Автоматизация проектирования ЭВТ

     Длительное  время РЭА разрабатывалась на основе блочного метода конструирования, предусматривающего расчленение аппаратуры с целью ее стандартизации и унификации до уровня блока (отсюда и название метода). Однако этот метод конструирования  не позволял автоматизировать производственные процессы сборки и монтажа РЭА  и с течением времени, по мере усложнения аппаратуры, был заменен функционально-узловым  методом, при котором сложные  функциональные схемы составляются из простейших функциональных узлов.

     Широкое внедрение данного метода обусловлено  возможностью использования ограниченного  набора функциональных узлов для  создания какого-либо конкретного класса аппаратуры, что позволило решить задачу их унификации. Унифицированные  функциональные узлы (микросхемы различного функционального назначения и уровня интеграции — числа элементов  на одном кристалле или в одном  корпусе микросхемы) выпускаются  серийно специализированными предприятиями  и используются в качестве комплектующих  изделий при проектировании РЭА. Специфические схемы и узлы в  современной РЭА составляют лишь 15—30%. Во многих случаях они могут  быть реализованы на той же конструктивно-технологической  базе, что и унифицированные узлы. Применение функционально-узлового метода позволило автоматизировать производственные процессы сборки и монтажа аппаратуры, снизить ее себестоимость, сократить  сроки разработки и повысить надежность.

     Помимо  функционально-узлового метода конструирования, который предусматривает создание конструкций РЭА на основе микросхем, выполняющих простейшие функции  усиления, генерации и преобразования сигналов, в настоящее время все  большее значение приобретает метод, основанный на использовании больших  интегральных схем (БИС). В промышленности наметились два направления развития БИС: полупроводниковые (монолитные) и гибридные БИС. Полупроводниковые БИС представляют собой конструкции, состоящие из нескольких тысяч полупроводниковых элементов, изготовленных в едином технологическом процессе на одной общей полупроводниковой пластине. Гибридные БИС являются сборными конструкциями, в которых сначала отдельно на миниатюрных подложках с помощью пленочной технологии изготовляют пассивные элементы схемы (резисторы, конденсаторы и индуктивные катушки), а затем на коммутационной подложке эти элементы соединяют согласно заданной принципиальной схеме с твердотельными матрицами диодов, транзисторов и бескорпусными ИС. Гибридные БИС имеют увеличенное число промежуточных электрических соединений по сравнению с монолитными БИС, но при этом обеспечивают высокий процент выхода годной продукции, что позволяет наладить их производство на предприятиях, не имеющих сложного технологического оборудования, необходимого для выпуска полупроводниковых интегральных схем.

     Как указывалось, использование унифицированных  функциональных узлов существенно  повысило надежность РЭА. Это объясняется  как высокой надежностью самих  унифицированных узлов, элементы которых  работают обычно в облегченных режимах, лучше защищены от внешних механических и климатических воздействий, так  и уменьшением числа паяных и  сварных соединений, существенно  снижающих надежность аппаратуры. Применение БИС способствовало повышению надежности РЭА, уменьшению ее габаритов и массы, снижению стоимости. Использование  современных микросхем, изготовляемых  в едином технологическом цикле  с минимальным числом паяных и  сварных соединений, позволило на один-два порядка увеличить надежность работы РЭА по сравнению с аналогичной  аппаратурой, выполненной на обычных  дискретных элементах. Кроме того, малые  габариты и масса микросхем дают возможность широко использовать один из самых эффективных способов повышения надежности — резервирование.

     Следует заметить, что функционально-узловой  метод и метод конструирования  на основе БИС не противоречат, а  взаимно дополняют друг друга  при создании сложных и многообразных  конструкций РЭА.

     Развитие  современной РЭА диктует повышенные требования к процессу проектирования ее конструкции. Так, например, с появлением микросхем для реализации межсоединений  применяют многослойные печатные платы, обеспечивающие высокую плотность  компоновки элементов. При этом трудоемкость проектирования таких многослойных печатных плат, а также многослойных пленочных межсоединений БИС  оказывается весьма высокой. Их разработка традиционными ручными способами  затруднительна, а во многих случаях  просто невозможна.

     Таким образом, внедрение функционально-узлового метода конструирования РЭА и  достижения микрорадиоэлектроники  послужили необходимыми предпосылками  для разработки и развития машинных методов конструирования.

     ОСНОВНЫЕ  ПРОБЛЕМЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ  РЭА

     Широкое внедрение РЭА в различных  отраслях народного хозяйства, а  также ускорение темпов развития науки и техники привели к: а) непрерывному росту тактико-технических  требований, предъявляемых к разрабатываемым  изделиям РЭА, и усложнению их конструкций, что увеличивает сроки проектирования; б) резкому сокращению сроков морального старения изделий РЭА и необходимости  своевременной их замены более совершенными; в) увеличению стоймости разработок; г) сжатым срокам, отводимым на разработку новых изделий.

     Указанные особенности разработки и освоения новых образцов РЭА сделали данный процесс весьма сложным и трудоемким. Классические методы и средства "ручного проектирования" уже не могут в ряде случаев обеспечить качественное и быстрое создание новых изделий. Так, например, при создании РЭА на основе БИС необходимо решать большой комплекс сложных задач, начиная с расчета отдельных элементов БИС, определения их геометрии, взаимного расположения и кончая составлением математической модели функционирования всей схемы в целом для оптимизации ее конструкции, что при "ручном проектировании" требует многих человеко-лет.

     Применение  вычислительных машин для автоматизации  проектно-конструкторских работ  позволяет:

     а) проанализировать сотни вариантов различных конструктивных решений за короткий промежуток времени, что не может сделать ни один проектировщик обычными методами;

     б) сократить сроки и снизить стоимость разработки аппаратуры;

     в) создавать конструкции, оптимально учитывающие предъявляемые к ним технические требования;

     г) повысить качество контроля конструкторско-технологической документации создаваемой аппаратуры;

     д) использовать более точные методы расчета и проектирования, сводящие к минимуму подстроечно-регулировочные операции в процессе производства РЭА;

     е) значительно расширить класс принципиально осуществимых по сложности проектов, как, например, устройств на БИС и т. д.

     Основной  целью создания систем автоматизации  проектирования РЭА, представляющих собой  сложные человеко-машинные комплексы, является эффективное использование  характерных особенностей каждой стороны, участвующей в процессе разработки РЭА: у человека — интуиции, опыта, изобретательности, способности к  принятию решений; у ЭВМ — быстродействия, точности расчета, объема памяти, надежности и др. Поэтому в таких системах разработчик выступает не только как потребитель конечных результатов, получаемых от ЭВМ, но и как активный участник самого процесса проектирования, т. е. имеет место совместный поиск  решений проектировщика с ЭВМ.

     ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЭА  И ВОЗМОЖНОСТИ  ИХ АВТОМАТИЗАЦИИ

     Процесс проектирования РЭА можно условно  разбить на три основных этапа: системотехнический, схемотехнический и технический (рис. 1).

     Системотехническое  проектирование включает в себя внешнее  и структурное проектирование.

     При внешнем проектировании производят всесторонний анализ исходного технического задания с точки зрения надежности, стоимости, быстродействия, массогабаритных  характеристик и т. д.; принимают  наиболее существенные решения относительно возможных путей реализации требований к аппаратуре, сформулированных в  техническом задании, с учетом современных  достижений в области радиоэлектроники; выбирают критерии для оценки эффективности проекта. На этой стадии проектирования намечают основные направления схемотехнических и конструкторско-технологи-ческих решений, а также производят патентный поиск существующих аналогов с целью рационального использования накопленного опыта, формирования оригинальных решений и их оформления.

     Структурное проектирование основывается на техническом  задании на разработку, дополненном  результатом внешнего проектирования. На данной стадии уточняют основные функциональные части разрабатываемой РЭА, производят распределение функций между  отдельными узлами и блоками. При  этом необходимо учитывать требования производства и возможность использования  унифицированных изделий, выпускаемых  промышленностью.

     В настоящее время системотехническое проектирование является нефор-мализуемым процессом. Здесь используют в основном творческие возможности разработчиков, а вычислительные машины применяют лишь для просмотра вариантов решений, принимаемых разработчиком, и поиска аналогов с помощью информационно-поисковой системы.

     Схемотехническое  проектирование включает в себя логическое проектирование, моделирование и  анализ полученных схем, разработку диагностических  тестов. На данном этапе проектирования использование ЭВМ в настоящее  время является более широким.

     При логическом проектировании осуществляют формальный синтез функциональных схем отдельных узлов, выбранных на этапе  системотехнического проектирования. Хотя в теоретическом плане здесь  существуют значительные достижения, практически используют машинный синтез управляющих и узкого класса операционных устройств. Слабо разработана проблема синтеза нелинейных схем. Поэтому автоматизированный синтез функциональных схем выдвигает большое число задач, требующих решения, например разработка удобных языков описания исходных данных, алгоритмов с целью их оптимизации по комплексным критериям.

     Основной  задачей моделирования и анализа  полученных схем является накопление информации о проектируемых схемах, построение карт состояний и проверка временных соотношений при прохождении  входных сигналов. По мере развития автоматизации логического проектирования объем моделирования функциональных схем будет постепенно уменьшаться, так как усложнение схем и использование  БИС исключают возможность подробного моделирования, а многие критерии оптимизации  могут быть учтены в результате синтеза  схем с применением укрупненных  моделей (макромоделей).

     Большое значение при разработке сложных  радиоэлектронных устройств приобретает  разработка диагностических тестов. Это связано с непрерывным  повышением надежности используемых элементов  и укрупнением типовых элементов  замены (ТЭЗ) в современной РЭА, что  приводит к невозможности накопления обслуживающим персоналом достаточного опыта по обнаружению неисправностей. Задача формирования диагностических  тестов заключается в построении такой входной последовательности сигналов, чтобы по виду выходной последовательности можно было судить об исправности  аппаратуры, а в случае ее неисправности  определить вид и место повреждения. При решении поставленной задачи осуществляют моделирование.

     Функциональные  схемы, полученные в результате схемотехнического  проектирования, служат входной информацией  при техническом проектировании, включающем в себя конструкторское и технологическое проектирование.

     Основная  цель конструкторского проектирования состоит в переходе от функциональной схемы аппаратуры к конкретному  набору связанных между собой  конструктивных элементов, модулей  и устройств, реализующих данную схему; в определении их размеров, формы, материала и взаимного  расположения, а также выпуске  необходимой технической документации для ее производства и эксплуатации. При этом связи .между отдельными конструктивными элементами могут  носить механический, электрический, электромагнитный и тепловой характер.

     Основной  задачей, решаемой на данной стадии, является эквивалентное преобразование функциональной схемы разрабатываемого устройства в схему соединений конструктивных элементов (микросхем, модулей, полупроводниковых  и гибридных БИС и т. п.). Оптимальность  полученного решения оценивается  по ряду критериев, среди которых  наиболее распространенным является критерий минимума числа типов микросхем, модулей, БИС и неунифицированных  изделий.

     После этого конструктивные элементы компонуются  в функционально законченные  узлы, блоки, агрегаты по критерию минимума внешних связей между отдельными конструктивными единицами РЭА.

     После решения задачи компоновки производят размещение элементов в пределах каждой отдельной конструктивной единицы. При этом наиболее существенным является создание благоприятных условий  для последующей трассировки  соединений.

     Электрические соединения конструктивных элементов  могут выполняться как объемным монтажом, так и с помощью коммутационных плат, где в зависимости от выбранной технологии производства печатные проводники разводятся в одном, двух или более слоях, что, в свою очередь, выдвигает индивидуальные требования к алгоритмам трассировки. Как правило, критериями оптимальности трассировки являются критерий минимума суммарной длины и числа пересечений проводников при стопроцентной разводке схемных соединений. Трассировка соединений печатных плат завершается получением перфоленты для фотонаборной установки, на которой изготовляют фотошаблоны.