Информационное обеспечение топологической САПР на основе облачных технологий

Лячек Юлий Теодосович кандидат технических наук профессор, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет (ЛЭТИ) 197376, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5 Lyachek Yulii Teodosovich PhD in Technical Science Professor, Department of Computer Aided Design, Saint Petersburg State Electrotechnical University (LETI) 197376, Russia, Saint Petersburg, ul. Prof. Popova, 5 ytlyachek@mail.ru Другие публикации этого автора     Ларисов Александр Иванович кандидат технических наук доцент, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина) 197376, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5 Larisov Aleksandr Ivanovich PhD in Technical Science Associate Professor, Department of Computer Aided Design, Ulyanov (Lenin) Saint Petersburg State Electrotechnical University "LETI" 197376, Russia, Saint Petersburg, ul. Prof. Popova, 5 ailaristov@inbox.ru Другие публикации этого автора

Мусаид Абдулфаттах Мохаммед Обади аспирант, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет им. В.И. Ульянова (Ленина) “ЛЭТИ” 197376, Россия, г. Санкт-Петербург, пр. Испытателей, 10 Musaid Abdulfattakh Mokhammed Obadi graduate student, Department of Computer Aided Design, Ulyanov (Lenin) Saint Petersburg State Electrotechnical University "LETI" 197376, Russia, Saint Petersburg, pr. Ispytatelei, 10 mosaeed2006@mail.ru Другие публикации этого автора

Введение

В настоящее время на рынке IT-продуктов появляется все больше прикладных программных систем, ориентированных на использование облачных технологий ^[1]. Такой подход проявляется и в области систем автоматизированного проектирования (CAD) и систем управления жизненным циклом продукции (PLM). Так компания Autodesk запустила общедоступный облачный сервис PLM 360 и дополнила его другими облачными услугами, в том числе для инженерных расчетов, информационного моделирования зданий и др. Российская фирма АСКОН развернула общедоступный облачный PLM-сервис Dexma, позволяющий организовать виртуальное проектирование в команде разработчиков ^[2].

Тенденция переноса в облако проектирующих подсистем САПР наблюдается в случаях необходимости привлечения значительных вычислительных ресурсов и для сокращения количества дорогостоящих лицензий на программное обеспечение. Примером такого решения в области САПР РЭА может служить опыт использования “облачной” версии топологического трассировщика “Topological Router” (“TopoR”) компании “Эремекс”, развернутого на платформе средств виртуализации фирмы VMware. В качестве инструмента виртуализации при построении корпоративного облака САПР в этом случае был использован VMware ESX Server, который является встроенным гипервизором и работает непосредственно на аппаратной платформе серверов.

Для тестового развертывания корпоративного облака САПР была выбрана отечественная система топологической трассировки “Topological Router” (“TopoR”) компании “Эремекс” ^[3]. Данная система обладает рядом преимуществ по сравнению с трассировщиками печатных плат, работа которых основывается на традиционных ортогональных алгоритмах. Кроме того, эта система имеет бесплатную ознакомительную версию, которая и была использована в качестве базовой САПР.

Выбор этой системы основывался на анализе рынка электронных САПР, которые обеспечивают трассировку печатных плат. Сравнение этих программных продуктов осуществлялось на основе ряда основных критериев, которые подразделяются на субъективные и объективные. Первые определяются человеческими факторами (привычкой, консервативностью, традициями и сложившимися условиями работы на каждом предприятии, нехваткой времени, средств, нежеланием освоения нового и т.д.). К этой же сфере относятся и такие эксплуатационные критерии качества продукта, как удобство пользовательского интерфейса и минимизация требований к пользователю при редактировании топологии печатных плат. Здесь действуют и объективные, и субъективные факторы, которые трудно отделить друг от друга, но кто хотя бы раз работал с системой “TopoR” смог убедиться, что она достаточно проста для освоения и удобна в работе. Однако наилучшим образом преимущества этой системы над другими проявляются при сравнении по тем критериям, которые определяют конструктивные параметры топологии спроектированного изделия и непосредственно зависят от эффективности и качества используемых в системе процедур автоматического синтеза топологии.

К таким объективным критериям, прежде всего, можно отнести размер площади ПП, возможность использования автоматического размещения компонентов схемы на плате, количество нарушений технологических норм, процент неразведенных трасс, обеспечение минимизации числа переходных отверстий, суммарной длины проводников и времени разводки, возможность учета функциональной эквивалентности контактов микросхем. При оптимизации указанных параметров в САПР “TopoR” также соблюдаются ограничения, определяющие эксплуатационные характеристики изделия, связанные с обеспечением нормального теплового режима и электромагнитной совместимости.

Выбор этой системы определялся также тем, что системы, использующие традиционные алгоритмы, страдают рядом существенных недостатков, главными из которых являются:

- использование прямоугольной сетки, узлы которой определяются геометрическими параметрами самых маленьких элементов топологии и в которой каждый компонент, переходное отверстие или проводник представляется набором прямоугольных дискретов, что существенно увеличивает потребность в оперативной памяти и время поиска решения;

- ортогональность трассировки, определяемая прямоугольностью сетки коммутационного пространства и связанными с этим представлением используемыми алгоритмами разводки;

- жесткость трассировки, которая определяется общепринятой стратегией последовательной прокладки проводников с фиксацией уже проложенных соединений без учета положения последующих проводников, что препятствует нахождению положения последующих трасс и усложняет их топологию.

Усложнение современных электронных схем, работающих на малых токах (сигналах), использование в них микросхем повышенной интеграции с большим количеством внешних выводов (БИС), разнообразие геометрических размеров компонентов схем и увеличение плотности их размещения на печатных платах приводят к необходимости существенного уменьшения ширины прокладываемых трасс При этом еще более явно проявляются все недостатки традиционных алгоритмов.

Общей проблемой при использовании облачных технологий в САПР для различных платформ является необходимость хранения в облачной среде всей совокупности проектных данных и обеспечение коллективного доступа к ним на основе облачных сервисов. Для решения данной проблемы необходимо: выполнить анализ и систематизацию информационного обеспечения САПР (ИО САПР); определить состав и структуру локальных проектных данных, получаемых в рамках сеанса проектирования; выработать требования к реорганизации ИО САПР с учетом переноса проектных данных в “облако”; провести сравнительный анализ методов построения ИО облачных САПР и разработать архитектуру облачных сервисов для хранения проектных данных.

Структура проектных данных топологической САПР “TopoR”

Большинство современных радиоэлектронных САПР используют в процессе работы файловую организацию информационного обеспечения. При таком подходе в рамках сеанса проектирования образуется некоторая совокупность файлов различного назначения. Для перехода к организации ИО на основе технологии БД необходимо проанализировать назначение, содержание и внутренню структуру используемых файлов и сформировать требования к их хранению в составе АПР.

Система “TopoR” в настоящее время не является системой сквозного проектирования РЭА и ЭВА. Это только высокоэффективный трассировщик печатных плат (ПП) с редактором топологии. В нем нет ни редактора библиотек (элементов и корпусов), ни схемотехнического редактора, ни средств анализа и расчета электронных схем. В нем нельзя заменить корпус, добавить компонент, изменить или добавить новую цепь. В таких случаях приходится использовать САПР, в которой эта схема создавалась или могла быть создана. Однако трассировка ПП в TopoR может быть выполнена значительно более эффективно по сравнению с тем, как она осуществляется в любой другой существующей САПР. Поэтому входными данными для системы TopoR, выступают, как правило, либо описания плат, разведенных в другой системе, либо файлы .pcb с содержанием информации о посадочных элементах, которые должны быть размещены на печатной плате, со списком цепей между этими элементами и конструктивными данными этой платы.

В начале работы в системе TopoR необходимо открыть любой из имеющихся проектов или создать новый, задав в диалоговом окне Новый проект имя проекта и путь к файлу проекта. При этом система автоматически создает под этим именем каталог, а в нем одноимённый файл проекта с расширением .fsproj в этом каталоге.

Далее процесс проектирования радиоэлектронной схемы в топологической САПР TopoR состоит из последовательности проектных операций (ПрОп-i).

ПрОп1 – ввод (импорт) описания печатной платы электронной схемы устройства и ее графическое представление средствами топологической системы. Для этого в системе поддерживается импорт следующих форматов:

• Specctra (.dsn) Specctra/Electra;
• Expedition PCB (.hkp) Expedition 2005 – 2007;
• Eagle (.brd)
• TopoR PCB (.fst) открытый текстовый формат описания дизайнов печатных плат, разработанных в TopoRа.

• PCAD ASCII PCB (.pcb) PCAD 2000 – 2006;
• PADS ASCII PCB (.asc) PADS 3.5 – 2005.1;

При импорте файла (например, ADP_SPEC. pcb) исходного описания система при его анализе обеспечивает быструю проверку технологических нарушений (DRC) на всех слоях этой трассировки, фиксацию каждого нарушения и подсчет их общего количества на каждом слое и выводит в области выявленных нарушений соответствующие сообщения. Одновременно с импортированием файла редактор топологии осуществляет количественную оценку исходной трассировки – подсчет суммарной длины всех трасс печатной платы в принятых единицах измерения, количество установленных при исходной трассировке дополнительных переходных отверстий, общее количество технологических нарушений на плате в целом и выводит эти данные на экран в строке сообщений. Исходный файл, преобразованный во внутренний формат системы, автоматически сохраняется в проекте под исходным (ADP_SPEC.fsx) именем.

ПрОп2 – редактирование технологических параметров проектирования или, как говорят, дизайна печатной платы. Файл с измененными параметрами может быть сохранен в системе в формате .fst, который является открытым текстовым файлом описания дизайна TopoRа и формируется при экспорте файла в формате TopoRа.

ПрОп3 – автоматическое редактирование размещения компонентов схемы с удалением всей предыдущей разводки, выполненной в традиционной САПР, и предварительная, так называемая, совмещенная трассировка. В результате формируется промежуточный внутренний бинарный файл, который является входным для процедуры автоматической трассировка в стиле FreeStyle. На диске он может быть при желании сохранен под исходным или под заданным пользователем именем с расширением .fsx (например, ADP_SPEC_2.fsx). Процедура размещения не обязательна, но желательна, так как она может обеспечить существенное уменьшение дополнительных переходных отверстий и суммарной длины трасс.

ПрОп4 – автоматическая трассировка в стиле FreeStyle и формирование файлов многовариантного описания во внутреннем формате системы, часть или все из которых могут быть сохранены пользователем. На диске для этих файлов в папке проекта система автоматически образует подкаталог с именем, соответствующим проектируемой ПП с добавлением к нему даты его создания – год, месяц число). Файлы-результаты автоматической трассировки с расширением .fsb сохраняются в этом подкаталоге для последующего их анализа и оптимизации.

ПрОп5 – анализ и оптимизация выбранного из сохраненных на диске конкурирующих вариантов проектируемой схемы и его редактирование в стиле FreeStyle.

ПрОп6 – оценка результатов автоматического проектирования и переход к ручному редактированию топологиии выбранного варианта схемы. Результатом двух последних этапов являются файлы с расширением .fsx, сохраняемые в проекте в качестве его результата проектирования. Это внутренние бинарные файлы TopoRа для проектируемой ПП, описание которых может быть импортировано в виде файла в другую САПР с соответствующим ей расширением.

ПрОп7 – проверка соблюдения проектных норм (DRC) и при необходимости осуществление ручного редактирования топологии схемы. Вслучае, если нормы не соблюдены, описание всех обнаруженных системой нарушений могут быть выведены для детального изучения в текстовый файл .txt, который пользователь может сохранить на диске под любым именем для последующего анализа.

ПрОп8 – вывод файлов проекта в различные внешние форматы, используемые в дальнейших технологических операциях при производстве спроектируемых ПП. Здесь можно выделить файлы:

• xxx.grb – Gerber-формата (имя присваивается системой в зависимости от того что выводится);
• xxx.dxf – dxf-формат, соответствующий конструкторскому представлению платы, используемый для последующего формирования сборочных узлов;
• xxx.drl – dril-формат для станков сверления отверстий (имя задается пользователем в зависимости от выбранных элементов многослойной платы);
• xxx.bom – форматBOM (выводится в папку проекта с именем файла ПП) обеспечивает сохранение перечня элементов для последующего использования их в системе Компас при формировании конструктивного образа печатной платы;
• xxx.eco– форматECO (выводится в папку проекта с именем файла ПП). Этот файл

Рис. 1. Структура проекта системы TopoR

содержит информацию для других топологических систем о переназначении (изменении) связей между контактами компонентов при оптимизации трасс, которая осуществляется в системе TopoR за счет использования эквивалентных контактов у некоторых компонентов электронной схемы.

На рис. 1 приведено окно трассировщика TopoR с открытым проектом, который содержит описание топологий двух версий печатной платы – исходного описания в формате TopoR и перетрассированного в системе. Особенностью проекта является наличие нескольких вариантов автотрассировки, отличающихся качественными показателями успешности проведения проводников печатного монтажа.

Следует отметить, что в окне проекта программы отображаются не все файлы, используемые в процессе трассировки. Полный перечень файлов проекта храниться в каталоге с именем проекта и приведен на рис. 2. Файлы с вариантами автотрассировки храняться во внутреннем каталоге autotoroute_ADP_SPEC. Кроме того, в процессе работы системы в каталоге проекта образуются скрытые системные файлы. Для определенности в дальнейшем будем называть проектом полную совокупность файлов на жестком диске в каталоге проекта.

Рис. 2. Полное проектное решение

Таким образом, при выполнении проектных операций в системе используются и формируются различные типы файлов, которые могут сохраняться в каталоге проекта на диске. Возможна классификация файлов по следующим факторам:

• использование в проектных операциях;
• принадлежность к определенному проекту;
• необходимость долговременного хранения.

По признаку использования файлов в проектных операциях можно все файлы разделить на три категории:

• A – файлы исходных данных, используемые на стадии ввода и редактирования описания схемы;
• B – файлы результатов;
• C– динамические вспомогательные системные файлы, существующие только во время функ-ционирования САПР.

Для повторного использования проектных данных необходимо обеспечить хранение файлов категорий A и B. В случае вхождения в состав полного проектного решения файлов категории С их необходимо удалить перед процедурой сохранения проекта.

База данных проектов

Анализ проектных данных системы TopoR показал, что основой каждого конструкторского узла (печатной платы) в системе является проект. Проект представляет собой набор согласованных файлов, содержащих исходные и выходные данные для разработки одной печатной платы. Таким образом, для организации повторного сеанса проектирования или использования полученных результатов в последующих разработках необходимо сохранять на внешнем носителе файлы проекта. При использовании облачных технологий целесообразно хранить проекты всех пользователей на специально выделенном виртуальном компьютере в единой базе данных проектов (БДПР). Система управления БДПР должна обеспечивать выполнение следующих функций:

• обеспечение коллективной работы пользователей над общим проектом, выполняемым в САПР;
• наличие оперативного доступа из среды САПР к централизованным библиотекам компонентов;
• возможность сохранения в облаке текущих проектных данных, полученных на рабочей станции, и последующее их использование в рамках следующего сеанса проектирования;
• использование в проекте единых нормативных и справочных баз для всех пользователей САПР, работающих над проектом;
• обеспечение формирования единого архива проектов, доступного для всех пользователей САПР;
• протоколирование сеансов доступа пользователей САПР к базам данных и изменений, вносимых в проектные данные.

Для построения в облаке БДПР предлагается использовать комбинированный подход хранения данных, который предполагает: непосредственное хранение проектных файлов в специальном хранилище; хранение реквизитов файлов, характеризующих их принадлежность определенному проекту, иерархическую вложенность, историю изменений и т.д. в таблицах реляционной базы данных. Данный подход широко применяется в системах электронного документооборота ^[4]. Каждый документ (файл) в подобных системах имеет набор однозначно характеризующих его реквизитов (часто этот набор называют карточкой документа). Карточка может включать тип документа (например, принципиальная схема), имя автора, даты формирования и изменения документа, отдел, в котором должен храниться документ и многое другое. Хранение и поиск проектных документов осуществляется также в соответствии с реквизитами, указанными в карточке. Для хранения файлов данных САПР необходимо добавить в базу данных соответствующие карточки. Определить состав реквизитов и связи между отдельными файлами проектов можно на основе построения семантической модели данных БДПР.

Семантическая модель данных БДПР

Процесс создания информационного обеспечения САПР на основе технологий баз данных включает этап разработки структурной модели предметной области (семантической модели данных). Этот этап предполагает выявление перечня физических объектов, их свойств и установление логических связей между ними. В процессе разработки БДПР для построения семантической модели будем использовать – модель «Сущность-Связь» (ER-диаграмму). Основными понятиями модели являются категории: сущность, связьи атрибут. К объектам рассматриваемой предметной области относятся: проекты (Projects), файлы проектов (Files), пользователи БДПР (Users), права пользователей (Rights), сеансы доступа (Sessions). Наличие сущностей Usersи Rights необходимо для обеспечения коллективного использования БДПР. Сущность Sessions позволяет фиксировать в базе данных историю сеансов доступа к проектным данным. Сущности и связи между ними для всех рассмотренных объектов приведены на полной обобщенной ER-диаграмме, изображенной на рисунке 3.

Основным типом связей между сущностями является связь «один ко многим». Набор

Рис. 3. Модель «сущность-связь» для БДПР

атрибутов для каждой сущности уточняется на этапе построения датологической модели данных в среде используемой СУБД.

Сервис доступа к БДПР

В качестве среды для реализации БДПР (DB_Project) была выбрана универсальная СУБД Microsoft SQL 2012. Для развертывания СУБД использовалась виртуальная машина ОС Windows Server 2012 R2, установленная на VMware ESX Server, который является встроенным гипервизором и работает непосредственно на платформе серверов, не требуя дополнительной операционной системы. Для администрирования и обеспечения доступа к БДПР было разработано управляющее приложение DB_Project_ Manager в среде MS Visual Studio на языке C#. На клиентских машинах доступ к БДПР обеспечивался с помощью VMware vSphere Client 5.5 ^[5].

Заключение

Тестирование информационного обеспечения облачной версии САПР “TopoR” показало возможности организации коллективной работы над проектами в рамках корпоративного облака на основе технологий баз данных. Перспективным направлением внедрения облачных технологий в топологические САПР является использование решений на основе платформы виртуализации Hyper-V фирмы Microsoft. В этом случае предприятие получает инструменты комплексного подхода Microsoft в области облачных технологий.