Файл: Ландау И.Я. Применение ЦВМ для проектирования ЦВМ.pdf

СКОё применение машинного проектирования часто

оказывается невозможным из-за сложности эксплуата­ ции программ и подготовки входной 'информации. При этом программу может использовать только ее разработ­ чик, что в лучшем случае позволяет ее применять для экспериментальных расчетов и проверки эффективно­ сти алгоритма.

4-3. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВНЕДРЕНИЯ АСП ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ СОВРЕМЕННЫХ ЦВМ

Мы уже говорили, что при решении задач 'проектиро­ вания ЦВМ машина по качеству полученных результатов пока почти всегда уступает человеу. Опытный конструк­ тор спроектирует любой отдельных элемент лучше ма­ шины (достигнет большего коэффициента повторяемости ячеек, меньшего количества перемычек в печатной плате и т. д.). Пожалуй, единственной задачей, в которой ма­ шина превосходит человека, является получение крат­ чайшей связывающей цепи (но эта задача не очень су­ щественна при проектировании современных ЦВМ). Од­ нако совсем иное положение возникает при необходи­ мости выпустить огромное количество документации, необходимой для производства ЦВМ, в короткий срок — это невозможно сделать при ручном проектировании.

Таким образом, цель разработки автоматизирован­ ных систем проектирования ЦВМ заключается не в по­ лучении оптимальных (превосходящих сделанные чело­ веком) конструкций, а в резком сокращении трудоемко­ сти и сроков проектирования и освоения производства новых машин. При этом разработчик тесно взаимодей­ ствует с машиной в процессе проектирования: этапы, где требуется творческая или не имеющая формального опи­ сания работа, остаются за человеком (разработка логи­ ческих схем и т. д.), а вся рутинная работа выполняет­ ся машиной.

Для иллюстрации эффекта, даваемого автоматиза­ цией проектирования, рассмотрим результаты примене­ ния автоматизированной подсистемы конструкторского проектирования (АПК) при проектировании микроэлек­ тронного вычислительного комплекса М-4000 АСВТ

[Л. 42].

Конструкция машины была описана в § 3-8. В АПК решались следующие задачи:

138

составление и выпуск монтажной документации на блоки;

составление и выпуск наладочной документации (та­ блицы прозвонки, карты проверки) на блоки;

составление и выпуск монтажной документации на

шкафы;

составление и выпуск таблиц прозвонки на шкафы; составление программ для автоматического тестера

блоков (АУПК).

Все программы были написаны для ЦВМ «Минск-22» (монтажная документация) и БЭСМ-4 (программа для АУПК). С помощью АПК была выпущена практически вся монтажная и наладочная документация на М-4000 (сводные текстовые документы составлялись вручную). Основной эффект применения А'ПК можно оценить дву­ мя показателями: снижением трудоемкости проектирова­ ния и ускорением наладки комплекса.

В состав устройств М-4000 входит около 200 блоков. При ручном проектировании выпуск документации на блок занимает около 12 человеко-дней, а составление принципиальной схемы по логической схеме и карт про­ верки требует еще около 15 человеко-дней. При машин­ ном проектировании подготовка исходных данных (по логической схеме) занимала 2—3 человеко-дня, оформле­ ние документов (резка листов и снятие калек на ЭРЕ) — 1—2 человеко-дня. Составление монтажной документа­ ции на шкаф, содержащий 100 блоков (процессор), тре­ бует 3—4 человеко-месяцев, при машинном проектиро­ вании ручная работа требовалась только для оформле­ ния документов (около 10 человеко-дней). Таким обра­ зом, применение АПК дало снижение трудоемкости почти в 7 раз.

Составление всей документации (монтажных таблиц, таблиц прозвонки, карт проверки) заняло около 300 ч

машинного времени на ЦВМ «Минск-22» и БЭСМ-4.

Отсутствие ошибок в документации и наличие спе­ циальных документов для наладки, а также использо­ вание АУПК позволили намного ускорить процесс на­ ладки М-4000. Первый этап наладки-—прозвонка -монта­ жа и автономная -наладка блоков— был выполнен ме­ нее чем за 2 месяца, что является рекордным для раз­ работки такого объема сроком.

Интересно отметить, что при комплексной наладке и стыковке устройств такого ускорения получено не было.

Известно, что на этих этапах ошибки в монтажной до­ кументации играют малую роль — здесь влияют ошибки в связях между блоками и устройствами, т. е. логические нестыковки. Уменьшить их количество можно с помощью моделирования структуры системы и блок-схем уст­ ройств, что в АПК не было осуществлено.

Таким образом, хотя в АПК выполнялась лишь часть работ конструкторского проектирования, использование этой, далеко не полной системы уже дало значительный эффект. Естественно, эффективность АПК была бы выше, если бы в ней решался более широкий круг задач. Однако при разработке и внедрении таких систем кроме чисто технических задач приходится решать ряд вопро-. сов организационного характера, связанных с особенно­ стями машинного проектирования. Рассмотрим некото­ рые из них.

Основная трудность создания (и, особенно, внедре­ ния) АСП заключается не столько в сложности разра­ ботки алгоритмов решения отдельных задач проектиро­ вания, сколько в необходимости изменения самого под­ хода к проектированию ЦВМ: автоматизация проекти­ рования ЦВМ выдвигает ряд требований к сложившейся методике ручного проектирования средств вычислитель­ ной техники.

Разработка программ АСП является весьма трудо­ емкой и дорогостоящей работой, причем значительная часть этих программ будет пригодна лишь для определен­ ного класса элементов и конструктивных решений. От­ сюда вытекает необходимость стандартизации конструк­ ции для большой серии проектируемых машин — только тогда окупаются расходы по автоматизации проектиро­ вания. До недавнего времени бурное развитие вычисли­ тельной техники приводило к быстрой смене этих ре­ шений.

Далее, внедрение АСП требует пересмотра существу­ ющих стандартов на состав и способы оформления про­ ектной документации. Некоторые виды документов долж­ ны быть исключены (например, принципиальная элек­ трическая схема), другие приведены в соответствие с возможностями машинного выпуска их (это особенно касается графической документации).

Должны быть • разработаны точные и однозначные правила выполнения отдельных этапов проектирования, особенно в тех случаях, когда допускаются различные

140

варианты решения задачи. Все инструкции, составляемые для человека, такой полнотой не обладают, и человек в подобном случае поступает по собственному разуме­ нию. Машина «собственного разумения» не имеет и тре­ бует абсолютно точных указаний.

Наконец, сложившиеся при ручном проектировании ламповых и транзисторных ЦВМ конструктивные схемы (ячейка— блок — стойка) очень неудобны для машинно­ го проектирования, поскольку ряд возникающих при этом задач (выбор стандартных ячеек, компоновка) могут быть решены лишь очень приближенно. С другой стороны, возможности современной микроэлектроники (создание больших интегральных схем, высокая надеж­ ность элементов) также требуют других конструктивных решений — уменьшения количества разъемов и .перехода на большие нестандартные функциональные блоки, что вполне отвечает требованиям машинного проектирова­ ния. Таким образом, переход на микроэлектронику и многослойный печатный монтаж, с одной стороны, дела­ ют практически невозможным сохранение старых ручных

вания конструктивным решениям, что облегчает внедре­ ние автоматизированных систем 'Проектирования и изго­ товления ЦВМ.

Г л а в а п я т а я

РАЗРАБОТКА ЭЛЕМЕНТОВ ЦВМ

5-1. ПРИМЕНЕНИЕ ЦВМ ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ РАЗРАБОТКИ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ

Большое значение для обеспечения надежной работы ЦВМ имеют надежность, стабильность и помехоустойчи­ вость их электронных элементов. Характеристики ЦВМ в значительной степени определяются свойствами этих элементов. Отсюда вытекают требование тщательной от­ работки электронных элементов до запуска их в произ­ водство и необходимость предвидеть при разработке элементов их характеристики в серийном изготовлении. Традиционный инженерный подход, основанный на ма­ кетировании элемента и непосредственном определении

141

его характеристик, мало пригоден для решения этой задачи. Во-первых, путем макетирования трудно на­ брать достаточный статистический материал (изучить поведение схемы при изменениях технологии, параметров деталей, питающих напряжений и внешних условий), и, во-вторых, макетирование практически не применимо к элементам, построенным на средних и больших инте­ гральных схемах (ИС), которые находят все более ши­ рокое применение в современных ЦВМ.

Макетирование ИС сводится фактически к изготовле­ нию такой схемы; технология изготовления ИС весьма сложна, .поэтому такое макетирование занимает чрез­ вычайно много времени и обходится очень дорого. Это особенно существенно при проектировании ИС частного (специального) применения, т. е. не предназначенных для массового производства. Такие ИС находят широкое применение в вычислительной технике: одна большая ИС может реализовать целый функциональный узел ЦВМ. Схемы частного применения проектируются по требованиям заказчика; обычно необходима выдача го­ товой ИС в максимально короткий срок, что возможно только при условии автоматизации проектирования ИС.

'В настоящее время известен ряд систем такого типа [Л. 39, 40]. Проектирование ИС в них выполняется сле­ дующим образом: по техническому заданию проектиров­ щик выбирает начальную конфигурацию схемы. Затем создается математическая модель этой схемы и с по­ мощью ЦВМ моделируется ее поведение. По результа­ там моделирования (рассчитанным на ЦВМ графикам переходных процессов, токов и напряжений в различ­ ных точках) окончательно выбираются электрические параметры схемы. Затем производятся определение геометрических параметров деталей, размещение их на подложке и трассировка соединений. Задачи эти имеют много общего с задачами компоновки элементов и трас­ сировки печатного монтажа при конструкторском про­ ектировании и решаются методами, сходными с описан­ ными в гл. 3. Основным элементом автоматизированной системы пректирования ИС являются программы цифро­ вого моделирования электронных схем. Эти программы находят также широкое применение при разработке и исследовании электронных элементов ЦВМ, построенных на дискретных компонентах (диоды, транзисторы и т. д.) и модулях с малой степенью интеграции.

142

V

Моделирование с помощью ЦВМ дает возможность:

1.Наблюдать поведение схемы со всеми паразитны­ ми элементами.

2.Наблюдать поведение схемы, не искаженное под­

ключением измерительной аппаратуры.

3.Наблюдать величины, измерение которых в реаль­ ной схеме по тем или иным причинам затруднено или невозможно (например, измерение напряжения на пере­ ходе транзистора и емкости перехода).

4.Наблюдать поведение схемы, составленной из не-

имеющихся в наличии приборов, для того чтобы опреде­ лить преимущества, которые могли бы возникнуть при их применении.

5.Определять критические параметры в схеме, наи­ более влияющие на интересующие разработчика харак­ теристики.

6.Вычислять изменения характеристик схемы в зави­ симости от вариаций параметров деталей, т. е. произво­ дить статистический анализ схемы до того, как она будет запущена в производство, и определять предельно допу­ стимые условия ее работы.

Таким образом, моделирование схемы на ЦВМ дает

разработчику гораздо больше информации, чем работа с макетом, причем эта информация может быть полу­ чена гораздо быстрее и дешевле.

5-2. МЕТОДЫ ЦИФРОВОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ

Основными задачами, возникающими при цифровом моделирова­ нии электронных схем, являются построение схемы замещения ак­ тивных элементов (транзисторов, диодов) и составление системы уравнений, описывающих схему.

Точность результатов, получаемых при моделировании, зависит от того, насколько схема замещения отражает характеристики ре­ альных элементов. Составление хороших схем замещения является достаточно сложной задачей; как правило, для каждого типа полу­ проводниковых приборов приходится составлять свою схему замеще­ ния, поскольку ее характеристики зависят от принципа действия и

143

му идеализированной вольт-амперной характеристики. Емкость об­

где г] определяет скорость изменения проводимости, д есть функция if>: 0= у /|£ ь |, а у — статический параметр схемы замещения (от ве­

личины у зависит, при каких токах Яь становится постоянным). Используя законы Кирхгофа, получим уравнение для токов через

электроды 1 и 2 диода:

Где‘, “ ( т +"Г+Й^г} 6= - ( - f +i+W )

144