1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕССА КОНСТРУИРОВАНИЯ ЭВМ

1. ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Современное состояние разработки и производства средств ВТ характеризуется повышением функциональной сложности, уровня интеграции, быстродействия и тепловыделения элементной базы, что, естественно, приводит к увеличению сложности конструкции и повышению требований к их производству, эффективности работы и т.д. Налицо тенденция усиления взаимосвязи решений схемотехнических вопросов проектирования и конструкторско-технологических. Появился термин «электронное проектирование», отражающий данную взаимосвязь и подчеркивающий, что конструкцию узлов и устройств ЭВМ в процессе развития элементной базы и повышения сложности изделий стали определять не только механические, технологические и надежностные параметры ЭВМ, но и электронные. На первый план выходят задачи обеспечения быстродействия, помехоустойчивости, электромагнитной и тепловой совместимости, технологичности, стоимости, поэтому основополагающим в современных разработках является принцип системного подхода.

Рассмотрим основные термины и определения. Человечество характеризуется ростом своих потребностей и использованием для их удовлетворения орудий производства – изделий, под которыми понимаются машины, оборудование, устройства и т.д. рост потребностей обуславливает производство все новых изделий, определяющих связь человека с человеком и окружающей средой, в том числе ЭВМ. В свою очередь изделия влияют на жизнь человека.

Жизненный цикл изделия

ПРОЕКТИРОВАНИЕ --- ИЗГОТОВЛЕНИЕ --- ЭКСЛУАТАЦИЯ --- УТИЛИЗАЦИЯ--- ПОТРЕБНОСТЬ ---ПРОЕКТИРОВАНИЕ и т.д.

Основу проектирования составляет формальное описание потребности.

Проектирование-разработка основных показателей того изделия, для которого оно производится и путей их практической реализации.

В результате проектирования реализуется КОНСТРУКЦИЯ – искусственно создаваемая человеком совокупность тел и веществ, имеющая законченные формы, характеризующаяся определенными параметрами и предназначенная для выполнения необходимых функций в заданных условиях.

Конструкция – понятие, всегда связанное с активной деятельностью человека. Говорят о конструкции ЭВМ, но не говорят о конструкции камня.

Конструкция определяется свойствами и параметрами изделия. Основные свойства конструкции зависят от взаимосвязи составных частей изделия, от связи изделия с окружающей средой и человеком.

Свойства и параметры конструкции постоянно изменяются и определяют существенные воздействия на конструкцию.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ- запись конструкции с установлением размеров, форм, обработок и др. параметров в конструкторской документации.

Независимо от вида записи конструкция, переданная для изготовления на производство, характеризует свойства, структуру и состав будущего изделия.

ТЕХНОЛОГИЯ – совокупность производственных процессов и документов на изготовление изделия, а также научные описания способов производства. Технология производства базируется на способах изменения физико-химических свойств, формы, размеров, структуры и состава исходных материалов. При выполнении ряда технологических обработок получают готовое изделие.

Любое производство имеет свои особенности, которые представляют возможности выполнения норм, заданных в ТД, разработанной при проектировании. Чтобы производство было экономичным, его результаты давали высокие количественные и качественные показатели изделия, нужно, чтобы Конструкции была технологичной, т.е. изготавливалась с минимальными затратами материалов, энергии и труда. Поэтому существенна связь конструкции с производственным процессом, приводящая к влиянию на технологические свойства и параметры изделия.

Износ, моральное старение, и др. факторы, проявляющиеся при эксплуатации и хранении изделий, приводят к необходимости утилизации.

Итак, этапы рождения, жизни, смерти изделия взаимосвязаны, поэтому решение задач по их оптимальному конструированию и производству взаимосвязаны. Такой подход к проектированию называется системным.

Напомню, под ЭВМ обычно понимают совокупность ЭВС, соединенных необходимым способом, способных получать, запоминать, преобразовывать и выдавать информацию с помощью логических и вычислительных операций по определенному алгоритму или программе.

1. 2. Конструкция эвм. Показатели конструкции

Конструкция ЭВМ – изделие, представляющее собой систему различных по природе деталей с разными физическими свойствами и формами, определенным образом объединенных между собой механически и электрически, способную выполнять назначенные функции с необходимой точностью и надежностью в условиях внешних воздействий.

Большое разнообразие конструкций на рынке требует знание показателей, по которым можно было бы сравнить разрабатываемую модель с уже существующими.

Конструкция ЭВМ может быть охарактеризована показателями, отражающими их потребительские свойства. К таким показателям относятся:

1. Сложность конструкции ЭВМ:

С_ЭВМ=k1(k2N_Э+k3M_C)

где N_Э  - число элементов, составляющих ЭВМ; k 1 - масштабный коэффициент; k 2, k3 - весовые коэффициенты; M_C  - число соединений.

Выражение связывает число элементов (микpосхем, полупроводниковых приборов, пассивных элементов, элементов коммуникации) с числом разъемных и неразъемных соединений, что определяет габаритные размеры, надежность, другие параметры ЭВМ.

2. Число элементов N_Э :

где Ny, kn , nij - число устройств в ЭВМ, типов элементов, элементов i- того типа, входящих в j-e устройство.

3. Объем ЭВМ:

V = V_N + V_Mc  + Vн + Vут,

где V_N - общий объем всех ИС,дм³; V_Mc - объем соединений,дм³ ; Vн - объем несущей конструкции, обеспечивающей прочность и защиту ЭВМ, дм³ ; Vут  - объем теплоотводящего устройства, дм³ .

4. Коэффициент интеграции или коэффициент использования физического объёма:

qн = V_N/V.

qн всегда меньше 1 или pавен 1 в случае применения однокристальной микро-ЭВМ.

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

m = m_N + m_Mc  + m_н + m_ут,

где m_N - масса всех микросхем; m_Mc - масса всх соединений; m_н - масса несущей конструкции; m_ут - масса теплоотводящей конструкции.

6. Общая мощность потребления ЭВМ:

где Pi - мощность потребления i-го устройства.

7. Общая площадь, занимаемая ЭВМ:

где Qi - площадь, занимаемая i-ым устройством, м2; Ny - число устройств, составляющих ЭВМ.

8. Собственная частота колебаний конструкции:

где kж - коэффициент жесткости конструкции; m - масса конструкции, кг.

9. Веpоятность безотказной pаботы:

где  _i  - интенсивность отказов компонентов; t - вpемя pаботы ЭВМ; n - число компонентов.

Важнейшим условием при конструировании и производстве ЭВМ является обеспечение качества конструкции. Качество ЭВМ – это результат не только производственного процесса, оно формируется на всех этапах конструирования и эксплуатации.

Показатели качества конструкции подразделяется на несколько групп. Основными являются показатели назначения, надежности, технологичности, стандартизации и унификации, эргономические, эстетические, патентно-правовые, экологические, экономические.

ПОКАЗАТЕЛИ НАЗНАЧЕНИЯ описывают эффект от использования ЭВМ по назначению и область ее применения. Показывают функциональные возможности, техническое совершенство, назначение ЭВМ, состав и структуру. Такими показателями являются технические характеристики: принцип управления, система команд, производительность, способ представления данных, разрядность, вид памяти и ее характеристики, количество и характеристики периферийных устройств и т.д.

ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ характеризуют возможность выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в необходимых пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонта и хранения и транспортировки. Наиболее важными являются показатели безотказности, долговечности, сохраняемости, ремонтопригодности, которые характеризуют противодействие конструкции внешним воздействиям и создание благоприятных условий для предупреждения и обнаружения причин повреждения и их устранения.

ПОКАЗАТЕЛИ ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ характеризуют эффективность конструкторско-технологических решений для обеспечения высокой производительности труда при изготовлении, эксплуатации и ремонте изделий ЭВМ. Технологичность в принципе определяет экономическую целесообразность выпуска изделий в производство. Технологичность имеет качественную и количественную оценку.

ПОКАЗАТЕЛИ СТАНДАРТИЗАЦИИ И УНИФИКАЦИИ характеризуют степень использования в конкретной ЭВМ стандартизованных деталей, узлов, блоков и других компонентов, а также уровень унификации составных частей конструкции. Унификация – низший уровень стандартизации - заключается в уменьшении многообразия конструкций, выполняющих в ЭВМ одинаковые или сходные функции. Унификации подвергаются механические детали, несущие конструкции, элементная база.

Стандартизация – завершающая стадия унификации, обеспечивает совместимость и взаимозаменяемость конструкции. Оценивается показателями применяемости и повторяемости.

ЭРГОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ характеризуют систему «человек-ЭВМ-среда». Они подразделяются на гигиенические, физиологические, психологические, антропометрические.

Эргономика- работа+закон- наука о человеке в условиях производства.

Антропометрия – система измерения человеческого тела и его частей.

ЭСТЕТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ характеризуют художественность, оригинальность, выразительность форм, гармоничность и целостность конструкции, цветовое и декоративное решение ЭВМ.

ПАТЕНТНО-ПРАВОВЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ служат для оценки степени патентной чистоты и патентной защиты конструкции ЭВМ

ПОКАЗАТЕЛИ ТРАНСПОРТИРУЕМОСТИ отражают приспособленность конструкции к транспортированию, к технологическим операциям, связанным с транспортированием.

ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ характеризуют затраты на проведение НИР и ОКР по разработке конструкции, на производство и эксплуатацию.

Между показателями разных групп существуют взаимосвязи, которые обязательно нужно учитывать при проектировании ЭВМ. Например, эргономические и эстетические показатели влияют на производительность, создавая удобство оператору, позволяя при одном и том же психологическом напряжении вводить больше информации в единицу времени, снижает вероятность ошибки.

1.3. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Условия эксплуатации характеризуются комплексом параметров, называемых внешними воздействующими факторами, которые изменяются в широких пределах. Из принято делить на 3 группы:

1. Климатические,

2. Механические,

3. Радиационные.

Климатические факторы: изменение температуры, изменение влажности окружающей среды; тепловой удар; изменение атмосферного давления; наличие движущихся потоков пыли, песка; наличие солнечного облучения, грибковых образований, насекомых и грызунов; дождь или брызги и прочее.

Механические факторы: воздействие вибрации, ударов, линейного ускорения, акустического удара; наличие невесомости.

Радиационные факторы: космическая радиация; ядерная радиация; облучение потоком быстрых нейтронов, бета-частиц, альфа-частиц и т.д.

Перечисленные факторы могут действовать независимо от других, некоторые факторы совместно с другими группами.

Коротко рассмотрим некоторые факторы, влияющие на технические характеристики ЭВМ.

Тепловой удар - резкое изменение температуры окружающей среды, при этом время изменения температуры исчисляется минутами, перепад - десятками градусов.

Влажность вызывает разрушение исходной структуры вещества; в металлах появляется коррозия, изоляционные материалы обладают влагопоглощением.

Грибковые образования выделяют ферменты, ускоряющие процесс разложения веществ. Грибковые образования возникают в условиях: относительная влажность 80-100% , t°=25-35°С, неподвижность воздуха, отсутствие света.

Вибрация - это колебания, возникающие в ЭВМ при контакте с источником колебаний.

Удар - быстрое изменение ускорения, характеризуется ускорением и длительностью удара.

Акустический удар - давление звуком, мощностью колебаний источника звуков, силой звука.

Космическая радиация выражается в возникновении процесса ионизации в материалах (проявляется в ЭВМ, используемых в космосе).

Облучение различными частицами может вызвать обратимые, полуобратимые или необратимые явления в веществах. Наиболее устойчивы металлы; у органических материалов ухудшаются механические и диэлектрические свойства.

Пример: Сопротивление резисторов, электрическая прочность конденсаторов уменьшаются, в полупроводниковых материалах появляются фототоки, искажающие процессы.

В зависимости от перечисленных климатических, механических и радиационных факторов ЭВМ делят на группы:

Характер и интенсивность воздействия внешних факторов зависят от объекта, на котором эксплуатируется ЭВМ. По виду объекта установки различают 3 группы ЭВС в соответствии с ГОСТ: стационарные, нормативные, транспортируемые.

Стационарные средства – аппаратура, эксплуатируемая в отапливаемых и неотапливаеых помещениях: бункеры, подвалы, производственный цех, лаборатория и т.д. Условия эксплуатации от -50 до + 50 градусов, влажность до 90-98 %, наличие многократных и одиночных ударов и т.д.

Транспортируемая ВТ – аппаратура, эксплуатируемая на автомобилях, автоприцепах (3 группа), на железнодорожном транспорте (5 группа), бортовая (8 группа), самолеты, ракеты. Характерны повышенные механические нагрузки. На аппаратуру 3 группы действуют вибрации до 200 Гц, удары, вызванные неровностями дороги. При движении ж/д транспорта характерны неожиданные точки как следствие изменения скорости движения, вибрации до 400 Гц, Особо жесткие условия на гусеничном транспорте (танк, трактор, самоходное орудие) – вибрация до 700 Гц, постоянное действие акустического шума до 150 Дб.

ВТ в морском исполнении устанавливается на больших кораблях, малых быстроходных катерах, подводных лодках. Характерны вибрации, ударные нагрузки, агрессивная среда (морская атмосфера). Вибрация вызывается работой винтов, двигателей, гребного вала. Диапазон частот не велик, не более 25 Гц, амплитуда небольшая, зависит от места расположения аппаратуры. На крейсере максимальные вибрации на кормовой части (0-25 ГЦ, амплитуда до 25 мм), на сторожевом катере большой уровень вибраций характерен для носовой части (частота до 1000 Гц с амплитудой до 1 мм). Морской воздух содержит много активных веществ, поэтому ЭА должна обладать высокой коррозийной стойкостью, водо- и брызгозащищенность.

Бортовая ВТ устанавливается на борту самолетов, вертолетов, управляемых снарядов, космических кораблях, искусственных спутниках Земли.

ВТ устанавливается в фюзеляжах самолетов, вибрации до 500 Гц, амплитуда до 10мм, акустический шум до 150 дБ. Аппаратура на борту ракет различного назначения находится в самых неблагоприятных условиях – вибрации носят сложный характер, определяемый воздействием двигателя и аэрокосмических эффектов. Вибрации беспорядочны, охватывают широкий диапазон частот от нескольких сотен Гц до нескольких тысяч Гц.

Портативная ВТ – калькуляторы, ноут-буки, вычислители, которыми пользуются строители, геологи, офицеры армии и т.д. Небольшие габариты, малая мощность потребления, высокая надежность делают эту технику незаменимой в работе, не требующей сложного программирования. Условия работы соответствуют зоне комфорта человека (акустический шум до 85 дБ, частота до 20 Гц, удары длительностью до 10 мс с ускорением 2g).

В таблице 1 приведены значения воздействующих факторов для различных групп наземных ЭВМ.

Таблица 1

Воздействующие факторы	Параметры	Стационарные ЭВС	Транспор- тируюмые ЭВС	Портативные ЭВС
Климатические
Пониженная температура, 0С	Предельная Рабочая	-40 5	-40 -25	-40 -10
Повышенная температура, 0С	Предельная Рабочая	55 40	60 50	60 50
Повышенная влажность	Относительная влажность % Температура, 0С Время выдержки,ч	80 25 48	93 25 72	93 25 72
Пониженное давление	Температура, 0С Давление, Па Время выдержки,ч	-10 6,1*104 2	-10 6,1*104 2	-10 6,1*104 2
Механические
Вибрация на одной частоте	Частота, Гц Ускорение, ед.q Время выдержки,ч	20 2 0,5	20 2 0,5	20 2 0,5
Вибрация в диапазоне частот	Диапазон частот Ускорение, ед.q Время выдержки,ч	- - -	10-80 0,8-3,8 12	10-80 0,8-3,8 12
Удары одиночные	Длительность, мс Ускорение, ед.q Общее число ударов	- - -	5-10 15 60	5-10 10 60
Удары многократные	Длительность, мс Ускорение, ед.q Общее число ударов	- - -	5-10 15 12.000	5-10 10 10.000

Каждой группе ЭВМ соответствуют свои условия эксплуатации, своя совокупность климатических и механических факторов. Параметры воздействующих на ЭВМ факторов в условиях эксплуатации необходимы конструктору для правильного выбора электронной базы, материалов, покрытий изделий, работоспособного в заданных условиях эксплуатации.

1. 4. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ТЕХНИЧЕСКИМ СРЕДСТВАМ ВТ

ЭВМ создаются на базе конструкции с учетом предъявляемых требований. Многообразие ЭВМ обусловило многообразие технических требований: к габаритам, потребляемой мощности, , стоимости, потребляемой мощности, защиты от внешних воздействий. Все требования должны быть учтены при разработке конструкции. Требования делятся на частные (относятся к одной ЭВМ) и общие (определяются ГОСТами и делятся на несколько групп).

Общие требования:

1. Тактико-технические

2. Конструктивно-технологические

3. Эксплуатационные

4. Надежностные

5. Экономические.

Первая группа включает требования к параметрам устройства (быстродействие, объем памяти, языки программирования и т.д.). Эти требования учитываются на стадии проектирования, необходимо предусмотреть техническую, программную, информационную, эксплуатационную совместимость устройств, входящих в состав ВМ В конструкции должны быть учтены меры по защите от воздействия климатических и механических факторов, ранее рассмотренных.

Климатические факторы	1 группа	8 группа
Пониженная температура, градусы	-40	-60
Повышенная температура, градусы	55	75
Рабочая температура, градусы	40	60
Относительная влажность,%	80	98
Механические факторы
Вибрации на одной частоте, Гц	20	20
Вибрация в диапазоне частот, Гц	-	до 2500

Вторая группа требований - модульный принцип построения, технологичность, минимальная номенклатура комплектующих изделий, ремонтопригодность, защита от несанкционированного доступа, обеспечение безопасной работы. Модульный принцип построения заключается в разбиении схемы на функционально законченные узлы, которые могут быть выполнены в виде типовых модулей, что позволяет автоматизировать процесс проектирования и изготовления типовых модулей , упростить сборку, организовать производство на разных предприятиях. Технологичность – это экономичность конструкции в условиях производства, рациональная структура с минимумом регулировочных и доводочных операций, максимумом стационарных деталей и материалов. Говорят это взаимозаменяемость, регулируемость, контролепригодность конструкции.

Третья группа – простота управления и обслуживания, предусмотрение сигнализации аварийных ситуаций. С эксплуатационными требованиями тесно связаны эргономические требования и требования инженерной психологии. Внешний вид должен быть эстетичным, органы управления удобны, доступны, не должны вызывать напряжения органов чувств у оператора.

Четвертая группа включает следующие параметры – вероятность безотказной работы, средняя наработка на отказ, срок службы, время восстановления работоспособности, средний срок сохраняемости.

Пятая группа – минимально возможные затраты времени, труда и материальных средств на разработку, изготовление и эксплуатацию ВТ.