АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ЦВМ — использование автоматических средств в процессе проектирования цифровой вычислительной машины. А. п. ЦВМ призвана облегчить проектирование прежде всего в той его части, которая касается выполнения наиболее трудоемкой для проектировщика работы, предоставлять в распоряжение его средства для быстрой реализации принятых им решений, формализованные средства общения с другими проектировщиками, эффективные средства для совершенствования процесса проектирования и соответственно проекта. Развитие вычислительной техники и разработка новых машин делает задачу А. п. ЦВМ особенно важной и актуальной. Особый интерес представляет использование для А. п. ЦВМ универсальных вычислительных машин. В этом случае А. п. ЦВМ выглядит как создание и использование спец. матем. и тех. обеспечения универсальных вычисл. машин, ориентированного на решение задач проектирования ЦВМ.
История развития А. п. ЦВМ прошла три стадии. На первой стадии разрабатывались конкретные автомат, устр-ва, рассчитанные на выполнение некоторого конкретного действия в процессе проектирования ЦВМ; на следующей стадии разрабатывались программы для универсальных ЦВМ, которые реализовали тот или иной алгоритм решения сравнительно небольшой задачи, возникающей в процессе проектирования; третья стадия характерна разработкой систем программ. В настоящее время при А. п. ЦВМ используют комплексный подход, состоящий в разработке системы тех. и матем. средств.
А. п. ЦВМ предполагает наличие методики проектирования, отражающей процесс проектирования ЦВМ. Методика проектирования ЦВМ представляет собой совокупность моделей, алгоритмов и др. матем. средств, в терминах которых можно осуществлять решение задач проектирования. Процесс проектирования ЦВМ состоит из системного, алгоритмического, логического, технического и технологического проектирования. На этапе системного проектирования ЦВМ осуществляется проектирование архитектуры вычисл. машины и разработка ее общей блок-схемы. Алгоритмическое проектирование предполагает разработку алгоритмов функционирования таких блоков машины, как центральный процессор, выбор системы команд машины, а также разработку алгоритмов реализации выбранной системы команд и т. д. (см. Алгоритмический синтез ЦВМ). Логическое проектирование предусматривает получение логической структуры устройств вычисл. машины применительно к выбранной элементной базе (см. Блочный синтез ЦВМ, Элементный синтез ЦВМ). На этапе технического проектирования осуществляется разработка конструкции вычисл. машины. Смысл технологического этапа состоит в разработке технологической оснастки и документации для изготовителей. Разделение процесса проектирования на этапы является в значительной степени условным и зависит от состояния развития теории и практики проектирования ЦВМ.
Поскольку история разработок ЦВМ сравнительно невелика, теории проектирования ЦВМ в строгом смысле не существует. Опыт проектирования конкретных ЦВМ позволил выделить из процесса проектирования лишь некоторую совокупность задач проектирования. Строгая постановка задач проектирования возможна лишь при наличии средств для точного описания проектируемой ЦВМ. Таким средством служит язык описания устройств ЦВМ. В основе всякого описания ЦВМ лежит описание ее структуры (схемы), которое позволяет судить о составе компонент, из которых она состоит, и связях между ними.
Кроме того, должен быть описан процесс функционирования этой структуры.
В процессе проектирования выполняется ряд описаний проектируемой ЦВМ. Они отличаются степенью детализации и подробности. Напр., на системном этапе проектирования традиционной ЦВМ описывают блок-схему машины, представляющую собой структуру из устр-ва управления, операционного устр-ва, входных и выходных устр-в, запоминающего устр-ва и т. п.; на тех. этапе проектирования описывают структуру, состоящую из конструктивных блоков, напр., плат и таблицы межплатных соединений; на логическом этапе описывают структуру, представляющую собой сеть из логических элементов ЦВМ и т. п. Полное описание проекта представляет собой иерархию структурных описаний с известными алгоритмами функционирования компонент.
В зависимости от характера результата проектирования ЦВМ и используемой информации о проекте задачи проектирования можно разделить на задачи синтеза, анализа, оптимизации и оценки. Задачи синтеза состоят, как правило, в построении структур последующего иерархического уровня. Задачи анализа предполагают определение различных качественных характеристик проекта ЦВМ. Оптимизационные задачи состоят в преобразовании имеющихся описаний проекта в соответствии с заданными критериями с целью изменения характеристик. Наконец, задачи оценок состоят в прогнозировании значений характеристик будущих структурных описаний, т. е. схем машины.
Техника решения задач проектирования зависит от цели проектирования и используемого матем. аппарата. Напр., на этапе логич. проектирования ЦВМ задачами синтеза являются задача синтеза автоматов структурного, задача синтеза комбинационной схемы, задача блочного синтеза ЦВМ и др.; задачами анализа являются задача проверки правильности функционирования автомата, задача анализа комбинационной схемы, задача синхронизации работы автоматов композиции и т. п.; задачами оптимизации являются задача минимизации числа регистров операционного устр-ва, задачи оптимизации числа уровней микропрограммного управления ЦВМ, задача минимизации затрат аппаратуры и пр.
С точки зрения задач проектирования системный и алгоритмический этапы проектирования характеризуются, прежде всего, задачами анализа. При этом объектом анализа является архитектура ЦВМ. Одним из распространенных средств решения задач этого этапа является техника моделирования, основанная на представлении общей блок-схемы ЦВМ в виде модели массового обслуживания системы. Системный и алгоритмический этапы проектирования наименее формализованы. На логич. этапе проектирования встречаются все указанные типы задач. Методы решения задач основываются на результатах совр. алгебры, автоматов теории, алгоритмов теории, логики математической и пр. Задачи тех. и технологического этапов, наиболее нуждающиеся в автоматизации, не представляют принципиальных трудностей. Однако, постановка их на вычисл. машине оказалась очень трудной, поскольку потребовала сложной системы обслуживания.
Использование в качестве осн. средства А. п. универсальных вычисл. машин требует решения таких задач, как разработка алгоритмов и программ решения задач проектирования, а также разработка организации, хранения, перемещения информационных массивов о проектируемой ЦВМ и других дополнительных данных, необходимых в процессе проектирования. При этом предполагается разработка спец. техники следующего назначения: для обслуживания внесения изменений в проект; обслуживания проектирования в диалога режиме ряда проектировщиков; обслуживания периферийных автом. устройств, используемых в процессе проектирования и изготовления схем ЦВМ; программирования задач проектирования и обслуживания процесса проектирования.
Имеется целый ряд экспериментальных систем А. п. ЦВМ. Как правило, они не являются универсальными. Их назначение ограничивается кругом решаемых задач проектирования. В качестве примера рассмотрим следующие системы А. п. ЦВМ: систему, обслуживающую проектирование «1ВМ-360»; систему «ПРОЕКТ»; систему А. п. ЦВМ, основанную на использовании языка Л ЯП АС. Система А. п. ЦВМ, обслуживающая проектирование «1ВМ-360», состоит из совокупности алгоритмов и программ на «1ВМ-7090», предназначенных для решения задач тех. и технологического проектирования. Эта система характерна тем, что она имеет стыковку универсальной вычисл. машины, на которую разработана, со спец. стендами и устр-вами, позволяющими автоматически решать некоторые задачи типа проверки правильности и надежности схем. Программы этой системы делятся на моделирующие и конструирующие. Моделирующие программы позволяют получить результаты моделирования схемы порядка 2—4 тыс. логич. элементов в течение 10—12 синхронизирующих тактов менее чем за 30 мин. К конструирующим программам относятся, напр., такие программы, как распределение логических элементов по ячейкам и панелям; размещение ячеек на панели; размещение кабеля, соединяющего панели; проектирование печатного монтажа на панели. Система «ПРОЕКТ», разработанная в Институте кибернетики АН УССР, представляет собой совокупность средств спец. матем. обеспечения на ЭВМ «М-220», предназначенных для решения задач алгоритмического, логич., тех. проектирования центрального процессора ЦВМ. Эта система характеризуется гибким набором средств для реализации произвольной методики проектирования. Решение задач проектирования осуществляется в терминах директив проектирования. Набор директив проектирования достаточно богат. Напр., основными
директивами, используемыми на логич. этапе проектирования, являются следующие: выделение функционального, управляющего и операционного блоков, блочный синтез устр-ва, синтез управляющего и функционального блоков и т. д. Кроме собственно директив проектирования, в системе имеется большой набор удобных для пользователей директив обслуживания памяти распределения, диалога, ввода и вывода данных и т. п. Система A. п. ЦВМ, основанная на использовании языка программирования ЛЯПАС, состоит из библиотеки стандартных подпрограмм, в которых реализованы алгоритмы синтеза дискретных автоматов, разработанные в современной теории автоматов.
Бурное развитие ЦВМ, использование больших интегральных схем (БИСов), усложнение логической структуры и схемная реализация частей математического обеспечения ЦВМ ведут к усилению значения и к усложнению средств А. п. ЦВМ. Разрабатывается методика проектирования ЦВМ совместно с ее матем. обеспечением и комплексы тех. и матем. обеспечения ее реализации.
Лит.: Глушков В. М., Капитонова Ю. B., Летичевский А. А. Об автоматизации проектирования вычислительных машин. «Кибернетика», 1967, № 5; Применение вычислительных машин для проектирования цифровых устройств. М., 1968 [библиогр. с. 252—254]; Глушков В. М., Капитонова Ю. В., Летичевский А. А. Математическое обеспечение автоматизированной системы проектирования вычислительных машин и систем (ПРОЕКТ). «Кибернетика», 1970, № 4; Глушков В. М., Капитонова Ю. В., Летичевский А. А. О языках описания данных в автоматизированной системе проектирования вычислительных машин (ПРОЕКТ). «Кибернетика», 1970, № 6; Глушков В. М., Капитонова Ю. В., Летичевский А. А. О методике проектирования вычислительных машин в системе ПРОЕКТ. «Кибернетика», 1971, № 2: 3акревский А. Д. Алгоритмы синтеза дискретных автоматов. М., 1971 [библиогр. с. 502—504]; Кейс П. [и др.]. Автоматизация проектирования вычислительных систем с использованием логических схем на твердом теле. В кн.: Кибернетический сборник. Новая серия, в. 1. М., 1965. В. М. Глушков, Ю. В. Капитонова,
А. А. Летичевский.
