книги из ГПНТБ / Преснухин, Л. Н. Цифровые вычислительные машины учебное пособие

Компоновка малых ЦВМ. Одним из основных требований, предъ­ являемых к малым настольным и бортовым ЦВМ, являются минималь­ ные габариты при сохранении надежности, удобства в эксплуатации, наладки и ремонта. Это приводит своим, специфическим правилам конструирования такого рода

ЦВМ.

Часто при разработке конст­ рукции настольной или бортовой

Рис. 8.11. Пример конструкции суб­ блока

машины инженер-разработчик имеет два исходных параметра: а) кон­ структивный состав ЦВМ (количество ячеек, модулей, блоков пита­ ния); б) требуемые габариты (или объем), в которые нужно «вписать» проектируемую ЦВМ. Важным параметром является также вес машины (особенно для систем бортового назначения), но он обеспечивается на более ранних этапах конструирования.

Настольные ЦВМ по форме выполняют в, виде прямоугольного или наклонного параллелепипеда, иногда со срезанными поверхностями. Форма бортовой ЦВМ зависит от формы контейнера, в котором разме­ щается машина. Форма контейнера может быть произвольной (прямо­ угольной, цилиндрической, шаровой и т. д.).

3 8 0

На рис. 8.12 схематически представлены два варианта конструкции настольных ЦВМ. В верхней части машины располагают (рис. 8.12, а) логические блоки 1, конструктивно оформленные в виде двух панелей с ячейками, а в нижней части — блоки питания 2, вентиляторы, пульт управления 3 и т. д. Панели могут поворачиваться вокруг вертикальной оси, что обеспечивает удобный доступ к ответным час­ тям разъемов ячеек. Кроме того, такая конструкция позволяет осу­ ществлять быструю замену вышедших из строя ячеек. Логические блоки 1 закрываются сверху полупрозрачным пластмассовым или металлическим кожухом с декоративным покрытием.

Несколько иной вариант компоновки логических блоков представ­ лен на рис. 8.12, б. Наряду с удобствами наладки, ремонта и эксплуа­ тации он обеспечивает возможность эффективного охлаждения эле­ ментов машины.

Очень удобным для наладки, ремонта и эксплуатации является «книжный» вариант конструкции машины. При этом «страницы кни­ ги» — ячейки — закрепляют на разъемах или без них на гибком «корешке», в качестве которого используют гибкую печатную плату или перфорированный резиновый лист. В первом случае электриче­ ские соединения между ячейками осуществляются печатными провод­ никами; во втором случае — монтажным проводом, продеваемым в отверстия перфораций резинового листа. Гибкий «корешок» позво­ ляет осуществлять ремонт ячеек без разборки всей конструкции (например, замену вышедших из строя микросхем и т. д.). После того как изготовление и наладка ячеек и всего узла закончились, в отверстия по углам ячеек вдевают оси и производят фиксацию ячеек. Такая конструкция узлов машины может выдержать боль­ шие линейные перегрузки, вибрации и другие механические воздей­ ствия.

Существует ряд других вариантов компоновки микроэлектронных ЦВМ, предназначенных для использования в бортовых устройствах. Некоторые из таких вариантов представлены на рис. 8.13, где 1 — ячейки с микросхемами; 2 — основания с межъячеечными связями; 3 — ограничители.

Высокой плотностью размещения микросхем обладает «створчатая» (рис. 8.13, а) и «гребенчатая» (рис. 8.13, б) конструкции, а так же конструкция с использованием гибкой печатной платы (рис. 8.13, в). Важным достоинством таких конструкций является также удобство наладки и ремонта, так как межъячеечные соединения располагаются на внешних сторонах собранных блоков. К их недостаткам следует отнести трудности, связанные с организацией теплоотвода, и необ­ ходимость использования жестких ограничителей (в вариантах, пред­ ставленных на рис. 8.13, б и в), не несущих функциональной нагрузки.

В случае, если ЦВМ предназначена для использования в цилиндри­ ческом контейнере, ячейки монтируются на полуцилиндрическом основании, внутри которого производится межъячеечный монтаж

(рис. 8.13, г).

Для ЦВМ, используемой в сферическом контейнере, основание выполняется в виде полусферы.

381

Конструирование узлов ЦВМ с повышенной плотностью размеще­ ния микроэлектронных компонентов. Основной недостаток как кор-

пусированных микросхем, так и построенных на них узлов и блоков — сравнительно большой объем вспомогательных конструктивных эле­ ментов (корпусов, выводов, элементов герметизации, теплоотвода и т. д.) не несущих функциональной нагрузки. Это приводит к непроиз­ водительно большим затратам полезного объема и веса устройства. Увеличение степени эффективного использования объема и веса микро­ электронных устройств (в том числе и ЦВМ) может быть достигнуто: а) увеличением плотности размещения микроэлектронных компонентов на поверхности подложки микросхемы. Это приводит к усложнению технологии, взаимному влйянию элементов и другим нежелательным явлениям; б) повышением степени интеграции за счет увеличения числа компонентов на подложке (известны большие интегральные схемы, содержащие 10 000 и более элементов). Это приводит к суще­ ственному снижению процента выхода годных интегральных схем, удорожанию и т. д.; в) использованием бескорпусных интегральных схем и активных компонентов (диодов, транзисторов). Этот способ экономически наиболее выгоден в настоящее время, когда процессы производства интегральных схем, содержащих до 100 элементов, доста­ точно хорошо отработаны, а переход к производству средних и боль­ ших интегральных схем связан с решением сложных технологических, экономических и организационных задач; г) применением специальных методов конструирования (как правило, связанных с использованием новых технологических приемов), позволяющих увеличить плотность размещения микроэлектронных компонентов.

К о н с т р у и р о в а н и е у з л о в Ц В М н а б е с к о р ­ п у с н ы х м и к р о с х е м а х . Элементами конструктивной иерар­ хии в этом случае будут являться: бескорпусная микросхема (а также бескорпусный диод или транзистор) -> основание плата -» блок -> -> машина.

Бескорпусная микросхема представляет собой полученную одним из методов интегральной технологии полупроводниковую или гибрид­ ную тонкоили толстопленочную схему, изготовленную на стеклянной или керамической подложке (или без нее в виде кристалла). В качестве материала подложек широко используют также ситалл — стеклокерам;ический материал, получаемый путем специальной термообработки стекла. По своим свойствам он превосходит исходное стекло, его можно прессовать, вытягивать; выдувать, прокатывать и отливать. Ситалл выдерживает резкие перепады температур в воздушной среде (+700 -----60° С) и обладает высоким электрическим сопротивлением и теплопроводностью.

Схема, нанесенная на подложку, состоит из пассивной (межсоеди­ нений, сопротивлений) и активной (диоды, транзисторы) частей. Диоды и транзисторы могут быть выполнены в виде закрепленных на подложке кристаллов. По периметру подложки располагают кон­ тактные площадки.

Готовые бескорпусные микросхемы, кристаллы диодов и транзисто­ ров монтируют на основании. Основание представляет собой срав­

38 2

нительно большую (24 X 36, 36 X 48 и др.) ситалловую пластину, на которую методами напыления наносят: проводники связи, сопро­ тивления, контактные площадки, маркировку для правильной ориен­ тации монтируемых на основание компонентов. Так как площадь

ставлено основание с закреплен­ ными на нем микросхемами и кристаллами диодных матриц и тран­

зисторов (1 — бескорпусные транзисторы и диодные сборки; 2 — бес-

1корпусная микросхема; 3 — выводы; 4 — плата основа­ ния).

При конструировании пла­ ты, на которой должны монтироваться готовые осно­ вания, необходимо осущест­ вить все межсоединения между основаниями и обес­ печить нормальный тепловой

режим работы компонентов. Изготовление платы из ситалла нецелесообразно вследст­ вие того, что потребуется пластина довольно большого размера, которая из-за своей хрупкости будет недостаточно технологичной, а плата, из­

Рис. 8,15. Пример конструкции платы готовленная фототравлением фольгированного диэлектри­ ка, не обеспечит нормальный тепловой режим вследствие низкой

теплопроводности.

На рис. 8.15 представлена конструкция платы, состоящая из ме­ таллической рамки 2 и тонкой печатной платы 3, которая при необ­ ходимости может быть многослойной. Основания 1 по плоскости закрепляют на рамке 2, чем обеспечивают теплоотвод. Межсоединения и выходные контакты выполнены на тонкой печатной плате 3. Жесткость всей конструкции обеспечивается рамкой 2. Соединение контактной

38 3

площадки основания 1 с контактом печатной платы 3 осуществляют с помощью одной или сдвоенной (для повышения надежности) проволоч­ ной перемычки 4. Внешние соединения платы могут быть обеспечены включением в ее конструкцию разъема или металлизированных отвер­ стий 5 для подпайки соединительных проводников. Если плата предназ­ начена для использования в негерметизированных блоках, то ее необ­ ходимо залить пластичным компаундом. При монтаже плат в гермети­ зированный корпус блока защита необязательна. В этом случае гер­ метизация осуществляется после полной сборки и электрической про­ верки-блока путем откачки из него воздуха и последующего заполнения блока сухим инертным газом.

При конструировании блока необходимо обеспечить максимально возможную площадь соприкосновения его корпуса с рамками плат, поскольку это улучшает теплообмен плат с окружающей блок атмо­ сферой. В случае, если такой теплообмен недостаточен и в процессе эксплуатации микросхемы и кристаллы активных элементов нагре­ ваются выше допустимой температуры, необходимо принудительное охлаждение внутренней полости блока охлажденным инертным газом, для чего в корпусе блока предусматриваются входной и выходной штуцеры.

Платы перед монтажом в корпус блока объединяют, например в «книжную» конструкцию, настраивают, скрепляют и контролируют. Пакет плат закрепляют в корпусе блока, соединяют с разъемом и только затем герметизируют. Готовые блоки монтируют в стойке ма­ шины.

Т р е х м е р н а я к о м п о н о в к а у з л о в Ц В М н а и н ­ т е г р а л ь н ы х м и к р о с х е м а х . Снижение элективного ис­ пользования физического объема машины в вышеописанных конструк­ циях связано с применением корпусированных микросхем и необхо­ димостью введения в конструкцию жестких, громоздких плат для электрического соединения между ячейками и модулями. Кроме того, необходимость такой организации схемы и конструкции ячеек и моду­ лей, чтобы входы и выходы их выполнялись на одной (для ячеек) или двух (для модуля) сторонах печатной платы, ограничивает свободу конструктивного решения и усложняет задачу размещения микросхем в плоскости печатной платы. С этой точки зрения более эффективным было бы располагать входы и выходы ячеек на четырех сторонах платы.

Рассмотрим этажерочную конструкцию блока микроэлектронной ЦВМ, в которой используют платы с входными и выходными контак­ тами на четырех сторонах (рис. 8.16, а). В состав конструкции входят основная 2 и вспомогательная 3 печатные платы. Основная печатная плата 2 служит для закрепления на ней микросхем 1 и осуществления электрических соединений между ними в плоскости X Y (возможно одно- и двустороннее размещение микросхем). Вспомогательная дву­ сторонняя печатная плата 3 с одной стороны имеет дополнительные электрические связи в плоскости X Y , а с другой — электростатиче­ ский экран. Слой экрана должен быть более толстым, чем толщина фольги на фольгированных диэлектриках (0,3 н- 0,5 мм).

38 4

Печатные проводники на обоих видах плат заканчиваются торце­ выми контактами, как это показано на рис. 8.16, б. Связи по осп Z осуществляются проводниками, которые вкладываются в углубления торцевых контактов и там опаиваются. Концы вертикальных провод­ ников 5 впаивают в отверстия базовой платы 4, которая может распо­ лагаться с одной и с двух сторон собранного блока. Базовая плата 4 обеспечивает разъемное соединение блока с другими блоками и уст­ ройствами машины с помощью печатного или штырькового разъема. Представленный на рис. 8.16, а блок имеет одну базовую плату с пе­ чатным разъемом.

Собранный и проверенный блок закрывают крышкой, при необхо­ димости герметизируют, вакуумируют (заполняют или инертным газом или эластичным компаундом) и

ваются в «этажерке» только за

такты. Поэтому диаметр провод­ ников должен быть не менее 1 мм, а по углам плат необходимо

обязательно монтировать проводники, контактирующие со всеми пла­ тами, и впаивать их в базовую плату.

Наряду с упомянутыми достоинствами этажерочная конструкция обладает недостатками, ограничивающими повсеместное ее исполь­ зование в технике ЦВМ. К этим недостаткам относят недостаточную ремонтоспособность и плохой теплоотвод. Если они несущественны для разрабатываемой машины или найдены эффективные меры умень­ шения их влияния, то из-за очевидных достоинств и простоты техно­ логии изготовления этажерочная конструкция блока ЦВМ может ока­ заться предпочтительней перед обычными плоскостными методами конструирования.

Существенно увеличить плотность размещения микроэлектронных компонентов можно за счет использования в этажерочной конструкции бескорпусных микросхем. При этом учитывая, что бескорпусные микро­ схемы имеют относительно небольшую высоту, соединения по оси Z можно осуществлять путем монтажа пружинящих золоченых контак­ тов, которые при сборке поджимаются к аналогичным контактам на

соседних платах. Для осуществления механического поджимания кон­ тактов в такой конструкции необходимо использование направляющих осей и стягивающих гаек. В качестве материала плат применяют ситалл или бериллиевую бронзу. В последнем случае проводники связи выполняют планарно-эпитаксиальным методом в виде коакси­ альных линий передачи, что существенно повышает быстродействие схем и облегчает борьбу с помехами.

§ 8.4. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ ПРИ КОНСТРУИРОВАНИИ ЦВМ И ВС

Причины возникновения помех. Надежность и достоверность работы ЦВМ в существенной степени зависят от их помехозащищен­ ности по отношению к внешним и внутренним, случайным и регуляр­ ным помехам. Помехой для вычислительного устройства является внешнее или внутреннее воздействие, приводящее к искажению дис­ кретной информации во время ее хранения, преобразования, обра­ ботки или передачи. Так как информационные сигналы в ЦВМ имеют электрическую природу, то при конструировании необходимо учиты­ вать помехи той же природы, как наиболее вероятные источники искажения информации.

Борьба с помехами приобретает большую актуальность вследствие следующих причин.

Энергетический уровень информационных сигналов имеет тен­ денцию к уменьшению (повышение частоты и снижение перепада напряжений), а энергетический уровень внешних помех непрерывно увеличивается, что обусловлено ростом энерговооруженности народ­ ного хозяйства. Так, например, вольт-секундная площадь импульсов в логических элементах ЦВМ первого поколения БЭСМ-2 составляет б -10"® В -с, в ЦВМ второго поколения УРАЛ-11 — примерно 3 -1СГ6 В -с, а в микроэлектронных элементах ЦВМ третьего поколения — только 0 ,3 -КГ® В -с. В тех узлах ЦВМ, где происходит физическое преобра­ зование информации (например, в магнитных ЗУ), приходится иметь дело с еще меньшими полезными сигналами. Так, вольт-секундная площадь сигналов, снимаемых с ферритового сердечника типа 1,ЗВТ—

— 2 X 1,4 X 0,9, будет равна 0,06-10"® В -с. Сигналы считывания ин­ формации с запоминающих элементов на магнитных пленках имеют 'площадь (0,001 -ь0,01)-10~6 В-с. Сигнал со считывающей головки накопителя на магнитных дисках составляет примерно 0,01 -10"6 В -с, а вольт-секундная площадь паразитного импульса перенапряжения, получающегося при разрыве тока в 100 мА, протекающего через индуктивность (например, реле) в 100 мкГн, составляет 10-10~®В-с. Взаимное влияние элементов вследствие уменьшения габаритов активных компонентов и линий связи между ними, а также увеличе­

ния плотности их размещения увеличивается.

Усложнение систем, в частности, увеличение числа внешних уст­ ройств, которые содержат большое количество электромеханических устройств, приводит к возрастанию уровня помех.

38 6

Помехи в цепях связи и сигнальных могут быть оценены в процессе проектирования и им следует уделять большое внимание. Характер­ ной особенностью этого вида помех является относительно малая длительность и большая интенсивность. Но отрицательную роль играют также и менее интенсивные, но более длительные помехи. Так, скачки напряжения питания на 15% длительностью всего в полпериода про­ мышленной частоты нарушают работу некоторых ЦВМ, а при возмуще­ ниях больших чем 20% и длительностью более чем шесть периодов значительная часть видов ЦВМ работает ошибочно.

Основные причины, вызывающие искажение сигналов при про­ хождении их по цепям ЦВМ, следующие: а) отражения от несогласо­ ванных нагрузок и различных неоднородностей в линиях связи; б) затухание сигналов при прохождении их по цепям последовательно соединенных элементов; в) ухудшение фронтов и задержки, возникаю­ щие при включении нагрузок с реактивными составляющими; г) за­ держки в линии, вызванные конечной скоростью распространения сигнала; д) перекрестные помехи; е) паразитная связь между элемен­ тами через цепи питания и заземления; ж) наводки от внешних электро­ магнитных полей.

Степень влияния каждого из перечисленных факторов на искаже­ ние сигналов зависит от характеристик линий связи, логических эле­ ментов и сигналов, а также конструктивного выполнения всей системы элементов и связей, т. е. ЦВМ.

Связи между элементами ЦВМ. Связи между элементами ЦВМ могут быть выполнены различными способами. Для сравнительно медленных устройств с небольшим быстродействием связи выполняют в виде печатных или навесных проводников. В устройствах с повы­ шенными скоростями работы для связей между элементами используют печатные полосковые линии, «свитые пары» (или бифиляры), «земля­ ные» пластины в качестве обратного проводника, сравнительно боль­ шого сечения шины питания.

При группировке элементов по узлам и блокам образуется большое число связей между ними, которые можно разделить на электрически «короткие» и электрически «длинные». Электрически «короткой» назы­ вают линию, время распространения сигнала в которой много меньше величины переднего фронта передаваемого по линии импульса. Сигнал, отраженный от несогласованных нагрузок в такой линии связи, достигает источника раньше, чем успеет существенно измениться входной импульс. Свойства этой линии можно описать сосредоточен­ ными параметрами. Электрически «длинная» линия характеризуется временем распространения сигнала, много большим фронта импульса. В такой линии отраженный от ее конца сигнал приходит после окон­ чания фронта импульса и исказит его форму. При расчете эти линии

«короткие». Соединения внутри субблоков, блоков, панелей, внутристоечные и межстоечпые для быстродействующих ЦВМ в основном

связей в машинах первого поколения и единицы и десятки процентов в машинах второго и третьего поколений.

При определении уровня помех, наводимых в линиях связи, нужно

емкость соседних линий, Ф; М 1}-— взаимная индуктивность соседних линий, Гн; Gij — проводимость изоляции между соседними линиями,

Ом-1;

б) для «Длинных» линий: Loi, Со;, R oh С,-у0, М ^0, Gij0 — те же пара­

метры, распределенные на единицу длины; г0 = У L0/C0 — волновое сопротивление (импеданс) линии связи, Ом.

Кроме того, при расчете помех необходимо знать длину линии связи, входное и выходное сопротивления нагруженных на линии связи элементов, а также их вход­ ную и выходную емкость. Так как логические схемы имеют нелиней­ ные входные и выходные характери­ стики, то их входное и выходное сопротивления при переключении

жащей сосредоточенные индуктивность и емкость (омическим сопро­ тивлением линии пренебрегают). Паразитную связь между двумя «короткими» линиями можно представить как связь через сосредото­ ченную взаимную емкость и взаимоиндуктивность. В зависимости от геометрических размеров сечений линий связи, их длины, диэлектри­ ческих свойств изоляционных материалов, какой-либо из ее парамет­ ров может оказывать большее воздействие на процессы передачи сиг­ нала, чем все остальные. Исходя из предположения преобладания того или иного параметра, можно определить влияние любого из них на передаваемый полезный сигнал, начертив для каждого случая экви­ валентную схему и используя тривиальные уравнения. Отметим, что собственная индуктивность и емкость «короткой» линии связи в основ­ ном влияет на задержку включения нагруженных на эту линию связи элементов.

Паразитные емкостная и индуктивная связи между «короткими» линиями передачи являются причиной возникновения помех в линииприемнике при прохождении полезного сигнала по линии-индуктору. Чем больше паразитная связь, тем больше и амплитуда наводимой помехи.

388

С о е д и н е н и е э л е м е н т о в « д л и н н ы м и » с в я з я м и . Электрически «длинная» линия связи при расчетах схем рассматри­ вается как однородная линия с распределенной емкостью С0 и индук­ тивностью L0. Переходные процессы в таких линиях связи зависят от характера перепада напряжения на входе линии UBX (t) и соотношения волнового сопротивления линии (импеданса) г0, выходного сопротив­ ления генератора импульсов zr и входного сопротивления нагруженного на конец линии элемента га (рис. 8.18, о).

Из теории длинных линий известно, что если линия с волновым сопротивлением г0 нагружена на сопротивление z„, то коэффициент

раженная от конца линии волна напряжения, достигнув ее начала, или затухает, если zc = г0, или вновь отражается, если гг Sg; г0. На рис. 8.18, б схематически представлен процесс прохождения волны напряжения в линии, для которой г0 Ф гГ и гн ф г 0.

Генератор выдает напряжение и (t). На входе линии связи это напря­

В свою очередь это напряжение, пройдя по линии связи со скоро­

389