На функционально-логическом уровне необходим ряд положений, которые упрощают модели устройств. Это позволяет анализировать более сложные объекты по сравнению с объектами, анализируемыми на схемотехническом уровне. Часть используемых положений аналогична положениям, принимаемым для моделирования аналоговой РЭС.
Во-первых, существует положение о представлении состояний объектов с помощью однотипных фазовых переменных (обычно напряжений), называемых сигналами.
Во-вторых, не учитывается влияние нагрузки на функционирование элементов-источников.
В-третьих, принимается допущение об однонаправленности, т. е. о возможности передачи сигналов через элемент только в одном направлении - от входов к выходам.
Дополнительно к этим положениям при моделировании цифровой РЭС принимается положение о дискретизации переменных, их значения могут принадлежать только заданному конечному множеству - алфавиту, например, двоичному алфавиту {0,1}.
Моделирование цифровой РЭС возможно с различной степенью детализации. На логическом (вентильном) подуровне функционально-логического проектирования в качестве элементов аппаратуры рассматривают простые схемы типа вентилей, на регистровом подуровне элементами могут быть как отдельные вентили, так и любые более сложные сочетания простых схем, например, регистры, счетчики, дешифраторы, сумматоры, арифметико-логические устройства и т. п.
Рассмотрим математические модели элементов на логическом подуровне. Для одновыходных комбинационных элементов ММ представляет собой выражение (в общем случае алгоритм), позволяющее по значениям входных переменных (значениям входов) в заданный момент времени вычислить значение выходной переменной (значение выхода) в момент времени где - задержка сигнала в элементе. Такую модель элемента называют асинхронной. При этом модель элемента называют синхронной. Модель многовыходного элемента должна включать в себя алгоритм вычисления задержек и значений всех выходных сигналов.
Для элементов последовательностных схем (элементов с памятью) используют модели, в которых аргументами выходных переменных могут быть как входные , так и внутренние переменные. Вектор внутренних переменных отражает состояние элемента (состояние его памяти).
Объединение моделей элементов в общую математическую модель системы выполняется на основе вышеперечисленных допущений отождествлением переменных на соединяемых входах и выходах элементов.
Направления развития автоматизации разработки электронной аппаратуры.К числу наиболее значимых направлений развития автоматизации разработки электронной аппаратуры, в которых необходимо обеспечить кардинальное улучшение ситуации, следует отнести:
системный уровень разработки, позволяющий обеспечить совместное проектирование программных и аппаратных средств системы, автоматический синтез устройств, начиная с поведенческого описания, а также тестопригодность аппаратуры;
автоматизированную поддержку и контроль процесса проектирования сложных систем и устройств, выполняемого большим коллективом разработчиков;
наличие специализированных САПР, направленных на достижение наилучших результатов по некоторым параметрам, например, проектирование схем низкой мощности;
создание и использование международных стандартов в области автоматизации проектирования.
В настоящее время российские предприятия используют разрозненные, а подчас и устаревшие средства проектирования. Такая ситуация делает практически невозможным выход отечественных предприятий на международный рынок разработок. Наличие современных средств САПР у партнеров является непременным условием сотрудничества и кооперации. Исходя из имеющегося опыта, отметим, что в случае реальной заинтересованности зарубежного партнера в создании совместной разработки радиоэлектронных изделий с российским предприятием первые инвестиции направляются именно на создание современного подразделения проектирования (без чего совместная работа специалистов теряет смысл). Таким образом, создание единого проектного центра, который бы с использованием сети Internet предоставлял услуги по применению различных систем и средств проектирования радиоэлектронных изделий для заинтересованных предприятий, могло бы стать привлекательным инвестиционным проектом.
Особенности проектирования радиоэлектронных средств.Внедрение новой телекоммуникационной техники предъявило к электрическим параметрам РЭС ряд непрерывно усложняющихся требований. Возрастают требования к габаритам и массе РЭС, а также к надежности, серийности и минимизации потребляемой энергии. Отсюда следует необходимость использования в РЭС современной элементной базы. Проектировщики уже не в состоянии традиционными методами проектировать РЭС из-за все возрастающих требований к ним и значительного роста объема научно-технической информации, а это, в конечном итоге, приводит к несоответствию принимаемых ими проектных решений уровню лучших мировых образцов средств связи. К тому же, в последние десятилетия в развитии телекоммуникационной техники стала заметна тенденция к переходу от проектирования отдельных устройств узкого назначения к проектированию сложных аппаратных комплексов, предназначенных для решения широкого круга задач в изменяющихся внешних условиях, что еще бол ьше осложняет положение проектировщиков.
Кроме того, у проектировщиков РЭС возникла проблема: как повысить качество первоначального технического предложения, чтобы можно было частично или полностью исключить его отработку на лабораторном (материальном) макете? Это связано с тем, что обычно первоначальное техническое предложение весьма далеко от того, чтобы удовлетворить требования, выдвигаемые техническим заданием на отдельное устройство, систему или комплекс, и сильно зависит от опыта и знаний проектировщика. Последующее же совершенствование проектируемого РЭС на макете вовлекает в процесс проектирования значительные силы проектировщиков и производственников, работа которых оказывается малоэффективной из-за многочисленных и неизбежных переделок. В результате всего этого процесс проектирования недопустимо растягивается и становится чрезмерно дорогим, в то время как из-за непрерывной конкуренции возрастают требования к уменьшению времени проектировании РЭС и его цены, при необходимости одновременного повышения его качества. Таким образом, одним из важнейших направлений увеличения роста объемов производства телекоммуникационного оборудования на предприятиях, выпускающих эту продукцию в России, является разработка и совершенствование технологии автоматизированного проектирования и использование новых методов и средств автоматизации труда проектировщиков РЭС (в том числе САПР), позволяющих повысить не только их производительность труда, но и качество принимаемых ими проектных решений.
Особенности создания САПР РЭС.Разработка САПР РЭС - это сложная научно-техническая задача, требующая больших интеллектуальных и материальных затрат. Для успешного функционирования САПР необходимо развивать техническое обеспечение (ЭВМ, используемые в САПР), математическое и программное обеспечение (методы и алгоритмы, необходимые для решения задач проектирования, создания адекватных математических моделей физических компонентов), информационное обеспечение (базы данных и знаний, включающие описания стандартных процедур проектирования и типовых проектных решений).
Создание нового поколения элементной базы требует постоянного совершенствования центров и систем автоматизированного проектирования. Более того, само проектирование аппаратуры в настоящее время невозможно представить без широкого использования САПР различного уровня. Так, известные в настоящее время разработки в области САПР РЭС малоэффективны при решении задач схемотехнического синтеза на начальных этапах проектирования, особенно для широкого класса аналоговых РЭС (АРЭС) и аналого-цифровых (комбинированных) РЭС. Для них невозможно формализовать основные процедуры синтеза, которым на верхних уровнях абстракции иерархического описания РЭС при проектировании присущи интуитивно-логические рассуждения и субъективные эвристические представления.
Таким образом, для реализации проектирования РЭС главной нерешенной проблемой является автоматизация начальных этапов проектирования и использования результатов моделирования в процессе схемотехнического синтеза. Ее решение позволит производить сквозное автоматическое схемотехническое проектирование РЭС, которое обеспечит повышение скорости и качества проектирования РЭС, а также надежность спроектированного устройства.
Вышесказанное позволяет сделать вывод о необходимости разработки специального методического, алгоритмического и программного обеспечения, целью которого стало бы создание условий перехода к единому сквозному маршруту проектирования аппаратуры и элементной базы для нее.
Разработка сквозной САПР РЭС.Решение поставленной выше задачи предлагается осуществлять путем использования в САПР продукционной и объектно-ориентированной экспертных систем (ЭС). Такие системы реализуют неподдающиеся формализации методики проектирования РЭС, модифицированных методов моделирования и распределенной БД параметров электронных компонентов. При этом ЭС позволяют автоматизировать процесс накопления и формализации знаний высококвалифицированных проектировщиков - экспертов с возможностью их последующего использования при эксплуатации САПР пользователями невысокой квалификации. Применение двух методов (узловых потенциалов и переменных состояния) моделирования - анализа и оптимизации - позволяет проводить сравнение результатов их работы и корректировать процесс синтеза. Реляционная распределенная БД, включающая широкий набор параметров электронных компонентов, может использоваться в процессе как синтеза, так и анализа.
В связи с тем, что методики проектирования РЭС являются слабоструктурированными, для их формализации необходима структуризация РЭС и их элементов. Это требует разработки моделей узлов и каскадов РЭС как объектов проектирования в ЭС, учитывающих многообразие сложных взаимных связей и всесторонне раскрывающих аспекты РЭС. Рассмотрение таких аспектов является необходимым и достаточным для конструктивной реализации процесса их автоматического проектирования.
Адаптивные САПР.Дальнейшее развитие и совершенствование САПР приводит к созданию адаптивных САПР, способных приспосабливаться к специфическим свойствам решаемой задачи путем автоматической настройки структуры и состава ПО на задачу. Процесс адаптации в САПР может осуществляться на различных уровнях. При проблемной адаптации (на уровне методов и алгоритмов) происходит приспособление системы проектирования к специфическим свойствам решаемой задачи на уровне технического задания.
Так, возможность адаптации численного анализа электронных схем была подготовлена предшествующими работами по комбинированным методам анализа. Адаптация основана на совместном применении явных и неявных формул интегрирования путем предварительной настройки на определенную формулу или на пошаговую очередность применяемых формул. Адаптация численного анализа обеспечивает выбор и настройку соответствующего алгоритма в автоматическом режиме. Другим аспектом адаптации при численном анализе является адаптация на уровне алгоритмов. При этом широко используются приемы, которые состоят в разделении исходной модели на части (алгоритмическая декомпозиция). При этом каждая из частей может быть рассчитана по наиболее подходящему алгоритму (например, разделение вектора переменных на быструю и медленную составляющие, анализ схемы в различных частотных диапазонах с использованием различных эквивалентных представлений схемы).
При схемотехническом проектировании наряду с адаптацией на уровне алгоритмов синтеза и анализа успешно применяется адаптация на уровне математических моделей. Это относится как к моделированию активных компонентов (транзисторов, диодов, операционных усилителей и т. д.), так и к формированию математической модели всего проектируемого устройства в целом. Адаптация на уровне моделирования компонентов означает, что в процессе проектирования выбирается наиболее подходящая модель, которая подвергается целенаправленным изменениям в зависимости от особенностей решаемой задачи на различных частотных и временных интервалах.
При решении задач схемотехнического проектирования "большой размерности" в адаптивных САПР происходит адаптация математической модели всего объекта на основе макромоделирования и структурной декомпозиции (расщепление сложного объекта на части). Под макромоделированием понимается такой процесс, когда типовые фрагменты (подсхемы, функциональные микросхемы) представляются математическими моделями, которые можно встраивать в схему, располагая лишь знанием значений сигналов (токов, напряжений) на их внешних связях. При этом укрупняется само понятие "компонент", поскольку компонентом может быть сложная схема, а его описание существенно упрощается. В этом случае адаптация в процессе проектирования обеспечивается выбором наиболее подходящей математической модели для каждого фрагмента схемы с учетом взаимных влияний и связей этих фрагментов. Процесс адаптации на уровне макромоделей заключается в том, что некоторый фрагмент схемы на разных уровнях проектирования (или при решении разных задач) пр едставляется в виде целого набора макромоделей различной степени сложности. В процессе проектирования макромодели меняются по соответствующим признакам на основе критерия адаптации. При любом типе декомпозиции объект и его модель расщепляются на отдельные фрагменты, объединенные посредством внешних связей.
Следовательно, наибольший эффект при проектировании РЭС можно получить при согласовании процессов эвристического синтеза в ЭС и адаптации формирования математической модели в процессе анализа и оптимизации. Такой подход, названный многоуровневым адаптивным схемотехническим проектированием, может быть использован при схемотехническом проектировании аналоговых и аналого-цифровых РЭС с высокой степенью интеграции (например, БИС и СБИС). Именно многоуровневое адаптивное проектирование позволяет осуществить сквозное схемотехническое проектирование в САПР для широкой номенклатуры РЭС.
Из специальной литературы известен исследовательский прототип системы сквозного схемотехнического проектирования РЭС, включающий блоки гибридной продукционной и объектно-ориентированной экспертных систем для синтеза структурных и принципиальных электрических схем, моделирования методами узловых потенциалов и переменных состояния, а также распределенной базы данных параметров электронных компонентов. Проведенное в ней конструктивное проектирование широкой номенклатуры РЭС показало справедливость рассмотренного подхода.
