Разработка системы поддержки объектных представлений на основе функционального интерфейса в объектно-ориентированных базах данных САПР СБИС тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.12, кандидат технических наук Дубровин, Станислав Александрович

• Дубровин, Станислав Александрович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Дубровин, Станислав Александрович

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Базы данных в САПР СБИС.

1.1. Основные виды моделей данных.

1.2. Существующие требования к базам данных САПР СБИС

1.3. Объектные представления

1.4. Подход с интеграцией представлений в схему базы данных

1.5. Подход с интеграций представлений во внешней схеме данных

1.6. Сравнение подходов к организации объектных представлений

1.7. Цели и задачи работы.

1.8. Выводы.

ГЛАВА 2. Разработка модели объектных представлений на основе функционального интерфейса в ООБД САПР

2.1. Базовые концепции абстракции доступа к данным

2.2. Модель вычислимых объектных представлений на основе функционального интерфейса

2.3. Методы построения представлений.

2.4. Способы изменения хранимых данных через объектное представление

2.5. Основные подходы к реализации объектных представлений

2.6. Анализ методов решения проблемы когерентности при использовании временных объектов

2.7. Метод выбора способа реализации представления

2.8. Выводы.

ГЛАВА 3. Программная реализация объектно-ориентированной БД САПР СБИС с поддержкой объектных представлений

3.1. ООБД на основе языков описания схемы.

3.2. ООБД без явного описания схемы.

3.3. Требования к системе поддержки объектных представлений в САПР СБИС

3.4. Аспектно-ориентированный подход к программированию

3.5. Выбор БД в качестве основы для реализации

3.6. Архитектура системы поддержки объектных представлений в САПР СБИС

3.7. Программная реализация системы поддержки объектных представлений

3.8. Реализация поддержки временных объектов.

3.9. Реализация поддержки ограничения доступа к хранимым данным через объектные представления

3.10. Выводы.

ГЛАВА 4. Примеры практического использования системы поддержки объектных представлений

4.1. Структура базы данных смешанного моделирования

4.2. Объектные представления для доступа к логическому и схемотехническому описаниям субблоков

4.3. Сравнение системы поддержки объектных представлений с системой OpenAccess

4.4. Анализ и сравнение методов разработки, основанных на различных подходах к интеграции компонентов САПР

4.5. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка системы поддержки объектных представлений на основе функционального интерфейса в объектно-ориентированных базах данных САПР СБИС»

Работа посвящена созданию методов и инструментальных средств разработки программного обеспечения (ПО) баз данных в системах автоматизации проектирования (САПР) сверхбольших интегральных схем (СБИС). Предметом исследования в работе являются способы автоматизации разработки ПО баз данных (БД) этапов логического и схемотехнического проектирования СБИС. В работе проведен анализ задач по хранению проектных данных САПР СБИС, а также существующих способов создания ПО, решающего эти задачи. Проведенный анализ позволил сформулировать требования к БД САПР СБИС. Была предложена модель преобразований объектов на основе функциональных интерфейсов, позволяющая разделить этап преобразования данных для конкретных программных компонентов САПР и этап непосредственной работы с этими данными, что позволяет существенно упростить процесс разработки компонентов САПР.

На основе результатов проведенного исследования создана программная среда, реализующая систему поддержки объектных преобразований на основе объектно-ориентированной БД (ООБД) GOODS. На основе данного каркаса разработана ООБД, интегрирующая проектную информацию логического и схемотехнического этапов проектирования СБИС. Ввиду схожести ряда задач проектирования, разработанный подход и инструментальные средства можно использовать для интеграции и других этапов.

В работе проведено сравнение сложности разработки ПО БД традиционными способами и с использованием предложенного метода. Сделаны выводы о перспективности данного подхода.

Актуальность темы

Современные системы автоматизации проектирования являются сложными многокомпонентными системами, в рамках которых разработчику доступно большое количество разнообразных маршрутов проектирования. В рамках каждого из этих маршрутов между собой взаимодействуют несколько отдельных средств проектирования. При росте числа взаимодействующих компонентов САПР сложность их интеграции значительно возрастает. Так, при использовании промежуточных языков представления данных количество связей между компонентами возрастает экспоненциально [1]. Организация взаимодействия компонентов на основе баз данных способна снизить сложность взаимодействия. Но и при таком подходе, по некоторым оценкам, на разработку средств интеграции может тратиться до сорока процентов общего времени разработки системы.

Наиболее трудными этапами разработки многокомпонентной системы являются этап интеграции и тестовые испытания [2]. При этом выявляются ошибки и просчеты, связанные с взаимодействием составляющих частей системы, обнаружение которых на предыдущих этапах затруднено. Проблема осложняется еще и тем, что подчас бывает довольно сложно определить, какой именно из компонентов является причиной некорректной работы системы в целом. Создание системы поддержки преобразований данных способно локализовать задачи преобразования проектных данных, отделить их от процесса использования этих данных и, тем самым, существенно снизить сложность разрабатываемой системы и повысить возможности её тестирования, а, как следствие, и надёжность разработанной системы.

Информация об объекте проектирования, хранимая в БД, содержит большое количество аспектов (логическое, схемотехническое и другие представления схемы) [3]. Использование современных технологий программирования (таких, как объектно-ориентированные БД) позволяет снизить сложность разработки механизмов передачи информации между компонентами САПР и центральной БД. Но при этом сохраняется высокая сложность и взаимосвязанность хранимых в БД данных. Для работы конкретному приложению желательно иметь такой интерфейс к БД, который предоставлял бы доступ к хранимым данным в виде, удобном этому приложению. Кроме этого, изменение структуры хранимых в БД данных сказывается на всех работающих с ней приложениях. По этой причине актуальность средств, позволяющих упростить задачу интеграции компонентов САПР и защитить компоненты от изменений в структуре хранимых данных, является высокой.

Несмотря на большое количество ведущихся в данной области исследований, ряд проблем ещё остаются нерешёнными: существующие подходы являются недостаточно гибкими и накладывают существенные ограничения на интерфейсы доступа к базам данных при разработке компонентов САПР.

Цель работы

Целью диссертационной работы является разработка математического, алгоритмического и программного обеспечения для интеграции компонент САПР.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих научно-технических задач:

1. Исследовать существующие подходы к интеграции компонентов САПР на основе объектных представлений.

2. Разработать методы преобразования данных на основе функционального интерфейса.

3. Предложить способы обновления данных через объектные представления.

4. Разработать методы ограничения доступа к данным на основе объектных представлений.

5. Создать архитектуру системы поддержки объектных представлений.

6. Разработать на основе этой архитектуры систему поддержки объектных представлений, интегрированную в объектно-ориентированную базу данных.

7. Провести практическую апробацию разработанной системы.

Научная новизна работы

1. Впервые разработана модель преобразований объектов на основе функционального интерфейса;

2. Разработана архитектура системы поддержки объектных представлений в объектно-ориентированных БД;

3. Определены критерии выбора способов настройки функциональных интерфейсов в зависимости от сложности реализуемых преобразований;

4. Разработан метод создания объектных представлений для модели преобразований объектов на основе функционального интерфейса;

5. Предложена структура объектно-ориентированной базы данных для интеграции средств цифрового и аналогового моделирования, отличающаяся от известных систем возможностью реализации произвольных преобразований данных.

Практическая значимость работы

На основе полученных теоретических результатов разработана система поддержки объектных преобразований, являющаяся удобным инструментальным средством для разработчиков компонентов САПР. Данная система позволяет упростить процесс разработки программных интерфейсов к базам проектных данных САПР, а также уменьшить количество ошибок при разработке и, следовательно, увеличить надёжность разрабатываемых компонентов. В результате уменьшаются сроки выхода САПР на рынок и уменьшается число обращений в службу технической поддержки.

Методы исследования

В работе был использован математический аппарат теории множеств и теории алгоритмов. Экспериментальные результаты были получены при помощи разработанной программной среды.

Достоверность полученных результатов подтверждается используемым в работе математическим аппаратом, экспериментальным тестированием и промышленной эксплуатацией разработанного программного обеспечения в САПР «AVOCAD».

Реализация результатов работы

Результаты работы в виде объектно-ориентированной системы управления базами данных в составе САПР «AVOCAD» внедрены в процесс проектирования ИС ООО «Юник Ай Сиз», НИИФП и в учебный процесс МГИЭТ(ТУ), что подтверждается актами о внедрении. Использование разработанного программного обеспечения на предприятиях показывает высокую эффективность его применения в цикле проектирования аналоговых, цифровых и аналого-цифровых ИС.

Личный вклад автора

Основными из полученных автором результатов, являются:

1. Систематизация требований к разработке ПО БД САПР логического и схемотехнического этапов проектирования СБИС.

2. Разработка модели объектных преобразований на основе функционального интерфейса.

3. Разработка методов обновления данных через функциональный интерфейс и способа выбора используемых методов в зависимости от сложности преобразований.

4. Разработка архитектуры поддержки объектных представлений с преобразованиями на основе функционального интерфейса.

5. Создание программного и алгоритмического обеспечения для реализации разработанной архитектуры.

6. Создание при помощи реализованной программной среды интегрированной БД логического и схемотехнического этапов проектирования в рамках разработки системы «AVOCAD».

Представляется к защите

1. Модель преобразования объектов на основе функционального интерфейса.

2. Архитектура системы поддержки объектных представлений в ООБД САПР.

3. Критерии выбора способов настройки функциональных интерфейсов в зависимости от сложности реализуемых преобразований.

- 10

4. Метод создания объектных представлений для модели преобразований объектов на основе функционального интерфейса.

5. Структура объектно-ориентированной базы данных САПР для интеграции средств цифрового и аналогового моделирования.

Апробация результатов работы

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических совещаниях ООО «Юник Ай Сиз» и на следующих конференциях:

X Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, Зеленоград, 23,24 апреля 2003г.

XI Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, Зеленоград, 23,24 апреля 2004г.

XLVII научная конференция МФТИ, Москва, 2 6-27 ноября

2004.

XII Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, Зеленоград, 23,24 апреля 2005г.

XLVIII научная конференция МФТИ, Москва, 26-27 ноября

2005.

V Международная научно-техническая конференция "Электроника и информатика - 2005", 23 - 25 ноября 2005.

Публикации.

Материалы, отражающие основное содержание работы, опубликованы в двух научных статьях и шести докладах в трудах российских и международных научно-технических конференций. Библиографические данные публикаций приведены в разделе "Библиография".

Структура работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, приложения, содержащего акты внедрения результатов работы.

Заключение диссертации по теме «Системы автоматизации проектирования (по отраслям)», Дубровин, Станислав Александрович

4.5. Выводы

1. В данной главе разработана структура БД для поддержки смешанного моделирования в САПР СБИС.

2. Разработаны классы представлений, преобразующие хранимую в базе информацию в набор субблоков, имеющих логическое или схемотехническое представление в зависимости от необходимого уровня моделирования.

3. Разработан алгоритм заполнения базы данных смешанного моделирования.

4. Проведено сравнение сложности разработки при использовании стандартного подхода и подхода на основе объектных представлений. В результате сравнения сделан вывод о снижении сложности разработки примерно в 2.5 раза.

5. Проведено сравнение подхода, основанного на объектных представлениях с подходом, основанным на широко применяемой системе OpenAccess, разработанной консорциумом Silicon Integration Initiative. Показано, что система поддержки объектных представлений имеет более гибкую модель и предоставляет большие возможности по настройке по сравнению с системой OpenAccess.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработанная система поддержки объектных представлений воплотила в себе основные идеи построения объектно-ориентированных систем для доступа к данным. В ходе пробной эксплуатации данной системы удалось достичь значительного снижения сложности разработки компонентов САПР СБИС и как следствие, роста скорости разработки и снижения числа ошибок в готовом программном продукте. Это позволило добиться экономии трудозатрат на реализацию компонентов САПР и их интеграцию. В этом выражается эффект от автоматизации процесса разработки компонентов САПР СБИС.

В заключение выделим основные результаты данной работы:

1. Проведён анализ и выработаны требования к средствам хранения проектных данных САПР СБИС. При анализе учтены такие особенности предметной области, как многоаспектность, комплексность и иерархическая структура проектной информации, необходимость поддержки длинных транзакций и защиты проектных данных.

2. Проведён анализ существующих методов построения объектных представлений для использования в БД САПР. Предложен метод, основанный на использовании преобразовании на основе функционального интерфейса. Проведено сравнение предложенного метода с ныне существующими, обозначены его достоинства.

- 120

3. Разработана модель преобразований объектов на основе функционального интерфейса.

4. Разработаны методы обновления данных через объектные представления. Предложена методика, позволяющая выбрать соответствующий метод в зависимости от сложности выполняемых преобразований.

5. Разработана архитектура системы поддержки объектных представлений в БД САПР СБИС. Разработка проведена на основе ООБД GOODS с учётом реализованной в нём аспектно-ориентированной модели разработки.

6. Разработана структура объектно-ориентированной базы данных для интеграции средств цифрового и аналогового моделирования. Разработаны методы преобразования проектных данных для интеграции на основе предложенной системы объектных представлений.

В ходе эксплуатации разработанной системы при создании САПР «AVOCAD» было проведено сравнение решения ряда практических задач при помощи разработанных методов и традиционным способом (непосредственное создание компонентов преобразования данных). Это позволило сделать следующие выводы:

1. Объем программного кода, обеспечивающего непосредственное преобразование данных, составляет не более 20% от объема кода, решающего те же задачи при написании компонентов преобразования данных (трансляторов, загрузчиков и т.д.).

2. Процесс настройки системы на основе разработанной системы требует описания простых методов преобразования, что позволяет упростить процессы тестирования, документирования и модификации разработанного ПО.

Использование системы поддержки объектных преобразований на основе функционального интерфейса позволяет сократить время на разработку БД САПР СБИС в 2-2,5 раза. Система достаточно проста в освоении. При этом вследствие простоты настроечного кода число ошибок при разработке методов преобразований незначительно по сравнению с числом ошибок в компонентах преобразования данных, реализованных традиционными способами.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Дубровин, Станислав Александрович, 2005 год

1. Graham, A. The CAD Framework 1.itiative Standards Progress Towards First Publication at Year End, IEEE DATC Newsl. On Design Automation, Sp. 1992, pp. 13-21.

2. Lakos J. Large-Scale С++ Software Design. Berkeley, California: Addison-Wesley, 1996.

3. Стемпковский A.JI. и др. Системная среда САПР СБИС, М.: Наука, 1994.

4. Synopsys Milkyway Database (http:// www. synopsys.com/products/milkyway/milkyway.html)

5. Mentor Graphics Data Management System (http://www.mentor.com/products/pcb/boardstation/ datamanagement/dms/index.cfm)

6. OpenAccess: The Standard API for Rapid EDA Tool Integration. Second Edition. Silicon Integration Initiative, Inc., 2003.

7. Дэйт, К. Введение в системы баз данных. М.: Наука, 1980.

8. Hughes W. , Melcher D. , Melville S., Taenzez D. Database systems in a network of CAE/CAD workstations. Prited Circuit Design. 1988, Vol.5, №2.

9. Date, C. 1986. Relational Database: Selected Writings. Reading, MA: Addison-Wesley.

10. J.W. Schmidt et al, U Hamburg. Pascal/R Report. Fachbereich Informatik, Report 66, Jan 1980.

11. J. M. Smith, S. Fox and T. Landers, ADAPLEX: Rationale and Reference Manual, 2nd ed. , Computer Corp. America, Cambridge, Mass., 1983.- 123

12. Craig Schaffert, Topher Cooper, and Carrie Wilpolt. Trellis Object-Based Environment, Language Reference Manual. Technical report DEC-TR-372, November 1985.

13. Antonio Albano, Luca Cardelli, Renzo Orsini, Galileo: a Strongly Typed, Interactive Conceptual Language. ACM TODS, 10, 2, pp. 230-260, 1985.

14. Codd, E. F., The relational model for database management: version 2, Addison-Wesley, Reading (Mass.), 1990.

15. P. P. Chen. The entity-relationship model toward a unified view of data. ACM Transactions on Database Systems, 1(1):9—36, 1976.

16. J. Mylopoulos, P. A. Bernstein and H.K.T. Wong, "TAXIS: A Language Facility for Designing Database-Intensive Applications", ACM TODS, vol. 5, no. 2, pp. 185-207, June 1980.

17. M. Hammer and D. McLeod: "The Semantic Data Model: A Modelling Machanism for Data Base Applications"; Proc. ACM SIGMOD 78, Lowenthal and Dale(eds), 1978, pp.26-36.

18. D. W. Shipman. The functional data model and the data language daplex. ACM Transactions on Database Systems (TODS), 6 (1) : 140 — 173, 1981.

19. A. Goldberg and D. Robson. SmallTalk-80: The Language and Its Implementation. Addison-Wesley, 1983 .

20. Ole-Johan Dahl, B. Myhrhaug, and Kristen Nygaard. The SIMULA 67 common base language. Technical report, Norwegian Computing Center, Oslo, 1970. Publication S--22.- 124

21. Malcolm Atkinson, Frangois Bancilhon, David DeWitt, Klaus Dittrich, David Maier, Stanley Zdonik. The Object-Oriented Database System Manifesto. Proceedings of the First International Conference on Deductive and Object-Oriented Databases, 1989.

22. H. Korth, W. Kim, and F. Bancilhon. A Model of CAD Transactions. In Pro- ceedings of the 11th International Conference on Very Large Databases, pages 25-33, 1985.

23. Marc H. Scholl, Christian Laasch, Markus Tresch. Updatable Views in Object-Oriented Databases Proc. 2nd Intl. Conf. on Deductive and Object-Oriented Databases, 1991.

24. Abiteboul S., Bonner A. Objects and Views, in Proc. SIGMOD, May 1991, pp. 238-247.

25. E. Rudensteiner. Multiview: A methodology for supporting multiple views in object-oriented databases. In Proc. VLDB Conference, pages 187 — 98, Vancouver, Canada, August 1992.

26. E. Bertino. A view mechanism for object-oriented databases. In A. Pirotte, C. Delobel, and G. Gottlob, editors, Proc. of the 3rd Int. Conf. on Extending Database Technology, EDBT'92, LNCS 779, pages 136--151, Vienna, Austria, 1992.

27. Santos, C.S. Design and Implementation of Object-Oriented Views. In Proceedings of DEXA, 6th Int. Conf., pp. 91-102. 1995

28. Elke A. Rundensteiner. MultiView:A Methodology for Supporting Multiple Views in Object-Oriented Databases. Proceedings of the 18th International- 125

29. Conference on Very Large Data Bases (VLDB'92), 1992, Vancouver, Canada.

30. Kuno, H.A. and Rundensteiner, E.A. Materialized Object-Oriented Views in MultiView. In Proc. Fifth International IEEE Workshop on Research Issues in Data Engineering Distributed Object Management, 1995.

31. J. Kuno and E. Rundensteiner. The MultiView OODB view system: Design and implementation. Theory and Practice of Object Systems, 2(3):203—225, 1996, pp. 248, 249.

32. Harumi A. Kuno and Elke Rundensteiner. Developing an Object-Oriented View Management System. University of Michigan, 1993.

33. Guerrini, G., Bertino, E., Catania, В., Garcia-Molina, J. : A Formal Model of Views for Object-Oriented Database Systems. Theory and Practice of Object Systems, 3(3) (1997) pp. 157-183.

34. Гамма, Э.; Хелм, P.; Джонсон, P. и др. Приемы объектно-ориентированного проектирования. Паттерны проектирования. Изд-во: СПб: Питер, 2001 г.

35. Фаулер М. Архитектура корпоративных программных приложений. Изд-во: СПб: Вильяме, 2004 г.

36. Саттер Г. Решение сложных задач на С++. Изд-во: СПб: Вильяме, 2002 г.

37. Роджерсон Д. Основы СОМ. М.: Русская редакция "Microsoft Press", 2000.

38. Орлов С. А. Технологии разработки программного обеспечения. Изд-во: СПб: Питер, 2002 г.

39. Дж. Смит, Д. Смит. Принципы концептуального проектирования баз данных. В сб. «Требования и спецификации в разработке программ». М: Мир, 1984.

40. Cattell, R.G.G.(Editor), "The Object Database Standard: ODMG-93", Morgan Kaufmann Publishers, 1993 .

41. Objectivity Technical Overview. Release 6.0, January 23, 2001. http://www.objectivity.com.

42. Книжник К. Аспектный подход к созданию объектно-ориентированных систем управления базами данных. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.

43. Jacobson I., Ng P.-W. Aspect-oriented software development with use cases. Addison Wesley, 2004.

44. Павлов В. Аспектно-ориентированное программирование. Журнал «Технология Клиент-Сервер», 2003, №4.

45. Bruno Schaffer Design and Implementation of Smalltalk Mixin Classes. Ubilab Technical Report 98.11.1 Universitetsstrasse 84 CH-8033 ZurichSwitzerland.

46. O. Hachani and D. Bardou. Using Aspect-Oriented Programming for Design Patterns Implementation. In Proc. Workshop Reuse in Object-Oriented Information Systems Design, 2002.

47. Shigeru Chiba. A metaobject protocol for С++. ACM SIGPLAN Notices archive, Volume 30, Issue 10, (October 1995), pp. 285 299.- 127

48. R. H. Katz. Toward a unified framework for version modeling in engineering databases. ACM Computing Surveys, 22(4):375-408, December 1990.

49. T. Tang and X. Zhou, "Multi-Level Digital/Mixed-Signal Simulation with Automatic Circuit Partition and Dynamic Delay Calculation, 11 J. Modeling Simulation Microsystems (JMSM) , Vol. 1, No. 2, pp. 83-89, December 1999.

50. Норенков И.П., Маничев В. Б. Системы автоматизированного проектирования электронной и вычислительной аппаратуры. М.: "Высшая школа", 1983.

51. Корячко В.П., Курейчик В.М., Норенков И. П. Теоретические основы САПР.

52. М.: "Энергоатомиздат", 1987.

53. Казеннов Г.Г., Соколов А. Г. Основы построения САПР и АСТПП М.: "Высшая школа", 1989.

54. Дубровин С. А. «Объектные виды в базах данных САПР СБИС». Тезисы доклада на XLVII научной конференции МФТИ. Секция микроэлектроники. М.: МФТИ, 2004. стр. 107.

55. Дубровин С. А. «Особенности хранения результатов схемотехнического моделирования СБИС». Тезисы докладов на 10-й всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов. М: МИЭТ, 2003. стр. 78.- 128

56. Дубровин С. А., Перминов В. Н., Кокин С. А., и др. Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ №2003612520. Российское агентство по патентам и товарным знакам (РОСПАТЕНТ), 2003.

57. Дубровин С. А., «Объектные представления в базах данных САПР СБИС». Статья в журнале «Известия ВУЗов. Электроника» №3, 2005г. стр. 56.

58. Дубровин С. А., Жуков А. В., Перминов В.Н., Макаров С.В. «Совместное использование системы AVOCAD и средств САПР СБИС компаний Cadence и Synopsys». Статья в журнале «Электроника НТБ» №4, 2005г, стр. 68-69.

59. Дубровин С. А. Разработка базы данных смешанного моделирования на основе системы поддержки объектных представлений. Тезисы доклада на XLVIII научной конференции МФТИ. Секция микроэлектроники. М.: МФТИ, 2005.

60. Дубровин С. А. Способы представления временных объектов в системе поддержки объектных видов в ООБД САПР. Тезисы доклада на V Международной научно-технической конференции "Электроника и информатика 2005", М: МИЭТ, 2005.