Рівні, аспекти і етапи проектування

Проектування — процес, що полягає в перетворенні вихідного опису об'єкта в остаточний опис на основі виконання комплексу робіт дослідницького, розрахункового і конструкторського характеру. Проектування, при якому всі або частину проектних рішень отримують шляхом взаємодії людини і ПЕОМ, називають автоматизованим, а проектування, при якому ПЕОМ не використовується, — неавтоматизованим.

Ієрархічні рівні описів проектованих об'єктів. Опис технічних об'єктів повинні бути за складністю узгоджені з можливостями сприйняття людиною і можливостями оперування описами в процесі їх перетворення за допомогою наявних засобів проектування.

Розділення описів за ступенем деталізації відображуваних властивостей та характеристик об'єкта лежить в основі блочно-ієрархічного підходу до проектування і призводить до появи ієрархічних рівнів (рівнів абстрагування) в уявленнях про об'єкт.

При проектуванні електронної апаратури до базових елементів відносять елементи принципових електричних схем (інтегральні мікро- та наносхеми і такі дискретні компоненти, як резистори, конденсатори, діоди, транзистори тощо). З них утворюються функціональні вузли — підсилювачі, вторинні джерела живлення, суматори, перетворювачі сигналів і т. п. У свою чергу, функціональні вузли входять як елементи до складніших утворень — пристроїв або блоків, що описуються за допомогою функціональних схем. Прикладами пристроїв є мікропроцесор, оперативний запам'ятовуючий пристрій, передавач, модем. З пристроїв компонуються електронні системи (ПЕОМ, радіолокаційна станція, система управління рухомим об'єктом), що описуються за допомогою структурних схем. Можливе виділення як деяких проміжних ієрархічних рівнів, так і вищих ієрархічних рівнів для опису об'єднань систем (наприклад, рівня, на якому розглядаються обчислювальні мережі, що складаються з ПЕОМ, обчислювальних систем, апаратури передачі даних і абонентських пунктів).

Аспекти описів об'єктів проектування. Крім розчленування описів за ступенем детальності відображення властивостей об'єкта, породжуючого ієрархічні рівні, використовують декомпозицію описів за характером відображуваних властивостей об'єкта. Така декомпозиція призводить до появи низки аспектів описів. Основними є функціональний, конструкторський та технологічний аспекти. Рішення задач, пов'язаних з перетворенням або отриманням описів, що відносяться до цих аспектів, називають відповідно функціональним, конструкторським і технологічним проектуванням.

Функціональний аспект пов'язаний з відображенням основних принципів функціонування, характеру фізичних та інформаційних процесів, що протікають в об'єкті, і виражається у принципових, функціональних та структурних схемах і супроводжуючих їх документах.

Конструкторський аспект пов'язаний з реалізацією результатів функціонального проектування, тобто з визначенням геометричних форм об'єктів і їх взаємним розташуванням в просторі.

Технологічний аспект відноситься до реалізації результатів конструкторського проектування, тобто пов'язаний з описом методів і засобів виготовлення об'єктів.

Для кожного аспекту можливо своє специфічне виділення ієрархічних рівнів. Так, функціональний аспект опису електронної апаратури включає в себе описані вище ієрархічні рівні принципових, функціональних і структурних схем. У той же час конструкторському аспекту опису електронної апаратури притаманна своя ієрархія рівнів, в якій виділяють рівні типових елементів заміни.

Складові частини процесу проектування. Проектування як процес, що розвивається в часі, розчленовується на стадії, етапи, проектні процедури та операції.

На стадіях передпроектних досліджень, технічного завдання та технічної пропозиції на підставі вивчення потреб суспільства в отриманні нових виробів, науково-технічних досягнень у даній і суміжних галузях промисловості, наявних ресурсів визначають призначення, основні принципи побудови технічного об'єкта і формулюють технічне завдання (ТЗ) на його проектування. Ці стадії називають також стадіями науково-дослідних робіт (НДР).

На стадії ескізного проекту перевіряється коректність і реалізація основних принципів і положень, що визначають функціонування майбутнього об'єкта, і створюється його ескізний проект.

На стадії технічного проекту виконується всебічна проробка всіх частин проекту, конкретизуються і деталізуються технічні рішення.

На стадії робочого проекту формується вся необхідна документація для виготовлення виробу. Далі створюється і випробовується дослідний зразок або пробна партія виробів, за результатами випробувань вносяться необхідні корективи в проектну документацію, після чого здійснюється впровадження у виробництво на обраному підприємстві.

Нисхідне і висхідне проектування. Якщо рішення задач високих ієрархічних рівнів передує вирішенню завдань нижчих ієрархічних рівнів, то проектування називають нисхідним. Якщо спочатку виконуються етапи, пов'язані з нижчими ієрархічними рівнями, проектування називають висхідним.

У кожного з цих двох видів проектування є переваги і недоліки. При нисхідному проектуванні система розробляється в умовах, коли її компоненти ще не визначені, і, отже, відомості про їх можливості та властивості мають ймовірносний характер. При висхідному проектуванні, навпаки, компоненти проектуються до системи, і, отже, ймовірносний характер мають вимоги до компонентів. В обох випадках через відсутність вичерпної вихідної інформації мають місце відхилення від потенційно можливих оптимальних технічних результатів.

На практиці зазвичай поєднують висхідне і нисхідне проектування. Наприклад, висхідне проектування має місце на всіх тих ієрархічних рівнях, на яких використовуються уніфіковані компоненти. Очевидно, що уніфіковані елементи, орієнтовані на застосування в ряді різних систем певного класу, розробляються раніше, ніж та чи інша конкретна система з цього класу.

Зовнішнє і внутрішнє проектування. При нисхідному проектуванні формулювання ТЗ на розробку елементів k -го ієрархічного рівня відноситься до проектних процедур цього ж рівня. Інакше йде справа з розробкою ТЗ на систему вищої ієрархічного рівня або на уніфіковану систему компонентів, призначену для багатьох застосувань. Тут розробка ТЗ є самостійним етапом проектування, часто званим зовнішнім проектуванням. На відміну від нього етапи проектування об'єкта по сформульованим ТЗ називають внутрішнім проектуванням.

Основа зовнішнього проектування — правильний облік сучасного стану техніки, можливостей технології, прогноз їх розвитку на період часу, не менший життєвого циклу об'єкта. Оцінку виконання сформульованого ТЗ та рекомендації щодо його корегування отримують за допомогою проектних процедур внутрішнього проектування.

Отже, на початкових стадіях проектування складних систем має місце ітераційний процес, в якому почергово виконуються процедури зовнішнього і внутрішнього проектування — формулювання ТЗ, його корегування, оцінка виконання, прогноз матеріальних і комп’ютерних витрат на проектування і виготовлення.

Уніфікація проектних рішень та процедур. Зазвичай уніфікація об'єктів має на меті поліпшення техніко-економічних показників виробництва і експлуатації виробів. Використання типових і уніфікованих проектних рішень призводить також до спрощення і прискорення проектування. Так, типові компоненти розробляються одноразово, але в різних проектах застосовуються багаторазово.

Однак уніфікація доцільна лише в таких класах об'єктів, в яких з порівняно невеликого числа різновидів компонентів має реалізуватися проектування і виготовлення великої кількості різноманітних схем. Саме ці різновиди компонентів і підлягають уніфікації. Для складних систем, що складаються з цих компонентів, в кожному конкретному випадку доводиться заново виконувати багаторівневе ієрархічне проектування.

Види описів об'єктів проектування і класифікація їх параметрів. Остаточний опис об'єкта проектування є повним комплектом схемної, конструкторської і технологічної документації.

Математична модель (ММ) технічного об'єкта — система математичних об'єктів (чисел, змінних, матриць, множин і т.п.) і зв’язків між ними, що відбиває деякі властивості технічного об'єкта. При проектуванні використовують математичні моделі, що відбивають властивості об'єкта, суттєві з позицій інженера.

Серед властивостей об'єкта, що відображаються в описах на певному ієрархічному рівні, в тому числі в ММ, розрізняють властивості систем, компонентів систем і зовнішнього середовища, в якому повинен функціонувати об'єкт. Кількісне вираження цих властивостей здійснюється за допомогою величин, званих параметрами. Величини, що характеризують властивості системи, елементів системи і зовнішнього середовища, називають відповідно вихідними, внутрішніми і зовнішніми параметрами.

Приклади параметрів об'єктів проектування:

для мікроелектронного підсилювача:

вихідні параметри — смуга пропускання, коефіцієнт підсилення на середніх частотах, вхідний опір, потужність розсіювання;

внутрішні параметри — опори резисторів, ємності конденсаторів, параметри транзисторів;

зовнішні параметри — опір і ємність навантаження, напруги джерел живлення.

Позначимо кількості вихідних, внутрішніх і зовнішніх параметрів через т, п, l, а вектори цих параметрів відповідно через Y =(y₁, у₂, …, y_m), X =(х₁, х₂,..., х_п), Q = (q₁, q₂, …, q_l). Очевидно, що властивості системи залежать від внутрішніх і зовнішніх параметрів, тобто має місце функціональна залежність:

Y =F(Х,Q). (1.1)

Система співвідношень (1.1) є прикладом математичної моделі об'єкта. Наявність такої ММ дозволяє легко оцінювати вихідні параметри по відомим значенням векторів X і Q. Проте існування залежності (1.1) не означає, що вона відома розробнику і може бути представлена саме в такому явному щодо вектора Y вигляді. Як правило, математичну модель у вигляді (1.1) можна отримати тільки для дуже простих об'єктів.

Внутрішні параметри (параметри компонентів) в моделях k -го ієрархічного рівня стають вихідними параметрами в моделях більш низького (k +1)-го ієрархічного рівня. Так, у розглянутому вище прикладі для мікроелектронного підсилювача параметри транзистора є внутрішніми при проектуванні підсилювача і в той же час вихідними при проектуванні самого транзистора.

Вихідні параметри, що фігурують в моделі однієї з підсистем (в одному з аспектів опису), часто виявляються зовнішніми параметрами в описах інших підсистем (інших аспектів). Так, максимальні температури мікро- та наноелектронних приладів в електричних моделях підсилювача відносяться до зовнішніх параметрів, а в теплових моделях того ж об'єкту - до вихідних параметрів.

Вихідні описи об'єктів проектування часто являюь собою ТЗ на проектування. В цих описах фігурують величини, звані технічними вимогами до вихідних параметрів y_j (інакше нормами вихідних параметрів). Технічні вимоги утворюють вектор ТТ= (TT₁, TT₂, …, TT_r), де величини TT_j являють собою межі допустимих діапазонів зміни вихідних параметрів у_j.

Необхідні співвідношення між у_j і ТТ_j називають умовами працездатності. Умови працездатності найчастіше є односторонніми нерівностями виду:

у_j<ТТ_j (1.2)

або

у_j > ТТ_j. (1.3)

При цьому розміри векторів ТТ і Y однакові (r=m). Однак для деяких вихідних параметрів у_j умови працездатності можуть мати вигляд двосторонніх обмежень:

ТТ’_j < у_j < ТТ”_j. (1.4)

Типові проектні процедури

Класифікація типових процедур (задач) проектування. Проектна процедура називається типовою, якщо вона призначена для багаторазового застосування при проектуванні багатьох типів об'єктів. Класифікація типових проектних процедур представлена на рис. 1.1.

Розрізняють проектні процедури аналізу і синтезу. Синтез полягає в створенні опису об'єкта, а аналіз — у визначенні властивостей та дослідженні працездатності об'єкта з його опису, тобто при синтезі створюються, а при аналізі оцінюються проекти об'єктів.

Процедури анализу діляться на процедури одно- та багатоваріантного аналізу.

Рис. 1.1. Класифікація типових проектних процедур

 

При одноваріантному аналізі задані значення внутрішніх і зовнішніх параметрів, потрібно визначити значення вихідних параметрів об'єкта. Корисно використовувати геометричну інтерпретацію цього завдання, пов'язану з поняттям простору внутрішніх параметрів. Це п -мірний простір, в якому для кожного з п внутрішніх параметрів х_і виділена координатна вісь. При одноваріантному аналізі задається також деяка точка в просторі внутрішніх параметрів і потрібно в цій точці визначити значення вихідних параметрів. Подібне завдання зазвичай зводиться до однократного вирішення рівнянь, що складються в математичну модель, це й обумовлює назву цього виду аналізу. Багатоваріантний аналіз полягає в дослідженні властивостей об'єкта в деякій області простору внутрішніх параметрів. Такий аналіз вимагає багаторазового рішення систем рівнянь (багаторазового виконання одноваріантного аналізу).

Процедури синтезу діляться на процедури структурного і параметричного синтезу.

Метою структурного синтезу є визначення структури об'єкта — переліку типів елементів складових об'єкту, і способу зв'язку елементів між собою у складі об'єкта.

Параметричний синтез полягає у визначенні числових значень параметрів елементів при заданих структурі і умовах працездатності на вихідні параметри об'єкта, тобто при параметричному синтезі потрібно знайти точку або область в просторі внутрішніх параметрів, в яких виконуються ті чи інші умови (зазвичай умови працездатності).

Типова послідовність проектних процедур. На рис. 1.2 представлена типова послідовність проектних процедур на одному з етапів нисхідного проектування.

Рис. 1.2. Схема процесу проектування

 

На попередньому етапі вирішувалися задачі k -го ієрархічного рівня, одним з результатів вирішення цих задач при нисхідному проектуванні є формулювання ТЗ на проектування систем (k +1)-го досліджуваного рівня.

Рис.1.2 дозволяє встановити характерну особливість взаємозв'язку проектних процедур аналізу та синтезу. Цей взаємозв'язок має характер вкладеності процедур аналізу в процедуру оптимізації (параметричного синтезу) і процедури оптимізації в процедуру синтезу, що об'єднує синтез структурний і параметричний. Вкладеність означає, по-перше, що аналіз входить як складова частина в оптимізацію, а оптимізація — в синтез, по-друге, що одноразове виконання процедури оптимізації вимагає багаторазового виконання процедури аналізу, а одноразове рішення завдання синтезу - багаторазового рішення задачі оптимізації.

Якщо ввести коефіцієнт f_ij, що дорівнює кількості виконань процедури i, вкладеної в процедуру j, при одноразовому виконанні процедури j, а процедурам синтезу, оптимізації, багатоваріантного і одноваріантного аналізу присвоїти номери відповідно 1, 2, 3, 4, то:

f₄₁ = f₂₁ f₃₂ f₄₃.

Приклад синтезу об'єктів. При синтезі об'єкта проглядається f₂₁ варіантів його структури, кожен варіант структури оптимізується з виконанням f₃₂ кроків оптимізації, а кожен крок оптимізації полягає в оцінці об'єкта, що вимагає f₄₃ варіантів аналізу; нехай f₃₂ = f₄₃ =40. Тоді знадобиться f₄₁ =6,4*10⁴ варіантів аналізу — вирішень рівнянь математичної моделі об'єкта. Подібна задача може виявитися непосильною для сучасних ПЕОМ, якщо порядок системи рівнянь достатньо високий.

Наведений вище приклад свідчить про велику трудомісткість проектування і про необхідність пошуку шляхів скорочення цієї трудомісткості. Розробка способів скорочення витрат обчислювальних ресурсів на виконання проектних процедур — актуальна проблема автоматизованого проектування.

Один із шляхів вирішення цієї проблеми — застосування достатньо точних і складних математичних моделей і алгоритмів аналізу тільки на завершальних ітераціях синтезу.

На рис.1.3 представлена схема маршруту проектування надвеликих інтегральних схем (НВІС). Якщо НВІС призначена для багатьох застосувань, то формулювання ТЗ відноситься до зовнішнього проектування. Якщо НВІС спеціалізована, тобто використовується для побудови конкретної електронної системи, то ТЗ на НВІС виходить в результаті нисхідного проектування цієї системи. На етапі Е1 (рис.1.3) виконуються процедури верхнього ієрархічного рівня функціонального проектування НВІС — процедура синтезу логічної схеми, її аналізу з урахуванням передбачуваних затримок поширення сигналів в елементах. На етапі Е2 виробляється синтез принципових електричних схем фрагментів НВІС, які вважалися на етапі Е1 елементами. Синтез проводиться на основі перегляду декількох варіантів структури та орієнтовної оцінки цих варіантів. Паралельно з виконанням цих етапів виконують етап Е7 — проектування компонентів наноелектронних схем. Тут синтезується фізична і топологічна структура компонентів і вибирається технологія виготовлення НВІС. На етапі ЕЗ вихідними даними є, по-перше, варіанти структури принципових електричних схем, відібрані на етапі Е2, по-друге, характеристики і значення електричних параметрів частини компонентів, отримані на етапі Е7. Інша частина параметрів компонентів варіюється на етапі ЕЗ з метою їх оптимізації. Тут же перевіряється працездатність схем в умовах дії різних дестабілізуючих факторів. Етапи Е4-Е6 відносяться до конструкторського аспекту. На етапі Е4 синтезується топологія наносхеми, тобто конфігурація і взаємне розташування компонентів і пов'язуючих їх електричних з'єднань в напівпровідниковому кристалі. Відомості про раніше спроектовану топологію окремих компонентів надходять від етапу Е7. На етапі Е5 перевіряється відповідність топології вихідній принциповій електричній схемі і дотримання конструкторсько-технологічних проектних норм. На етапі Е6 проектуються фототошаблони, які містять в собі інформацію про топологію і будуть безпосередньо використовуватися в процесі виготовлення НВІС. Так як конструкторські рішення впливають на значення ряду електричних параметрів, то після виконання етапів Е4-Е6 потрібне уточнення результатів логічного та схемотехнічного проектування, тобто ітераційне повернення до етапів Е1 і ЕЗ.

Рис.1.3. Схема маршруту проектування НВІС

 

Режими проектування в САПР. За характером і ступенем участі людини і використанні ПЕОМ при виконанні деякого маршруту розрізняють декілька режимів проектування.

Автоматичний режим має місце при виконанні маршруту проектування за формальними алгоритмами на ПЕОМ без втручання людини в хід рішення.

Ручний (неавтоматизований) режим характеризується виконанням маршруту без допомоги ПЕОМ.

Автоматизоване проектування є частково автоматизованим, якщо частина проектних процедур в маршруті виконується людиною вручну, а частина — з використанням ПЕОМ. Такий режим зазвичай відображає невисоку ступінь автоматизації проектування.

Діалоговий (інтерактивний) режим є більш досконалим режимом, при ньому всі процедури в маршруті виконуються за допомогою ПЕОМ, а участь людини проявляється в оперативній оцінці результатів проектних процедур чи операцій, у виборі продовжень та коригуванні ходу проектування. Якщо ініціатором діалогу є людина, якій надано можливість в будь-який момент перервати автоматичні обчислення на ПЕОМ, то діалог називається активним. Якщо переривання обчислень відбуваються за командами виконуваної на ПЕОМ програми в певні, заздалегідь передбачені моменти, тобто проектувальник не може виступати як ініціатор діалогу, то такий діалог називають пасивним.