Требования, предъявляемые к конструкции ЭВМ

Введение

Под ЭВМ понимают совокупность электронно-вычислительных средств, соединённых необходимым образом, способных получать, запоминать, преобразовывать и выдавать информацию с помощью вычислительных и логических операций по определённому алгоритму или программе.

Исторически наибольшее распространение (в силу своих преимуществ) получили цифровые ЭВМ , оперирующие с дискретной (цифровой) информацией. Поэтому при использовании термина «ЭВМ» обычно подразумевают класс цифровых ЭВМ как наиболее важный.

Основу ЭВМ составляют их технические средства (ТС), под которыми понимается физическое оборудование, участвующее в автоматизированной обработке данных.

Известно, что для выполнения автоматизированной обработки данных в состав ЭВМ включают ряд центральных и периферийных устройств, каждое из которых выполняет вполне законченные функции, т.е. является функционально законченной частью технического средства .

К центральным относят, как правило, следующие основные устройства: арифметико-логическое (АЛУ), центрального управления (ЦУУ) и пульт управления и сигнализации (ПУиС), образующие в совокупности процессор, а также основную (оперативную) память, реализуемую в виде оперативного запоминающего устройства (ОЗУ). Схемотехнически центральные устройства обычно представляют собой более или менее однородные повторяющиеся структуры и реализуются в основном на электронных элементах (микросхемах, транзисторах и т.п.) в виде определённых конструктивов (электронных узлов).

К периферийным относятся внешние запоминающие устройства (ВЗУ), представляющие собой накопители информации, работающие на различных физических принципах, например с использованием магнитных, оптических, бумажных и других носителей информации, а также устройства ввода (УВв) и вывода (УВ) информации. Номенклатура периферийных устройств, используемых в составе современных ЭВМ, достаточно широка: накопители, дисплеи, печатающие устройства, клавиатуры, сканеры, графопостроители и т.п. Значительная часть периферийных устройств наряду с электронными схемами содержит электромеханические и механические узлы, достаточно сложные в конструктивном отношении.

В совокупности с программным обеспечением, процедурами, документацией, обслуживающим персоналом и другими компонентами современные технические средства ЭВМ позволяют создавать мощные вычислительные системы различного назначения: автоматизированной обработки данных, управления, автоматизации проектирования и производства, обучения и др.

В настоящее время развиваются два основных направления повышения производительности вычислений. Первое направление – создание многомашинных вычислительных комплексов, в основе которых лежит либо использование ЭВМ с одинаковыми характеристиками, либо ЭВМ, имеющих различные быстродействие, структуру и состав, но технически и программно совместимых друг с другом. Второе направление – создание многопроцессорных вычислительных систем, основу которых составляет единая ЭВМ с расширенной сетью центральных и периферийных процессоров.

Требования, предъявляемые к конструкции ЭВМ.

ЭВМ создаются на базе конструкций с учётом предъявляемых к ним технических требований. Многообразие применений и классов ЭВМ обуславливает большое количество и различие технических требований: к габаритным размерам, потребляемой мощности, стоимости, защите от внешних воздействий и т.д. Каждое из требований определённым образом должно учитываться при разработке конструкций. От выполнения всего комплекса технических требований зависит качество конструкций.

Технические требования принято делить на частные, относящиеся только к конкретной ЭВМ и её составным частям, и общие .

Общие технические требования к ЭВМ и их техническим средствам определяются ГОСТ 16325 – 76, ГОСТ 21552 – 84, ГОСТ 20397 – 82 и др. Общие технические требования подразделяются на несколько взаимосвязанных групп: 1) к функциональным характеристикам; 2) по устойчивости к внешним воздействующим факторам ; 3) к радиопомехам; 4) к электропитанию, электрической прочности, сопротивлению изоляции и безопасности; 5) по обеспечению удобства эксплуатации; 6) по использованию комплектующих элементов; 7) к конструкции; 8) к маркировке, упаковке, транспортированию и хранению; 9) к патентной чистоте.

В зависимости от особенностей разрабатываемых изделий содержание и номенклатура групп требований могут уточняться. Наибольшее влияние на конструкцию ЭВМ оказывают следующие группы требований.

- Требования к функциональным характеристикам. В эту группу входят требования по показателям назначения и параметрам, характеризующим основные функции (например, производительность ЭВМ, время выполнения операции, разрядность, объём оперативной памяти, точность и др.). Конструкции технических средств, предназначенных для построения комплексов, сетей ЭВМ, должны также обладать технической, программной, информационной и эксплуатационной совместимостью, что определяет соответствующей элементной и конструктивной базы.

- Требования по устойчивости к внешним факторам. Влияние внешних факторов во многом определяет возможности нормального функционирования ЭВМ. Так, изменение температуры влияет на параметры ИМС и ЭРЭ: при определённых граничных значениях температуры (плюсовом и минусовом) работоспособность ЭВМ может быть нарушена. Кроме того, повышение рабочей температуры снижает их надёжность. Колебания температуры могут привести в механических узлах конструкции к изменению типа посадок, вызвать ослабление крепления, температурные напряжения. Воздействие низких температур ухудшает прочностные характеристики материалов, эластичность упругих элементов.

Понижение атмосферного давления отрицательно влияет на условия теплоотвода в конструкциях ЭВМ, что связано со многими нарушениями нормального функционирования ЭВМ, к которым приводит рост температуры. Повышенная влажность может вызвать коррозию деталей и несущих конструкций, которой особо способствуют наличие активных веществ в атмосфере, солнечная радиация, пыль и песок. Снижается сопротивление изоляции между гальванически не связанными цепями вследствие чего также нарушается работоспособность ЭВМ.

Поскольку существует опасность выхода из строя аппаратуры при воздействии вышеперечисленных факторов, процесс разработки ЭВМ направлен на выбор такой элементной базы, материалов и конструкций, которые в совокупности обеспечили бы устойчивость технических средств ЭВМ к внешним воздействиям заданной интенсивности.

Обычно по устойчивости к внешним воздействующим факторам технические средства ЭВМ делятся на группы или категории. Так, по устойчивости к воздействию климатических факторов в процессе эксплуатации технические средства стационарных ЭВМ общего назначения (например, изделия Единой системы ЭВМ) подразделяют на группы в соответствии с данными, указанными в.

Технические средства вычислительной техники, предназначенные для создания систем автоматизированного управления, а также встраиваемые в машины, оборудование и приборы (например, изделия вычислительной техники Системы малых ЭВМ), обычно должны работать в более жёстких условиях эксплуатации, чем стационарные конструкции. В связи с этим здесь устанавливается большее число групп (категории) по устойчивости к воздействию климатических факторов (табл. 2).

Нормальными климатическими условиями эксплуатации технических средств в ЭВМ считаются: температура окружающего воздуха (293±5)К, относительная влажность (60±15)%, атмосферное давление от 84 до 107 кПа (от 630 до 800 мм рт. ст.). Допустимый перегрев воздуха внутри изделий не должен превышать более чем на 20 К верхнее значение температуры воздуха, поступающего для охлаждения.

Изделия вычислительной техники предназначены для эксплуатации на различных объектах, используемых в одном или нескольких макроклиматических районах. Климатические воздействия в таких районах различны, поэтому климатическое исполнение изделий осуществляют в соответствии с ГОСТ 15150 – 69.

Различают десять основных климатических исполнений изделий :

- У – для умеренного климата со среднегодовым максимумом и минимумом рабочих температур 313 и 228 К;

- УХЛ – для умеренного и холодного климата, когда абсолютные минимумы температуры воздуха ниже 228 К;

- ТВ – для влажного тропического климата, где сочетание температуры, равной или выше 293 К, и относительной влажности, равной или выше 80%, наблюдается примерно 12 ч или более в сутки за непрерывный период от 2 до 12 месяцев в году;

- ТС – для районов сухого тропического климата, в которых средняя ежегодная абсолютная максимальная температура воздуха выше 313 К и которые не отнесены к макроклиматическому району с влажным тропическим климатом;

- Т – как для сухого, так и для влажного тропического климата;

- О – для любого климата (общеклиматическая);

- М – для умеренно холодного климата (в районах морей, океанов или непосредственно на морском берегу, если эти районы расположены севернее 30° северной широты и южнее 30° южной широты);

- ТМ – для тропического морского климата при нахождении изделия в морях и океанах между 30° северной широты и 30° южной широты;

- ОМ – общеклиматическое морское исполнение для кораблей с неограниченным районом плаванием;

- В – всеклиматическое исполнение для суши и моря (кроме Антарктиды).

Применение климатического исполнения для технических средств ЭВМ даёт возможность количественно оценить весь комплекс требований к конструкциям ЭВМ по устойчивости к внешним климатическим воздействиям. Изделия вычислительной техники различных климатических исполнений в зависимости от места размещения при эксплуатации в воздушной среде до высоты 4,3 км, а также под землёй и водой изготавливают по соответствующим категориям размещения. Данные категории размещения не распространяются на летательные и космические аппараты.

Кроме требований по устойчивости к климатическим воздействиям, к конструкции технических средств ЭВМ предъявляются также требования по устойчивости воздействия механическим, радиационным и др. Численные значения этих требований устанавливаются стандарты либо в технических условиях на конкретные изделия ЭВМ. Например, нормирование факторов может быть произведено по ГОСТ 16962 – 71 с указанием степени жёсткости. Воздействие большинства механических и некоторых климатических факторов (тепловые удары, пыль, песок, насекомые и др.) может привести к механическим нарушениям отдельных ЭРЭ и деталей, резьбовых соединений, а следовательно, к нарушению работоспособности аппаратуры. В связи с этим изделия ЭВМ в упакованном виде должны сохранять работоспособность и внешний вид после ударных нагрузок многократного действия с пиковым ударным ускорением не более 15 g при длительности ударного импульса 10...15 мс.

- Требования по использованию комплектующих элементов. В конструкциях ЭВМ необходимо, например, использовать элементную базу (ИМС, ЭРЭ и др.), материалы и покрытия, разрешённые к применению соответствующими перечнями. Элементная база не должна эксплуатироваться в режимах и условиях, более тяжёлых по сравнению с оговорёнными в технической документации на эти элементы

- Требования к конструкции. Эта группа требований определяет наиболее рациональные решения конструктивной базы. Основные из них заключаются в следующем.

Технические средства ЭВМ желательно выполнять на основе определённых систем базовых конструкций с учётом заданного конструктивного исполнения основных типоразмеров, применяя модульный либо блочно агрегатный принцип. Следует максимально использовать унифицированные конструкции.

Конструктивная база призвана обеспечивать: единство внешнего оформления изделий ЭВМ с учётом требований эргономики и технической эстетики, единство конструкции разъёмных соединений; надёжность в работе. Конструкция изделия ЭВМ должна гарантировать: удобство эксплуатации, доступ ко всем сменным и регулируемым элементам, возможность ремонта.

Количественные значения показателей надёжности технических средств ЭВМ устанавливаются для нормальных климатических условий эксплуатации. Средний срок службы современных изделий ЭВМ должен быть не менее 10 лет.

В группу требований конструкции включаются также требования: по способам крепления монтажных деталей, несущих конструкций и сборочных единиц, по конструкциям органов управления, к массе изделий и др. В частности, конструкции и расположение разъёмных резьбовых соединений обязаны допускать возможность удобного пользования слесарно-монтажным инструментам. Номенклатура применяемых резьб должна быть минимальной, а резьбовые соединения предохранены от самоотвинчивания. Не рекомендуется разрабатывать отдельные сменные блоки массой свыше 30 кг.

Необходимо, чтобы конструктивное исполнение ЭВМ обеспечивало также организацию серийного производства, а их элементная и конструктивная база была технологичной. Особые требования предъявляются к показателям, характеризующим технологическую рациональность конструктивных решений, а также к показателям преемственности конструкции.

Заключение

Любое производство имеет свои особенности, которые предоставляют возможности выполнения норм, задаваемых в технической документации, разработанной при проектировании. Чтобы производство было экономичным, а его результаты давали высокие количественные и качественные показатели изделия, нужно, чтобы его конструкция была технологичной, т.е. изготавливалась с минимальными затратами материалов, энергии и труда. Поэтому существенны связи конструкции с производственным процессом, приводящие к влиянию на технологические свойства и параметры изделия.

Воздействия окружающей среды на изделия зависят от места, времени и обстоятельств их функционирования. Поэтому все проявления окружающей среды в отношении основных свойств и параметров конструкции обязательно следует учитывать при конструировании, а готовые изделия перед эксплуатацией должны быть испытаны, т.е. необходимо экспериментально определить количественные и качественные характеристики их свойств.

Износ, моральное старение и некоторые другие факторы, проявляющиеся при эксплуатации или хранении изделий, приводят к необходимости их утилизации.

Таким образом, этапы «рождения», «жизни» и «смерти» изделия взаимосвязаны и решение задач по их оптимальному проектированию и производству должно осуществляться комплексно на основе учёта этих этапов. Необходимо целостное всестороннее рассмотрение всех вопросов проектирования и производства изделий с учётом их развития на других этапах в процессе взаимодействия с окружающей средой и человеческим обществом. Такой подход к проектированию и производству называется системным .