Лекции по САПР

11Конспект лекций по САПР

2.4.2.Способы организации размещения данных

Запись — простейшая единица данных (одно или группа). Различают логическую и физическую форму записи.

Логическая запись — форма записи, воспринимаемая пользователем (например, R11 — информация о резисторе с номиналом 11).

Физическая запись — материализованная форма логической записи.

Ключ записи — это вспомогательная информация, содержащаяся в записи и позволяющая отличать записи друг от друга.

Различают 2 вида ключей — ключи порядка, с помощью которых определяется место записи в БД среди других записей; и смысловые ключи (ключи типа данных), определяющие смысловое содержание записи и позволяющие выделить данную запись среди других.

Работа с записями может выполняться в 3-х основных режимах: последовательная обработка, произвольная обработка (в произвольном порядке) и корректировка.

Рассмотрим основные 4 способа организации размещения записей: последовательный, прямой, библиотечный и индексно-последовательный.

Последовательная организация записей состоит в последовательном размещении логических записей друг за другом.

Физические записи могут либо следовать подряд друг за другом:

Либо располагаться в различных местах носителя информации. В этом случае записи организуются в виде связного списка, когда в конце каждой записи имеется указание адреса начала следующей записи (А2, А3 и т.д.).

Прямая организация записей состоит в том, что ключ логической записи однозначно определяет физический адрес ее начала.

Библиотечная организация данных может рассматриваться как вариант прямой организации. Записи разделяются на группы, называемые разделами. Каждый раздел получает свое имя. Список имен и адреса начала первых и конца последних записей каждого раздела помещаются в начале файла и образуют его оглавление (каталог). Таким образом поиск нужного раздела состоит в просмотре каталога.

Оглавление (каталог) библиотеки

Индексно-последовательная организация данных предназначена для ускорения поиска записей по сравнению с последовательной организацией.

Логические записи размещаются по мере возрастания значений их ключей порядка. Файл ключей порядка записей разбивается на части так, что начальные адреса этих частей, называемые индексами, образуют иерархическую структуру типа дерева, верхние уровни которого соответствуют более крупным частям, а нижние — более мелким.

2.4.2. Способы структурирования данных

Под способом структурирования данных понимается способ формирования из частей какихлибо конфигураций по тому или иному признаку.

Принцип, на котором основан способ структурирования данных, часто называют концептуальной моделью БД, моделью или просто структурой данных.

Основными типами моделей данных являются ассоциативная, последовательная, иерархическая и реляционная.

Ассоциативная модель позволяет выделять часть информации или отдельные данные, имеющие какое-либо указанное общее свойство.

Последовательная модель устанавливает связь между предыдущей и последующей частью информации и могут быть либо в виде строго последовательной цепочки записей, физическая и логическая структуры которых совпадают, либо в виде связанного списка, когда они не совпадают, но в конце каждой физической записи есть указание на место начала следующей физической записи. При этом логическая структура записей считается последовательной.

Иерархические модели данных имеют 2 разновидности — древовидную и сетевую. Иерархические модели данных характерны тем, что отдельные части информации распола-

гаются на разных иерархических уровнях, связи частей однонаправлены сверху вниз и организованы так, что можно образовать любую цепочку связанных сверху вниз частей. Если каждая часть могут быть связана лишь с одной предыдущей частью, т.е. имеет один вход, то структура называется древовидной, а если имеет несколько входов, то сетевой.

Реляционные модели данных основаны на выделении смысловых групп информации с использованием реляционного исчисления (алгебры отношений между данными). Данные задаются в виде таблиц, реляционные операции над которыми (выделение элементов по принципу соответствия тому или иному отношению — эквивалентно, больше, меньше, равно и т.д.) порождают новые таблицы с другими отношениями.

2.4.3. СУБД — системы управления базами данных

СУБД играет роль интерфейса между пользователями и базой данных и представляет собой автономную программную систему, не входящую в операционную систему и состоящую из 3-х групп программ:

1.Обработки и организации вводимых данных;

2.Создания и корректировки файлов;

3.Поиска данных в файлах.

Язык СУБД состоит из 3-х частей:

−Языка описания данных, не зависящего от прикладных программ и описывающего способ организации, размещения и связи данных;

−Языка манипулирования данными, позволяющего связать БД с прикладными программами или пользователем, т.е. сформировать нужную конфигурацию из отдельных частей;

−Языка обработки данных (ввода, вывода, стирания, корректировки данных и их восстановления, если они испорчены).

2.4.4.Прикладные и системные базы данных САПР

Базы и библиотеки данных, используемые в САПР, могут организовываться двумя способами — как прикладные (внутри прикладных программ САПР как часть этих программ) и как системные (общие для всех подсистем САПР).

В первом случае хранения данных организуется по библиотечному принципу, программирование способа хранения данных и способа доступа к ним выполняется на языке программирования.

Во втором случае данные организуются по прямому, последовательному или индекснопоследовательному способу в зависимости от частоты их использования и образуют системную базу данных, допускающую одновременную согласованную модификацию данных, используемых в разных подсистемах САПР.

2.5. Программное обеспечение

В программное обеспечение входят тексты программ и документы для их эксплуатации (инструкции для пользователя, текстовые программы и т.д.).

Основные требования к программному обеспечению:

14Конспект лекций по САПР

−Гибкая организация (модульное построение, взаимозаменяемость модулей и т.д.), допускающая возможность построения различных конфигураций программных систем и их расширение;

−Хорошее сервисное обеспечение (возможность диагностики ошибок работы в режиме диалога, с разделением времени);

−Высокое качество текстов программ (структурированность, быстродействие, эффективное использование памяти).

2.5.1.Системное программное обеспечение (СПО)

СПО включает общие и специализированные операционные системы (ОС). К общим относятся системы типа ОС ЕС, ДОС ЕС, ОС РВ СМ и др.

К специализированным — системы, создаваемые специально для управления уникальными программными комплексами, например п/с САПР.

ОС называется совокупность программ, управляющих работой ЭВМ, обеспечивающих согласование работы ЭВМ и поступающих в нее программ пользователя для максимальной загрузки всех устройств ЭВМ и осуществляющих связь ЭВМ с пользователем с целью предоставления ему максимальных удобств (услуг) при решении задач.

Язык управления заданиями состоит из управляющих операторов. Основными операторами являются: JOB (оператор задания), EXEC (оператор пункта задания, т.е. задачи) и DD (оператор описания данных).

Программа начальной загрузки подготавливает оперативную память ЭВМ, выделяя необходимые разделы, вводит в нее ядро ОС — системные программы и запускает (инициирует) эти программы.

Управление заданиями выполняется программой-планировщиком (супервизором заданий). В его функции входит:

Контроль правильности записи управляющих операторов на языке управления заданиями, наличия разделителей между заданиями, правильности записи имен отдельных модулей программ; Назначение устройств ввода-вывода разным программам, управление установкой носителей

информации; Планирование прохождения заданий (последовательное, приоритетное).

Управление задачами (работами) выполняется супервизором работ, который контролирует прохождение программы (задания) с момента ввода до получения результатов. В функции супервизора работ входит обработка всех видов прерываний, возникающих при выполнении задач.

Прерыванием называется сигнал, генерируемый в вычислительной системе при возникновении определенных ситуаций. Возможны 5 типов прерываний: прерывания от в/в, программные прерывания, прерывания при обращении к супервизору, внешние прерывания, прерывания от схем контроля ЭВМ.

Управление данными включает программы организации и перемещения данных между оперативной памятью и внешними носителями, ввод и вывод данных с разным типом организации, анализ ошибок при в/в и т.д.

17Конспект лекций по САПР

2.5.4.Функционирование САПР в среде ОС

В состав ТО САПР выходят ЭВМ и периферийное вспомогательное оборудование, обеспечивающее удобство взаимодействия проектировщика и САПР.

К периферийным средствам относят устройства графического ввода, чертежные автоматы, координатографы, дисплеи и АРМ.

Устройства графического ввода выполняют преобразование графической информации (ГИ) в цифровую форму, состоящее из операций считывания и кодирования.

Чертежные автоматы служат для вычерчивания чертежей по заданной цифровой информации. Эти устройства позволяют перевести результаты проектирования, полученные в виде цифровых кодов, в графическую форму и облегчают изготовление технической документации.

Координатографы используют при разработке фотооригиналов подложек микросхем, печатных плат и т.д. Изображение наносится путем вырезания, гравировки по заданной ЭВМ программе.

Дисплеи — это устройства отображения информации на экране электронно-лучевой трубки. АРМ представляют собой комплексы для организации диалога между ЭВМ и проектиров-

щиком с широким использованием графической информации.

Совокупность правил, инструкций и документов, регламентирующих состав групп обслуживания САПР, их обязанности и взаимоотношения, образуют организационное обеспечение.

Методическое обеспечение САПР — это описание программ, баз данных, языков проектирования и различные инструкции по использованию всех видов обеспечения САПР.

3. СТРУКТУРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

3.1. Постановка задачи

Одним из первых этапов проектирования РЭА является проектирование ее структуры. На этом этапе объект проектирования представляется виде структурной схемы, т.е. совокупности взаимно-связанных достаточно крупных завершенных блоков.

Задача проектирования структурной схемы заключается в том, чтобы, варьируя типами, параметрами и связями блоков, найти такую структуру, которая обладала бы заданными выходными параметрами и характеристиками. Ограничениями при проектировании структуры могут быть номенклатура блоков, их предельно допустимые характеристики, число связей.

3.2. Основные способы структурного моделирования

3.2.1. Аналитическое моделирование

Методика аналитического способа моделирования состоит в составлении математического описания системы с техническим заданием (ТЗ) рассматриваемых характеристик, вычисления этих характеристик при значениях параметров, соответствующих выбранной структуре, и оценки полученных значений.

Аналитические методы применяются для простых систем и элементов. Однако даже в этих случаях рассчитываются лишь линейные стационарные и нелинейные безынерционные системы.

3.2.2. Имитационное моделирование

Для имитационного моделирования разрабатывается соответствующая модель имитируемой системы.

Модель строится так, чтобы отразить исследуемые характеристики системы (надежность, точность, производительность).

Построение модели системы осуществляется на основе ее описания. Процесс имитационного моделирования может заключаться (в зависимости от целей) в моделировании прохождения сигнала через систему, в определении состояния каждого их блоков системы (исправен ― неисправен) и системы в целом, в расчете ошибок или помех, возникающих при похождении сигнала и т.д.

При структурном проектировании имеют дело с двумя типами задач. В этих задачах либо определяется качество функционирования системы, либо система рассматривается с позиций теории массового обслуживания и при моделировании определяется наличие очередей запросов к устройствам, простои устройств.

Методы имитационного моделирования используются при решении задач обоих типов.

Система годна

3.3. Модели блоков и сигналов

3.3.1. Общие сведения о моделях

Модели блоков и сигналов для структурного проектирования разнообразны и зависят от типа решаемых задач. Эти задачи можно разделить на 3 основные типа: моделирование точности работы, моделирование надежности (работоспособности) и моделирование обслуживания (пропускная способность, коэффициент загрузки или простоя и т.д.).

При моделировании точности работы модели блоков структуры представляют собой аналитические выражения или алгоритмы для вычисления ошибок на выходе блока как функций случайного соотношения его отдельных параметров и характеристик внешней среды.

При моделировании надежности системы модели блоков представляют собой случайные величины или случайные процессы в виде последовательности цифр. Каждая из которых соответствует определенному состоянию моделируемого блока, например, 0 ― неисправен, 1 ― исправен, 2 ― неопределенное состояние и т.д.

При моделировании процессов обслуживания системы модели блоков представляются набором временных параметров, характеризующих блок, ― времени подготовки обслуживания, «отдыха» после обслуживания и т.д. При этом каждое из времен могут быть случайной величиной.

Независимо от типа задач общим для моделей блоков и сигналов является отражение в них статистических свойств моделируемых объектов. Поэтому их основу составляют генераторы случайных величин.

3.3.2. Основные характеристики случайных величин, моделируемых на ЭВМ

Случайные величины в системах имитационного моделирования могут формироваться тремя способами:

−из таблиц случайных чисел;

−физическими датчиками случайных чисел;

−программами получения случайных чисел.

Для имитационного моделирования требуются случайные числа с различными законами распределения ― нормальным, равномерным. Экспоненциальным и др.

Основой для их генерации является последовательность случайных чисел с равномерным законом распределения на интервале (0…1).

20Конспект лекций по САПР

3.3.3.Моделирование равномерного распределения

где k ― специально подобранное большое целое число, а операция умножения k·ξn производится по модулю М, т.е. если результат k·ξn ≥ М, то в качестве ξn+1 берется остаток от деления k·ξn/ М. Числа ξi ― целые. В качестве М берется максимальное целое число, размещаемое в машинном слове ЭВМ.

Функция вида (3.1) представляет собой множество прямых линий в квадрате с длиной стороны, равной М. Наклон и количество линий определяется величиной k.

Для получения хороших «случайных» чисел с помощью процедур вида (3.1) надо, чтобы график этой функции представлялся большим числом линий и плотно заполнил квадрат, т.е. k д.б. достаточно большим.

Дополнив процедуру (3.1) преобразованием

ξn+1 =ξn+1/ M, (3.2)

получим случайные числа, равномерно распределенные на интервале (0…1), являющиеся базовыми для формирования случайных чисел с произвольным законом распределения.

3.3.4. Моделирование нормального распределения

Один из часто применяемых методов основан на центральной предельной теореме теории вероятности, согласно которой сумма независимых случайных величин εi с произвольными законами распределения и мало различающимися дисперсиями образует последовательность случайных величин с законом распределения, стремящимся к нормальному при n→∞.

γ= ∑εi

i=1

Вкачестве εi можно использовать равномерно распределенные случайные величины на интервале (0…1).

Нормальное распределение с М(γ)=0 и D(γ)=1 можно получить, воспользовавшись алгоритмом: n

где ξi — случайные числа, равномерно распределенные на интервале (0…1). При n=12.

12

γ= ∑ξi −6.

i=1

Метод полярных координат

Согласно этому методу числа вычисляются по формулам:

где ξ1, ξ2 — 2 числа с равномерным распределением на (0…1). Получающаяся последовательность чисел нормирована, т.е. М=0, D=1.

3.3.5. Моделирование дискретного распределения

Если необходимо получить ряд дискретных случайных величин ε1, ε2, … εn с вероятностями появления Р1, Р2, … Рn, то, используя равномерно распределенную последовательность случайных чисел εi, можно это сделать следующим образом.