Продолжительность: 2 часа (90 мин.)

5.1 Основные вопросы

-основные принципы конструирования ЭВМ (систем);

- понятие типовой сборочной единицы;

- принципы выделения модулей;

- конструктивная иерерхия модулей;

- геометрическая компоновка конструкций;

- формы конструктивной приемственности.

Текст лекции

5.2.1 Основные принципы конструирования ЭВМ– до 20 мин

Существуют два основных принципа конструирования ЭВМ и систем: одно- и многоуровневый.

Одноуровневый (моносхемный) принцип конструирования – вся электрическая принципиальная схема ЭВМ реализуется на одной плате (так называемая машина-плата). Выход из строя одного элемента приводит к отказу всей машины, работоспособность можно обеспечить аппаратной или информационной избыточностью. Используется для ЭВМ невысокой сложности, при массовом производстве.

Многоуровневый (модульный) принцип конструирования – конструкция ЭВМ (системы) состоит из типовых сборочных единиц, разбитых на несколько уровней.

Типовая сборочная единица (типовая конструкция, типовой элемент замены) – любой узел ЭВМ, который по конструктивному оформлению и технологии производства является самостоятельным и имеет стандартные средства электрического и механического сопряжения.

Для выделения типовых конструкций электрическую схему ЭВМ делят на отдельные части – модули, поэтому этот принцип конструирования называют модульным.

Модули могут выделяться по следующим принципам:

· схемно-узловому – общая электрическая схема делится на отдельные части с законченными параметрами входа и выхода, но не законченные функционально (применяется чаще для бортовых ЭВМ, когда важна компактность устройства);

· функционально-узловому – общая электрическая схема делится на функционально законченные части разной степени сложности;

· каскадно-узловому – электрическая схема делится на отдельные каскады, которые не могут выполнять самостоятельных функций (для сложных ЭВМ).

Многоуровневый принцип конструирования дает возможность организовать производство типовых конструкций по независимым циклам (специализация производства).

5.2.2 Конструктивная иерархия модулей – до 40 мин

Вид конструкции ЭВМ определяется количеством уровней иерархии типовых модулей и их геометрической компоновкой. Конструктивная иерархия определяется по принципу конструктивной законченности и, в общем случае, может совпадать с функциональной.

В конструкции ЭВМ можно выделить пять уровней (смотри рисунок 5.1).

На нулевом уровне иерархии находятся конструктивно неделимые элементы (т.е. конструктивные элементы, составные части которых нераздельно связаны между собой так, что все устройство рассматривается как единое целое) – интегральные микросхемы (ИМС) и электро-радиоэлементы (ЭРЭ).

Структурную схему ЭВМ любого класса и назначения строят из некоторого конечного числа ИМС, осуществляющих те или иные логические функции. В пределах одной ЭВМ одна группа ИМС может функционально отличаться от другой, но конструктивно они будут выполнены в виде определенных (унифицированных) по размерам корпусов с выводами. Таким образом, ИМС и ЭРЭ являются исходными унифицированными конструктивными элементами, унификация которых требует унификации и других конструктивных единиц ЭВМ.

На первом уровне конструктивной иерархии неделимые элементы определяются в схемные сочетания, имеющие более сложный функциональный признак, и образуют ячейки, печатные платы и т.п. К ячейкам относятся прямоугольные печатные платы, на поле которых выделяют два участка: основной (для монтажа ИМС) и вспомогательный (для монтажа остальных конструктивных элементов, разъемов, фиксаторов). Элементы первого уровня содержат единицы, десятки, сотни ИМС и ЭРЭ.

Иногда в конструктивной иерархии ЭВМ между нулевым и первым уровнем находится уровень 0.5, на котором располагаются микросборки, получающиеся путем механического и электрического объединения бескорпусных ИМС и кристаллов полупроводниковых приборов на общей плате.

На втором уровне располагаются конструктивные единицы, предназначенные для механического и электрического объединения элементов первого уровня – блоки различных видов. Конструктивное исполнение блоков весьма разнообразно, но у всех блоков обязательно присутствует монтажная панель, каркас, направляющие и элементы крепления в модуле высшего уровня. Блоки часто содержат лицевую панель. Блоки, имеющие защитные кожухи и крышки, могут эксплуатироваться как самостоятельные приборы.

Если в блоке содержится много элементов первого уровня, то они могут сначала объединяться в кассеты, а уже затем несколько кассет – в блок.

Третий уровень конструктивной иерархии ЭВМ может быть реализован в виде стойки или шкафа, внутренний объем которых заполнен элементами второго уровня.

Иногда модули второго уровня (блоки) сначала объединяются в модули уровня 2.5 – рамы, которые затем объединяются в стойки или шкафы (модули третьего уровня).

На четвертом уровне иерархии находится ЭВМ или система, включающая несколько шкафов, соединенных кабелями.

Многоуровневый метод компоновки позволяет:

· организовать производство по независимым циклам для каждого структурного уровня;

· сократить период настройки ЭВМ, т.к. может быть проведена предварительная настройка отдельных конструктивных элементов порознь;

· унифицировать стендовую аппаратуру для испытания конструктивных единиц;

· повысить надежность конструктивных единиц.

Вместе с тем, многоуровневый метод компоновки требует решения ряда задач: нахождение оптимального корпуса элементов некоторого уровня и метода их присоединения в элемент следующего уровня и т.п.

Конструкции ЭВМ различных классов существенно отличаются друг от друга как по конструктивному исполнению модулей, так и по количеству уровней иерархии.

Примером двухуровневой конструктивной иерархии может служить конструкция одноплатной управляющей микро-ЭВМ, встраиваемой непосредственно в объект управления. В такой конструкции ИМС и ЭРЭ (уровень 0) устанавливаются на печатную плату (уровень 1) с внешними разъемами, элементами крепления ее в объекте управления и, при необходимости, элементами индикации. Большая многопроцессорная ЭВМ со сложной структурой требует использования четырех-пяти, а иногда и более уровней конструктивной иерархии.

5.2.3 Геометрическая компоновка конструкций – до 15 мин

Под геометрической компоновкой подразумевают выбор формы, размеров, взаимного расположения типовых конструкций и способа их перемещения относительно друг друга.

Цель геометрической компоновки – обеспечение технических характеристик ЭВМ, а также эксплуатационных и конструктивно-технологических требований. Основная техническая характеристика ЭВМ, которая должна быть обеспечена – заданное быстродействие.

Потери быстродействия могут быть связаны с задержками сигналов в линиях связи, поэтому для снижения потерь стремятся к минимизации следующих величин: суммарного расстояния между всеми взаимосвязанными элементами, длины линии связи и расстояния между наиболее удаленными точками. Теоретически этим условиям удовлетворяет такая геометрическая форма, как шар (в плоском случае – круг). Шар обеспечивает минимум внешних элементов и их равноудаленность от центра, однако он не удовлетворяет эксплуатационным и конструктивно-технологическим требованиям, так как не обеспечивает плотности упаковки.

В связи с этим типовые конструкции в большинстве случаев разрабатывают прямоугольной формы. Если объем, занимаемый типовой конструкцией, критичен (например, для бортовых ЭВМ), то применяют шаровые, полусферические или цилиндрические формы (рисунок 5.2).

Рисунок 5.2 – Компоновочные схемы блоков.

а) в виде параллелепипеда, б) в виде цилиндра; в) в виде сферы;

1 – печатные платы, 2 – монтажная панель.

Геометрическая компоновка конструкций должна также обеспечивать удобство монтажа и замены типовых элементов. Для удобства доступа к типовым элементам используют следующие способы их перемещения относительно друг друга: разворот (веерная конструкция), раскрытие (книжная конструкция), выдвигание и откидывание (рисунок 5.3).

Рисунок 5.3 – Блок книжной конструкции.

1 – несущая конструкция блока, 2 – печатная плата.

5.2.4 Конструктивная преемственность – до 15 мин

Конструктивной преемственностью называется применение в разрабатываемой ЭВМ деталей и сборочных единиц, уже освоенных в промышленности. Также к конструктивной преемственности относится установление для значений различных параметров (размеров и т.п.) предпочтительных рядов чисел. Система предпочтительных чисел создает ограничения при конструировании ЭВМ, так как полученные в результате расчетов значения параметров не принимаются «как есть», а округляются до ближайшего числа, предпочтительного с конструкторской или технологической точки зрения.

В то же время, использование конструктивной преемственности позволяет избежать затрат на разработку, освоение и изготовление ряда деталей, блоков и т.п., что дает большой экономический эффект.

Чем выше уровень преемственности ЭВМ, тем легче ее разработать и освоить в производстве.

Для конструирования преемственность обеспечивает переход от конструирования по принципу «все заново» к конструированию на основе синтеза из готовых типовых изделий.

Для технологии преемственность является предпосылкой применения методов серийного и массового производства к малым масштабам выпуска ЭВМ. Полное обновление конструкции и всей материальной оснастки технологических процессов оправдано только в случае замены устаревшей конструкции принципиально новой.

Формами конструктивной преемственности являются: унификация, нормализация и стандартизация.

Унификация – процесс уменьшения числа конструкций, предназначенных для выполнения одних и тех же или сходных по характеру функций. Унификации могут подвергаться как структурные части конструкции ЭВМ, так и материалы. Однако, унификация может охватывать конструкции только данного изделий или небольшой группы изделий одинакового или близкого по характеру назначения.

Унификация типовых конструкций ЭВМ и систем идет по двум направлениям – конструктивно-технологическому и схемному.

Нормализация – ограничение разнообразия конструкций, предписываемое конструктору данного предприятия или отрасли промышленности.

Требования нормализации состоят в применении уже разработанных (а в ряде случаев – уже выпускающихся) деталей, сборочных единиц и блоков; в ограничении номенклатуры (для данного предприятия или отрасли) материалов, полуфабрикатов и типовых изделий.

Стандартизация – метод обязательного ограничения разнообразия и регламентирования единства качественных показателей промышленной продукции, классификации, терминологии, кодирования, технических требований, методов испытаний, требований к упаковке, транспортировке и т.п.

Стандартизация устанавливает обязательные нормы на параметры изделий или производственный процесс, обеспечивает однородность, взаимозаменяемость и снижает трудоемкость производства.

В соответствии с единой государственной системой стандартизации в промышленности действуют стандарты трех категорий: государственные стандарты (ГОСТ); отраслевые стандарты (ОСТ) для изделий, инифицированных в отрасли; стандарты предприятий (СТП) для изделий, унифицированных на предприятии. Кроме государственных стандартов существуют еще и международные стандарты.