3.1. Математическое обеспечение

Математическое обеспечение включает в себя теорию, методы, способы и алгоритмы для организации вычислений в САПР (рис. 3.).

рис 3. Структура математического обеспечения

Существуют следующие основные классификации алгоритмов:

а) Алгоритмы решения общих задач вычислительной математики:

решение неявных уравнений

F(x) = 0,

линейных уравнений

Ах = Δ,

обыкновенных ДУ

,

уравнений в частных производных

.

Из-за частого употребления решение оформляется в виде стандартных программ.

б) Алгоритмы поиска и упорядочения информации:

алгоритмы поиска нужного элемента или группы элементов – перебором, делением на части, по дереву признаков;

алгоритмы редактирования информации (алгоритмы перекодировки, перекомпоновки и коррекции);

алгоритмы сортировки информации, т.е. разделение информации на группы по какому-либо признаку.

Эти алгоритмы имеет смысл использовать только при составлении программ многоразового использования.

в) Алгоритмы проблемной ориентации:

решение группы задач, связанных с научной тематикой (построение гистограмм, аппроксимация полученных гистограмм теоретическими законами, вычисление статистических параметров характеристик).

г) Алгоритмы предметной ориентации:

формирование и расчет математических моделей объектов определенного типа (усилителей, переключателей и т.д.). Это основная группа в САПР.
д) Алгоритмы решения системных задач ЭВМ:

отвечают за организацию работы операционной системы и управление прикладными программами.

В качестве основных требований к алгоритмам выделяют следующие:

высокая алгоритмическая надежность, т.е. гарантированность получения правильных результатов при любых значениях исходных данных;

возможность формализации – исключения алгоритмов, требующих хорошего знания программирования;

малые вычислительные затраты, т.е. выгодное соотношение память/время;

разумное соотношение точность/время;

алгоритмическая совместимость – согласованность данной программы с другими.

3.2. Лингвистическое обеспечение

рис.4 Структура лингвистического обеспечения

Языки, используемые в САПР (рис.4), можно разбить на две основные группы:

языки программирования и языки проектирования.

Языки программирования предназначены для написания текстов программ.

При этом процедурно-ориентированные языки (Фортран, ПЛ1, Паскаль, АДА, Си) предназначены для широкого класса задач.

Машинно-ориентированные языки (Ассемблер) позволяют создавать программы, наиболее эффективные в смысле использования ресурсов памяти, времени счета и т.д.

Выбор языка определяется поставленной задачей, например, требуется разработать программу в предельно короткие сроки; программу, которая была бы наиболее эффективной с точки зрения вычислительных затрат (затрат времени, памяти) или программу, максимально мобильную, т.е. пригодную для работы на любом компьютере.

Таким образом, при выборе языка необходимо учитывать, каким требованиям должна удовлетворять программа.

Основные соображения при выборе языка, которых нужно придерживаться, следующие.

Если главное – скорость написания, то программу следует писать на языках высокого уровня – процедурно – или проблемно-ориентированных.

Если основным требованием является эффективность программы, то используется язык низкого уровня - Ассемблер.

Машинно-ориентированные языки используют также в случае, если основным требованием выступает мобильность.

При написании сложных программ возможен компромисс.

Перечисленные выше языки программирования не пригодны для описания объектов и задач проектирования, т.к. в них отсутствует такие понятия, как "тип объекта", "связи объекта", "параметры объекта", нет описания типовых процедур проектирования.

Для этого созданы предметно-ориентированные языки. Они называются входными языками или просто языками проектирования.

Языки проектирования можно разделить на три группы:

описательные, или структурного типа;

моделирующие, или процедурного типа;

диалоговые, или директивного типа.

Язык описания (структурный язык) состоит из трех частей:

описания объекта;

описания задачи;

описания элементов.

Каждая из частей, в свою очередь, имеет следующую структуру:

тип элемента,

тип модели элемента,

параметры модели элемента,

топологические связи элемента.

Например, описание транзистора включает в себя тип транзистора, тип его модели в программе, параметры этой модели и топологические связи.

Способ описания топологических связей зависит от типа элемента – направленного (рис. 4. а) или ненаправленного (рис. 4. б).

Так резистор представляет собой пример ненаправленного элемента и порядок указания узлов для него не важен.

Логический элемент наоборот является направленным элементом, поэтому порядок перечисления его выводов имеет значение.

Таблицы для ненаправленных элементов

Таблица 1.

Элемент-узел

N элемента

NNузлов

1

1, 2

2

2, 3

3

2, 4

4

3, 4

Таблица 2.

Узел-элемент

N узла

NN элементов

1

1, 2

2

2, 3

3

2, 4

4

3, 4

Таблицы для направленных элементов

Таблица 1.

Элемент-узел

N элемента

NN вх. узлов

NN вых. узлов

1

1

2

2

2, 5

3

3

4

5

4

1, 3

4

Таблица 2.

Узел-элемент

N узла

NN элементов,

подкл. к узлу по входу

NN элементов,

подкл. к узлу по выходу

1

1, 4

2

2

1

3

4

2

4

3

4

5

2

3

Описание задачи обычно включает в себя следующую информацию:

описание рассчитываемых параметров (выходных) – тип параметра, уровни отсчета, условия расчета;

описание условий анализа параметров – тип варьируемых внутренних параметров, шаг и диапазон изменения;

описание условий оптимизации параметров – сведения о варьируемых параметрах, выходных оптимизируемых параметрах, ограничениях, критериях оптимизации;

описание алгоритмов расчета, анализа и оптимизации – типы алгоритмов и параметры, определяющие их скорость, точность и надежность;

описание задания на вывод результатов – форма представления результатов (таблица, график, чертеж), параметры выходного документа (шаг печати, масштаб, диапазон).

Язык описания директив на проектирование состоит из перечисления режимов, в которых последовательно должна работать САПР.

Языки моделирования (процедурные языки) описывают не только структуру и параметры объекта проектирования, но и алгоритм, процедуру его функционирования (например, алгоритм передачи сигнала от блока к блоку).

Часто язык моделирования совмещен со стандартным языком программирования, в который добавлены дополнительные конструкции. Такой язык моделирования называется расширенным языком программирования.

Если язык моделирования основан на самостоятельных конструкциях, то он называется автономным.

Как правило, языки моделирования применяются на верхних уровнях проектирования – структурном и функциональном, когда алгоритмы моделирования еще просты и доступны разработчику РЭА, не имеющему высокой квалификации в алгоритмизации и программировании.

Таким образом, пользователь составляет математическую модель схемы ни с помощью математических выражений, а пользуясь специальным языком моделирования.

Языки диалога предназначены для организации взаимодействия пользователя и САПР в процессе проектирования.

Различают три типа диалоговых языка:

с инициативой у пользователя;

с инициативой у ЭВМ;

комбинированный.

В первом случае вопросы и указания задает пользователь, а ЭВМ отвечает на вопросы и реализует указания; во втором случае, соответственно, наоборот.

В третьем случае пользователь и ЭВМ могут меняться местами в процессе работы.

Основными элементами языка является следующее:

подсказка ЭВМ пользователю;

директивы пользователя ЭВМ;

меню, предоставляющее ЭВМ, а чаще пользователю возможность выбора;

анкета (бланк).

Использование диалоговых языков существенно упрощает основные методики автоматизированного проектирования, ускоряет процесс ввода и корректировки данных, позволяет оперативно изменять ход проектирования в зависимости от текущих результатов.