Лекция 15. Основы проектирования вычислительных систем и сетей

План: 1. Стадии и этапы проектирования.

2. Технология проектирования.

Проектирование средств вычислительной техники можно разбить на две стадии:

- изучение требований эксплуатации и всех материалов, характеризующих данное средство вычислительной техники. На основе анализа технических и производственных возможностей промышленности составляется техническое задание на разработку средства вычислительной техники, выбирается общая идея конструктивного решения и определяются проблемы, которые необходимо решить.

- разрешение проблем, детальная проработка конструкции и оформление её в виде конструкторских документов.

При этом обычно реализуются следующие этапы проектирования.

Подготовительный этап. На этом этапе выполняется изучение условий эксплуатации и задач, для решения которых предназначаются средства вычислительной техники. Цель этапа является подготовка технического задания.

Техническое задание – это документ, в котором определяются все эксплуатационные характеристики проектируемого устройства:

- назначение средств вычислительной техники,

- условия эксплуатации, хранения и транспортировки,

- основные технические характеристики: скорость и точность обработки информации, конструкторские параметры, надежность, стоимость, общетехнические требования (пределы температуры окружающей среды, ее влажности, колебания напряжения сети, помехозащищенность и т.д.), требования к источникам питания, возможно рекомендуемые для использования схемные элементы.

Эскизное проектирование. Заключается в определении возможностей разработки средства вычислительной техники, отвечающего заданным техническим требованиям. На данном этапе решаются следующие задачи:

- определение технической основы (т.е. физических элементов и деталей), на которой будет построено средство вычислительной техники,

- определение системы функциональных, специализированных и вспомогательных элементов,

оценка ориентировочного количества оборудования,

- разработка структуры средства вычислительной техники,

определение технических характеристик средства вычислительной техники и устройств, входящих е его состав: тип средства вычислительной техники, системы счисления и методы кодирования информации, адресность, разрядность машинного слова, состав команд, типы запоминающих устройств (ЗУ) и их ёмкость, время обращения к каждому из них; типы арифметических устройств, среднее быстродействие, типы входных устройств, для которых указываются скорость ввода, количество входной информации и входных каналов; типы выходных устройств со следующими характеристиками: скорость вывода информации, количество и вид выводимой информации; потребляемая мощность и типы источников питания; условия эксплуатации.

Большое внимание уделяется анализу алгоритмов решаемых задач, поскольку они в значительной степени определяют логическую структуру средства вычислительной техники. На этой основе определяется состав основных устройств и требуемые технические характеристики. Если окажется, что построить средство вычислительной техники, отвечающее сформулированным требованиям, невозможно, то перерабатывается все техническое задание. Анализ алгоритмов осуществляется моделированием их на существующих вычислительных машинах, что позволяет автоматизировать ряд этапов проектирования.

Техническое проектирование. На данном этапе решаются следующие задачи:

- подробная разработка принципа работы средства вычислительной техники и всех её составляющих блоков, уточнение технических характеристик;

- разработка конструкции блоков, узлов и устройств средства вычислительной техники, получение конструкторских характеристик;

- разработка технологии изготовления всех составляющих средство вычислительной техники устройств;

- согласование работы всех устройств;

- определение методики сборки, наладки и испытаний средства вычислительной техники.

Разработка принципиальных электрических схем является одним из самых трудоемких процессов проектирования средств вычислительной техники. Трудность заключается в том, что до настоящего времени нет еще достаточно разработанных методов анализа (или расчета) нелинейных электрических цепей. Расчеты, как правило, выполняются с упрощениями, да и то для отдельных режимов работы схемы. Доработка этих схем осуществляется экспериментальным путем, на что уходит много времени и трудозатрат. При этом применение методов физического моделирования не всегда дает оптимальные варианты. Получение таких вариантов возможно с применением методов математического моделирования. Математическое моделирование параметров деталей электронных схем на ЭВМ, исследование различных режимов их работы позволяют существенно ускорить стадию разработки электрических схем, выявить количественные характеристики основных параметров схем, степень влияния тех или иных схемных элементов на выходные параметры, произвести обоснованный выбор номинальных значений и допусков на эти параметры.

Для математического моделирования широко используется цифровые модели схемных элементов. Такие модели описывают принятую физическую модель проектируемого элемента или устройства. Основная трудность составления цифровых моделей для схемных элементов средств вычислительной техники заключается в наличии большого количества нелинейных функциональных связей между учитываемыми параметрами.

Проверка работоспособности проектируемых узлов и определение возможностей монтажа схем проводится методом их лабораторного макетирования.

Монтажно-конструкторское проектирование начинается после завершения разработки принципиальных электрических схем и выбора типового конструктивного элемента. Производится разбиение электронных схем устройств на конструктивные элементы. При этом должны быть соблюдены следующие условия:

- схемное содержание типового элемента по возможности должно быть логически законченным и обеспечивать возможность электрической проверки;

- количество связей между типовыми элементами должно быть минимальным;

- минимизировано количество видов типовых элементов.

Разработка конструкции средства вычислительной техники производится разработчиками схем совместно с технологами, монтажниками и наладчиками. Правильно выбранная конструкция позволяет хорошо и быстро провести монтажные работы и обеспечивает удобство наладки и эксплуатации.

Важным требованием является обеспечение возможности монтажа, способствующего снижению потерь и помех.

В процессе проектирования целесообразно разрабатывать несколько вариантов размещения оборудования с тем, чтобы и из них можно было выбрать наиболее удовлетворяющий техническому заданию.

По завершении этапа технического проектирования составляется документация для изготовления опытного образца. Последний изготавливается в товарном виде и предназначается для окончательной отработки всех моментов, связанных с изготовлением серийного средства вычислительной техники. Если возникает необходимость, то дорабатывается и уточняется техническое задание.

Таким образом, весь процесс проектирования и производства средств вычислительной техники имеет итерационную природу и допускает внесение необходимых доработок вплоть до момента промышленного выпуска готового изделия.

Литература:

1. Тынымбаев С.Т. Вычислительные машины, системы, комплексы и сети. Учебник для вузов. 2-ое издание. – Алматы:: Рауан, 1997-366с.

2. Галкин В.А., Григорьев Телекоммуникации и сети. М.: изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003 – 608с : ил.