Основные проблемы конструирования ЭВМ (стр. 1 )

1.1 Основные проблемы конструирования ЭВМ.

Особенности конструирования ЭВМ

•  Основными являются электрические соединения между элементами и узлами, так как они обеспечивают физические процессы функционирования и являются компонентами, которые могут вызвать искажение сигналов и появление ложных. Механические соединения играют вспомогательную роль.

•  Форма конструкции оказывает незначительное влияние на процесс передачи сигналов, поэтому она слабо связана со схемой, которая в ней реализуется.

•  Необходимость учёта дестабилизирующих воздействий на ЭВМ.

Конструкция ЭВМ является сложной системой, при проектировании которой используется блочно-иерархический подход, который заключается в декомпозиции объектов и задач с разной степенью детализации их описания и иерархической подчиненностью этих описаний.

Исходя из назначения конструкции ЭВМ и смысла процесса конструирования, конструктор должен определить: форму, размеры, материалы конструкторских узлов и их деталей, способы их электрического и механического соединений и реализовать в конструкторском узле или в их совокупности электрическую схему.

В конструировании можно выделить две в определенной степени независимые задачи:

1 задача – разработка конструкции как средства электрического и механического соединения входящих в узел компонентов. Она включает:

1) выбор формы;

2) геометрическую компоновку;

3) разработку конструкции деталей и всего узла в целом.

2 задача – схемно-топологическое конструирование – предполагает топологическую реализацию части схемы в монтажном пространстве соответствующего конструктивного узла или модуля. Эта задача имеет высокую размерность. В соответствии с преследуемыми целями она декомпозируется на подзадачи:

1) схемная компоновка – определение схемы, которую необходимо реализовать в данном модуле или его части;

2) размещение – определение положения элементов схемы в монтажном пространстве или его части;

3) трассировка – определение траекторий линий связи.

При конструировании требуется обеспечить:

•  нормальный тепловой режим;

•  гарантированные показатели помехозащищенности и помехоустойчивости;

•  требуемые значения показателей надежности;

•  эффективность защиты от механических и прочих воздействий;

•  установленное в ТЗ быстродействие;

•  конструктивно-технологические в том числе массо-габаритные характеристики.

Удовлетворение указанных требований порождает соответствующие проектные задачи.

1.2 Методы повышения надежности.

Надёжность – это способность объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять объектом требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования.

Методы повышения надежности:

•  Использование электрорадио компонентов и конструктивных элементов с высокими показателями надежности.

•  Применение способов монтажа, обеспечивающих более низкую интенсивность отказов электросоединений.

•  Разработка конструкций, обеспечивающих более эффективную защиту от дестабилизирующих факторов.

•  Использование облегченных тепловых и электрических режимов работы комплектующих элементов.

•  Резервирование (надежность повышают за счет использования избыточных элементов, частей схемы или КМ в целом.)

2.1 Выбор формы и определение размеров типовых конструкций.

Одна из проблем, которые решаются при разработке конструкций ЭВМ, — сокращение потерь быстродействия из-за конечной скорости распространения сигналов по линиям межэлементных связей. Общая задержка сигналов при преобразовании информации складывается из задержек сигналов в логических элементах и времени распространения сигналов в линиях связи, т. е.

При скорости распространения сигнала по линии связи межэлементная связь длиной 30 см дает задержку сигнала в 1,5—2 нс, что сопоставимо с задержкой быстродействующего логического элемента. Реальные потери быстродействия из-за задержек сигналов в линиях связи оказываются довольно значительными, например в вычислительных машинах фирмы «IBM» время распространения сигнала по линиям межэлементных связей составило 70-80 % длительности цикла.

Длина линии связи между наиболее удаленными участками типовой конструкций зависит от ее компоновочной схемы. В связи с этим возникает задача выбора такой пространственной геометрии конструктивного модуля, которая при данном его объеме обеспечивала бы минимальную длину линии связи между наиболее удаленными элементами.

Пространственная геометрия модулей прямоугольной конструкции. Наиболее общей компоновочной схемой конструктивного модуля высокого уровня является многомерная схема, показанная на рис. 1.

По этой схеме, как правило, выполняются стойки универсальных и специальных ЭВМ. В соответствии с рисунком длина линии связи между наиболее удаленными элементами

(1)

где - суммарная длина блоков; - высота стойки; — ширина стойки; - часть линии связи, проходящая внутри блока в направлении, совпадающем с .

Полагая уравнение (1) запишем в виде

(2)

где k — коэффициент, зависящий от конструктивного обрамления блоков.

Для определения оптимального соотношения между пространственными параметрами модуля, обес­печивающего минимальную длину связи при данном его объеме воспользуемся методом геометрического программирования Рис. 1. Полагаем, что ; ; ; , где ; ; ; ; .

Целевая функция задачи примет вид:

при ограничении .

Минимальное значение

(3)

где — веса, подчиняющиеся условиям ортогональности: ; ; ; и условию нормализации . Эти условия образуют систему из четырех линейных уравнений с четырьмя неизвестными, которая имеет единственное решение: ; .

Подставив в (3) значения и , получим:

; (4)

(5)

где - задержка распространения сигнала на единице длины линии связи.

Для однорамной стойки минимальная длина линии связи ; (6)

В точке оптимума коэффициенты , , представляют собой относительные величины членов , , т. е.

(7)

Отсюда и, учитывая, что ; ; , получим оптимальное соотношение между пространственными параметрами стойки:

(8)

Рис. 2. Компоновочная схема многорамной стойки	Рис. 3. Двухмерная компоновка субблоков

При заданном значении на основании (7) можно вывести формулы для расчета геометрических размеров стойки:

; ; ; (9)

где ; — допустимая задержка сигнала в линии связи.

Выражение (5) позволяет на этапе эскизного проектирования получить оценку снизу ожидаемой задержки сигнала в линиях связи разрабатываемой типовой конструкции i-го уровня на основе априорных представлений о количестве входящих в нее элементов (i-1)-го уровня и плотности их компоновки. Анализ выражений (4) и (6) показывает, что двухмерная компоновка типовых элементов, т. е. однорамная стойка, обеспечивает меньшую длину линии связи между наиболее удаленными элементами стойки, чем трехмерная.

Решим задачу определения оптимальной геометрии функциональных устройств, размещаемых в панелях или блоках, для обеспечения минимальной потери быстродействия в линиях связи внутри них. Общей компоновочной схемой субблоков в блоках стационарных ЭВМ является двухмерная, показанная на рис. 3.

Сформулируем задачу определения оптимальной геометрии блока как задачу геометрического программирования. Длина части линии связи, проходящая внутри типового элемента замены, зависит от качества решения задачи трассировки соединений между микросхемами. В некоторых случаях при размерах типового элемента замены 140 X 150 мм длина линии связи в блоке достигает значения 600 мм. Запишем ее в виде , тогда

(10)

где - коэффициент, учитывающий качество трассировки (при отсутствии ограничений на длину связей в ТЭЗ ). Объем блока

(11)

На основании (10) и (11) целевая функция задачи будет: при ограничении .

Решение задачи дает следующие результаты: минимальная длина линии связи блока

(12)

оптимальное соотношение геометрических размеров блока (13)

Выражения для расчета размеров при заданном значении длины линии связи будут:

(14)

(15)

Выбор компоновочной схемы многорамной стойки (конструкция типа ЕС ЭВМ). Выше было отмечено, что при одном и том же объеме устройства однорамная конструкция стойки обеспечивает меньшую длину линии связи между наиболее удаленными микросхемами, чем многорамная. Однако при большом количестве оборудования, размещаемого в стойке, размеры платы ТЭЗ могут оказаться слишком большими и не позволят обеспечить механическую прочность и надежность ТЭЗ. Например, для устройства объемоммикросхем подсчитано, что L; = 1080 мм. При однорамной компоновке стойки это значение будет соответствовать длине ТЭЗ, а максимально допустимый размер стороны платы ТЭЗ равен 470 мм. В связи с этим стойки основных устройств универсальных ЭВМ, в которых число микросхем достигает нескольких десятков тысяч, приходится делать многорамными при большом числе блоков в раме.

Определим оптимальное соотношение где и — количество вертикальных и горизонтальных рядов блоков в раме; — количество рам в стойке.

Для выбора компоновочной схемы многорамной стойки используем соотношение (8), приняв k = 0 на том основании, что связи между блоками являются внутрирамными. Выражение (8) примет вид

(16)

Запишем ; ; . Из формул (14) и (15) имеем .

Подставив в (16) выражения для получим оптимальное соотношение

(17)

В частном случае при приходим к соотношению .

2.2 Модульный принцип конструирования.

Конструирование – один из завершающих этапов процесса проектирования, который заключается в физической реализации принятых схемотехнических решений.

Конструкция ЭВМ состоит из большого количества разнородных компонентов, имеющих различное назначение. Таким образом, конструкция ЭВМ является сложной системой, при проектировании которой используется блочно-иерархический подход, заключающийся в декомпозиции объектов и задач с разной степенью детализации их описания и иерархической подчиненностью этих описаний.

Конструкция ЭВМ состоит из конструктивных модулей разных уровней иерархии.

Конструктивный модуль (КМ) – любой узел ЭВМ, имеющий законченное конструктивное оформление, самостоятельную технологию производства и стандартные средства электрического и механического соединения.

Геометрические размеры, средства механического и электрического соединения должны обеспечивать входимость КМ низшего уровня в КМ высшего уровня. Конструктивная иерархия в общем случае не совпадает со схемной/функциональной, определяемой по принципу функциональной законченности.

Рассматриваемый принцип обеспечивает производство КМ одного или разных уровней иерархии по независимым технологическим циклам, т. е. специализацию производства, а также высокий уровень конструктивно-технологической унификации деталей, составляющих КМ.

Вывод: рассматриваемый принцип конструирования дает возможность использования прогрессивного, высокопроизводительного и прецизионного оборудования для изготовления, монтажа и контроля, а также прогрессивных технологических методов изготовления деталей и их сборки.

Количество уровней иерархии КМ, определяется сложностью схемы, степенью интеграции элементной базы, назначением ЭВМ и экономическими факторами.

При использовании этого принципа следует иметь в виду функционально-узловой метод проектирования. В соответствии с ним схема разбивается на функционально законченные части, которые реализованы в КМ либо в их совокупности, причем КМ одного уровня могут иметь разные геометрические размеры.

КМ одного из уровней оформляют в виде легкосъемной конструкции, имеющей разъем. Он называется типовым элементом замены (ТЭЗ). Это обеспечивает высокую степень ремонтопригодности.

Пять уровней КМ:

1 уровень – многокристальный (многочиповый) модуль

2 уровень – плата

3 уровень – блок

4 уровень – каркас

5 уровень – шкаф

Достоинства:

•  специализация производства;

•  высокий уровень конструктивно-технологической унификации узлов, стендовой и контрольно-испытательной аппаратуры;

•  хорошая ремонтопригодность;

•  возможность реализации схемы практически любой сложности.

Недостатки:

•  увеличение потерь быстродействия из-за задержек в линиях связи;

•  снижение возможных показателей надежности из-за большого количества паяных, разъемных соединений и увеличения длин линий связи.

3.1 Выбор оптимальных соотношений размеров панели.

Где - коэффициент, учитывающий качество трассировки (при отсутствии ограничений на длину связей в ТЭЗ ). Объем блока

Целевая функция: при ограничении

Откуда:

минимальная длина линия связи блока:

оптимальное соотношение геометрических размеров блока: . При заданном значении длины линии связи: ; .

Определение оптимальной компоновочной схемы блока

Количество рядов субблоков по горизонтали определяется: размером l1 блока, толщиной субблока и величиной необходимого зазора между субблоками.

Количество рядов субблоков по вертикали NВ зависит от коэффициента трассировки и отношения lТ/bТ, значения которого устанавливаются отраслевыми стандартами (ОСТ).

;

Пример расчета пространственной геометрия блока

Исходные данные:

Длительность такта синхронизации:

Задержка сигнала между наиболее удаленными точками не более 0,18Тс

Решение:

Допустимая задержка сигнала в линии связи:

Считая, что внутриблочные связи выполнены печатными проводниками на многослойной печатной плате, примем

Тогда допустимая длина линии связи: .

Откуда размеры основания панели: .

Пусть kТР = 2, тогда длина ТЭЗ: .

3.2. теплообмен естественной конвекцией.

Элементы, выделяющие теплоту, называют источниками, поглощающие – стоками, а сам процесс передачи тепловой энергии – теплообменом.

Конвекция связана с движением жидкой или газообразной среды, соприкасающейся с твердым телом – элементом конструкции. Конвекция заключается в совместном действии теплопроводности среды, запасания энергии в ней и перемешивания среды. Конвекция может быть естественной и вынужденной. Естественная – обусловлена движением среды за счет разности плотностей холодной и нагретой областей. Вынужденная (принудительная) – за счет движения среды под действием вынуждающих сил.

Конвекция описывается законом Ньютона-Рихмана:

где:

·  – тепловая энергия, передаваемая от i-го тела к среде (и наоборот);

·  – удельная тепловая проводимость (зависит от теплофизических и кинематических параметров среды, а также от формы, размеров элементов конструкции и их ориентации относительно потоков среды);

·  – площадь i-го тела, находящаяся в контакте со средой.

При анализе теплообмена конвекцией используются следующие критериальные уравнения.

Критерий Нуссельта		Критерий Прандтля
Критерий Грасгофа		Критерий Рейнольдса

Где:

·  L – определяющий размер (например, высота стенки при продольном обтекании ее потоком среды);

·  g = 9.8 м/с2;

·  – коэффициент объемного расширения среды [1/K];

·  – коэффициент кинематической вязкости [м2/c];

·  – коэффициент температуропроводности [м2/c];

·  V – скорость движения среды.

Естественная конвекция в неограниченном пространстве.

1. Теплообмен неограниченного цилиндра (проводной или струнный монтаж l/d>100)

При ламинарном режиме движения среды

,

где – коэффициент, учитывающий теплофизические параметры среды и являющийся функцией температуры (берется из справочников).

2. Теплообмен плоской и цилиндрической стенок

, если (1)

иначе, (2)

где A2,A3 – аналоги A1;

– коэффициент, учитывающий отношение давление внутри конструкции к давлению окружающей среды;

– коэффициент ориентации, учитывающий ориентацию плоскости относительно потока среды.

Теплообмен конвекцией в каналах

Канал – область между двумя субблоками или субблоком и стенкой блока или рамы. Канал считают плоским и его размеры принимают следующими:

, где:

– суммарный объем деталей, установленных на платах; – размер платы в направлении, перпендикулярном плоскости чертежа.

Коэффициент теплообмена конвекцией не постоянен по высоте и ширине канала. В расчетах пользуются средними значениями, считая a и V (скорость) постоянными.

Естественная конвекция в канале. Среда – воздух

Если канал ориентирован вертикально, скорость движения воздуха постоянна по длине канала и , то коэффициент теплообмена конвекцией не зависит от координат:

4.1 Основные тенденции развития ВТ, влияющие на конструирование

1. Основная тенденция – повышение уровня интеграции элементной базы и её быстродействия.

2. Рост сложности аппаратуры и плотности её компоновки.

3. Снижение относительных габаритов активных элементов и энергетического уровня сигналов.

4. Рост удельной выделяемой мощности активных элементов.

5. Увеличение потерь быстродействия из-за задержек сигналов в линиях связи.

4.2 Расчет геометрических размеров панели и ТЭЗ.

Решим задачу определения оптимальной геометрии функциональных устройств, размещаемых в панелях или блоках, для обеспечения минимальной потери быстродействия в линиях связи внутри них. Общей компоновочной схемой субблоков в блоках стационарных ЭВМ является двухмерная, показанная на рис. 3.

Сформулируем задачу определения оптимальной геометрии блока как задачу геометрического программирования. Длина части линии связи, проходящая внутри типового элемента замены, зависит от качества решения задачи трассировки соединений между микросхемами. В некоторых случаях при размерах типового элемента замены 140 X 150 мм длина линии связи в блоке достигает значения 600 мм. Запишем ее в виде , тогда

(10)

где - коэффициент, учитывающий качество трассировки (при отсутствии ограничений на длину связей в ТЭЗ ). Объем блока

(11)

На основании (10) и (11) целевая функция задачи будет: при ограничении .

Решение задачи дает следующие результаты: минимальная длина линии связи блока

(12)

оптимальное соотношение геометрических размеров блока

(13)

Выражения для расчета размеров при заданном значении длины линии связи будут:

(14)

(15)

(Конкретный пример смотри в книге на страницах 25-26)

5.1 Выбор оптимальных соотношений размеров многорамной стойки.

Одна из проблем, которые решаются при разработке конструкции ЭВМ, – сокращение потерь быстродействия из-за конечной скорости распространения сигналов по линиям межэлементных связей.

Общая задержка сигналов при преобразовании информации складывается из задержек сигналов tз. л.э в логических элементах и времени распространения сигналов tз. л.с в линиях связи.

Длина линии связи между наиболее удаленными участками типовой конструкции зависит от ее компоновочной схемы. В связи с этим возникает задача выбора такой пространственной геометрии конструктивного модуля, которая при данном его объеме обеспечивала бы минимальную длину линии связи.

Последовательность решения задачи:1)выбрать критерий оптимизации;2)разработать модель;3)выявить влияющие факторы, т. е. варьируемые параметры;4)определить ограничения;5)найти зависимость целевой функции от варьируемых параметров;6)получить формальную постановку задачи;7)выбрать метод решения и реализовать его, выполняя необходимые преобразования.

Критерий – минимум длины линии связи между двумя наиболее удаленными точками конструктивного модуля.

Возможные методы решения:1)Поиск экстремумов функции.2)Использование методов теории геометрического программирования – совокупность методов решения комбинаторных задач непрерывной оптимизации.

Стандартная формулировка задачи геометрического программирования:

Найти , при , где – варьируемые параметры,