ПРЦВШ (филиал) ФГБОУ ВПО

«МГУТУ имени К.Г. Разумовского»

(ПКУ)

КАФЕДРА

ТЕХНИЧЕСКИЙ СЕРВИС

Курсовая работа

на тему:

«Оптимизация электронных средств»

Выполнил: ст. гр. 10К2

Полякова С.И.

Проверил: к.т.н., доцент

Долотин А. И.

Пенза 2014

СОДЕРЖАНИЕ

1 Теоретическая часть………………….……………………..………………..3 1.1 Общая характеристика задач оптимального проектирования РЭУ…..…3 1.2 Основные сведения о задачах оптимизации ЭС.…………………..….…6 1.3 Оптимизация в задачах конструкторского проектирования…..…..…...8 2 Практическая часть………………………………………………...…….….15 2.1 Программные способы снижения энергопотребления и увеличения производительности…………………………………………………..….….15 2.2 Архитектурные способы снижения энергопотребления и увеличения производительности…………………………………………………..……..16 2.3 Перспективные методы решения проблемы ………….……………..17 2.4 Схемотехнические методы оптимизации …………………………..…18 ВЫВОД………………………………………………………………………..21 СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ………………………..….22

1 Теоретическая часть

1.1 Общая характеристика задач оптимального проектирования РЭУ.

Оптимальное проектирование в САПР радиоэлектронных устройств предназначено для доведения характеристик устройства до наивыс­шего возможного уровня путем применения поисковых процедур тео­рии оптимизации. Задача оптимального проектирования в САПР в ос­новном сохраняет специфику задачи доводки схемы на макете, так как по существу это одна и та же задача, но благодаря дополнительным воз­можностям она решается более эффективно. Так, вместо обычного для макета доведения характеристик схемы до требуемых в техническом за­дании (ТЗ) значений САПР в принципе позволяет полностью исследо­вать потенциальные возможности выбранной структуры схемы и после­довательно определить наилучшие значения всех необходимых харак­теристик, оценить влияние различных факторов на отклонения харак­теристик от оптимальных значений, вынести обоснованное суждение о невозможности получения заданного уровня характеристик на дан­ной структуре или данной элементной базе: выделить компоненты с чрезмерно большими коэффициентами влияния на характеристики устройства или принять обоснованное решение о замене отдельных компонентов более качественными.

При проектировании РЭУ большое внимание уделяется определе­нию статистических характеристик аппаратуры. Так как номиналы всех компонентов устройства подвержены случайному разбросу, лю­бые характеристики ИС и устройства в целом имеют вероятностный характер. При массовом изготовлении аппаратуры важна информация о размерах областей разброса характеристик РЭУ. Выявление в пол­ном объеме подобных зависимостей на макете обычно связано со столь большими затратами, что приходится использовать косвенные оценки. В САПР поставленную задачу оценки допустимого разброса можно интерпретировать как задачу оптимизации. Тогда последовательно отыскиваются наилучшее и наихудшее значения выбранной характе­ристики в многомерной области статистического или иного ухода пара­метров и при большом разбросе характеристик решается задача опти­мизации с целью его уменьшения.

Решение любой задачи оптимального проектирования в САПР на­чинается с выбора критерия оптимальности (целевой функции), гаран­тирующего улучшение характеристик РЭУ в результате работы поисковых процедур оптимизации.

Целевые функции оптимизации следует построить на множестве характеристик РЭУ таким образом, чтобы в конечном итоге были полу­чены наилучшие характеристики. Однако реализация этого положе­ния вызывает серьезные трудности, связанные со способом задания оп­тимальных характеристик. Предположим сначала, что функция, опи­сывающая требуемую характеристику, задана поточечно в некоторых узлах. Построение целевой функции, обеспечивающей близость (конеч­но, при корректности постановки задачи!) в этих узлах полученной на модели РЭУ характеристики к требуемой, не вызывает затруднений. Для этого достаточно считать целевой функцией сумму «квадратов (или любых четных степеней) отклонений от требуемых значений характе­ристики. При этом минимальным будет значение, равное нулю, что со­ответствует ситуации, когда обе характеристики в узлах совпадают. Следовательно, чтобы реализовать действительно оптимальное по своим характеристикам устройство, требуется знать при выбранных структуре РЭУ и элементной базе потенциально достижимые его харак­теристики. Однако для этого нам нужно исследовать потенциальные возможности схемы, что практически можно сделать лишь при опти­мизации.

Итак, чтобы при таком подходе корректно определить целевую функцию, необходимо провести оптимизацию, а для этого необходимо задать целевую функцию. Наличие здесь неразрешимого противоречия очевидно. Следовательно, при построении целевых функций целесооб­разно выбирать их таким образом, чтобы они не зависели от потен­циально возможных характеристик устройства.

Параметры РЭУ при оптимизации следует варьировать лишь в из­вестных пределах. Это обусловлено многими факторами. Такие пара­метры пассивных элементов, как сопротивления; емкости, индуктив­ности, должны быть положительными. Конструкция и технология из­готовления элементов лимитирует их значения и точность. Так, ем­кости конденсаторов, изготовленных по интегральной технологии, ог­раничены сверху, а резисторы с большими сопротивлениями нельзя выполнить точно. Технология изготовления определяет и предельно допустимые режимы работы компонентов. Все эти ограничения долж­ны учитываться при построении целевых функций задач оптимизации.

В практике проектирования общая оценка качества функциониро­вания РЭУ принимается на основании оценки совокупности значений отдельных характеристик. Поэтому в постановке задачи оптимального проектирования неизбежно будет присутствовать совокупность неза­висимых целевых функций, каждая из которых предназначена для улучшения какой-либо характеристики РЭУ. Подобные задачи приня­то называть задачами оптимизации с векторным критерием (при этом отдельные целевые функции интерпретируются как компоненты вектор-функции). Для того чтобы в области допустимых значений пара метров РЭУ существовала точка, в которой все составляющие вектора целевых функций принимают экстремальные значения, необходима в определенном смысле согласованность отдельных целевых функций, которая, как правило, не имеет места.

Основные подходы к построению единой целевой функции для задачи векторной оптимизации заключаются в следующем:

1. С помощью весовых коэффициентов отдельные целевые функции объединяются в общую, называемую функцией полезности. При этом задача векторной оптимизации сводится к задаче скалярной оптими­зации [10].

2. В тех случаях, когда весовые коэффициенты выбрать невозмож­но, при построении целевой функции можно использовать отклонения характеристик от каких-то граничных значений и решать задачу ми­нимизации максимального отклонения.

3. Часто при проектировании РЭУ требуемые значения многих ха­рактеристик задаются очень приблизительно, что приводит к неопре­деленности в постановке задачи оптимального проектирования. Подоб­ные задачи можно формулировать в терминах расплывчатых (нечет­ких) множеств и расплывчатых (лингвистических) переменных [651 и использовать для их решения соответствующий математический ап­парат [64].

Решению задачи векторной оптимизации, как отмечается в [101, существенно может помочь оперативное взаимодействие специалиста с ЭВМ, которое в САПР обеспечивается организацией диалогового ре­жима работы. Однако объем вычислений при оптимизации устройств по сравнению с анализом РЭУ возрастает по крайней мере на порядок. Поэтому число операций, затрачиваемых на решение становится фак­тором, определяющим эффективность оптимального проектирования РЭУ в САПР.

1.2 Основные сведения о задачах оптимизации ЭС.

Известно, что любое конструкторское решение определяется совокупностью определяющих конструкцию параметров, в качестве которых могут рассматриваться в том числе параметры ЭРИ, габариты, масса и свойства используемых конструкционных материалов, надежность, стоимость, уровень качества и пр.

Конструкторское решение, при котором достигаются наилучшие значения интересующих технико-экономических показателей, называют оптимальным.

Технико-экономический показатель, по значению которого делают вывод об оптимальности решения, называют целевой функцией. Иногда вместо термина «целевая функция» используют такие термины, как «критерий оптимизации», «критериальная функция», «функция качества», «экстремизируемый функционал» и т. п.

Параметры конструкторского решения, от значений которых в значительной степени зависит целевая функция, рассматриваются как оптимизируемые, а их значения, обеспечивающие экстремум целевой функции, называют оптимальными значениями оптимизируемых параметров.

Иногда говорят о «квазиоптимальном решении» или «псевдооптимальном решении», имея в виду, что найти оптимальное решение достаточно сложно, и на практике получают некоторое его приближение.

В общем случае, математическая формулировка оптимизационной задачи конструирования ЭС может быть записана следующим образом [3]:

(1.2.1)

где Q — экстремизируемый функционал; L — условия функционирования объекта; U — вектор (массив) варьируемых переменных (параметров); S — область значений Г, при которых они удовлетворяют требуемым ограничениям в виде:

(1.2.2)

Эти ограничения в форме равенств и неравенств связаны с необходимостью удовлетворения различных требований, предъявляемых к проектируемому ЭС.

В процессе проектирования определяются структура W системы и её параметры . В качестве параметров могут использоваться значения элементов электрических схем, характеристики электронных модулей и т. п.

Таким образом, в процессе проектирования ЭС определяется пара, состоящая из структуры W и вектора параметров С, которые подлежат оптимизации, т. е.

, (1.2.3)

компоненты которой находятся решением оптимизационной задачи:

, (1.2.4)

где W* и С* — соответственно оптимальные структура и параметры ЭС;

S_w, S_c — множества допустимых структур и параметров.

На различных этапах проектирования задачи формулируются с учетом вида критерия Q, состава варьируемых переменных и других особенностей исходных данных.

Рассмотрим некоторые оптимизационные задачи более подробно.

1.3 Оптимизация в задачах конструкторского проектирования

Основными задачами конструкторского проектирования являются задачи компоновки (разбиения), размещения и трассировки, решаемые на основе результатов схемотехнического проектирования.

В большинстве случаев под компоновкой понимают процесс перехода от схемы ЭС к конструктивному распределению (разбиению) всех элементов на группы, соответствующие конструктивам различных уровней (ИМС, функциональных узлов, блоков, стоек и т. Д.). Иногда выделяют три постановки задачи компоновки: типизация — разбиение схемы на конструктивные элементы различных типов; покрытие — преобразование исходной схемы в схему соединений элементов; разрезание — разбиение исходной схемы на части [3, 26, 65].

В дальнейшем под компоновкой будем понимать разрезание большой схемы (структурной, функциональной, логической, принципиальной) на части. Эта задача формулируется следующим образом.

Пусть исходная схема представляется мультиграфом ; здесь множество вершин V соответствует множеству конструктивных модулей, а множество ребер R — связям между ними. Требуется разрезать (разбить) граф на n частей , … , c N_i , i =1,n, вершинами в каждой части так, чтобы число ребер, соединяющих вершины различных частей, было минимальным, т. Е. критерий оптимальности имеет вид:

(1.3.1)

где — мощность множества ребер , инцидентных частям и .

При этом должен выполняться ряд ограничений.

1. Число вершин в каждой части должно быть задано, т. е.

(1.3.2)

2. Одна вершина должна принадлежать лишь одной части, т. е.

(1.3.3)

3. Объединение всех частей должно быть равно исходному графу, т. е.

(1.3.4)

4. Максимально допустимое число внешних связей каждой части не должно превышать допустимой величины S_i:

. (1.3.5)

5. Раздельная компоновка отдельных вершин υ_к в различных частях графа:

. (1.3.6)

6. Некоторые вершины υ_р, υ_q должны быть жестко закреплены за определенными частями V_hV_j. Такие вершины называются закрепленными, т. Е.

. (1.3.7)

Следует заметить, что ограничения (1.3.2)-(1.3.7) на компоновку накладываются в зависимости от различных требований, предъявляемых к изделию, а также для учета различных физических факторов. Так, например, ограничение (1.3.6) обычно связано с выполнением условий электромагнитной и тепловой совместимости различных компонентов ЭС. Поэтому применительно к реальным схемам при решении задачи компоновки могут накладываться как все рассмотренные ограничения, так и отдельные из них.

Размещение обычно рассматривается как проектная процедура, заключающаяся в определении расположения заданного множества элементов в монтажном пространстве. При проектировании ЭС решаются задачи размещения микросхем на печатной плате, компонентов в полупроводниковом кристалле, функциональных узлов в блоках, блоков в стойке и т. п. Решением задачи размещения достигается повышение надежности, уменьшение размеров конструктивных единиц и длины соединений, минимизация взаимных наводок, задержек сигналов и т. д. От результатов ее решения зависит эффективность последующей задачи - трассировки.

Обычно задача размещения формулируется как задача оптимизации. Исходными данными для решения задачи являются: множество конструктивных элементов, множество связей между ними и множество установочных мест (позиций) на коммутационной плате причем . Указываются конфигурация монтажного пространства, ограничения на расположение отдельных элементов по установочным местам и друг относительно друга, а также на тепловой и электрический режимы платы (блока). Схема соединений элементов может задаваться графом , матрицей цепей или списком. Кроме того, задается целевая функция Q. Наиболее часто в задачах размещения минимизируется суммарная длина соединений

(1.3.8)

суммарное число внутрисхемных пересечений

(1.3.9)

а также число соединений, длина которых превышает задаваемую величину l₃,

, (1.3.10)

где l_i — расстояние между i-м и j-м установочными местами, в которых расположены соответствующие конструктивные элементы;

— расстояния превышающие l₃;

— число кратных связей (ребер графа G), соединяющих элементы в i-м и j-м установочных местах;

p(r_ij) — число пересечений ребра r_ij графа G.

При размещении элементов на плоскости расстояние определяется по приближенной формуле

или точной

где x_i , y_i— координаты i-ой установочной позиции.

Для совместного учета нескольких частных критериев при размещении элементов удобно использовать обобщенный критерий, например, вида

, (1.3.11)

где c_i — весовой коэффициент, учитывающий важность j-гo критерия.

Математически задача размещения формулируется следующим образом. Для заданных и Т требуется найти такое отображение графа схемы G на множество установочных мест Т, чтобы выполнялись необходимые ограничения и обеспечивался минимум целевой функции (1.3.8)-(1.3.10) или обобщенного критерия (1.3.11).

Трассировка является одной из самых сложных задач, встречающихся при проектировании ЭС, и заключается в соединении между собой электрических контактов (обычно, контактных площадок на ПП) электрической цепью, при этом критерий качества соединений должен достигать экстремального значения, и должны выполняться необходимые технологические ограничения.

Математически задача трассировки элементов проводящего рисунка на ПП формулируется следующим образом. На коммутационной поверхности задано координатами (х, у) множество конструктивных элементов . Выводы (контакты) этих элементов образуют некоторое множество из L связанных подмножеств, , причем каждое подмножество C_l объединяет N_l выводов конструктивных элементов из множества Z в соответствии с электрической принципиальной схемой. Кроме того, заданы расположение групп контактных площадок разъемов и монтажных отверстий, а также ряд требований, предъявляемых к топологии платы: минимальная ширина проводников и зазора между ними, размеры контактных площадок, число слоев металлизации и способы перехода с одного слоя на другой и т. п. Требуется, с учетом заданных конструкторско-технологических ограничений соединить выводы конструктивных элементов внутри каждого подмножества так, чтобы выбранный критерий качества Q печатного монтажа достигал экстремального значения.

На практике при оптимизации топологии печатного монтажа часто используют следующие критерии качества:

1) минимум суммарной длины всех соединений;

2) минимум числа пересечений проводников;

3) равномерность распределения трасс на печатной плате;

4) минимальная протяженность параллельных участков соседних трасс;

5) минимум числа изгибов проводников;

6) минимум числа переходов из слоя в слой (при проектировании многослойных печатных плат).

Каждый из перечисленных частных критериев учитывает одну из сторон качества монтажа. Во многих случаях используются обобщенные критерии на основе нескольких частных. Так как некоторые частные критерии являются противоречивыми, то при выборе обобщенного критерия следует учитывать их важность, например, с помощью весовых коэффициентов.

2 Практическая часть

В последнее время портативные вычислительные устройства на основе микроконтроллеров и микропроцессоров стали неотъемлемым атрибутом жизни. Появление миниатюрных устройств с большими вычислительными возможностями дают возможность вместо громоздких стационарных устройств применять компактные приборы с аккумуляторным питанием. Для того чтобы такие устройства работали без подзарядки как можно дольше и при этом сохраняли свою компактность, разработчики применяют множество способов по снижению энергопотребления. Способы оптимизации можно разбить на три большие группы: программные, архитектурные и схемотехнические.