятками логических элементов, при разработке устройств — десятками узлов, при разработке крис­ талла СБИС или РЭА — десятками устройств и т. д.

Иерархический принцип проектирования. Разбиение по степе­ ни подробности свойств проектируемого объекта приводит к ие­ рархическому принципу, т. е. проектированию, характеризующе­ муся этапами (уровнями) проектирования. Причем чем сложнее проектируемый объект, тем больше уровней. Например, при про­ ектировании транзистора или другого радиокомпонента имеется один уровень — физико-технологический, при котором рассчиты­ ваются выходные параметры транзистора по его внутренним и внешним параметрам в соответствии с (1.1). Проектирование од­ нокристальной ЭВМ состоит из пяти этапов: 1) архитектурно­ структурного; 2) функционально-логического; 3) схемотехниче­ ского; 4) топологического; 5) физико-технологического. Для каждого из этих этапов имеется свое понятие системы и элемен­ та. То, что на предыдущем этапе было системой, на последующем становится элементом (при восходящем проектировании).

Итерационный принцип проектирования. Проверку правиль­ ности проектных решений, их соответствие требуемым парамет­ рам необходимо обеспечить на стадии проектирования, т. е. до изготовления опытного образца. Последовательное приближение к выполнению заданных требований по результатам моделирова­ ния и оптимизации на каждом этапе проектирования ИЭТ и РЭА составляет суть итерационного принципа проектирования. Итера-

9

ции могут выполняться внутри одного этапа проектирования и между группами этапов.

Принцип унификации задач и составляющих частей объектов проектирования. Унификация упрощает процесс проектирования и представляет объекты проектирования в базе данных более компактно. Объекты проектирования должны быть максимально унифицированы и иметь минимально возможную номенклатуру. Основная цель унификации — минимизация составляющих ИЭТ и РЭА частей, требующих полностью новой разработки.

Так, при проектировании ИС должны применяться унифицированные транзисторы, диоды и т. д.; при разработке средних интегральных схем (СИС), больших интегральных схем (БИС), СБИС, функциональных блоков РЭА — унифицированные типо­ вые логические и аналоговые элементы и т. д.

Принцип контролируемости этапов проектирования. Контроль может быть либо совмещен с процессом проектирования (напри­ мер, при размещении элементов и трассировки внутрисхемных соединений на кристалле ИС или печатной плате с соблюдением заданных норм и параметров), либо выделен из него (при авто­ матической проверке проектных норм и параметров, полученных на любом этапе проектирования ручным, автоматизированным или автоматическим, но контролируемым способами). Процеду­ ру контроля правильности выполнения проектных работ на раз­ личных этапах проектирования ИЭТ и РЭА часто называют ве­ рификацией.

§ 1.3. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИЭТ

Проектированию ИЭТ и РЭА с помощью электронных вычис­ лительных машин (ЭВМ) уделяется исключительно большое внимание. Об этом свидетельствует непрерывно возрастающее количество публикаций, посвященных различным аспектам при­ менения ЭВМ на основных этапах их проектирования. Вычисли­ тельные машины можно применять на отдельных этапах проек­ тирования, для выполнения работ по нескольким этапам и для полной автоматизации процесса проектирования ИЭТ и РЭА. Однако для наиболее рационального использования ЭВМ необ­ ходимо исследовать сам процесс проектирования и только после этого решать, какие его стадии поручать ЭВМ.

* В дальнейшем будем писать только ИС.

10