Автоматизированное проектирование электронных устройств

Оглавление

Введение

Решения для автоматизации  проектирования электронных устройств (EDA) включают в себя широкий спектр программных алгоритмов и приложений, необходимых для проектирования сложных полупроводниковых и электронных устройств следующего поколения. Усложнение проектирования сверхбольших интегральных схем (СБИС) представляет собой значительную проблему для автоматизации проектирования электронных устройств. Производительность приложений возрастает медленно, так как рост производительности микропроцессоров затрудняется в связи с появлением проблем с мощностью и технологической стороной производства, неотъемлемых спутников масштабирования. Как правило, цифровые системы проверяются путем распределения задач логического моделирования среди огромных вычислительных ферм на срок до нескольких недель. Тем не менее, производительность моделирования зачастую отстает, что ведет к неполноте проверки и пропущенным функциональным ошибкам. В таких условиях не удивительно, что полупроводниковая промышленность всегда ищет более быстрые решения для моделирования.

Последние тенденции в области  высокопроизводительных вычислений отражают возрастание объема использования  многоядерных графических процессоров  для получения конкурентного  преимущества за счет работы графических процессоров в качестве массово-параллельных сопроцессоров для CPU для ускорения вычислений в EDA моделировании, включая моделирование Verilog, целостности сигнала и электродинамики, вычислительной литографии, SPICE-моделирование и многие другие виды моделирования.1

1.Цели, задачи и проблемы автоматизации проектирования сложных систем

Автоматизированным называют проектирование, осуществляемое человеком  при взаимодействии с ЭВМ. Степень  автоматизации может быть различной, и оценивается долей  проектных работ, выполняемых на ЭВМ без участия человека. При =0 проектирование называется неавтоматизированным, при =1 – автоматическим.

Система автоматизированного проектирования – организационно-техническая система, состоящая из комплекса средств  автоматизации проектирования, взаимодействующего с подразделениями проектной организации и выполняющая автоматизированное проектирование.

Разработка средств автоматизации  проектирования сложных электронных  систем преследует следующие цели:

·сокращение сроков и снижение стоимости разработки и внедрения изделий;

·уменьшение количества ошибок при проектировании;

·обеспечение возможности изменения проектных решений и сокращения сроков проверки и тестирования изделий.

Задачи, решаемые на различных  этапах проектирования, можно укрупненно разделить на три группы: синтез и анализ. Задача анализа заключается в изучении поведения и свойств системы при заданных характеристиках внешней среды, ее компонентов и структуре системы (или ее модели). Согласно общей теории систем, синтез - это процесс порождения функций и структур, необходимых и достаточных для получения определенных результатов. Выявляя функции, реализуемые системой, определяют некоторую систему, о которой известно только то, что она будет делать.

В связи с этим, этап синтеза функций называется абстрактным  синтезом. Существуют еще этапы структурного и параметрического синтеза. При структурном синтезе определяется структура объекта - множество составляющих его элементов и способы их связи между собой(в составе объекта и с внешней средой). Параметрический синтез заключается в определении числовых значений параметров элементов при заданных структуре и условиях работоспособности (т.е.необходимо найти точку или область в пространстве внутренних параметров, в которых выполняются те или иные условия).

Разработка САПР представляет собой крупную научно-техническую  проблему. Несмотря на большие трудозатраты (50-200 квалифицированных специалистов), создание интегрированных САРП в различных областях техники - необходимость, вызванная ростом сложности объектов проектирования. С учетом изложенного можно сформулировать основные требования, которым должны удовлетворять САПР:

1. Иметь универсальную  структуру, реализующую принципы декомпозиции и иерархичности (блочно-иерархический подход). Причем системы проектирования различных уровней иерархии должны быть информационно согласованы. Информационная согласованность означает, что для последовательного идущих проектных процедур, выходные данные одной из них могут быть входными для другой и при этом не требуется никаких преобразований.

2. Иметь высокую степень  интеграции. Степень интеграции  должна быть такова, чтобы обеспечить  реализацию всего пути проектирования: от выдвижения идеи вплоть до реализации проекта. Важную роль для обеспечения интеграции инструментальных средств проектирования играют так называемые инфраструктуры (frameworks), САПР, обеспечивающие как интегрирование различных средств проектирования и данных, так и выполнение функций управления при помощи единого интерфейса пользователя.

3. Осуществлять проектирование  в реальном масштабе времени.  Уменьшение времени, необходимого  для взаимодействия САПР с  пользователем обеспечивается наличием  оперативных технических средств взаимодействия разработчика с системой, эффективность процедур проектирования и т.п.

4. Структура САПР должна  быть открытой, т.е. обладать свойством  удобства расширения подсистем  при ее совершенствовании.

5. Иметь средства контроля входной и выходной информации.

6. Иметь средства автоматического  внесения изменений в проект.

2. Структура комплекса аппаратно-программных  средств САПР

Все аппаратно-программные  средства, составляющие базовое обеспечение  САПР, могут быть классифицированы по выполняемым функция:

·математическое обеспечение (МО);

·лингвистическое обеспечение (ЛО);

·программное обеспечение (ПО);

·техническое обеспечение (ТО);

·информационное обеспечение (ИО);

·организационное обеспечение (ОО);

В МО входят: теория, методы, математические модели, алгоритмы, используемые при автоматизированном проектировании.

ЛО представлено совокупностью  языков, применяемых при автоматизированном проектировании. Основная часть ЛО - языки общения человека с ЭВМ.

ПО - это совокупность машинных программ и соответствующая документация. Оно делится на общесистемное и прикладное. Компонентами общесистемного ПО являются, например, операционные системы, компиляторы и т.п. Эти программные средства предназначены для организации функционирования технических средств, т.е. для планирования и управления вычислительным процессом.

Прикладное ПО создается для  нужд САПР. Оно обычно представлено в форме пакетов прикладных программ (ППП), каждый из которых обслуживает  определенный этап процесса проектирования.

Компоненты ТО представляют собой  совокупность взаимосвязанных и  взаимодействующих технических средств (например, ЭВМ, средства передачи, ввода, отображения и документирования данных), предназначенных для автоматизированного проектирования.

ИО объединяет данные, необходимые  для автоматизированного проектирования. Они могут быть представлены в виде тех или иных документов на различных носителях, содержащих сведения справочного характера о параметрах объекта проектирования, промежуточных результатах и т. д.

Основная часть ИО САПР - это  банк данных (БНД), представляющий собой  совокупность средств для централизованного накопления и коллективного использования данных в САПР. БНД состоит из базы данных (БД) и системы управления базой данных (СУБД). БД - сами данные, находящиеся в ЗУ ЭВМ и структурированные в соответствии с принятыми в данном БНД правилами. СУБД - совокупность программных средств, обеспечивающих функционирование БНД. С помощью СУБД осуществляется запись данных в БНД, их выборка по запросам пользователя и прикладных программ, и т.д.

Процесс автоматизированного проектирования представляет собой последовательное взаимодействия большого числа программных модулей. Взаимодействие модулей проявляется в основном в связях по управлению (упорядоченные переходы от исполнения одного программного модуля к исполнению другого), и по информации (использование одних и тех же данных в различных модулях) (см. рис. 1 и 2).

При проектировании сложных систем значительной является именно проблема информационного согласования различных  программных модулей. Существует три  основных способа реализации связей по информации:

·через передачу параметров из вызывающей программы в вызываемую программу;

·через общие области (обменные зоны) взаимодействующих модулей;

·через банк данных.

Реализация информационных связей через передачу параметров означает, что передаются либо параметры, либо их адреса. Применяется при сравнительно небольшом объеме передаваемых данных и их простой структуре.

Реализация информационных связей через обменную зону, каждый модуль должен направлять данные в обменную зону, представляя их в форме, допустимой с позиции требования любого из остальных модулей. Так как требования к структуре данных каждого модуля - потребителя данных могут оказаться различными, то способ связи через обменные зоны сравнительно легко реализуется только при малом и стабильном числе информационных связей. Применяются для программных модулей внутри определенного ППП.

Если же одни и те же модули могут входить в различные проектные процедуры, взаимодействовать со многими модулями, то целесообразно унифицировать средства информационного обмена. Такая унификация осуществляется с помощью концепции БНД. Главная особенность информации, хранимой в БНД, заключается в ее структурированности. Основные преимущества информационного взаимодействия БНД заключаются в следующем:

- снимаются ограничения  на число обслуживаемых проектных  процедур;

- возможно развития  и модификация программной системы;

- возможна модификация  модернизация технических средств для хранения данных  без изменения ППП;

- обеспечивается целостность  данных.

Однако реализация информационных связей через БНД данных имеет  и свои недостатки, связанные главным  образом со значительными затратами  времени на поиск данных в БД.

 

Рис. 1. Граф, отражающий связи  по управлению.

 

Рис. 2. Граф, отражающий связи  по информации.

 

Рис. 3. Реализация информационных связей через СУБД.

3. Состав САПР электронных систем

Современная САПР представляет собой сложный программно-аппаратный комплекс, именуемый в научно-технической литературе как "рабочая станция" (PC).

Рис. 3. Структура рабочей станции проектирования электронных систем.

 

Рис. 4. Структура ПО САПР.

4. Иерархические уровни представления электронных устройств

Основным методом проектирования с применением САПР является блочно-иерархический метод или метод декомпозиции сложного объекта на подсистемы (блоки, узлы, компоненты). В этом случае описание сложной системы разделяется на иерархические уровни (уровни абстрагирования) по степени подробности отражения свойств системы. На каждом уровне представления проекта существует свое понятие системы, подсистемы, элемента системы, закона функционирования элементов системы в целом и внешних воздействий.

Именно эти понятия  определяют тот либо иной уровень иерархии представления устройства. Подсистема - это часть системы, которая представляет собой совокупность некоторых ее элементов, выделенных по определенному функциональному признаку, и подчиняется по своей цели функционирования единой цели функционирования всей системы. Под элементом системы понимают ее часть, выполняющую определенную функцию (функции) и не подлежащую декомпозиции при данном уровне рассмотрения. Неделимость элемента - это понятие, но не физическое свойство этого элемента. Оперируя понятием элемент проектировщик оставляет за собой право перейти на другой уровень на основании части или объединив несколько элементов в один.

На верхнем иерархическом  уровне рассматривается весь сложный  объект как совокупность взаимодействующих подсистем. На следующем иерархическом уровне подсистемы рассматриваются отдельно как системы, состоящие из некоторых составных частей (элементов), и имеют большую подробность описания. Данный иерархический уровень является уровнем подсистем. Количество уровней иерархии всегда ограничено. Уровни характеризуются тем, что множество типов элементов, из которых может быть составлена подсистема проектирования, ограничено. Такое множество называется базисом уровня.

Метод декомпозиции порождает серьезные проблемы при создании САПР:

·определение уровней иерархии и базисов для них;

·разработка математического обеспечения;

·отображение из одного базиса в другой и др.

Метод иерархического представления  проектируемого объекта, используемый разработчиками электронных схем и  систем, может базироваться на двух способах представления (описания) элементов: структурном и поведенческом.

Структурный способ предусматривает описание элемента системы как совокупности взаимосвязанных элементов более низкого уровня, тем самым определяя базис этого уровня. Структурная форма иерархии проекта подразумевает процесс декомпозиции или разбиения проекта так, что на любом уровне, который выбирается для моделирования, модель системы строится как совокупность взаимосвязанных элементов, определенных для данного уровня. Здесь сразу же возникает вопрос: каким образом определяются эти элементы? Чаще всего они формируются с использованием элементов следующего, более низкого уровня. Таким образом, как показано на рис. 5, проект может быть представлен в виде дерева, причем различным уровням иерархии абстракций соответствуют свои уровни этого дерева. На уровне листьев дерева определяется поведение элементов проекта самого низкого уровня. Поведенческий способ предусматривает описание элемента системы по зависимостям вход/выход при помощи некоторой процедуры. Причем это описание определяется некоторой собственной процедурой, а не описывается с использованием других элементов. Поэтому поведенческая модель используется для описания элементов уровня листьев дерева проекта. Поскольку поведенческая модель некоторого проекта может существовать на любом уровне, различные части проекта могут иметь поведенческие описания на разных уровнях.