总体架构

系统概述

RustSim是一个高性能的SPICE电路仿真器，采用模块化设计架构。系统由6个核心模块组成，每个模块负责特定的功能，通过清晰的接口进行协作。

系统架构图

模块关系和数据流

1. CLI模块 (cli.rs)

功能: 命令行接口和参数处理

• 解析命令行参数
• 验证输入文件
• 配置仿真参数
• 调用其他模块

2. 解析器模块 (parser.rs)

功能: SPICE网表文件解析

• 读取和解析.sp文件
• 提取电路元件信息
• 解析分析指令
• 错误处理和恢复

3. 电路模块 (circuit.rs)

功能: 电路表示和元件建模

• 电路拓扑结构管理
• 元件类型定义和分类
• 节点和连接关系
• 电路验证

4. MNA模块 (mna.rs)

功能: 改进节点分析系统组装

• 构建线性方程组
• 处理各种元件类型
• 矩阵组装和更新
• 稀疏矩阵优化

5. 求解器模块 (solver.rs)

功能: 线性系统求解

• 多种求解算法实现
• 自动求解器选择
• 收敛性检查
• 性能优化

6. 仿真器模块 (simulator.rs)

功能: 仿真控制和编排

• 协调各模块工作
• 实现不同分析类型
• 收敛性管理
• 结果收集

7. 输出模块 (output.rs)

功能: 结果导出和统计分析

• 多格式数据导出
• 信号统计分析
• 可视化脚本生成
• 性能报告

核心数据结构

电路表示

pub struct Circuit {
    pub title: String,
    pub nodes: Vec<Node>,
    pub components: Vec<Component>,
    pub node_map: HashMap<String, usize>,
    pub ground_node: Option<usize>,
}

MNA系统

pub struct MnaSystem {
    pub matrix: DMatrix<f64>,
    pub rhs: DVector<f64>,
    pub unknowns: DVector<f64>,
    pub node_map: HashMap<usize, usize>,
    pub voltage_source_map: HashMap<String, usize>,
    pub size: usize,
    pub num_nodes: usize,
    pub num_voltage_sources: usize,
}

仿真结果

pub struct SimulationResult {
    pub analysis_type: AnalysisType,
    pub time_points: Vec<f64>,
    pub node_voltages: HashMap<String, Vec<f64>>,
    pub currents: HashMap<String, Vec<f64>>,
    pub convergence_info: Vec<ConvergenceInfo>,
    pub total_time: f64,
    pub success: bool,
}

数据流分析

1. 输入处理流程

SPICE文件 → 解析器 → 电路对象 → 验证

2. 仿真执行流程

电路对象 → MNA系统 → 求解器 → 结果 → 输出处理

3. 瞬态分析流程

初始条件 → 时间步进 → 矩阵更新 → 求解 → 收敛检查 → 下一步

性能优化策略

1. 内存管理

• 使用Rust的所有权系统避免内存泄漏
• 稀疏矩阵存储减少内存占用
• 智能指针管理大型数据结构

2. 计算优化

• 稀疏矩阵运算优化
• 并行计算准备（未来扩展）
• 缓存友好的数据访问模式

3. 算法优化

• 自动求解器选择
• 自适应时间步长
• 收敛性加速技术

扩展性设计

1. 模块化接口

每个模块都定义了清晰的接口，便于独立开发和测试。

2. 插件化架构

支持新元件类型和分析方法的扩展。

3. 配置化设计

通过配置文件支持不同的仿真参数和算法选择。

错误处理策略

1. 分层错误处理

• 解析层：语法错误和格式错误
• 电路层：拓扑错误和参数错误
• 数值层：收敛错误和数值稳定性错误

2. 错误恢复机制

• 自动重试机制
• 降级策略
• 详细错误报告

总结

RustSim的模块化架构设计确保了系统的可维护性、可扩展性和高性能。每个模块都有明确的职责，通过标准化的接口进行协作，形成了一个完整的电路仿真系统。这种设计不仅便于开发和调试，也为未来的功能扩展奠定了坚实的基础。