Типовые маршруты и процедуры проектирования

Маршрутом проектирования называется последовательность про­ектных процедур, ведущая к получению требуемых проектных ре­шений. Пример типового маршрута проектирования: разрезание принципиальной схемы устройства на части, размещение микросхем на плате, расслоение межсоединений, трассировка, оформление конструкторской документации и управляющей информации для программно-управляемого технологического оборудования.

Процедуры синтеза и анализа. Проектные процедуры делятся на процедуры синтеза и анализа.

Процедуры синтеза заключаются в создании описаний проектируемых объектов. В таких описаниях отображаются струк­тура и параметры объекта и соответственно существуют процедуры структурного и параметрического синтеза. Под структурой объекта понимают состав его элементов и способы связи элементов друг с Кругом. Параметр объекта— величина, характеризующая некото­рое свойство объекта или режим его функционирования. Примера­ми процедур структурного синтеза служат синтез логической схемы (структура которой выражается перечнем входящих в нее логиче­ских элементов и соединений) или синтез алгоритма (его структура определяется составом и последовательностью операторов). Про­цедура параметрического синтеза заключается в расчете значений параметров элементов при заданной структуре объекта, например геометрических размеров интегральных компонентов при заданном эскизе топологии микросхемы или номиналов пассивных элементов в заданной принципиальной электрической схеме.

Структурирование объекта иногда может вызвать затруднения. Это относится, например, к проектированию интегральных схем на компонентном уровне. Однако и здесь можно условно выделить участки полупроводникового кристалла и рассматривать их как элементы структуры.

Процедуры анализа заключаются в исследовании проек­тируемого объекта или его описания, направленном на получение полезной информации о свойствах объекта. Цель анализа—провер­ка работоспособности объекта. Часто задача анализа формулирует­ся как задача установления соответствия двух различных описаний одного и того же объекта. При этом одно из описаний считается первичным и его корректность предполагается установленной. Дру­гое описание относится к более подробному уровню иерархии или к другому аспекту, и его правильность нужно установить сопостав­лением с первичным описанием. Такое сопоставление называется верификацией.

Принципы построения маршрутов проектирования. Основные принципы построения маршрутов проектирования: расчленение сложной задачи синтеза полного комплекта конструкторско-технологической документации на более простые задачи синтеза промежуточных проектных решений; чередование процедур синтеза и верификации; итерационность проектирования; усиление тщатель­ности анализа (многовариантность, усложнение моделей) по мере приближения к окончательному проектному решению.

Расчленение сложной задачи синтеза на ряд простых выполняется в соответствии с рассмотренными положениями блочно-иерархического подхода к проектированию. Расчленение позво­ляет распределить работу между соответствующими подразделе­ниями проектного предприятия, организовать параллельно-после­довательное выполнение проектных процедур коллективом разра­ботчиков.

Чередование процедур синтеза и верифика­ции обусловлено тем, что для большинства задач структурного синтеза отсутствуют методы, обеспечивающие безошибочное полу­чение проектных решений, удовлетворяющих требованиям ТЗ. Это связано с трудностями формализации задач синтеза, поэтому основные решения принимает человек на основе эвристических приемов. При этом невозможно учесть все многообразие качествен­ных и количественных требований и избежать ошибок. Поэтому результаты предложенных при синтезе проектных решений конт­ролируются выполнением верификации.

Итерационность проектирования обусловлена дву­мя факторами. Во-первых, она вытекает из особенностей блочно-иерархического подхода. Действительно, при нисходящем проекти­ровании на п-м. иерархическом уровне можно лишь предположитель­но судить о свойствах неспроектированных элементов, которые будут разрабатываться на следующем (п +1)-м уровне. При восходящем проектировании неопределенность связана с требованиями ТЗ, кор­ректность которых может быть установлена только при выполне­нии процедур самого верхнего иерархического уровня. Поэтому ошибочность или неоптимальность решений, полученных на пре­дыдущих этапах, выявляется в последующем, что требует возвра­та к предыдущим этапам для перепроектирования. Во-вторых, итерационность связана с чередованием синтеза и верификации, представляющим собой последовательное приближение к прием­лемому проектному решению. Очевидно, что на первых итерациях синтезируемые варианты хуже с точки зрения выполнения ТЗ, чем последующие. Поэтому на первых итерациях с помощью довольно приближенных моделей полученные варианты оцениваются быстро и просто. Чем ближе очередной вариант к окончательному реше­нию, тем более точное и всестороннее исследование требуется для его оценки. Следовательно, в процедурах верификации нужно ис­пользовать не одну модель объекта, а иерархический ряд моделей, различающихся сложностью и точностью.

Усиление тщательности анализа по мере прибли­жения к окончательному решению выражается также в том, что проверка производится по все большему числу показателей, оговариваемых в ТЗ, зачастую с учетом статистического характера пара­метров и нестабильности внешних условий.

Подходы к верификации. Существуют два подхода к верифи­кации проектных процедур: аналитический и численный. Анали­тический подход основан на использовании формальных ме­тодов доказательства соответствия двух сравниваемых описаний. Для реализации аналитического подхода необходимо в рамках не­которой формальной системы установить язык представления про­ектных решений и правила преобразования предложений и конст­рукций этого языка, нужно разработать алгоритмы целенаправлен­ного применения правил для приведения сравниваемых вариантов к виду, по которому можно сделать заключение о наличии или отсутствии соответствия этих вариантов. В настоящее время класс объектов, для которых удается реализовать аналитический подход, ограничен.

Численный подход основан на математическом моделиро­вании процессов функционирования проектируемых объектов. Мо­делирование—это исследование объекта путем создания его моде­ли и оперирования ею с целью получения полезной информации об объекте. При математическом моделировании исследуется матема­тическая модель (ММ) объекта.

Математической моделью технического объекта называется со­вокупность математических объектов (чисел, скалярных перемен­ных, векторов, матриц, графов и т. п.) и связывающих их отноше­ний, отражающая свойства моделируемого технического объекта, интересующие инженера-проектировщика. Математическая модель, отражающая поведение моделируемого объекта при заданных изме­няющихся во времени внешних воздействиях, называется имита­ционной.

При конструировании необходимо определить прежде всего гео­метрические и топологические свойства объектов: форму деталей и их взаимное расположение в конструкции. Эти свойства отобража­ются с помощью структурных математических моделей, которые могут быть выражены уравнениями поверхностей и линий, система­ми неравенств, графами, матрицами инциденций и т. п.

При функциональном проектировании моделируют состояние или процессы — последовательности сменяющих друг друга состояний объекта. Такое моделирование осуществляется с помощью функцио­нальных математических моделей. Типичная форма функциональ­ных ММ—система уравнений, выражающая взаимосвязи между фазовыми (характеризуют состояние объекта), внешними (ха­рактеризуют состояние внешней по отношению к объекту среды) и независимыми переменными, которыми могут быть время t и про­странственные координаты , , . Решением системы уравнений являются зависимости элементов вектора V фазовых переменных от Z =(t, , , ) представляемых в виде совокупности графи­ков или в табличной форме. Верификация на основе моделирования заключается в установ­лении соответствия проектного решения, представленного математи­ческой моделью М пр, исходному (эталонному) описанию, заданному в виде ТЗ или модели М эт иного иерархического уровня или аспек­та, нежели М пр. Модели М пр и М эт в общем случае имеют разные размерности и состав векторов фазовых переменных. Однако обе модели должны при совпадающих внешних условиях приводить к одинаковым, в пределах заданной точности, зависимостям V эт(Z) и V np(Z), где V эт и V np—векторы фазовых переменных на выходах проектируемого объекта (или, что то же самое, на границах, отде­ляющих объект от внешней среды). Идентичность внешних условий означает, что в моделях М пр и М эт должны использоваться одина­ковые векторы внешних параметров Q =(, ,…, ).Типичные внешние параметры - температура окружающей среды, напряже­ния источников питания, параметры входных сигналов и нагрузки. Соответствие двух описаний (моделей), в указанном выше смысле, называют функциональной эквивалентностью.

Если Z, Q, V эт и V np—векторы дискретных величин (в частно­сти, элементами векторов V эт и V np могут быть булевы перемен­ные), то положительный результат верификации будет при совпа­дении значений векторов V эт и V np во всех точках дискретного про­странства переменных Z и Q. Такая ситуация характерна для верификации логических схем. Однако в практических задачах ко­личество точек пространства (Z, Q) слишком велико, поэтому актуально сокращение числа испытаний при верификации. Эта проблема связана с подбором подходящих тестовых входных воз­действий для обнаружения несоответствий в моделях М пр и М эт и по своему характеру близка к задачам, решаемым в технической диагностике.

При непрерывном характере хотя бы части элементов векторов V эт(Z) и V np(Z) соответствие моделей устанавливается по совпа­дению выходных параметров (/,. Выходные параметры - это вели­чины, характеризующие свойства системы. Типичные примеры вы­ходных параметров—функционалы зависимостей V эт(Z) и V np(Z), например, задержка распространения, амплитуда выходного сигна­ла, частота генерируемых колебаний. Если в результате моделиро­вания для каждого тестового воздействия получают с оговоренной точностью совпадение выходных параметров, рассчитанных с по­мощью сравниваемых моделей, то говорят о соответствии (коррект­ности) проверяемого описания.

Типовые проектные процедуры. На рис. 2.1 представлена одна из возможных классификаций проектных процедур.

Процедуры структурного синтеза по характеру про­ектируемого объекта делятся на синтез схем (принципиальных, функциональных, структурных, кинематических и др.), конструк­ций (определение геометрических форм, взаимного расположения деталей), процессов (технологических, вычислительных и др.), документации (чертежей, пояснительных записок, ведомостей и др.).

Основные процедуры параметрического син­теза—оптимизация номинальных значений параметров элементов и их допусков. Важная задача назначения технических требований на параметры объекта, решаемая при внешнем проектировании, от­несена к задаче оптимизации допусков. Идентификация моделей

Рис. 2.1. Классификация проектных процедур.

заключается в расчете параметров, используемых в ММ. Для про­цедур оптимизации, как правило, требуется выполнение большого объема вычислений с помощью сложных программных комплексов. В отдельных случаях удовлетворительные результаты параметриче­ского синтеза получаются на основе упрощенных методик, подобных расчетным методикам неавтоматизированного проектирования.

Детерминированная верификация может быть на­правлена на выявление соответствия структур объектов, заданных двумя различными описаниями (структурная верификация), или значений выходных параметров (параметрическая верификация). Параметрическая верификация может выполняться по полной со­вокупности параметров или по их части, в последнем случае разли­чают верификацию статическую, динамическую, в частотной об­ласти.

Статистический анализ предназначен для получения статистических сведений о выходных параметрах при заданных законах распределения параметров элементов. Результаты статистического анализа можно представлять гистограммами, оценками числовых характеристик распределений выходных параметров.

Анализ чувствительности заключается в расчете коэф­фициентов чувствительности выходных параметров к изменениям параметров элементов (или внешних параметров) . Различают абсолютный и относительный коэффициенты чувствительности:

; ,

где и номинальные значения параметров и соответст­венно.

Задачи, в которых исследование свойств объекта сводится к од­нократному решению уравнений модели при фиксированных значе­ниях внутренних и внешних параметров, называются задачами од­новариантного анализа. Задачи, требующие многократного решения уравнений модели при различных значениях внутренних и внешних параметров, называются задачами многовариантного анализа.

Примеры маршрутов проектирования. Рассмотрим типичный маршрут проектирования ЭВМ на БИС. Проектирование начинает­ся с разработки алгоритмов, реализуемых аппаратной частью ЭВМ. Алгоритмы записываются на одном из языков описания регистро­вых структур или микропрограмм. Модель ЭВМ, полученная на уровне регистровых передач, отрабатывается с помощью предлагае­мых разработчиком тестов. Далее последовательно выполняются процедуры преобразования алгоритмического описания в функцио­нальную схему, в которой элементами являются функциональные узлы, и покрытия этой схемы функциональными ячейками избран­ной топологии, функционально-логическое проектирование заверша­ется выполнением логической верификации, во время которой про­веряется соответствие полученной схемы из функциональных ячеек исходному алгоритму функционирования. Обнаруженные ошибки устраняются путем возврата и повторного выполнения предыду­щих процедур.

Далее выполняются процедуры конструкторского проектирова­ния. Сначала функциональная схема разрезается на части, соответ­ствующие определенным конструктивам. Затем выполняются про­цедуры размещения и трассировки. Функциональные ячейки размещаются в кристаллах БИС, корпуса БИС—на печатных пла­тах типовых элементов замены, сами ТЭЗ—в блоках. Конструиро­вание блоков, ТЭЗ и БИС может осуществляться параллельно. Процедуры конструкторского проектирования являются процедура­ми синтеза, поэтому после их выполнения требуется верификация для установления соответствия между топологической и принципи­альной электрической схемами, контроль задержек с учетом конст­руктивных параметров и т. п.

Другой пример маршрута проектирования—последовательность проектных процедур конструкторского проектирования радиоэлек­тронной аппаратуры (РЭА). Задание на конструирование получается после разработки функциональных схем. Конструирование начи­нается с покрытия функциональной схемы микросхемами за­данного набора. Полученная принципиальная электрическая схема разбивается на части, соответствующие отдельным ТЭЗ. Далее для каждого ТЭЗ выполняются размещение микросхем на плате, рас­слоение (распределение электрических соединений по слоям много­слойных печатных плат), трассировка монтажных соединений, оформление конструкторской документации, изготовление машин­ных носителей с информацией для программно-управляемого тех­нологического оборудования, используемого в производстве печат­ных плат.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: