Повышение эффективности программного обеспечения САПР на основе технологии разреженных матриц тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.12, кандидат технических наук Найрат Самер

• Найрат Самер
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Найрат Самер

Введение.

Глава 1. Методы повышения эффективности программного обеспечения систем автоматизации схемотехнического проектирования

1.1. Математическое описание систем.

1.2. Методы компактного представления разреженных матриц и их сравнительная оценка.

1.3. Обобщенная блок-схема алгоритма реализации строчно-столбцового фиксированного формата.

Глава 2. Символьный этап метода строчно-столбцового фиксированного формата

2.1. Символьный этап формирования частных матриц типовых компонентов.

2.2. Символьный этап Ш-факторизации и оптимального упорядочивания.

2.3. Формирование координатного описания.

Глава 3. Численный этап компактной обработки разреженных матриц

3.1. Численный этап формирования компактного описания в строчно-столбцовом фиксированном формате.

3.2. Численный этап компактной формы Ш-факторизации.

3.3. Численный этап расчета переменных с учетом преобразования базиса.

Глава 4. Реализации методов компактной обработки на основе строчно-столбцового фиксированного формата.

4.1. Компактные методы моделирования линейных систем в частотной области

4.1.1. Общие принципы моделирования систем в частотной области.

4.1.2. Формирование компактной формы математического описания систем на основе комплексных частных матриц.

4.1.3. Моделирование систем в частотной области на основе частотно-независимых вещественных матриц.

4.2. Расчет стационарного режима нелинейных систем на основе компактной обработки разреженных матриц.

4.2.1. Математическое описание нелинейных систем.

4.2.2. Схемотехническая интерпретация методов решения уравнений нелинейных систем.

4.2.3. Моделирование стационарного режима на основе компактной обработки разреженных матриц.

4.3. Компактные методы моделирования систем во временной области

4.3.1. Математическое описание систем во временной области.

4.3.2. Дискретные модели компонентов.

4.3.3. Алгоритм и блок-схема моделирования во временной области на основе дискретных моделей компонентов.

4.4. Моделирование систем на основе методов диакоптики.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности программного обеспечения САПР на основе технологии разреженных матриц»

Непрерывное усложнение проектируемых объектов выдвигает задачу дальнейшего совершенствования систем автоматизированного проектирования, производительность которых должна соответствовать характеру современных условий проектирования. Это относится к проектируемым объектам различного класса и назначения и, в первую очередь, к изделиям электронной техники, сложность которых по имеющимся оценкам увеличивается ежегодно примерно в полтора-два раза.

К настоящему времени проведены многочисленные исследования в области математического описания и алгоритмического обеспечения систем автоматизированного проектирования объектов различной физической природы. На основе этих исследований разработано значительное число САПР, реализующих те или иные задачи проектирования. Однако, практическое использование существующих систем при решении задач большой размерности часто оказывается недостаточно эффективным в связи со значительными затратами вычислительных ресурсов и большим временем, которое занимает процесс решения таких задач. Адаптация существующих систем к новым задачам повышенной размерности оказывается, к сожалению, практически невозможной вследствие отсутствия соответствующей документации, содержащие исходные коды программного обеспечения. Поэтому весьма актуальной является задача дальнейшего совершенствования и создания новых высокопроизводительных САПР, в основу которых положены более эффективные алгоритмы и методы построения программного обеспечения. К таким методам относятся, прежде всего, методы, основанные на компактной обработке разреженных матриц, входящих в математическое описание моделируемых объектов.

Несмотря на то, что основные идеи такого подхода были высказаны в 60-70 годах прошлого столетия, в существующих промышленных системах эти методы в полной мере не реализованы. Это объясняется различными причинами, и в первую очередь, большой трудоемкостью переработки существующих универсальных САПР. Такая ситуация имеет место для прикладных задач проектирования систем в частотной области, моделирования стационарного режима нелинейных систем, проектирования систем во временной области, и в других приложениях, практически во всех предметных областях.

Переход на компактную форму хранения и обработки информации решения указанных задач позволяет создать высокоэффективные системы автоматизированного проектирования, как универсального, так и узко специализированного назначения.

Целью диссертационной работы является исследование вопросов повышения эффективности программного обеспечения САПР при решении задач, связанных с обработкой разреженных матриц. Для достижения указанной цели в диссертационной работе решаются следующие основные задачи.

1. Проведение сравнительного анализа возможных методов повышения эффективности программного обеспечение САПР на основе компактной обработки разреженных матриц.

2. Создание общей методики символьного и численного этапов компактной обработки разреженных матриц на основе строчно-столбцового фиксированного формата.

3. Разработка и реализация методов построения программного обеспечения систем в строчно-столбцовом фиксированном формате для решения прикладных задач моделирования линейных систем в частотной области, расчета стационарного режима нелинейных систем, моделирования линейных и нелинейных систем во временной области.

Для решения поставленных задач в диссертационной работе используется методы математического моделирования нелинейных систем, численные методы анализа, аппарат вычислительной математики и теории построения САПР.

Научная новизна полученных в диссертационной работе результатов заключается в следующем:

1. Разработана методика двухэтапного моделирования на основе структурного портрета системы и компактной формы представления численных матриц в строчно-столбцовом фиксированном формате.

2. Реализованы задачи виртуальной Ш-факторизации на основе компактного представления разреженных матриц в строчно-столбцовом фиксированном формате.

3. Разработана методика построения программного обеспечения для расчета систем в частотной области на основе компактного представления математического описания в строчно-столбцовом фиксированном формате.

4. Предложена структурная схема расчета стационарного режима систем на основе компактного представления разреженных матриц в строчно-столбцовом фиксированном формате.

5. Разработана структурная схема моделирования систем во временной области на основе компактной обработки разреженных матриц.

Значение результатов диссертационной работы для практического применения заключается в следующем:

1. Разработана общая методика построения компактного численного описания систем на основе отображения в одномерные массивы диагональной, поддиагональной, наддиагональной частей полной матрицы.

2. Разработана библиотека функций для обработки структурного портрета схемы и построения координатного описания на символьном этапе обработки разреженных матриц.

3. Разработана и реализована методика построения систем автоматизации проектирования на основе компактного представления разреженных матриц в строчно-столбцовом фиксированном формате.

Разработанные в ходе исследования методы двухэтапного моделирования больших систем реализованы в виде библиотек функций, которые могут быть использованы при создании систем автоматизированного проектирования на основе компактной обработки разреженных матриц.

Разработанные при выполнении работы методы были использованы в учебном процессе кафедры САПР СПбГЭТУ при создании программного обеспечения для автоматизированного проектирования систем в частотной области, расчета стационарного режима нелинейных систем, моделирования систем во временной области.

Основные теоретические результаты диссертационной работы докладывались на конференциях:

1. Международная конференция по мягким вычислениям и измерениям, 8СМ'2005. Санкт - Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ».

2. Международная конференция "Современные технологии обучения: международный опыт и российские традиции", Санкт-Петербург, 2005 .

3. Конференция профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет 2005г.

4. Конференция профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ, Санкт-Петербургский Государственный электротехнический университет 2006г.

По теме диссертации опубликованы три печатных работы, из них одна статья и тезисы к двум докладам на международных научно-технических конференциях.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 72 наименования. Основная часть диссертации изложена на 108 страницах машинописного текста. Работа содержит 21 рисунок и 1 таблицу.

Заключение диссертации по теме «Системы автоматизации проектирования (по отраслям)», Найрат Самер

Основные результаты диссертационной работы сводится к следующим

1. Разработана методика построения структурного портрета и реализованы функции формирования координатного описания для компактного представления математического описания систем в строчно-столбцовом фиксированном формате.

2. Разработана общая методика численного этапа формирования компактного описания частных матриц для многополюсных компонентов моделируемой системы.

3. На основе установленных закономерностей полного и компактного описания, решена задача виртуальной Ш-факторизации компактных массивов, отображающих полное математическое описание моделируемой системы.

4. Предложен новый алгоритм обратного хода решения уравнений, позволяющий организовать эффективную компактную обработку матриц в строчно-столбцовом фиксированном формате.

5. Предложена и программно реализована методика компактной обработки разреженных матриц при моделировании систем в частотной области.

6. Предложена и реализована структурная схема и методика расчета стационарного режима систем на основе компактного представления разреженных матриц в строчно-столбцовом фиксированном формате.

7. Разработана методика моделирования систем во временной области, основанная на использовании дискретизации компонентов и компактной обработки разреженных матриц в строчно-столбцовом фиксированном формате.

114

Заключение

В результате выполнения диссертационной работы проведено исследование вопросов повышения эффективности программного обеспечения САПР для решения задач, связанных с обработкой разреженных матриц.

При этом выполнен сравнительный анализ возможных методов повышения эффективности программного обеспечения. Построена общая методика символьного и численного этапов компактного обработки разреженных матриц на основе метода строчно-столбцового фиксированного формата. Разработана и реализована методика построения программного обеспечения систем в строчно-столбцовом фиксированном формате для решения прикладных задач моделирования линейных систем в частотной области, расчета стационарного режима нелинейных систем, моделирования линейных и нелинейных систем во временной области.

Разработанная в ходе исследование методика двухэтапного моделирования систем реализована в виде библиотек функций, которые могут быть использованы для создания систем автоматизированного проектирования на основе компактной обработки разреженных матриц.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Найрат Самер, 2006 год

1. Анисимов В.И. Топологический расчет электронных схем. М.:Энергия, 1977.

2. Анисимов В.И. Обобщенные уравнения электронных схем. М.: Радиотехника и электроника, 1967.

3. Анисимов В. И., Дмитревич Г. Д., Ежов С. Н., под ред. В. И. Анисимова. Автоматизация схемотехнического проектирования на мини-ЭВМ. JL: Изд-во Ленингр. Ун-та, 1983. -199с.

4. Анисимов В. И., Дмитревич Г. Д., Никитин А. В. Иерархические методы моделирования сложных объектов САПР.

5. Анисимов В. И., Скобельцын К.Б., Никитин А. В. Комплекс диалоговых пакетов моделирования аналоговых и цифровых электронных схем на IBM/PC. -. Автоматизированное проектирование в радиоэлектронике и приборостроении. ЛЭТИ, 1991.

6. Анисимов В. И., Дмитревич Г.Д., Скобельцын К.Б. Диалоговые системы схемотехнического проектирования. М.: Радио и связь, 1988.

7. Анисимов В.И., Никитин А.В, Скобельцын К.Б. Программное обеспечение САПР для сетей ЭВМ. СПб.: ЛЭТИ, 1988.

8. Арайс Е., Дмитриев В. М. Моделирование неоднородных цепей и систем на ЭВМ. М.: Радио и Связь, 1982. - 157с.

9. Арайс Е., Арайс Л. Автоматизация расчета сложных технических устройств. М.: Рига, 1987.- 79с.

10. Баталов Б. В., Егоров Ю. Б., Русаков С.Г. Основы математического моделирования больших интегральных схем на ЭВМ. М.: Радио и связь, 1982.-168 с.

11. Вавилов А. А., Имаев Д. X., Плескунин В. И., Фомин Б. Ф. Имитационное моделирование производственных систем. Киев: Техника, 1983. - 415с.

12. М.Влах И., Сингхал К. Машинные методы анализа и проектирования электронных схем. М.: Радио и связь, 1988. -560 с.

13. Глориозова E.JL, Ссорин В.Г., Сыпгук П.П. Введение в автоматизацию схемотехнического проектирования. М.: Советское радио, 1976.

14. Гарнаев А. Ю. Самоучитель Visual Studio.Net 2003. СПб.: БХВ -Петербург, 2003. - 688с.

15. Гамма Э., Хелм Р. Приемы объектно-ориентированного проектирования. — СПб.: Питер, 2001.

16. Грегори К. Использование Visual С++ 6. Специальное издание. СПб.: Вильяме, 1999.

17. Джордж А., Лю Дж. Численное решение больших разреженных систем уравнений. -М.:Мир, 1984.

18. Райс Дж. Матричные вычисления и математическое обеспечение. М.: Мир, 1984.-264с.

19. Джеймс О., Венер Р. Итерационные методы решения нелинейных систем уравнений. М.: Мир, 1975.

20. Ильин В.Н. Основы автоматизации схемотехнического проектирования. -М.: Энергия, 1979.

21. Икрамов X. Д. Численное решение матричных уравнений. М.: Наука. -190с.

22. Ильинский Н. Ф., Цацеинкин В. К. Приложение теории графов к задачам электромеханики. М.: Энергия, 1968. - 199с.

23. Касаткин А.И. Профессиональное программирование на языке С.

24. Калиткин Н. Н. Численные методы. М.: Наука, 1978. - 512с.

25. Кнут Д. Искусство программирования для ЭВМ. — М.: Мир, 1976.

26. Кознов Д. В. Проблемы разработки компонентного программного

27. Кузьмин П. К., Манигев В. Б. Автоматизация функционального проектирования. М.: Высшая школа, 1986.

28. Керниган Б., Ритчи Д. Язык программирования С. — М.: Финансы и статистика, 1992.

29. Кениг Г., Блекуэлл В. Теория электромеханических систем. М.: Энергия, 1965.

30. Лейнекер Р. Энциклопедия Visual С++. СПб.: Питер, 1999. -1152с.

31. Марк J1. Visual С++6. М.: Лаборатория базовых знаний, 1999. - 720с.

32. Мешков А., Тихомиров Ю. Visual С++ и MFC. Программирование для Window NT и Window 95. СПб.:ВНУ-Санкт-Петербург. - 415с.

33. Майкл Дж. Visual С++6 полное руководство. Киев: BHV, 1999. - 543с.

34. Норенков И. П. Введение в автоматизированное проектирование технических устройств и систем. М.: Высшая школа, 1986. -302с.

35. Норенков И.П., Маничев В.Б. Системы автоматизированного проектирования электронной и вычислительной аппаратуры. М.: Высшая школа, 1983.-272с.

36. Норенков И. П., Манигев В. Б. Основы теории и проектирования САПР. -М.: Высшая школа, 1990. -335с.

37. Новгородцев А.Б. 30 лекций по теории электрических цепей: учебник для вузов. СПб.: Политехника, 1995. - 519с.43.0ре О. Графы и их применение. М.: Мир, 1965.

38. Писсанецкий С. Технология разреженных матриц. М.: Мир, 1988.

39. Петренко А. И. Основы автоматизации проектирования. Киев: Техника, 1982.-295с.

40. Реза Ф., Сили С. Современный анализ электрических цепей. М.: Энергия, 1964.

41. Рихтер Дж. Windows для профессионалов: создание эффективных Win32 приложений.— 4-е изд. — СПб.: Питер, 2001 . — 752с.

42. Роббинс Дж. Отладка Windows-приложений. — М.:ДМК, 2001. —448 с.

43. Саймон P. Microsoft Windows 2000 API. Энциклопедия программиста.— СПб.: ДиаСофт, 2002. — 1088 с.

44. Сигорский В.П., Петренко А.И. Алгоритмы анализа электронных схем. -М.: Советское радио, 1976.

45. Сигорский В.П. Математический Аппарат инженера. Киев: Техника, 1976.

46. Советов Б.Я.,. Яковлев С. А. Моделирование систем. М.: Высшая школа, 1985.-271с.

47. Сольницев Р. И. Вычислительные машины в судовой гироскопии. JL: Судостроение, 1977. - 312с.

48. Страуструп Б. Язык программирования С++. 3-е изд. СПб.: М.: Невский Диалект. - «Издательство БИНОМ», 1995. - 991с.

49. Слипченко В.Г., Елизаренко Г.Н. Методы диакоптики в электронике.- Киев: Высшая школа, 1981.-208с.

50. Слипченко В.Г., Табарный В.Г. Машинные алгоритмы и программы моделирования электронных схем. Киев: Техника, 1976. - 157с.

51. Секунов Н. Самоучитель С#. — СПб.: BHV-Петербург, 2001.

52. Сешу С., Балабанян. Н. Анализ линейных цепей. Госэнергоиздат,1963.

53. Степаненко И. П. Основы микроэлектроники: Учебное пособие для вузов. -М.: Советское радио, 1980.

54. Трудономин В. А., Пивоварова Н. В. Математические модели технических объектов. М.: Высшая школа, 1986. - 157с.

55. Страуструп Б. Язык программирования С++. — Киев: ДиаСофт, 1993.

56. Тьюарсон Ф. Р. Разреженные матрицы. М.: Мир, 1977. - 189с.

57. Трауб. ДЖ. Итерационные методы решения уравнений. М.: Мир, 1985. -264с.

58. Фадеев Д. К., Фадеева В. Н. Вычислительные методы линейной алгебры. -М.: Издательство Физико-математической литературы, 1963. 734 с.

59. Фролов A.B. , Фролов Г.В. Библиотека системного программиста. — М.: Диалог-Мифи, 1991.

60. Холзнер С. Visual С++, учебный курс. СПб.: Питер, 2000.

61. Чуа JI.O., Пеи-Миллин. Машинный анализ электронных схем. -М.: Энергия, 1980.

62. Черносвитов A. Visual С++7 учебный Курс. Санкт-Петербург. Москва. Харьков. Минск, 2001. -522с.

63. Чеппел Д. Технологии ActiveX и OLE. — М.: Издательский отдел "Русская редакция", 1997.

64. Шакиров М.А Теоретические основы электротехники. Новые идеи и принципы. Схемоанализ и диакоптики. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2001. -212с.

65. Gear C.W. the automatic integration jf ordinary differential equations«comm. Of the ACM», 1971, v.14, N3.

66. Gear C. W. simultaneous numerical solution of differential algebraic equations-«Trans. IEEE, 1971, v.ct-18, N1