книги из ГПНТБ / Штейн М.Е. Методы машинного проектирования цифровой аппаратуры

Вторым важным направлением усовершенствования средств математического обеспечения было развитие так называемых операционных систем и сервисных про­ грамм, предназначенных для уменьшения трудоемкости подготовки и решения задач и освобождения программи­ ста от некоторых второстепенных операций «рутинного» характера. К ним прежде всего относятся программы отладки, контроля, формирования архивов программ в накопителях и программ, обеспечивающих автомати­ ческую организацию исполнения различных необходи­ мых для решаемой задачи режимов. Такие системы про­ грамм объединяют в единую исполнительную систему, управляемую специальной программой-диспетчером (на­ зываемой также монитором или супервизором). В эти же системы входят программы тестирования устройств (диагностические, обнаруживающие и локализующие тесты и т. п.), облегчающие эксплуатацию машин.

Элементную базу, главным образом обусловившую появление машин третьего поколения, создала микро­ электроника, т. е. методы и технология производства интегральных схем (ИС) [4]. ИС в зависимости от числа

20

Адрес слова, записываемого в ЗУ

Основное зу

г^ Команды

В)

логических элементов в них делят на обычные (несколь­ ко элементов), средние (до нескольких десятков эле­ ментов) и большие — БИС (до нескольких сотен или даже тысяч элементов). В качестве таких логических

21

элементов обычно используют схемы И, ИЛИ, НЕ, ТРИГГЕР, универсальные элементы НЕ—И, НЕ — ИЛИ и т. п.; эти схемы состоят из транзисторов, диодов, пас­ сивных элементов и проводников, нанесенных методами микросхемной технологии на общую изолирующую под­ ложку. В известных машинах третьего поколения при­ меняются в основном обычные и средние ИС.

монолитные или твердые ИС. Быстродействие ИС в ма­ шинах третьего поколения колеблется в пределах от не­ скольких единиц до нескольких сот наносекунд. Обыч­ ные ИС содержат в одном корпусе несколько названных логических элементов, средние ИС реализуют, как пра­ вило, более сложные функциональные узлы: регистры, сумматоры, дешифраторы и т. п.

Изготавливаются ИС методами массового производ­ ства, использующими сложные и дорогие технологиче­ ские процессы и прецизионное оборудование, что обес­ печивает весьма высокое качество и надежность готовых ИС. Вместе с тем именно массовое производство приво­ дит к непрерывному уменьшению стоимости ИС, отне­ сенной к одному логическому элементу. Кроме того, уменьшение стоимости происходит и в результате при­ менения машинных методов проектирования и производ­ ства ИС и использования на этих этапах средств вычи­ слительной техники [3].

Увеличение уровня интеграции позволило реализо­ вать в машинах третьего поколения существенно более сложные структурные решения и повысить надежность за счет увеличения надежности самих ИС, а также за счет уменьшения количества разъемных, паяных, свар ных и т. п. соединений.

Устройства, применяемые в машинах третьего поко­ ления, стали более быстродействующими, надежными и относительно более дешевыми; появились также устрой' ства новых типов и принципов действия.

Отличительными особенностями арифметических устройств (АУ) стали реализация в одном устройств!'

с двойной точностью. Такое усложнение функций, вы­ полняемых АУ, привело ко все более частому использо-

22

ванию для него названия «устройство обработки дан­

ют большой диапазон емкостей, скоростей и стоимости. Оперативные ЗУ (ОЗУ) большей частью выполнены на ферритовых сердечниках. Изготовляемые обычно в виде модулей (например, на 4096 слов), такие ОЗУ имеют время цикла до 0,5 мкс и используют сердечники с диа­ метром около 0,5 мм. Общая емкость ОЗУ может до­

сокое быстродействие сделает их в ближайшее время серьезными соперниками последних. Начато промыш­ ленное производство и использование оперативных и сверхоперативных ЗУ на БИСах. Такие ЗУ имеют очень высокое быстродействие (до 10—25 не), легко сопряга­ ются с остальными устройствами машины по сигналам и конструктивно, так как они выполнены из тех же полу­ проводниковых элементов, что и логические узлы ма­ шины.

Предполагают, что при повышении процента выхода годных элементов и улучшении технологии их производ­

баны (емкость до нескольких миллионов слов, время вы­ борки— несколько миллисекунд), магнитные диски или

ленты. Обмен информацией между различными ЗУ орга­

23

нее, когда машины выходили из строя достаточно часто,

нах с интегральными элементами отказы происходят настолько редко, что каждый из них практически являет­ ся новым. Поэтому для их устранения необходимы со­ вершенные обнаруживающие и локализующие тесты, разработка которых без использования ЦВМ практиче­ ски невозможна.

Вторая связана с испытаниями элементов на надеж­

в сравнении с нормальными режимы работы, а также «сжатие» времени с помощью моделирования процессов старения элементов на ЦВМ.

В машинах третьего поколения широко применяется защита от случайных сбоев и методы контроля за ходом вычислений, предусматривающие автоматическое повто­ рение этапа вычислений, на котором зафиксирован сбой; используются также программы, автоматически подклю­

чающие исправные устройства взамен отказавших. Итак, характеризуя в целом современную вычисли­

тельную технику, можно сказать, что она отличается преобладающим использованием интегральных схем, значительно возросшим объемом оборудования и слож­ ностью структурных схем вычислительных машин и си­ стем, высокой надежностью их функционирования.

1.2.Конструкции и технология производства современной цифровой аппаратуры

ЛПрименение ИС в цифровой аппаратуре создало ряд серьезных проблем в разработке конструкций и техноло­

24

уменьшения стоимости приводят к использованию мето­

пает в конфликт с уменьшающейся функционально-логи­ ческой унификацией, вызванной увеличением уровня интеграции аппаратуры. На решение названных проб­ лем и направлена прежде всего разработка современ­ ных конструкций и технологических методов производ­ ства цифровой аппаратуры.

В основе конструкций машин третьего поколения ле­ жит модульный принцип [5, 6] их построения, оптималь­ ным образом удовлетворяющий многим противоречивым требованиям. Этот принцип предусматривает иерархи­ ческое построение вычислительной машины или системы из компонентов (модулей, разбитых на несколько конст­ руктивных уровней), причем модули одного уровня бо­ лее или менее полностью унифицированы конструктивно (размеры, способы крепления, защита от внешних воз­ действий, охлаждение, помехоустойчивость и т. п.), по способам выполнения разъемных и неразъемных элек­ трических и механических соединений, по технологии изготовления и технологическому оборудованию, стендо­ вой и прочей вспомогательной аппаратуре и другим по­ казателям, определяющим производительность, надеж­ ность и стоимость проектирования, изготовления и на­ ладки ЦВМ. Наибольшее распространение в машинах третьего поколения получила следующая иерархия мо­ дулей.

Уровень 1. Модуль наименьших конструктивных раз­ меров, который могут использовать разработчики схем цифровых устройств. Такой модуль содержит обычно в герметизированном корпусе до нескольких логических элементов типа И, ИЛИ, НЕ и т. п., выполненных ме­ тодами микросхемной технологии на общей изолирую­ щей подложке. Используется преимущественно как со­ ставная часть модуля следующего уровня.

сменным элементом устройства. Наиболее употребитель­ ны названия — ячейка, карта, субблок, ТЭЗ (типовой элемент замены).

25

Уровень 3. Модуль, объединяющий до нескольких де­ сятков ТЭЗов и реализующий иногда целое устройство (например, АУ с фиксированной запятой и т. п.). Мо- дуль-3 называют панелью, блоком, кассетой.

Уровень 4. Модуль, включающий несколько моду- лей-3. Может содержать целую машину или большое устройство в вычислительной системе. Модуль-4 назы­ вают шкафом, стойкой, рамой. Как модуль в полном смысле этого слова, т. е. как конструктивно-унифициро­ ванная единица, применяется в больших машинах или вычислительных системах.

Примеры конструктивных реализаций модулей раз­ личных уровней приведены на рис. 1.2.1 и 1.2.2.

Как уже указывалось, конструкция машины считает­ ся оптимальной, если она удовлетворяет заданным усло­ виям работы аппаратуры, основные ее параметры для модулей каждого уровня разумно унифицированы, моду­ ли различных уровней сопрягаются легко и просто, тех­ нология производства обеспечивает его высокую произ­ водительность и низкую стоимость аппаратуры.

Унификация конструктивных параметров модулей одного уровня выражается, например, в одинаковых размерах и форме модулей (в крайнем случае исполь­ зуется 2—3 типоразмера, как правило, кратных одному из них), в использовании однотипных элементов и спо­ собов крепления, единой методики защиты от воздейст­ вий окружающей среды, общих способов охлаждения, однотипных разъемов, печатных плат и т. п. элементов межсоединений, унифицированного технологического, стендового и прочего вспомогательного оборудования.

Способы выполнения электрических соединений все­ гда играли в конструкциях цифровых устройств важную роль. В современной цифровой аппаратуре все более широкое распространение находит печатный монтаж (преимущественно двух- и многослойный). Он приме­ няется для реализации электрических соединений в мо­ дулях первого (видоизмененный для методов микро­ схемной технологии), второго и третьего уровней. В ряде случаев для соединений в модулях третьего и практиче­ ски везде в модулях четвертого уровня применяется проводной монтаж и специальные кабели.

В аппаратуре с проводным монтажом наиболее рас­ пространены следующие способы выполнения соеди­ нений.

26

Рис. 1.2.2. Конструкции модулей различных уровней:

а —плоская; б — объемная; в — конструкция шкафа.

Простейшим является монтаж «внавал». В этом слу­ чае провода прокладываются по прямым, соединяющим выходные контакты плат (субблоков) или блоков. Этот впособ отличается простотой и довольно высокой поме­ хоустойчивостью.

При жгутовом монтаже провода прокладываются в специальных каналах между разъемами плат (суб­ блоков) или блоков, образуя так называемые жгуты. Способ также простой, позволяет ввести разделение тех­ нологических операций подготовки жгутов и пайки. Не

товом монтаже используются экранированные и другие специальные кабели.

В струнном монтаже провода протягиваются в спе­ циальных перфорированных направляющих подобно струнам музыкальных инструментов. Такой способ мон­ тажа отличается высокой помехоустойчивостью, но является довольно трудоемким.

Часто в аппаратуре используется переходной к пе­ чатному тип монтажа — печатные кабели. В этом случае на плоскую изолирующую подложку методами печат­ ного монтажа наносятся проводники. Используются так­ же плоские и тканые кабели. Плоский кабель представ­ ляет собой несколько электрических проводников, за­ прессованных в общую изолирующую ленту; тканый ка­ бель похож на плоский, только провода вплетены в тка­ ную из изолирующих нитей ленту. Все названные типы монтажа применяются в аппаратуре с частотой сигналов не более 1—2 МГц.

В более высокочастотной аппаратуре применяются высокочастотные кабели и длинные линии (проводные и плоские).

Печатный монтаж отличается надежностью, весьма высокой плотностью межсоединений и приспособленно­ стью к массовому и автоматизированному производству. Кроме того, яри массовом производстве он оказывается наименее трудоемким и наиболее дешевым способом выполнения межсоединений. В модулях первого и вто­ рого уровня с небольшим и средним числом элементов чаще всего применяется двухслойный печатный монтаж; в ТЭЗах, содержащих более 50 модулей-1, и в модулях-3, как правило, применяется многослойный печатный мон­ таж [5].

28

Многослойная печатная плата представляет собой склеенные чередующиеся слои проводящего и изолирую­ щего материала, причем на проводящих слоях электро­ химическим или механическим способом образован тре­ буемый рисунок электрических проводников. Соедине­ ния проводников, расположенных в различных слоях, осуществляются через соответствующие отверстия в изо­ лирующих слоях. Методы проектирования и изготовле­ ния многослойных печатных плат в основном и различа­ ются по способам выполнения межслойных соединений. Надежность плат также определяется преимущественно надежностью последних. По способам выполнения со­ единений различают следующие методы изготовления многослойных печатных плат:

—метод открытых контактных площадок;

—метод сквозной металлизации отверстий;

—метод послойного наращивания.

Названные методы отличаются друг от друга допу­ стимой плотностью электрических соединений, техноло­ гическими приемами и трудоемкостью проектирования и изготовления; поэтому их применение зависит от осо­ бенностей схем, конструкций и производственно-техно­

тых контактных площадок, изолирующие слои имеют от­ верстия над контактными площадками нижерасположен­ ных проводящих слоев, причем размеры отверстий пре­ вышают размеры контактных площадок, так что послед­ ние остаются открытыми и к ним можно припаивать контакты модулей непосредственно сверху. Этот метод изготовления многослойных печатных плат отличается простотой, высокой надежностью соединения контактов модулей с печатными проводниками и сравнительно не­ большой точностью нанесения рисунка печатных провод­ ников и контактных площадок (при небольшом числе слоев и невысокой плотности монтажа).

На рис. 1.2.3 изображена печатная плата, изготовлен­ ная методом открытых контактных площадок.

Известна модификация этого метода, называемая методом выступающих выводов. Соответствующая пла­ та изображена на рис. 1.2.4.

При высокой плотности печатных проводников и уве­ личении числа слоев обнаруживаются существенные не-

29