Обеспечение САПР

В соответствии с классифика­цией языков САПР, представленной на рис. 3.5, разли­чают языки программирования и проектирования.

Языки программирования. Языки программирова­ния — языки, предназначенные для написания программного обеспечения.

Эти языки — средство разработчика САПР.

К языкам программирования предъявляют требова­ния удобства использования, универсальности и эффек­тивности объектных программ (т. е. программ, получен­ных после трансляции на машинный язык). Удобство использования выражается в затратах времени програм­миста на освоение языка и главным образом на написа­ние программ на этом языке. У нив ер сальность опреде­ляется возможностями языка для описания разнообраз­ных алгоритмов, характерных для программного обес­печения САПР, а эффективность объектных программ — свойствами используемого транслятора, которые, в свою очередь, зависят от свойств языка. Эффективность оце­нивается затратами машинных времени и памяти на ис­полнение программ.

С позиций универсальности и эффективности объект­ных программ наилучшими свойствами обладают ма­шинно-ориентированные языки. Близость к машинным языкам (языкам машинных команд) обусловливает про­стоту и эффективность трансляторов на машинный язык, называемых ассемблерами. Машинно-ориентированные языки называют языками ассемблера или автокодами. Однако языки ассемблера неудобны для человека, их использование снижает производительность труда про­граммистов. Поэтому их применяют для разработки лишь тех модулей программного обеспечения САПР, которые требуют для своего исполнения больших вычис­лительных ресурсов, существенно влияющих на общие затраты машинных времени и памяти.

Среди алгоритмических языков высокого уровня, соз­данных на ранних этапах развития вычислительной техники, наибольшее Рис. 3.5. Классификация языков САПР

распространение получил язык ФОРТРАН. Его сравнительная простота обусловливает легкость освоения и достаточно высокую эффективность объектных программ при решении задач численного анализа. Программное обеспечение существующих САПР создано в основном на основе языка ФОРТРАН. Однако язык ФОРТРАН имеет ограниченные возмож­ности для описания сложных алгоритмов логического характера. Поэтому при создании таких программ, как мониторы или языковые процессоры, используют либо языки ассемблера, либо языки высокого уровня с более развитыми возможностями описания невычислительных процедур. К таким языкам относятся ПЛ/1, ПАСКАЛЬ, АДА, СИ.

Языки проектирования.Языки проектирования — языки, предназначенные для описания информации об объектах и задачах проектирования. Большинство этих языков относится к средствам пользователя САПР.

Среди языков проектирования выделяют языки вход­ные, выходные, сопровождения, управления, промежу­точные и внутренние.

Входные языки служат для задания исходной информации об объектах и задачах проектирования и включают в себя языки описания объектов (ЯОО) а языки описания заданий (ЯОЗ). Первые служат для описания свойств проектируемых объектов, а вторые — для описания заданий на выполнение проектных опера­ций и процедур.

Из рис. 3.5 видно, что ЯОО, в свою очередь, делятся на языки схемные, графические и моделирования. Эти

языки используются для описания исходной информа­ции, представленной в виде соответственно некоторой схемы, конструкторского чертежа, алгоритма функцио­нирования. Схемные языки широко применяют при опи­сании принципиальных электрических схем в подсисте­мах проектирования электронных устройств, функцио­нальных схем — в подсистемах функционально-логиче­ского проектирования ЭВМ; графические языки — осно­ва лингвистического обеспечения в подсистемах геомет­рического моделирования и машинной графики; языки моделирования развиты в подсистемах имитационное моделирования систем массового обслуживания.

Выходные языки используются для выраже­ния результатов выполнения проектных процедур на ЭВМ.

Языки сопровождения применяются для корректировки и редактирования данных при выполне­нии проектных процедур.

Языки управления служат для представле­ния управляющей информации для программно-управ­ляемого исполнительного оборудования, например уст­ройств документирования и технологических автома­тов.

Промежуточные и внутренние языки предназначены для представления информации на опре­деленных стадиях ее переработки в ЭВМ. Достоинство этих языков в том, что в отличие от входных языков, ха­рактеризующихся большим разнообразием, узкой про­блемной ориентацией и изменчивостью при адаптации САПР к изменяющимся условиям, они являются унифи­цированными и более универсальными. Недостаток уз­коспециализированных языков — в необходимости суще­ственной перестройки связанной с ними программной системы при изменении условий проектирования. Недо­статок универсальных языков связан с их громоздко­стью и, следовательно, с неудобствами применения ко­нечным пользователем.

Устранение указанных выше недостатков выполняет­ся в программных системах, структура которых поясня­ется рис. 3.6. При этом вводятся универсальный проме­жуточный язык, отражающий особенности широкого класса проектируемых объектов, и узкоспециализированные входные языки, ориентированные на разработчиков объектов из некоторых подклассов проектируемых объ­ектов.

Примечание. Классом объектов могут быть, например, си­стемы массового обслуживания, а подклассами — многопроцессорные вычислительные системы, неоднородные вычислительные сети, информационно-поисковые системы, АСУ в различных сфе­рах народнохозяйственной деятельности и т. п.

Пользователь составляет описание на входном язы­ке, это описание с помощью специальной транслирую­щей программы, называемой конвертором, переводится на промежуточный язык. Далее работает основной тран­слятор, переводящий описание задачи с промежуточно­го языка в объектную рабочую программу. Преимуще­ства двухуровневого лингвистического обеспечения по схеме, показанной на рис. 3.6, заключаются в тем, что программная система сравнительно легко настраивает­ся на новые подклассы объектов. Для включения в си­стему нового входного языка достаточно . разработать только конвертор с этого языка на промежуточный язык. Наиболее сложная часть системы — основной языковой процессор — при этом остается без изменений.

Внутренние языки появляются в результате стремле­ния унифицировать формы представления информации внутри ЭВМ, что облегчает решение проблем информационного согласования различных программ в САПР.

Языки процедурные и непроцедурные. Языки проек­тирования, предназначенные для описания развивающихся во времени процессов, обычно оказываются близкими к языкам описания алгоритмов и называются процедурными

языками. Языки проектирования, предназна­ченные для описания структур проектируемых объектов, называются непроцедурными языками. Примерами про­цедурных языков служит большинство языков описания заданий и языков моделирования систем на метауровне, непроцедурных языков — схемные языки, характер кото­рых был пояснен при описании алгоритмов получения математических моделей систем (см. с. 48).

Как правило, для пользователя САПР непроцедур­ные языки более удобные. С помощью непроцедурных языков непосредственно описывается исходная схема или чертеж, пользователю нужно лишь соблюдать пра­вила языка, не заботясь о разработке моделирующего алгоритма. Формальный характер перевода исходного рисунка схемы в текст на непроцедурном языке облег­чает разработку программного обеспечения интерактив­ных графических систем, в которых исходная информа­ция об объекте формируется пользователем непосред­ственно в виде рисунка на экране дисплея. Кодирование изображения в соответствии с правилами непроцедурно­го языка осуществляется автоматически.

Диалоговые языки. Важное значение для САПР име­ют диалоговые режимы работы пользователя с ЭВМ. Лингвистическое обеспечение диалоговых режимов пред­ставляется диалоговыми языками. Фактически диалого­вый язык объединяет в себе средства языков входного, выходного и сопровождения и служит для оперативного обмена информацией между человеком и ЭВМ. Различа­ют пассивный и активный диалоговые режимы, и соот­ветственно пассивные диалоговые языки и активные диа­логовые языки.

В пассивном диа­логовом режиме инициатива диалога при­надлежит ЭВМ. Прерыва­ние вычислительного про­цесса в нужных местах выполнения маршрута проектирования и обраще­ния к пользователю осу­ществляются с помощью
диалоговых программных средств, воплощенных в мониторной системе САПР или в мониторе ППП. Обращения ЭВМ

к пользователю могут быть следующих типов: запрос, ин­формационное сообщение, подсказка.

Запросы предусматриваются в тех случаях, когда от человека требуется либо задание исходных данных, ли­бо выбор между ограниченным множеством возможных продолжений проектирования. При запросе исходных данных ЭВМ высвечивает на экране дисплея шаблон,, состоящий из вопроса и пустых позиций, в которые нуж­но поместить ответ. Пользователь должен с помощью клавиатуры дисплея поместить в отведенные позиции за­прошенные числа или фразы. При запросе варианта дальнейшего проектирования на экране высвечивается меню — вопросы и несколько поименованных вариантов ответа. Пользователю достаточно указать имя выбран­ного из меню ответа.

Информационные сообщения используются для пере­дачи пользователю промежуточных и окончательных ре­зультатов решения, а также сведений о состоянии его задания. На эти сообщения не требуется реакция поль­зователя.

Подсказки применяются в тех случаях, когда дей­ствия пользователя ошибочны, например нарушаются формальные правила языка.

В активном диалоговом режиме инициа­тива начала диалога может быть двусторонней — воз­можности прерываний вычислительного процесса име­ются и у ЭВМ, и у пользователя. Активные диалоговые языки могут быть близкими к естественному языку чело­века, но с ограниченным набором возможных слов и фраз. Для активного диалога требуется существенно бо­лее сложное программное обеспечение, чем для пассив­ного.

Примеры САПР

Примеры пакетов прикладных программ в подсистемах САПР.

В объектно-зависимых подсистемах САПР основу программно­го обеспечения составляют специализированные ППП. Рассмотрим состав и назначение таких ППП на нескольких конкретных примерах.

Пакет прикладных программ для моделирования и оптимизации газотурбинных двигателей [7] библиотечного типа включает в себя:

1. Модули, реализующие математические модели элементов двигателя: входного диффузора, компрессора, камеры сгорания, турбины, камеры смешения, форсажной камеры, реактивного сопла, переходного канала. Математические модели представляют собой аналитические

выражения, связывающие векторы выходных, внутренних и внешних параметров. Например, модель входного диффузора есть функциональная зависимость коэффициента вос­становления давления от отношения скорости потока к скорости звука; модель турбины — система соотношений, связывающих коэффициент повышения давления, КПД, коэффициент устойчи­вости компрессора, энтропию, энтальпию и температуру газа на выходе с заданными внутренними и внешними параметрами.

2. Модули проектных процедур, таких, как оптимизация двига­теля, анализ чувствительности, выполнение многофакторных экс­периментов.

3. Модули машинной графики.

Примером ППП с монитором служит пакет для анализа полей температур, напряжений и деформаций в деталях цилиндропоршневой группы дизе­лей [8]. В основе пакета лежит математическое обеспечение решения двумерных задач теплопроводности и теории упругости методом конечных элементов. Кроме монитора пакет содержит библиотеку модулей, реализующих: генерацию базовых треуголь­ных конечных элементов, вычисление матриц жесткости, базовых конечных элементов, формирование матрицы жесткости и векто­ра нагрузок для расчета температурных полей и напряженно-деформированных состояний деталей, решение систем линейных алгебраических уравнений методом Гаусса и нелинейных урав­нений методами минимизации невязки, расчет поверхностных температур по найденному температурному полю в базовой пло­скости.

Интерактивный режим работы пользователя с ППП обеспечи­вается наличием в пакете диалогового монитора. Примером ППП с диалоговым монитором служит пакет ПАРК для идентификации параметров математических моделей полупроводниковых приборов [9]. Комплекс входит составной частью в САПР больших интеграль­ных схем (БИС) и является связующим звеном между подси­стемами схемотехнического проектирования и проектирования компонентов БИС. Идентификация параметров осуществляется на основе минимизации расхождений между характеристиками эталонной и рассчитываемой с помощью создаваемой модели. Эталонная характеристика получается из эксперимента или рас­считывается с помощью более точной модели, относящейся к микроуровню. Выбор минимизируемого функционала, ограниче­ний, их оперативная корректировка осуществляются в диалого­вом режиме. В пакет ПАРК кроме диалогового монитора входят:

1. Модули расчета характеристик с помощью макромоделей транзисторов и диодов различных типов.

2. Модули расчета эталонных характеристик.

3. Модули оптимизации.

4. Модули визуализации характеристик в табличном или графи­ческом виде на экране дисплея.

5. Модули редактирования данных.

Достаточно развитыми ППП машинной графики, ис­пользуемыми в САПР, являются пакеты ГРАФОР и ФАП-КФ.

Оба пакета представляют собой совокупность подпрограмм, реа­лизующих различные операции геометрического проектирования. Входные языки пакетов являются расширением языка ФОР­ТРАН, алгоритм, выраженный на этих языках, есть последова­тельность операторов языка ФОРТРАН (главным образом опе­раторов обращения к графическим процедурам). Пакет прикладных программ ГРАФОР ориентирован на обеспе­чение вывода информации из ЭВМ в графической форме. Под­программы пакета делятся на шесть групп. В группу 1 вхо­дят подпрограммы инициализации и завершения. С их помощью пользователь указывает единицы расстояний при вычерчивании, задает количество страниц выводимой информации, выбирает цвет и толщину линий путем указания номера соответствующе­го пера из числа нескольких имеющихся. Группа 2 вклю­чает в себя подпрограммы вычерчивания графических примити­вов (отрезок прямой, многоугольник, равномерная прямоуголь­ная сетка, дуга окружности, участок спирали, дуга эллипса, в частности прямоугольник, окружность, эллипс). В группу 3 входят подпрограммы для вывода текстовой информации. Опе­раторы входного языка позволяют задавать местоположение, размеры и наклон печатаемых букв, цифр и специальных сим­волов. Подпрограммы группы 4 предназначены для вычер­чивания графиков заданных функций. В операторах вычерчива­ния указываются массивы чисел, рассматриваемых как коорди­наты последовательных точек кривых, которые будут соединены ломаной прямой. Построение возможно в обычном и логарифми­ческом масштабах. Группа 5 состоит из подпрограмм аффин­ных преобразований, к которым относятся такие элементар­ные преобразования целых изображений или их частей, как сдвиг, поворот, растяжение (сжатие), симметричное отображе­ние. Группа 6 подпрограмм ориентирована на вычерчивание изображений трехмерных объектов.

Пакет прикладных программ ФАП-КФ кроме операций вывода графической информации обеспечивает решение ряда других за­дач геометрического проектирования, например метрических за­дач, связанных с расчетом моментов инерции и масс тел, раз­мерных цепей, задач типа оптимального раскроя материала, под­готовки управляющей информации для станков с ЧПУ и т.п.

Промышленные САПР. Наибольшее развитие получили САПР в радиоэлектронике, что объясняется как высокой слож­ностью проектируемых объектов и, следовательно, острой необ­ходимостью автоматизации проектирования, так и наличием со­ответствующих инженерных кадров.

Примером крупной САПР в электронной промышленности может служить САПР БИС [3], имеющая трехуровневую структуру. ЦБК построен на базе трехмашинного комплекса из ЭВМ БЭСМ-6. Интерактивно-графический комплекс состоит из АРМ с мини-ЭВМ типов «Электроника 100-25» и М-6000. Автоматизи­рованные рабочие места подключены к ЦВК по радиальной схе­ме, показанной на рис. 3.2, а.

Общее программное обеспечение представляет собой операцион­ную систему ДИСПАК, дополненную рядом диалоговых систем общего назначения. При этом обеспечивается функционирование трехмашинного комплекса, связь вычислительных машин осу­ществляется через общее поле внешней памяти. Реализуется од­новременная работа с ЦВК до 16 пользователей в режиме разделения времени со средним временем

реакции ЭВМ не более 2 с. Общее число обслуживаемых рабочих мест может доходить до 48. Основной язык программирования — ФОРТРАН. САПР БИС состоит из нескольких проектирующих подсистем. В подсистеме функционально-логического проектирования прово­дится моделирование логических схем. В подсистеме схемотех­нического проектирования решаются задачи анализа и оптими­зации электронных схем. В подсистеме приборно-технологического проектирования моделируются процессы в отдельных компонентах БИС при их изготовлении и функционировании. Рассмот­ренный выше комплекс ПАРК является составной частью этой подсистемы. В подсистеме топологического проектирования выполняются процедуры размещения компонентов в полупровод­никовой пластине, трассировка электрических соединений, про­верка соответствия топологической и электрической схем. В подсистеме проектирования фотошаблонов, относящейся к техноло­гическому комплексу САПР БИС, готовится информация для изготовления фотошаблонов на специальных фотонаборных уста­новках.

Примерами САПР радиоэлектронной аппаратуры являются система РАПИРА и ее дальнейшее развитие в системе ПРАМ [10]. Системы РАПИРА и ПРАМ представляют собой совокупность автономных подсистем автоматизированного проектирования, представленных ППП сложной структуры со своим лингвисти­ческим и информационным обеспечением. Большинство подсистем требует технического обеспечения в виде ЭВМ единой серии с емкостью оперативной памяти не менее 512К байт. Для подси­стем, связанных с выпуском документации, требуются чертеж­ные автоматы. Некоторые из подсистем ориентированы на ис­полнение на мини-ЭВМ типа СМ. Основным языком программи­рования является язык ПЛ/1. Проектирующие подсистемы РАПИРЫ и ПРАМА решают широкий круг задач проектирования радиоэлектронной аппаратуры на макро- и метауровнях: моделирование функциональных и принципиальных схем, синтез контролирующих и диагностических тестов, конструирование пе­чатных плат, СВЧ-узлов и гибридных интегральных схем, оформление конструкторской документации, подготовка управляющей информации для программно-управляемых технологических ав­томатов и т. п.

В последнее время наблюдается бурное развитие САПР объектов в машиностроении. Краткое описание некото­рых из таких САПР содержится в [11].

Примером таких САПР является система для проектирования летательных аппаратов, включающая ряд проектирующих подсистем. В подсистеме формирования конфигурации (облика) аппа­рата выбирается компоновочная схема, оцениваются масса, сто­имость объекта и другие выходные параметры на верхнем иерархическом уровне. В подсистеме прочностных расчетов анали­зируются напряженно-деформированные состояния основных конструктивных частей объекта под влиянием возможных динамических и статических нагрузок. В подсистеме конструирования X и машинной графики выполняется геометрическое проектирова­ние и оформление конструкторской документации. В подсистеме технологической подготовки производства проектируются техно­логические процессы и вырабатывается управляющая информа­ция для

станков с числовым программным управлением. Кроме того, существуют отдельные САПР для таких частей объекта, как силовая установка и подсистема жизнеобеспечения. Для проектирования элементов гидроприводов создана САПР «Гидрооборудование» с помощью, которой выполняются проект­ные процедуры анализа и синтеза по отношению к таким объек­там, как насосы, гидродвигатели и т.п. В составе САПР име­ются подсистемы машинной графики и оформления документа­ции, синтеза структур гидроприводов, синтеза элементов гидро­оборудования, синтеза оптимальных параметрических рядов оборудования, обработки результатов экспериментов, проекти­рования технологических процессов, информационно-справочная. Синтез реализуется в пределах заданных конструктивных схем, т. е. сводится к параметрической оптимизации. В качестве ЭВМ используется ЕС 1022. Предусмотрены диалоговые средства общения с системой, применяется пассивный режим диалога на основе шаблонов и меню. Монитор системы выражен на языке ПЛ/1, а функциональные модули — на языке ФОРТРАН. Автоматизация проектирования металлообрабатывающих стан­ков и оборудования осуществляется с помощью САПР, вклю­чающей несколько проектирующих подсистем. Техническое обес­печение системы представлено ЕС 1022, дисплейными станциями ЕС 7906 или ЕС 7920, графопостроителями.

В подсистеме проектирования тяжелых и уникальных станков реализуется типовой маршрут, состоящий из процедур формиро­вания ТЗ, синтеза компоновочной схемы, эскизного проектиро­вания конструктивных узлов станка, прочностных расчетов, геометрического моделирования, оформления конструкторской документации. Прикладное ПО представлено несколькими паке­тами прикладных программ. В первом ППП имеются программы для расчета нагрузок и прочности валов, зубчатых колес, под­шипников качения, резьбовых соединений. Во второй ППП вклю­чены программы для определения деформаций в плоских направ­ляющих, для расчета изгиба балок на упругом основании, кру­чения балок, радиального биения шпинделей, для оценки жестко­сти привода подач и т. п. С помощью третьего ППП осуществля­ются расчеты моментов инерции, масс, жесткостей различных де­талей. В четвертом ППП содержатся программы для расчета динамических режимов процесса резания, вынужденных колеба­ний крутильных систем, оценки виброустойчивости оборудования. В подсистеме проектирования продольно-обрабатывающих стан­ков имеется ПО для автоматизации таких процедур, как поиск компоновочных схем среди конечного множества заранее подго­товленных вариантов, определение габаритных размеров рабочего пространства станка, проверка возможности обработки с помо­щью заданного инструмента и др.

В подсистеме проектирования деталей основной выполняемой процедурой является оформление конструкторской документации. Существенное ускорение и облегчение процедуры достигается применением методов комплексного чертежа и чертежа-заготовки. Метод комплексного чертежа реализует принцип выделения ва­рианта из обобщенной структуры. Обобщенная структура состав­ляется на группу деталей и является избыточным чертежом, из которого конкретные чертежи получаются удалением избыточных элементов. В качестве групп деталей фигурируют

множества де­талей типа крышек, фланцев, кожухов, валов, зубчатых колес и т. п. В виде комплексных чертежей удается представить чертежи 85% всех деталей станков. Чертежи заготовки также заранее составляются для класса деталей, но содержат лишь часть графи­ческих элементов, повторяющихся в чертежах всех деталей данного класса. Специфические графические элементы, в том числе! значения указываемых на чертеже размеров, добавляются при оформлении чертежей конкретных деталей.

Особенности учебно-исследовательских САПР. Про­мышленные САПР не предназначены для выполнения функций обучения методам и приемам работы с САПР. Поэтому в технических вузах создаются и используются учебно-исследовательские САПР (УИ САПР).

Для УИ САПР политехнического вуза характерны следующие особенности:

Многопрофильность, обусловленная наличием в ву­зе большого числа профилирующих кафедр и дисциплин по проектированию технических объектов. Возможности технических средств в вузе обычно имеют более замет­ные ограничения, чем на крупных предприятиях про­мышленности. Это приводит к трудностям при адапта­ции промышленных САПР и к практической невозмож­ности одновременной эксплуатации многих промышлен­ных САПР в условиях вуза.

Разнообразие математического обеспечения, дик­туемое как необходимостью обеспечения многопрофиль­ное™ УИ.САПР, так и потребностями построения учеб­ного процесса на основе анализа и сопоставления ряда конкурирующих методов, алгоритмов и моделей.

Наличие развитых элементов обучающих систем, поскольку значительная часть пользователей УИ САПР не имеет нужных навыков и достаточной квалифика­ции.

Массовость использования, связанная с значитель­ным числом обучающихся в вузе студентов.

Преобладание укороченных маршрутов проектиро­вания, представляющих собой лишь фрагменты реаль­ных маршрутов, и меньшая сложность информационных связей в базе данных по сравнению с промышленными САПР.

Преобладание задач малой размерности.

С одной стороны, эти особенности усложняют постро­ение УИ САПР по сравнению с промышленными САПР. Учебно-исследовательские САПР должны быть откры­тыми системами, приспособленными для эволюционного развития путем модерниза

ции и добавления новых эле­ментов математического, программного обеспечения и входных языков. В УИ САПР должны быть развиты средства диалогового взаимодействия. Необходим бога­тый набор математических моделей и методов для вы­полнения проектных процедур. Многопрофильность обес­печивается развитым инвариантным ядром, усилением проектно-независимых подсистем. С другой стороны, эти Особенности облегчают требования к базе данных УИ САПР, позволяют при тех же вычислительных ресурсах обслуживать большее число пользователей, выбирать иные, чем в промышленных САПР, компромиссы между требованиями к точности и экономичности математиче­ских моделей.