Показатели конструкции ЭВМ и систем

2.1. Показатели конструкции ЭВМ и систем

Конструкция ЭВМ любого назначения характеризуется показателями, отражающими ее потребительские качества.

К таким показателям относятся:

1. Сложность конструкции ЭВМ:

N_Э – число элементов, составляющих ЭВМ;

M_С - число соединений;

Это выражение показывает связь между числом составляющих элементов ЭВМ (микросхем, полупроводниковых приборов, пассивных компонентов, элементов коммуникаций) и числом разъемных и неразъемных соединений между ними, что определяет массу, габаритные размеры, надежность и др. общие параметры.

2. Число элементов, составляющих ЭВМ:
, (2.2)
где: N_y , k_n , n_{i j} – число устройств ЭВМ, типов элементов, элементов i-го типа, входящих в j-е устройство.

3. Объем ЭВМ:

V_MC – объем соединений, дм³;

V_H – объем несущей конструкции, обеспечивающей прочность и защиту, дм³;

V_УТ – объем теплоотводящего устройства, дм³;

4. Коэффициент интеграции:
(2.4)
- характеризует степень использования физического объема ЭВМ элементами, несущими полезную функциональную нагрузку. Это коэффициент использования физического объема (q_H всегда ≤ 1 – в случае применения однокристальной ЭВМ).

5. Общая масса ЭВМ – определяется суммой всех входящих в ЭВМ устройств:

где: m_N – масса всех ИС, входящих в ЭВМ;

m_MC – масса всех соединений;

m_H – масса несущей конструкции;

m_УТ – масса теплоотводящих устройств;

6. 
   Общая мощность потребления ЭВМ:
   

В цифровых ЭВМ мощность потребления зависит от средней мощности потребления ИС. 80-90% мощности потребления рассеивается в виде теплоты и определяет тепловой режим ЭВМ и соответствующие перегревы элементов конструкции.

7. Общая площадь, занимаемая ЭВМ:
, (2.7)
где: Si – площадь, требуемая для эксплуатации i–го устройства ЭВМ, м²;

Ny – число устройств, составляющих ЭВМ;

8. Собственная частота колебаний конструкции:

где: – коэффициент жесткости конструкции;

9. Степень герметичности конструкции:

Определяется истечением газа из определенного объема блока за известный отрезок времени.

10. Вероятность безотказной работы ЭВМ – параметр, определяющий надежность ЭВМ.

3. Элементная и конструктивно-технологическая

базы ЭВМ и систем

3.1. Основные уровни конструкции ЭВМ

Конструкция ЭВМ - это некоторое структурное образование, составные части которого находятся в иерархической соподчиненности. Исходным конструктивным элементом этой иерархии, является микросхема. Это мельчайшая неделимая структура, или основная ячейка, или кирпичик для построения всего “здания”, а именно ЭВМ.

Структура ЭВМ любого класса и назначения состоит из некоторого числа микросхем, осуществляющих некоторые логические функции. Функционально одна группа микросхем отличается от другой, но конструктивно они похожи, т.к. они выполнены в виде определенного по размерам и конфигурации корпуса с выводами. Применение микросхем с различными корпусами в пределах одного устройства ЭВМ нецелесообразно, т.к. потребуется их совместимость по электрическим, эксплуатационным и конструктивным параметрам.

Микросхема является исходным унифицированным конструктивным элементом, унификация которого требует унификации других элементов и единиц ЭВМ, т.к. только в этом случае она будет технологичной в производстве, надёжной в работе, и удобной в наладке, ремонте и эксплуатации.

В конструкции ЭВМ можно выделить пять уровней:

Уровень 0 - конструктивно неделимый элемент – интегральная микросхема.

Уровень 1 - на этом уровне неделимые элементы объединяются в схемные сочетания, имеющие более сложный функциональный признак, образуя ячейки, модули и типовые элементы замены (ТЭЗ). Эти элементы не имеют лицевой панели и содержат единицы, десятки и сотни микросхем.

Уровень 2 - на этом уровне конструктивные единицы уровня 1 объединяются электрически и механически. Это панель, субблок, блок. Часто конструктивные единицы уровня 2 содержат лицевую панель, не имеющую самостоятельного применения.

Уровень 3 - может быть реализован в виде стойки, шкафа, внутренний объем которого заполняется конструктивными единицами уровня 2.

Уровень 4 - это ЭВМ или система, включающая в свой состав несколько стоек (шкафов), соединенных кабелем.

Такой пятиуровневый метод компоновки требует решения ряда задач, связанных с выбором оптимального корпуса микросхемы и метода присоединения их выводов к внутренним соединениям уровня 1, выбора оптимального конструктива уровня 1 для числа входящих в неё микросхем; определение мер для теплоотвода и выбора соединений.

Такое разделение конструкции ЭВМ на уровни позволяет:

- организовать производство по независимым циклам для каждого структурного блока;

- автоматизировать процессы сборки и монтажа;

- сократить период настройки, т.к. может производиться настройка отдельных конструктивных единиц порознь;

- автоматизировать решение задач размещения элементов и трассировки межсоединений;

- унифицировать стендовую аппаратуру для испытания конструктивных единиц;

- повысить надежность конструктивных единиц.

Число уровней конструктивной иерархии может быть изменено как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения в зависимости от класса ЭВМ и уровня технологии её изготовления. Например, реализация конструктивных единиц в виде БИС позволит исключить использование конструктивных единиц уровня 1.

Для всех типов машин: больших, средних, малых, настольных и бортовых ЭВМ, уровень 0 включает в себя интегральные микросхемы (корпусные и бескорпусные).
П
ример уровня 0 – микросхема:

Уровень 1 – это ячейка (ТЭЗ – типовой элемент замены):

Уровень 3 – стойка;

Уровень 4 – это ЭВМ – несколько шкафов, объединенных электрически с помощью кабелей.

Уровень 1 – это ТЭЗ – конструктивно-законченная единица.

По технологии производства она независима. При разработке ЭВМ число разрабатываемых ТЭЗ стремится к минимуму. Это достигается разбиением функциональной схемы машины на отдельные повторяющиеся участки. Чисто внешне ТЭЗ – это печатная плата с разъемом (печатным или штыревым) и ручкой. ТЭЗ объединяет несколько десятков микросхем.

Обычно ячейки монтируют в панели. Панель – металлическая конструкция, имеющая в своем составе ответные части разъема для ячеек, ответный монтаж, разводку питания и шины заземления.

Недостаток конструкций, применяемых в качестве ТЭЗ (ячейки с постоянными габаритными размерами) - наличие неиспользованного объема, т.к. не все типы ячеек оказываются насыщенными микросхемами и радиоэлементами.

Модуль, как и ТЭЗ - прямоугольная печатная плата, на которой с одной или с обеих сторон в 2-3 ряда располагаются микросхемы.

Закрепление модуля в субблоке осуществляют с помощью штырей, расположенных перпендикулярно плоскости платы. Как правило, контактные штыри располагаются вдоль его длинных сторон.

Итак, в соответствии с рассмотренными уровнями построения ЭВМ можно выявить следующую иерархию:

микросхема ячейка панель стойка ЭВМ (система)

Промежуточное положение между панелью и стойкой занимает субблок – это плоская конструкция, которая служит для объединения модулей и имеет в своём составе: раму, базовую плату, разъём и механизм фиксации в стойке (шкафу). И естественно, что стойка состоит из нескольких субблоков без всяких промежуточных конструктивных единиц.

Мы можем сказать, что чем меньше ЭВМ, тем проще ее конструкция. Для таких небольших ЭВМ их иерархия выглядит следующим образом:

микросхема ячейка блок стойка (ЭВМ)

Для небольших настольных ЭВМ и бортовых ЭВМ необходимость в использовании конструктивных единиц уровня субблоков и стоек отпадает. В этих случаях ЭВМ монтируют непосредственно из ячеек.